中国钢桥技术发展侯文葳

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，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，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2×336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，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）桥名主跨钢梁简述合龙时间苏通长江大桥1088双塔双索面钢箱梁2007香港昂船洲1018双箱2009上海长江大桥730钢混凝土组合箱梁建设中上海闵浦大桥708双塔双索面钢桁架双层建设中南京长江三桥6483跨连续钢箱梁2005南京长江二桥6283跨连续钢箱梁2000舟山金塘大桥620双塔双索面2008武汉长江三桥6183跨连续混合加劲梁2000武汉二七长江大桥616三塔斜拉桥主桥建设中福建青州闽江大桥605三跨组合梁2002表2中国悬索桥跨度前10名（含建设中的桥梁）桥名主跨梁型建成年代舟山西堠门大桥1650钢箱梁2007合拢润杨长江大桥南汊桥1490单跨双索面钢箱2005江阴长江大桥1385单跨扁平全焊箱梁1999香港青马大桥1377双层公铁两用1997武汉阳逻长江1280单跨2007广州黄埔大桥南汊1108单跨钢箱2008贵州坝陵河大桥1088单跨钢桁梁建设中泰州长江大桥1080三跨全焊箱梁建设中宜昌长江大桥960单跨全焊箱梁，2001西陵长江大桥900单跨全焊箱梁，1996桥名主跨(m)桥式年代朝天门长江桥552中承式钢桁连续系杆拱2008上海卢浦桥550中承式系杆拱2004重庆巫山长江公路大桥492中承式钢管混凝土拱2005恩施支井河大桥430上承式钢管混凝土拱2009广州新光桥428三跨连续中承式平行钢箱桁架系杆拱桥2007菜园坝长江桥420公路轻轨两用钢拱桥2007万州长江大桥420上承式钢筋混凝土结构，钢管混凝土骨架1997湖南松澧洪道桥368三跨连续自锚中承式拱2001益阳茅草街大桥368三跨连续自锚中承式拱2006万州长江铁路360桁架钢拱2006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。桥名所在国跨度/m跨度排名主梁建成时间乔治华盛顿美国106719悬索钢桁1931金门桥美国12809悬索钢桁1937麦基诺美国115812悬索钢桁1957维拉扎诺海峡桥美国12988悬索钢桁1964福斯公路桥英国100624悬索钢桁19644月25日桥葡萄牙101323悬索钢桁1966博斯普鲁斯一桥土耳其107418悬索钢箱1973世界千米以上的大跨度桥梁概况（20世纪30-70年代）亨伯尔桥英国14105悬索钢箱1981南备赞濑户日本110014悬索钢桁1988博斯普鲁斯二桥土耳其109015悬索钢箱1988香港青马大桥中国13777悬索钢箱1997霍加.库斯滕瑞典121011悬索钢箱1997明石海峡桥日本19911悬索钢桁1998大贝尔特海峡桥丹麦16243悬索钢箱1998江阴长江大桥中国13856悬索钢箱1999来岛三桥日本103020悬索钢箱1999来岛二桥日本102021悬索钢箱1999世界千米以上的大跨度桥梁概况（20世纪80~90年代）润扬长江大桥南汊桥中国14904悬索钢箱2005武汉阳逻长江大桥中国12809悬索钢箱2007舟山西堠门大桥中国16502悬索钢箱2008广州黄埔大桥南汊桥中国110813悬索钢箱2008苏通长江大桥中国108816斜拉钢箱2008贵州坝陵河大桥中国108816悬索钢桁2009香港昂船洲大桥中国101822斜拉钢箱2009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、Q420qDQ420qE均应正火状态交货。Q370QE钢板的实物的冲击韧性交货条件：-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名称钢材牌号质量等级应符合的标准钢梁主体结构Q235qD级《桥梁用结构钢》(GB714-2000)实物交货技术条件见附录A。Q420qD仅用于受压非断裂控制部分Q345qD、E级Q370qD、E级Q420qD、E级桥梁辅助结构Q235-B.Z《碳素结构钢》(GB700)连接型钢Q345c现行《低合金结构钢》(GB1591)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