1、中国钢桥技术发展,侯文葳（中国铁道科学研究院，研究员),历史回顾,历史回顾,中国建设钢桥的历史可以追朔到百年以前，在我国7万多公里的铁路线上，有8000多座钢桥在服役，其中超过百年的老龄钢桥有160多孔。 1907年建成的上海外白渡桥，1909年通车的兰州黄河老桥都成为历史文物，受到保护。而早期的老龄钢桥大多是外国人设计并建造。,1934年1937年，39岁的茅以升先生带领中国工程师设计并监造了钱塘江大桥（主跨65.84m，全长1453m），开创了我国自行建造钢桥的历史,历史回顾,中国最早的钢桥制造厂有超过百年的历史（1894），但是，直到50年代初期，桥梁工厂只有制造铆接桥的技术。1956年
2、，苏联专家与中国技术人员合作，在沈阳桥梁厂试焊成功第一孔24米焊接板梁，此后，第一批320孔24m焊接板梁桥，架设在石太线和湛江附近支线上，这是我国第一次制造焊接桥。,1957年，借助前苏联专家的技术和材料，中国建造完成了武汉长江公铁两用大桥。桥梁全长1155.5m，主跨128m，该桥的建设培养了中国第一批钢桥设计、施工、制作、研究的科学技术人员，为中国钢桥事业的发展奠定了基础。,1968年，中国人靠自己的技术、材料，自行设计建造了正桥长1576m，铁路桥全长6772m，公路桥全长4588m的南京长江大桥,主跨160m，首次使用国产的16Mnq钢。,三堆子金沙江桥（主跨194m),六十年代中期
3、，在中国西南成昆铁路建设中，由科研、设计、施工、制造单位组成了栓焊梁战斗组，系统地研究了栓焊钢桥建造技术，编制了我国最早的栓焊钢梁设计暂行办法，并以此为指导，在成昆线上建成了不同形式的栓焊钢桥44座，结束了中国铆接钢桥的历史，开创了中国栓焊钢桥技术发展的新纪元。,中国钢桥建设新成就,中国钢桥建设新成就,上世纪九十年代以来，我国国民经济的高速发展，带来了桥梁事业从来没有过的兴旺。在铁路桥方面，1993年使用国产15MnVNq钢建成了主跨214m的九江长江大桥，2002年使用国产14MnNbq钢建成了的主跨312m的芜湖长江大桥。主跨504m的武汉天兴州长江大桥已经建成，主跨336m的南京大胜关长
4、江大桥已经合龙。创造我国公铁两用桥的多项新纪录。,芜湖长江大桥全长约10公里，主跨为312米的双层公铁两用矮塔斜拉桥，钢桁梁形式。公路为组合桥面板。该桥首次采用国产q370型钢（ 14MnNb），其低温冲击韧性达到-40oC达到41J。,钢桁梁桥采用整体节点，在节点外拼接，可以减少节点板拼接用钢量，有利于向全焊桥过渡。,天兴洲大桥为武汉到广州客运专线在武汉跨越长江的双塔三索面钢桁梁公铁两用斜拉桥， 4线铁路6车道公路，主跨504米。正桥全长4657米。,天兴洲长江大桥首次采用钢桁梁节段架设方法。成为世界上最大跨度的公铁两用斜拉桥,京沪高速大胜长江大桥,大胜关长江大桥是京沪高速铁路在南京跨越长江
5、的关键工程，为6线铁路（两线高速，两线客货、两线轻轨）连续钢桁梁拱桥。全长约9.27公里，主跨2336米。部分采用q420钢材。,中国钢桥建设新成就,公路钢桥的发展更是突飞猛进，1996年建成通车的长江三峡西陵大桥是中国人自己设计建造的第一座全焊钢箱梁公路桥。在以后的13年中，中国已经建成了数十座大跨度全焊或栓焊拱桥、悬索桥和斜拉桥。2007年建成通车的主跨1018m的苏通长江大桥、2008年建成的主跨552m的c重庆朝天门长江大桥、2007年合龙的主跨1650m的西堠门跨海桥分别成为我国已经建成的斜拉桥、拱桥、悬索桥的跨度之最。,西陵长江大桥,苏通长江大桥主跨1088米，斜拉桥，全焊钢箱梁，
6、2007年12月合拢，将成为世界最大跨度斜拉桥。,西堠门大桥合龙（主跨1650m）,重庆朝天门长江大桥，(主跨552m）,重庆朝天门长江大桥，主跨552米，中承式钢桁连续系杆拱桥 ，已经合拢。,中国钢桥排名,中国是近15年世界钢桥建设最活跃的地区，每年都有钢桥在跨度上刷新世界纪录。在桥式、材料、设计水平、架设技术上不断进步，在世界桥梁之林中占有重要地位。,表1 中国斜拉桥跨度前10名（含建设中的桥梁）,表2 中国悬索桥跨度前10名（含建设中的桥梁）,表3 中国拱桥跨度前10名（含建设中的桥梁）,从世界千米级大桥看中国大跨度钢桥在世界桥梁之林中的地位,桥梁的跨度标志一个国家建桥的设计水平和建造水
7、平。也是经济发展的象征。目前，世界上主要跨度超过1000m的大桥共有24座。其中中国8座（含香港2座），美国4座，日本4座。都是20世纪以后建造的。,世界千米以上的大跨度桥梁概况（20世纪30-70年代 ）,世界千米以上的大跨度桥梁概况（20世纪8090年代）,世界千米以上的大跨度桥梁概况（21世纪）,钢梁结构形式20世纪30年代到60年代，钢桥以桁梁为主。铆接或高强螺栓连接设计：桁梁结构可以按照杆系单元，运用经典力学对结构进行受力分析，受力非常明确。制造：钢板首先下料、加工成杆件，将杆件拼装成桥梁。不需要大型的吊装机械，仅仅进行杆件吊装，大部分连接工作在可以在桥上进行。,70年代以后：箱梁为
8、主，少量采用桁梁形式。箱梁优点：抗扭刚度高，用钢量少问题：失稳和疲劳1969年11月至1971年11月期间，英国接连有4座钢箱梁大桥在施工阶段出事故，主要原因是施工架设时钢梁失稳造成的。这使桥梁界大为震惊。1966年建成的塞文桥（主跨998m），首次使用流线形的扁平钢箱加劲梁。在运行了5年以后，出现多处裂纹。,研究表明，主要原因是疲劳和设计荷载取值过低造成的。英国成立了箱形钢梁桥委员会进行研究，并召开国际性会议进行研讨。1982年，英国桥梁规范BS5400第3篇钢桥出版，对解决板件稳定问题作出了规定。1990年，英国运输和道路研究所对钢桥疲劳接头的试验研究，弥补了BS5400有关设计的不足。使
9、钢箱梁设计水平迈上了一个新台阶。,中国跨海大桥的建设为经济发展作出新贡献,杭州湾大桥:全长约58.7公里。全线共有特大桥4座、大桥28座、隧道2座、互通立交6座，已经全线贯通,起自舟山本岛的鸭蛋山环岛公路，经舟山群岛中的里钓岛、富翅岛、册子岛、金塘岛至宁波镇海区，与沪杭高速公路和杭州湾大通道相连接。五座大桥组成，全长四十八公里。包括：金塘大桥、西堠门大桥、桃夭门大桥、响礁门大桥、岑港大桥。已经建成3座。西堠门大桥已经合拢。,西堠门大桥主桥为两跨连续悬索桥，主跨1650米；加劲梁采用中间开槽6m的双箱钢箱梁，全宽36米,舟山连岛工程：架设中的西堠门大桥,深圳湾大桥：从深圳东角头填海区跨海至香港鳌
10、勘石登陆，全长5545米，由粤港两地共同投资建设。2007年4月通车,我国跨海桥的建设正在兴起,东海跨海大桥：起于上海南汇区芦潮港，北与沪芦高速公路相连，南跨杭州湾北部海域，直达浙江嵊泗县小洋山岛。,正在建设和计划建设的还有：青岛海湾大桥、湛江海湾大桥、珠海与澳门通道湛江海湾大桥、平潭海峡大桥、象山港大桥等。港澳珠大桥正在勘测,桥梁用钢,中国钢桥建设主桥基本使用国产钢材，按照桥梁钢国家标准，严格控制交货质量。比如：铁路钢桥用钢材交货条件明确规定：Q235q、Q345q热轧状态交货，Q370qD、Q370qE、Q420qD Q420qE均应正火状态交货。Q370QE钢板的实物的冲击韧性交货条件：
11、-40时的冲击功，板厚小于等于24mm不低于100J, 板厚大于24mm不低于120J, Q420qE钢板实物的冲击韧性交货条件为-40时冲击功不低于120J。,铁路钢桥的基本材料,桥梁用钢,钢材的屈强比在检验桥梁钢材料的时候，不是屈服强度越高越好，还应当检验钢材的屈服强度与抗拉强度的比值，即屈强比。屈强比规定不大于0.7，个别的超过时，不大于0.75。如果屈强比超过0.75，就可以认为材料的屈服强度与极限强度过于接近，会造成钢材的受力在超过屈服强度后，没有经过足够的塑性变形过程而发生突然破坏,不适合用于钢桥。（建筑用钢0.8),桥梁用钢,钢材的板厚效应一般方法轧制的碳素钢和低合金钢，厚板与薄
12、板的屈服强度有所区别,随着板厚的增加，屈服强度会有所降低。只有经过控温控轧的高性能钢(SM520C-H)，屈服强度才不会随板厚的变化改变。为了避免板厚效应对结构质量的影响，我国铁路钢桥最厚的钢板用到50mm。超过这个厚度的钢板如果使用，需要进行大量的试验。,桥梁用钢,上海卢浦桥、厦门钟宅湾大桥，按照德国可焊细晶钢工业标准DINENI0113-93及其覆盖规范，并以DINI7102-83作补充，使用S355N钢材。其钢材屈服强度略高于我国Q345qD级钢材。在我国的移动式桥梁中，用到屈服强度大于700Mpa的18Mn2CrMoBA的高强度钢。,钢梁制造技术,我国大跨度铁路钢桥一般采用桁梁桥，公路
13、钢桥采用箱梁桥。从1994年，我国制造第一段钢箱梁开始，已经几家制造商装备了完善的全焊钢箱梁制造设备，掌握了全套制造程序和技术。钢板予处理、精密切割、自动焊接、工程测量、板件矫形设备，自行研制的予反变形单元件制作胎架，焊接控制台车、大型组装胎架、节段端口支撑架等工装，对操作人员的严格训练，有序的质量检查和项目管理，共同构成了可以确保钢梁制作的精度的体系。工地焊接采用的陶瓷衬垫单面焊接双面成型工艺已经被制造商熟练掌握。,正交异性板全焊钢梁制造技术,润扬桥板单元件无定位组装胎,预反变形状态下船位进行U型肋船位焊接,单元件热矫形,全焊钢箱梁梁制造技术,局部轮载作用下纵肋与面板连接焊缝处易出现疲劳裂纹
14、位置示意图,a）角焊缝人行道 b）熔透坡口角焊缝（车型道）,a）横肋腹板在纵肋与面板焊缝处设置过焊孔,b）横肋腹板在纵肋与面板焊缝处不设置过焊孔,焊接细节,板单元矫形,节段匹配制造工艺,钢桥架设技术,悬索桥先导索过江：引导船牵引技术：需要封航4-6小时直升飞机牵引技术：限于开阔地带（西堠门大桥）火箭抛绳系统发射技术：要求精确（湖北泗渡河特大桥)适用于峡谷地区。,火箭抛射先导索,目前，我国架设悬索桥需用的缆载吊机、挤紧机、缠丝机、斜拉桥梁段架设使用的吊机等都可以自行制造。苏通长江大桥钢箱梁梁段最大吊装重量达到1300吨（浮吊）。从武汉天兴州桥的桁梁架设开始采用节段架设的方式，每块桁段钢梁长14米
15、、宽30米、高16.8米，重达650吨。,大跨度钢管混凝土拱桥的转体法施工和检测技术已经成熟。转体重量大的有柏盘江铁路钢管拱桥和广州丫髻沙桥。丫髻沙桥转体部分长258.1m,宽39.4m,高86.3m,平转角度最大117.1117,平转环道直径33m,平转总重13685t,竖转结构总重2058吨。,钢桥制造与架设,涂装防护体系是保证钢结构桥梁寿命的重要工序，提高涂装体系的质量，可以大大减少养护维修的工作量。我国铁路钢桥涂装防护体系使用寿命仅为5年，近年充分利用国际先进经验发展长效涂装体系，基本可以达到30年使用寿命,钢桥科学研究的新进展,钢桥疲劳问题,疲劳设计关键：应力幅和循环次数按照构造细节
16、采用分级控制疲劳容许应力幅对于新的材料、没有使用过构造细节进行大吨位疲劳试验（苏通、昂船洲）,疲劳抗力方程,正交异性桥面构造细节的疲劳问题 我国建设大跨度钢桥，始于20世纪末，经过多年运营，个别钢梁出现局部裂纹，特别是正交异性钢梁的桥面板，主要裂纹由于疲劳引起。从疲劳裂纹的成因出发，可以将正交异性钢桥面板疲劳裂纹分为荷载引起的开裂及面外变形引起的开裂。,纵肋嵌补段处由于荷载引起的疲劳裂纹,a）起源于焊趾的裂纹,b）起源于焊跟的裂纹,大胜关正交异性板疲劳抗力方程,槽形肋与横梁焊缝的疲劳容许应力幅仅仅是横向对接焊缝的37%。垂直相交对接焊构造受纵向力的疲劳容许应力幅是横向对接焊缝的75%。,铁路钢
17、桥多线系数的研究,多线铁路钢桥的疲劳影响系数，视各线铁路在列车通过时对其他线路钢结构的影响而定。铁道科学研究院用概率统计的方法，开展了多线铁路系数的研究。经研究计算以及对各类情况的包罗，我国天兴洲桥四线铁路系数定为2.2，大胜关桥六线铁路系数为边桁2.2,中桁2.4。,铁路钢桥动力学仿真技术,铁道科学研究院、西南交大、北京交大、中南大学共同开展了桥梁动力学仿真工作。这项工作已经开展了十几年。目前仿真计算进入实用阶段。已经建成的京津城际铁路，正在建设的京沪高速铁路桥梁设计，以及所有的客运专线桥梁，都用具有30多个自由度的车桥动力耦合模型，将轨道不平顺作为输入，计算列车通过桥梁时的动力相应，评价其脱轨的可能性和旅客的舒适性。还进行了地震和强风暴状态下的动力学仿真，研究灾害发生时的列车允许运行速度或采取停车措施。,
