我國(guó)海洋橋梁工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及對(duì)策研究

高宗余，阮懷圣，秦順全，馬潤(rùn)平，梅大鵬

（中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430056）

一、海洋橋梁工程的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

橋梁是交通基礎(chǔ)設(shè)施的咽喉要道和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，海洋橋梁工程對(duì)推動(dòng)國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)、交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議發(fā)展以及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)步具有舉足輕重的作用[1,2]。在過(guò)去20年中，中國(guó)的海洋橋梁工程建設(shè)取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步和成就，建成了多座跨海長(zhǎng)橋，譜寫了世界建橋史上一個(gè)又一個(gè)奇跡。目前，我國(guó)橋梁工程不斷從內(nèi)陸向近海延伸，東海大橋、杭州灣大橋、港珠澳大橋等跨海大橋相繼建成，平潭海峽公鐵大橋正在建設(shè)中，近海橋梁建造技術(shù)取得了舉世矚目的成就[3]。隨著國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略與“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)，我國(guó)正規(guī)劃研究瓊州海峽、渤海灣和中國(guó)臺(tái)灣海峽等跨海通道，“一帶一路”沿線國(guó)家也在規(guī)劃建設(shè)如巽達(dá)（印度尼西亞）、里海（俄羅斯至伊朗）等深水海洋橋梁。

（一）我國(guó)海洋橋梁工程技術(shù)成就

1. 大規(guī)模工廠化預(yù)制、運(yùn)輸?shù)跹b技術(shù)及相關(guān)裝備研制得以發(fā)展

東海大橋和杭州灣大橋的非通航孔橋采用跨度50～70 m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；港珠澳大橋非通航孔橋采用跨度110 m的鋼箱梁橋或跨度85 m的鋼-混凝土結(jié)合梁橋，墩身、承臺(tái)預(yù)制拼裝建造技術(shù)；平潭海峽大橋采用整孔全焊、整孔架設(shè)鋼桁梁。其全部在陸地建設(shè)工廠整孔預(yù)制，采用整孔或大節(jié)段運(yùn)輸、架設(shè)安裝技術(shù)。相應(yīng)地，研制了載重噸位達(dá)2500～3000 t的運(yùn)架一體的起重船“小天鵝”號(hào)和“天一”號(hào)、起吊重量3600 t大型浮吊，以及在已架設(shè)梁上運(yùn)輸整孔預(yù)制梁的大型臺(tái)車。

2. 橋梁長(zhǎng)壽命耐久性技術(shù)得以推廣

大規(guī)模推廣采用高性能混凝土及其防裂技術(shù)，鋼管樁犧牲陽(yáng)極保護(hù)陰極技術(shù)及重防腐涂層技術(shù)，耐久性鑄鋼球形支座，東海大橋全橋采用混凝土橋面結(jié)構(gòu)以避免鋼橋面疲勞開裂，其主航道橋采用跨度420 m的鋼箱結(jié)合梁斜拉橋。平潭海峽大橋鋼桁梁的鐵路橋面采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土槽形梁。

3. 海域施工GPS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)

跨海大橋建立了連續(xù)運(yùn)行的GPS工程參考站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)平面定位精度3～5 cm，實(shí)時(shí)高程定位精度5～10 cm的精度要求，為海上鋼管樁和鋼護(hù)筒施工提供服務(wù)；同時(shí)建立大橋工程獨(dú)立的施工坐標(biāo)系，避免投影誤差，確保施工放樣準(zhǔn)確。

4. 大范圍風(fēng)屏障技術(shù)得以采用

平潭海峽大橋在全橋范圍內(nèi)的鐵路、公路橋面兩側(cè)，均采用了多孔形式金屬障條的風(fēng)屏障，公路橋面與鐵路橋面的風(fēng)屏障整體透風(fēng)率分別為50%和 36.5%。

5. 快速高效維養(yǎng)技術(shù)得以運(yùn)用

港珠澳大橋在主梁梁內(nèi)和梁底設(shè)置電動(dòng)檢查車，梁底設(shè)置快速檢修通道，實(shí)現(xiàn)了可維可達(dá)、可修可更換的設(shè)計(jì)理念。

6. 大直徑鋼管樁、鉆孔樁技術(shù)及裝備研制取得進(jìn)展

杭州灣大橋采用φ1.5 m和φ1.6 m的大直徑鋼管樁，樁長(zhǎng)71～89 m，施工采用當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的多功能全旋轉(zhuǎn)式起重打樁船，船體配備S-280雙作用液壓錘；平潭海峽大橋首次采用φ4.5 m一次成孔鉆孔樁，研制了具有多瓣式組合鉆頭的KTY5000型鉆機(jī)。

（二）我國(guó)海洋橋梁工程技術(shù)存在的不足

近20年來(lái)，我國(guó)的海洋橋梁工程建設(shè)取得了巨大進(jìn)步，但應(yīng)清醒地認(rèn)識(shí)到，在橋梁工程技術(shù)方面，我國(guó)在20世紀(jì)80年代“學(xué)習(xí)追趕”和20世紀(jì)90年代“提高”兩個(gè)時(shí)期中主要是學(xué)習(xí)和引進(jìn)國(guó)外在第二次世界大戰(zhàn)后建設(shè)高潮中所創(chuàng)造的新材料、新技術(shù)和新工藝，通過(guò)實(shí)踐和應(yīng)用取得進(jìn)步，其中也包含一些局部的改進(jìn)和創(chuàng)新，但原創(chuàng)性的科技成果仍然不多[4]。

現(xiàn)行海洋橋梁工程部分設(shè)計(jì)、施工、維修與加固等橋梁規(guī)范落后于歐美橋梁標(biāo)準(zhǔn)，眾多規(guī)范參考國(guó)外規(guī)范的現(xiàn)成成果，缺乏對(duì)國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)、施工等最新科技成果的借鑒，目前尚未有針對(duì)海洋橋梁工程的專門規(guī)范。我國(guó)雖然在建設(shè)規(guī)模和尺度上有所超越，但真正意義上的突破性技術(shù)成果不多，上升至工程理論的科學(xué)成果更是鳳毛麟角。

二、海洋橋梁工程面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

隨著國(guó)家海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略與“一帶一路”倡議的不斷推進(jìn)，我國(guó)海洋橋梁建設(shè)發(fā)展的一個(gè)基本趨勢(shì)就是從近海走向深水，進(jìn)而產(chǎn)生新的需求與挑戰(zhàn)。與近海橋梁相比，深水海洋橋梁工程的環(huán)境和建設(shè)需求特點(diǎn)主要表現(xiàn)為四個(gè)方面：①?gòu)?fù)雜嚴(yán)酷的環(huán)境作用，如強(qiáng)風(fēng)、巨浪、急流、強(qiáng)震、海嘯等，具有強(qiáng)度大、隨機(jī)性強(qiáng)和耦合性顯著的特點(diǎn)；②長(zhǎng)期處在高溫、高濕、鹽害、凍融及海霧等強(qiáng)腐蝕自然環(huán)境下，結(jié)構(gòu)性能退化更早、更快、更嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題突出；③最大水深將可能突破100 m，面臨的水文和地質(zhì)條件更加復(fù)雜[5]；④需滿足公鐵合建、全天候通車、高速鐵路交通等多功能要求，且跨度將突破2000 m。海洋橋梁工程環(huán)境惡劣（水深、流急、浪大），環(huán)境荷載作用（強(qiáng)風(fēng)、地震力、侵蝕、波浪力）與內(nèi)陸橋梁差別大，現(xiàn)行橋梁工程設(shè)計(jì)理論及橋型結(jié)構(gòu)難以滿足海洋環(huán)境作用下橋梁工程的設(shè)計(jì)要求[6]，建設(shè)海洋橋梁工程需要面對(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在五個(gè)方面。

（一）海洋橋梁工程作用及其組合尚無(wú)專門規(guī)范

海洋橋梁工程作用及其組合理論是工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，是貫徹“安全、耐久、適用、經(jīng)濟(jì)和美觀”設(shè)計(jì)原則的重要前提。目前，基于彈塑性力學(xué)的發(fā)展，橋梁工程設(shè)計(jì)理論已完成由容許應(yīng)力法到極限狀態(tài)法的轉(zhuǎn)變。基于可靠度理論的極限狀態(tài)法的應(yīng)用，大大推動(dòng)了橋梁工程設(shè)計(jì)由定值法、半概率法到近似概率法的發(fā)展。

目前，海洋橋梁工程皆借鑒港口工程等行業(yè)規(guī)范來(lái)進(jìn)行波浪力的計(jì)算，但與海洋橋梁工程離岸遠(yuǎn)、尺度大不同，港口工程的規(guī)模及結(jié)構(gòu)尺度通常較小，地理位置均位于海岸。海洋環(huán)境作用的基本特點(diǎn)是強(qiáng)度大、變化幅度大、變化速度快，具有明顯的隨機(jī)性和強(qiáng)耦合性，例如臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)時(shí)，往往伴有急流和大浪；地震發(fā)生時(shí)，往往伴有海嘯等。確定遠(yuǎn)離海岸的橋梁工程所承受的波浪力、確定多場(chǎng)荷載耦合作用（風(fēng)-浪-流耦合作用、地震-海嘯作用等）的組合方式及其組合系數(shù)、將研究成果歸納提煉形成符合海洋橋梁特點(diǎn)的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，以及探究波浪力與水深、結(jié)構(gòu)尺度、氣象條件、洋流狀況的相關(guān)性，都需開展大量的理論及試驗(yàn)研究，且存在研究的依托工程樣本較少的難題。

（二）海洋橋梁工程結(jié)構(gòu)耐久性定量化設(shè)計(jì)有待研究

結(jié)構(gòu)耐久性是指結(jié)構(gòu)抵抗大氣影響、化學(xué)侵蝕和其他劣化過(guò)程而長(zhǎng)期維持其性能的能力。海洋橋梁工程耐久性設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)中最為關(guān)注的課題之一，它不僅涉及工程長(zhǎng)期安全、耐久的重大問(wèn)題，還關(guān)系到資源、環(huán)境、國(guó)計(jì)民生等一系列重大經(jīng)濟(jì)與社會(huì)問(wèn)題，因此結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題的研究對(duì)于體現(xiàn)公共安全、節(jié)約資源和可持續(xù)發(fā)展等方面均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

海洋橋梁工程主要建筑材料包括混凝土和鋼材兩大類，在海洋高鹽、高濕、高溫等環(huán)境條件作用下，海洋橋梁工程混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)耐久性受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。海洋混凝土結(jié)構(gòu)因混凝土碳化、氯離子滲透、鋼筋銹脹導(dǎo)致功能退化。鋼結(jié)構(gòu)和海洋高鹽環(huán)境下的氯離子之間產(chǎn)生化學(xué)相互作用導(dǎo)致性質(zhì)變化及功能損傷。目前，結(jié)構(gòu)耐久性尚存在性能與壽命之間的關(guān)系不明確、基于性能的耐久性設(shè)計(jì)理念和定量化設(shè)計(jì)方法尚未完全建立、不同行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的差異性較大等難題。需要重點(diǎn)突破混凝土結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理、抗力衰減與預(yù)測(cè)模型、損傷檢測(cè)與評(píng)估方法、鋼結(jié)構(gòu)重防腐涂料與涂裝工藝、基于腐蝕的健康監(jiān)測(cè)和檢測(cè)、防腐蝕全壽命設(shè)計(jì)、高性能耐腐蝕鋼種等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

（三）海洋橋梁工程結(jié)構(gòu)疲勞的耦合作用問(wèn)題有待探究

結(jié)構(gòu)疲勞是在重復(fù)荷載（小于靜載屈服強(qiáng)度）作用下由局部損傷最終導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)永久破壞。海洋橋梁工程的公路（或鐵路）運(yùn)輸荷載轉(zhuǎn)自遠(yuǎn)洋航運(yùn)，荷載特征和內(nèi)陸橋梁存在顯著的差異性，不僅面臨和內(nèi)陸同樣的運(yùn)營(yíng)車輛作用產(chǎn)生的疲勞作用，還會(huì)面臨嚴(yán)酷的海洋風(fēng)和洋流產(chǎn)生的長(zhǎng)期疲勞作用，包括極值和常遇值的大循環(huán)次數(shù)作用。目前橋梁工程抗疲勞設(shè)計(jì)還存在疲勞作用類型及疲勞荷載譜研究等技術(shù)挑戰(zhàn)，需要重點(diǎn)突破疲勞壽命評(píng)估方法、疲勞荷載譜、車輛與海洋環(huán)境耦合作用、疲勞與腐蝕相互作用等關(guān)鍵技術(shù)。

（四）海洋橋梁工程全壽命設(shè)計(jì)有待突破

和其他建筑工程一樣，橋梁工程實(shí)現(xiàn)從規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建造、運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)、拆除或回收再利用的全壽命周期內(nèi)總體性能（功能、成本、人文、環(huán)境等）最優(yōu)的設(shè)計(jì)，即全壽命期設(shè)計(jì)，是近年才發(fā)展起來(lái)的，還很不完善。海洋橋梁工程更是如此，需要重點(diǎn)突破周期成本計(jì)算模型與標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系與實(shí)用方法等關(guān)鍵技術(shù)。

（五）海洋橋梁工程適用橋式和結(jié)構(gòu)面臨新難題

海洋橋梁工程面臨海水深度大、自然環(huán)境（大風(fēng)、大浪、急流、高鹽、高濕、高溫等）嚴(yán)酷、與大陸距離遠(yuǎn)等困難條件，施工難度更大、風(fēng)險(xiǎn)更高，因此，需要研究適應(yīng)海洋環(huán)境的橋型方案和主要結(jié)構(gòu)形式。

常用的大跨度橋型方案主要有斜拉橋、懸索橋、斜拉-懸吊協(xié)作體系橋，此外，建設(shè)海洋深水長(zhǎng)橋，多塔長(zhǎng)聯(lián)纜索承重橋梁應(yīng)是一種具有顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的橋型，它可以提供連續(xù)多個(gè)較大的跨度，方便通航，減小對(duì)海洋環(huán)境的影響。目前，世界上僅我國(guó)在長(zhǎng)江上建成了三座大跨度三塔懸索橋，泰州大橋和馬鞍山大橋的主跨均為2 × 1080 m，鸚鵡洲大橋的兩個(gè)主跨為2 × 850 m。國(guó)內(nèi)外還建成了多座多塔斜拉橋，最大跨度已超過(guò)600 m。多塔纜索承重橋梁應(yīng)用于海洋還需進(jìn)一步研究提高每一孔的跨度、擴(kuò)展連續(xù)孔數(shù)，解決橋梁剛度和主纜抗滑移等技術(shù)難題，以及相應(yīng)的高性能材料、防災(zāi)減災(zāi)、結(jié)構(gòu)體系、施工控制和健康監(jiān)測(cè)、全壽命管理維護(hù)等技術(shù)。

深水基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式包括大直徑樁與管柱、大型沉井、大型設(shè)置基礎(chǔ)及大型水下施工裝備等，快速施工的結(jié)構(gòu)形式主要包括主梁梁大節(jié)段預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)、鋼主塔預(yù)制吊裝結(jié)構(gòu)以及下部結(jié)構(gòu)預(yù)制安裝結(jié)構(gòu)等。應(yīng)重點(diǎn)突破新結(jié)構(gòu)體系、高性能材料、深水地基處理、大型自動(dòng)化施工及智能化檢測(cè)裝備等關(guān)鍵技術(shù)。

三、促進(jìn)海洋橋梁工程技術(shù)發(fā)展的政策建議

（一）加強(qiáng)海洋橋梁工程的科研投入

建立國(guó)家級(jí)海洋橋梁工程技術(shù)研究中心或技術(shù)創(chuàng)新基地，引領(lǐng)相關(guān)科研單位開展研究工作, 對(duì)全行業(yè)的國(guó)家級(jí)、省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行資源整合，形成若干特色研究領(lǐng)域，避免低水平重復(fù)研究，努力提高科技創(chuàng)新的水平、效率和效益。建議開展如下研究工作：①針對(duì)海洋橋梁全壽命規(guī)劃、抗災(zāi)害設(shè)計(jì)、工業(yè)化建造和智能化管養(yǎng)開展系統(tǒng)研究；②設(shè)立國(guó)家海洋橋梁科技重大專項(xiàng)；③開展瓊州海峽、中國(guó)臺(tái)灣海峽等海洋橋梁工程技術(shù)研究，為海洋強(qiáng)國(guó)和交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略、“一帶一路”倡議提供技術(shù)儲(chǔ)備；④改革我國(guó)海洋信息數(shù)據(jù)開放和觀測(cè)機(jī)制，針對(duì)特定海域建立氣象、海況和工程的聯(lián)合觀測(cè)體系，搭建共享數(shù)據(jù)平臺(tái)，為科學(xué)研究提供技術(shù)支撐。

（二）完善海洋橋梁工程科研體制

政府和行業(yè)主管部門在項(xiàng)目審批等過(guò)程中，引導(dǎo)相關(guān)企業(yè)加大科技投入，采用新技術(shù)、新材料、新工藝，增強(qiáng)企業(yè)科技創(chuàng)新的主體地位；建立以企業(yè)為主體、市場(chǎng)為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系。

（三）創(chuàng)新海洋橋梁工程技術(shù)人才培養(yǎng)與科技獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制

選擇有一定基礎(chǔ)的高校，開設(shè)相關(guān)特色專業(yè)，培養(yǎng)復(fù)合型人才，定期開展學(xué)術(shù)交流活動(dòng)，促進(jìn)海洋橋梁工程技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。采用單項(xiàng)重獎(jiǎng)、科技股份、技術(shù)轉(zhuǎn)讓提成等多種方式，鼓勵(lì)科技人員的技術(shù)創(chuàng)新與成果產(chǎn)業(yè)化，要用市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的機(jī)制建立獎(jiǎng)勵(lì)基金，對(duì)行業(yè)、企業(yè)技術(shù)進(jìn)步做出突出貢獻(xiàn)的人員進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，并成為創(chuàng)新機(jī)制的重要組成部分。