引領(lǐng)鋼橋科技發(fā)展趨勢——長壽命鋼橋設(shè)計理論與智能建造

文/圖 長安大學(xué) 王春生 王茜 段蘭

圍繞長壽命高性能鋼橋結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計理論與建造關(guān)鍵技術(shù)，項(xiàng)目研究團(tuán)隊在長安大學(xué)教授王春生的帶領(lǐng)下，歷經(jīng)近20年產(chǎn)、學(xué)、研、用一體化的自主創(chuàng)新與實(shí)踐，攻克了高性能、強(qiáng)韌性新材料研發(fā)與選材準(zhǔn)則制定、新型構(gòu)造與連接研發(fā)、創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)體系研制、試驗(yàn)技術(shù)突破、體系可靠性設(shè)計與優(yōu)化理論革新、智能制造技術(shù)研制等重大技術(shù)問題，填補(bǔ)了多項(xiàng)技術(shù)空白，建立了設(shè)計使用年限達(dá)150年的長壽命高性能鋼橋設(shè)計理論，實(shí)現(xiàn)了高性能、強(qiáng)韌化、長壽命的技術(shù)目標(biāo)，引領(lǐng)了行業(yè)科技進(jìn)步。

/研究突破/ 實(shí)現(xiàn)了從材料、構(gòu)件到結(jié)構(gòu)體系的系列創(chuàng)新

建立了長壽命高性能、強(qiáng)韌化鋼橋選材準(zhǔn)則與設(shè)計指標(biāo)體系

項(xiàng)目研究團(tuán)隊提出了高韌性橋梁鋼、耐候性橋梁鋼的斷裂韌性、耐候性設(shè)計指標(biāo)，研發(fā)了超高韌性水泥基復(fù)合材料（UHPFRC）及其制備技術(shù)，確定了橋梁用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）的材料設(shè)計指標(biāo)，填補(bǔ)了現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中高性能材料設(shè)計指標(biāo)不全面、不明確的技術(shù)空白。

研發(fā)了長壽命高性能鋼橋的創(chuàng)新構(gòu)造與連接件

項(xiàng)目成功研發(fā)了鋼-UHPFRC組合橋面板、新型波折連接件和GFRP-鋼黏貼節(jié)點(diǎn)，建立了鋼-UHPFRC冷連接組合橋面板、GFRP-鋼組合橋面板構(gòu)造設(shè)計準(zhǔn)則和計算分析方法，通過革新傳力方式，提高了材料利用率、提升了鋼橋面板耐久性，為破解鋼橋面板疲勞耐久性不足的世界技術(shù)難題提供了新途徑。

創(chuàng)新了長壽命高性能鋼橋的構(gòu)件與結(jié)構(gòu)體系

項(xiàng)目研究團(tuán)隊探明了混合設(shè)計高強(qiáng)鋼梁、管翼緣組合梁、波形腹板鋼箱組合梁等新型高性能結(jié)構(gòu)的受力性能；建立了鋼橋數(shù)字疲勞試驗(yàn)方法，確定了耐候鋼梁腹板間隙面外變形細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度等級；確定了實(shí)橋大應(yīng)力比條件下鋼橋抗疲勞強(qiáng)度取值；提出了組合梁斜拉橋主梁軸力和彎矩應(yīng)力分離—疊加的分析模型與橋面板有效寬度計算公式；提出了鋼橋塔新型構(gòu)造。形成了系列的設(shè)計準(zhǔn)則和計算分析方法，填補(bǔ)了相關(guān)規(guī)范的技術(shù)空白。

創(chuàng)建了長壽命高性能鋼橋體系可靠性設(shè)計與優(yōu)化理論

項(xiàng)目建立了長壽命鋼橋溫度梯度模型和溫度疲勞荷載模型，填補(bǔ)了國內(nèi)外規(guī)范中無溫度疲勞荷載模型的空白，提出了溫度與車輛疲勞應(yīng)力耦合分析模型與計算方法，構(gòu)建了結(jié)構(gòu)體系可靠度的串并聯(lián)分析模型和改進(jìn)響應(yīng)面計算方法，確定了長壽命鋼橋構(gòu)件與結(jié)構(gòu)體系目標(biāo)可靠度指標(biāo)取值，提出了鋼橋體系可靠度優(yōu)化模型及算法，建立了長壽命鋼橋體系可靠性設(shè)計與優(yōu)化理論。

長壽命高性能鋼橋智能制造技術(shù)與裝備研制

項(xiàng)目研究團(tuán)隊提出了與高性能耐候鋼相匹配的焊接材料與工藝參數(shù)，研發(fā)了耐候鋼橋銹層穩(wěn)定化技術(shù)，研制了波形腹板鋼箱組合梁全流程智能制造設(shè)備及生產(chǎn)線，攻克了制約高性能鋼橋發(fā)展的建造技術(shù)難題。

/研究成果/ 服務(wù)工程實(shí)際、指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)制(修)訂、推動行業(yè)進(jìn)步

長壽命高性能鋼橋結(jié)構(gòu)體系、設(shè)計理論與建造關(guān)鍵技術(shù)研究

項(xiàng)目核心技術(shù)獲授權(quán)專利14項(xiàng)、軟件著作權(quán)2項(xiàng)，出版專著3部，發(fā)表論文70余篇。部分研究成果納入《公路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（JTG 2120-2020）、《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTG D64-2015)、《公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范》(JTGT 3365-01-2020)等6部國家行業(yè)規(guī)范及歐盟標(biāo)準(zhǔn)FRP補(bǔ)充設(shè)計指南，支撐了陜西省地方標(biāo)準(zhǔn)《高性能能鋼橋設(shè)計與制造技術(shù)規(guī)程》、中國公路學(xué)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《鋼管翼緣組合梁設(shè)計與施工技術(shù)指南》、中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《公路耐候鋼混凝土組合橋梁技術(shù)規(guī)程》的編制，以及《鋼板組合梁橋通用圖》等4部標(biāo)準(zhǔn)圖的編制。

項(xiàng)目成果在3個交通運(yùn)輸部首批公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁典型示范工程和首批免涂裝耐候鋼橋，以及西藏、貴州、江蘇、湖北、陜西等14個省份的100余座鋼橋中得到成功應(yīng)用，包括川藏公路通麥特大橋、廈漳跨海大橋、云南普者黑特大橋等20余座特大跨鋼橋，青藏高速公路等9條高速公路40余座常規(guī)跨徑鋼橋，以及中馬友誼大橋等國際工程，對于長壽命高性能鋼橋結(jié)構(gòu)體系設(shè)計與建造起到了引領(lǐng)示范作用，產(chǎn)生了顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。研究成果經(jīng)中國工程院院士等組成的評價委員會鑒定，總體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

/創(chuàng)新團(tuán)隊/ 入選2個省部級創(chuàng)新團(tuán)隊，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)、學(xué)、研、用深度融合

項(xiàng)目研究團(tuán)隊在負(fù)責(zé)人王春生帶領(lǐng)下，入選交通運(yùn)輸部科技創(chuàng)新團(tuán)隊“橋梁耐損性設(shè)計與安全維護(hù)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊”和陜西省科技創(chuàng)新團(tuán)隊“長壽命高性能鋼橋智能設(shè)計、建造與管養(yǎng)創(chuàng)新團(tuán)隊”，長期致力于鋼橋與組合結(jié)構(gòu)橋梁、長壽命強(qiáng)韌性橋梁結(jié)構(gòu)理論、橋梁耐損性設(shè)計方法與安全維護(hù)技術(shù)等領(lǐng)域的研究，形成了產(chǎn)、學(xué)、研、用一體化的研究模式。

王春生為長安大學(xué)二級教授，是國家“萬人計劃”科技領(lǐng)軍人才，全國百篇優(yōu)秀博士論文獎、國務(wù)院政府特殊津貼、茅以升科學(xué)技術(shù)獎—橋梁青年獎獲得者。他主持承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金、973項(xiàng)目子題，以及教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才基金、霍英東青年教師基金等省部級科研項(xiàng)目20余項(xiàng)，主持編制交通運(yùn)輸部行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《公路鋼橋疲勞監(jiān)測、評估與維護(hù)技術(shù)規(guī)程》，參與編制《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》《公路工程可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》3部交通行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主持編寫地方與協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)6部。發(fā)表論文被SCI、Ei收錄100余篇，出版專著2部，授權(quán)國家發(fā)明專利10余項(xiàng)。王春生曾獲國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎1項(xiàng)、中國公路學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎特等獎2項(xiàng)（主持），以及省級和學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎10余項(xiàng)，推動了我國首批長壽命公路免涂裝耐候鋼橋的設(shè)計和建造。