7 适时地发展我国桥梁钢结构(王用中)

适时地发展我国桥梁钢结构河南大建钢构股份有限公司董事长王用中一、我国是桥梁大桥，桥梁建设迅速发展经过20世纪80年代的“学习和追赶”、90年代的“跟踪和提高”两个重要发展阶段，我国已成为桥梁大国。

随着我国公路、铁路大规模的发展，我国桥梁数量比世界上任何一个国家都至少多2-3倍，而且关于拱桥、梁桥、斜拉桥三种桥型的跨度记录都突破了世界纪录，并还在超越。

表1为世界前五名已建成大跨度斜拉桥，表2为世界前五名已建成的大跨度拱桥，表3为世界前五名已建成大跨度梁式桥，表4为世界前五名已建成的大跨度悬索桥。

表4-世界前五名已建成的大跨度悬索桥当前湖南省正蕴酿建设洞庭湖二桥，桥型方案为2000m跨度的悬索桥，建成后将突然世界纪录，届时悬索桥的最大跨纪录亦为我国所创造。

跨海大桥的建设是国家综合实力的体现，近年来我国跨海大桥建设成果辉煌，从另一侧面反映了我国桥梁建设的发展。

建成的东海大桥、杭州湾大桥均为世界较大规模的桥梁工程，最近开工的港珠澳大桥、金门大桥必将享誉世界，在大桥建设领域里我们确实已成为当之无愧的桥梁大国，然就桥梁技术整体发展水平，我国桥梁建设还存在发展不平衡，精细化程度不够等诸多问题。

作为我国结构工程的分部，如同我国结构工程一样，混凝土、预应力混凝土桥梁仍是主导桥型，由于基础设施的大规模投入，我国近年来混凝土用量已超过25亿m3，占世界混凝土用量的40-60%，其耗用的砂、石料、水泥数量巨大，而水泥、骨料的生产让我们付出了巨大的环保代价。

采用钢、混凝土组合结构、推广钢结构以彻底改变我国工程结构以混凝土材料为主的现况，减少我国混凝土用量以与发达国家工程结构、桥梁结构发展趋势保持一致。

图1-粗钢产量对比图2-世界前九名国家粗钢产量对比二、我国是钢铁大桥，钢桥的应用却强差人意自上世纪90年代，我国钢铁产量已连续十余年保持世界第一，并且遥遥领先于其它国家，2008年中国钢铁产量比排名2-8位的日本、美国、俄罗斯、印度等七个国家总各还多，图1为1996年到2008年世界粗钢总产量与我国产量对比，图2为2008年世界粗钢产量前9个国家产量对比。

随着钢铁总量的增加，钢铁产品品种丰富、质量提高，这两方面均达到了国际先进水平，与之应运而生的是工程钢结构应用的普及及与钢结构为依托的钢结构企业的发展，据统计我国已有30多家具有特级资质（年产量超过5万吨）、产品质量优良、管理科学的钢结构制造企业，其制造水平达到了国际先进水平；30多家具有实力的钢结构安装企业承担了国内重点大型钢结构工程安装，其新技术、新工艺、新设备层出不穷，其施工安装水平也达到了国际先进水平，建成了具有世界水准的钢结构工程，如鸟巢、中央电视台（图3）、广州新电视塔（图4）等标志性建筑。

图3-中央电视台新大楼图4-广州新电视塔在桥梁建设领域，钢桥、钢-混凝土组合桥、钢管混凝土桥近年来在大桥建设中亦有日益广泛的应用，取得了令人瞩目的成就，上述500m以上大跨度悬索桥、斜拉桥的加劲梁多采用钢箱梁，大跨度拱桥中的钢桥拱、钢管混凝土拱桥占了主导地位。

但相对于发达国家我国钢桥技术发展极不平衡，一方面是特大桥的高水准应用，另一方面面是中小型钢桥的低水准应用且总量很少。

我国桥梁总数超过百万座，而钢桥总数量不足万座，钢桥数量不足桥梁总量的1%。

而在法国钢桥、钢混组合梁桥占了桥梁总量的85%，日本这个比例约为50%，美国为30%，相对而言中国明显落后，我国钢桥应用的落后与我国当前综合国力不相应、与经济发展状况及发展方针不相应。

三、顺应我国钢铁产业的发展，适时发展我国桥梁钢结构钢结构是节能、环保结构。

钢材强度高，钢结构相对比较轻，施工安装较便利，构件尺寸相对较小，可以更有效利用材料，且可通过再利用、回炉等措施循环使用，故较少“建筑垃圾”问题。

相对混凝土结构，钢结构延性更好，故安全贮备更大，抗震性能更好，故为结构工程界所推荐，属建筑结构、桥梁结构发展方向，顺应我国产业的发展方向，应使之成为我国桥梁主导结构桥型式。

桥梁钢结构的发展紧随着钢材及其制造技术的进步而发展，钢桥在制造方面经历了钢钉连接、铆接、焊接及高强螺栓连接的发展过程。

现代钢桥工厂制作全部为焊接，工地拼装也以焊接为主、高强度螺栓连接为辅。

表5为我国铁路钢桥发展的5个标志性桥梁工程，显示出我国桥梁用钢由低碳钢—低合金钢—高强度钢—高性能钢的发展轨迹。

高强度钢（HSS）、高性能钢（HPS）的应用已成为国外钢结构发展的一个重要趋势，日本在20世纪50年代开始采用了屈服强度为500-600MPa的HSS，60年代则提高到600-800MPa，70至90年代年港大桥、本四联络线则大量采用了600-800MPa级钢材，目前已开发出530-710MPa的HPS级及300-530MPa的可用于高腐蚀地区的系列耐侯钢。

美国罗早在桥梁中应用HSS和耐候钢，上世纪90年代已将HPS345W（注：耐候钢，下同）、HPS485W和HPS690W纳入了AASHTO规范，欧洲桥梁用了HSS屈服强度通常为460-600MPa（S460钢屈服强度为460MPa，S960Q2板屈服强度可达960MPa）。

耐候钢强度一般为235~3555MPa，我国桥梁用钢强度一般为345MPa，最近大胜关长江大桥应用了420MPa钢材，而耐候钢应用尚未开始，差跨比较明显。

更大差距表现在中小型桥梁领域的钢、钢-混凝土结构的应用规模方面。

基于我国钢铁、钢结构产业的发展，我国钢结构在特大型、大型桥梁中的应用以及国外钢、钢-混组合结构的成熟应用及其结构本身的优越性，适时地发展我国桥梁钢、钢-混结构是势在必行了。

四、波形钢腹板PC箱梁桥应为钢-混组合梁桥应用的首选波形钢腹板PC箱梁桥就是用波形钢板取代预应力混凝土箱梁的混凝土腹板作腹板的箱形梁。

其显著特点是用10mm左右厚的钢板取代厚30～80cm厚的混凝土腹板。

鉴于顶底板预应力束放置空间有限，导致体外索的应用则是波形钢腹板预应力混凝土箱梁的第二个特点。

图5-波形钢腹板PC箱梁示意图波形钢腹板PC箱梁桥这一独特的组合结构桥梁有着比传统PC箱梁桥更好的力学性能和优点：●箱梁自重减轻10~25%，从而降低了工程造价，提高了抗震性能；●波形钢腹板的折绉效应提高了预应力的效率，体外索的可调换性提高了桥梁的耐久性；●充分发挥各种材料的性能：混凝土抗弯、波形钢腹板抗剪，结构受力更加合理；●提高腹板抗剪能力和结构耐久性，有效解决传统PC箱梁桥腹板的开裂这一常见病害；●造型美观、施工方便，提高了建设速度等。

波形钢腹板PC箱梁桥这一独特的组合结构桥梁有着比混凝土钢板箱梁桥更好的力学性能和优点：●腹板抗剪承载力加大：波形钢腹板的抗剪承载力大概是加劲的平钢板的2倍；●横向刚度加大：无须纵向、横向加劲肋，故腹板折算厚度较小；●顶、底板预应力效率更高：因波形钢腹板不承受预应力，故顶底板预应力效率高●混凝土收缩、徐变效应降低：混凝土顶底板收缩徐变、温度效应对腹板影响很小●腹板加工、安装更方便：腹板的三维韧性便利了施工，减少了几何缺陷的敏感性法国在80年代末期首先把钢腹板运用于桥梁结构，并建成了第一座波形钢腹板箱梁桥Cognac桥，随着这种结构成功的运用，各国都相继建造了数座此类型的桥梁。

日本在引进这种新结构后，很快就在1993年成功建造了日本第一座波形钢腹板箱梁桥—新开桥。

随着科研和实践的进一步的深入，日本建造了一系列的此类桥，成为目前修建此类桥型最多的国家，在建和已建成的桥已超过200座。

国内对波形钢腹板箱梁的研究和应用已兴起，先后有交通部交通科研设计院、西南交通大学、东南大学、重庆交通大学等单位对该组合箱梁的钢腹板屈曲强度、方案设计、桥面板有效宽度、剪力连接键等做过研究。

到目前为止，国内只修建了数座波形钢腹板箱梁桥，具有代表性的有青海三道河桥（50m 跨单箱双室大箱梁），河南的泼河大桥(4跨30米先简支后连续梁桥，公路桥)，重庆市永川的大堰河桥(25m简支箱梁，公路桥)及山东东营的两座人行桥。

2006年山东鄄城黄河主桥（70m+11×120m+70m）波形钢腹板PC箱形连续梁桥的设计、施工标志着我国波形钢腹板PC桥进入成规模的工程实用阶段。

表7-我国已建和在建的波形钢腹板桥（截止于2009年12月份）波形钢腹板预应力砼箱梁桥的最大特点就是用波形钢腹板取代了通常的砼腹板，其最直观的优点是约占砼箱梁重量的20～25%的砼腹板被轻量化了，从而减少了上部构造混凝土、钢筋、预应力钢筋的用量，箱梁自重减轻另一个直接的效益是下部基础工程量的减少。

再者波形钢腹板预应力混凝土箱梁由于自重较轻，在挂篮悬施工时的节段长度可适当增加，从而加快施工进度。

波形钢腹板预应力混凝土箱梁还可以节省腹板模板，减少施工费用。

综合以上因素其综合造价降低约8-12％，下表列出了宽13.5m，跨度120m左右的波形钢腹板PC 箱梁桥与混凝土箱梁及钢-混凝土组合梁桥上部结构经济性对比下表：表8-波形钢腹板PC箱梁桥经济效益箱梁自重减轻另一效益为下部基础工程量的减少。

以鄄城黄河桥为例，其单幅主墩桩基础初步设计为6φ2.2m长100m，施工图设计时优化成波形钢腹板连续箱梁后同一单幅主墩桩基础更改为6φ2.2m长80m，桩长缩短了20%。

下表列出鄄城黄河桥预应力混凝土方案与波形钢腹板方案的对比情况。

因初步设计偏于保守，故费用节省较大，约达20%。

我国80m~270m跨连续梁（刚构）桥普遍存在的工程病害是腹板开裂、跨中持续下挠，其根本原因是混凝土梁自重过大，而波形钢腹板PC桥则可从根本上解决这一缺陷，加之波形钢腹板自重轻、抗震性好、施工方便、造价经济等优点，波形钢腹板PC桥在我国有很大的推广应用前景。

以2004年与2005年新建桥梁总里程3000公里做估计若其中35％（中国梁桥约占桥长总数的70％，而大中跨桥又占梁桥总量的50％）作成波形钢腹板预应力混凝土桥，则中国每年波形钢腹板预应力混凝土桥建设数量可达1000公里。

按鄄城黄河桥为资料估算波形钢腹板年市场需求用量约为170万T。

按1.45万元/T估计，折成人民币约245亿。

当然刚开始还达不到这个数量，但若以日本为先例数年后中国波形钢腹板年市场需超过百亿当属传统估计。

为更好的发钢结构的应用，也为了更大的拓展我国钢铁市场，在公路工程中应用组合结构是今后发展的必然前景，而波形钢腹板PC梁则是路桥结构是最为优越的结构，所以在公路工程中推广应用波形钢腹板PC梁桥具有显著的经济效益、社会效益和深远的社会意义。

五、结语近十余年来，我国钢材生产总量一直居世界首位，2009年更达到近7亿吨，产能过剩亟待寻找自身消耗空间，这为我们桥梁钢结构的发展提供了很好的政治经济背景；国内钢材品种丰富，质量日益有保证，这为我们桥梁钢结构的发展提供了材料保证；经济的发达、环保的要求日益高涨，更呼吁混凝土的数量的减少及钢桥的数量增加；数十年中国桥梁的建设成就、钢桥及钢结构的技术进步为广泛应用钢和钢-混组合桥奠定了技术基础，发展中国桥梁钢结构是其时了！（作者简介：王用中（1936--），男，中国工程设计大师，教授级高级工程师，河南大建钢构股份有限公司董事长，河南海威工程咨询有限公司董事长，主要从事路、桥新技术开发、创新工作）。