1、材料与桥梁工程从 20 世纪桥梁成就对 21 世纪桥梁发展趋向的探讨周一桥 杜亚凡桥梁工程在 20 世纪中取得了显若的成就。由于设计理论的进步和各种新材料、新工艺的出现，尤其是电子计算机的出现和应用，使桥梁的结构形式和跨度有了飞跃的发展。人们在桥梁工程方面发现的规律和取得的宝贵经验为 21 世纪的桥粱发展其定了基础。本文小结了桥梁工程在 20 世纪中的成就，对桥粱向大跨度、柔性结构发展的问题以及采用复合结构、新材料、新工艺等问题进行了探讨 并循其规律预侧可能发展的趋向。二、对 21 世纪桥梁发展趋向的探讨1 对桥梁继续向柔性结构发展的探讨桥梁向更大跨度的柔性结构发展中，首要解决的是在气动及行车
2、动力响应下结构的安全及稳定间题以及在高速行车条件下的人身安全及舒适度的要求。因此必须进一步加强对桥梁的动力条件下的分析计算和实验研究工作。在计算机技术不断发展的今天，如何正确地描述结构的动力行为以及旅客的反应还需做大量的工作。关于如何增大特大跨度柔性桥梁的刚度间题，根据各国专家的建议，可初步归纳为以下几点:将截面做成适应空气动力要求的箱形、三角形、弧形或分离的如图(a)所示的各种流线型加劲梁，使具有足够的竖向、横向刚度及抗扭刚度;采用具有斜索面的或如图(b),(c)所示的以缆索为主的空间网状承重体系，以加强各向的刚度;采用悬索 +斜拉的混合型桥式，将超大的主跨分解为两种体系，使与跨度平方成比例
3、的悬索桥部分缆索减载;采用轻型而刚度大的复合结构做为加劲梁，并采用自重轻、强度大的碳纤维材料做主缆。各国专家对已蕴酿多年的直布罗陀海峡桥、墨西拿海峡桥、马六甲海峡桥等均有了各种建议的方案，我国琼州海峡桥也拟出了 21世纪主跨的连续悬索桥方案。这些大桥在科技不断进步的 21 世纪中必将逐一变为现实。近期我国已在进行高速铁路的建设，其中必将在长江上修建可通过高速列车的特大跨度桥梁。这是我国在 21 世纪中首要解决的关键问题。2 工程材料的发展必将使桥梁工程有重大的进步在工程材料上，首先是钢材的发展。我国还须进一步开展低含碳量和含其他合金元素、经过微合金化和晶粒细化处理的超高强度钢材的研究和生产，这
4、种超高强度钢材应具有优异的焊接性能。在20 世纪我国已建成了采用可焊性良好的 14MnNbq 及 15MnVNq 钢及栓焊整体节点组成的大型桥梁，但尚需进一步发展，向超高强度钢及全焊钢梁结构发展。混授土在 21 世纪中仍是桥梁最主要的建筑材料。在改善混凝土性能方面，重点在使其耐久性达到良好的指标。这主要是改善混凝土内部结构，掺人高效减水剂及活性矿物掺合料，使孔隙率大幅度降低来提高燕耐久性。特别是以水泥为基料的含有超细微粒的硅灰及纤维增强材料最有发展前途。目前实验的强度已达到 200MPa，其特点及远景为:使桥梁自重减少 1/3-1/2，与钢结构的重量相似;耐久性、抗冻性加强，延长结构寿命，减少
5、维修工作量;具有很高的弯曲应力(20-25MPa)，这样可以免去表面分布钢筋及部分力筋的设置，混凝土工程将大为简化。在钢管混凝土复合结构方面，我国现有的水平尚需进一步提高，例如:在钢管混凝土内填充含有超细微粒的硅灰及纤维增强混凝土后，承压力可能达到 350MPa，这将使杆件更为纤细化。在钢管混凝土构件中引人预应力，可扩大受拉构件的使用范围;在铁路桥梁中采用钢管混凝土结构，节点的疲夯成为突出的问题。在这方面.海洋石油平台多年的工程实践经验是值得借鉴的。随着航空工业及原子能工业的发展，人们在 20 世纪中已经研制出了各种类型的纤维增强塑料(FRP)。它们具有自重轻、强度高等优异性能，必将成为桥梁今
6、后主要采用的材料。如采用 FRP 的模拔型材已在试用，更有发展前途的是用纤维增强塑料(FRP)来制成力筋及缆索材料。如瑞士的米勒(Meier)教授认为，主跨为 8400m 的直布罗陀海峡桥方案中，由于钢索的自重过大，只有采用碳纤维增强塑料(CFRP)才有可能完成。3.在设计理论及施工工艺上必将进一步结合桥梁结构向大型化、空间化发展后产生了结构的复杂性和施工的可能性的问题。这两者的统一是完美地律精重大工程的关键。20世纪中若干重大桥梁的设计及施工手段的结合，使人们对如何完成优良的工程有了新的看法。例如.在 20 世纪末叶建成的丹麦大带海峡(Great Belt)桥、加拿大的诺森伯兰海峡(Nort
7、humberland Strait)桥和丹麦、瑞典间的菲阿桑桥(Feresund)的设计及施工中如何正确地选取桥梁上下部结构，以及相应的施工手段是一个非常关键的问题。由于上述桥梁在设计中选用了整体预制的大型棍凝土构件及相应的特大型浮吊，使工程得以在高质量、高度机械化、高速度及低成本的条件下顺利完成。这种设计理论和施工手段将在 21 世纪中必将得到更大的发展和更多的应用。我国桥梁的设计及施工分离的状况宜按此经验改变，这将促使桥梁事业的良性发展的进程。迄今为止，世界上在桥梁基础工程上尚无深于 100m 的深水基础工程实践。而在石油工业上，水深 400m 的石油钻井平台早已实现。所以，借鉴海洋石油工
8、业中钢结构及预应力混凝土结构两种类型的海上采油平台及贮油库的修建经验，对加速桥梁深水基础及设置沉井基础(Placing Foundation)的发展是十分必要的。4.21 世纪中必将十分重视桥梁美学及环境保护桥梁工程是大自然中具有魅力的空间建筑物。古代桥梁建筑与周围环境协调和谐、相互辉映的例子甚多。20 世纪中特大型桥梁及城市中的桥梁多成为景观效果上的关键建筑物。我国在 20 世纪 50年代时提出的“适用、安全和适当照顾适美观“的原则已发展到“安全、适用、经济、美观“并重的原则。世界上在加世纪中有许多桥梁的造型十分震撼人心，其影响是深远的。如 30 年代的美国的旧金山桥以及西班牙赛维利亚(Se
9、ville)市无背索的单跨斜拉桥- 阿拉米罗桥(Alarnillo);瑞士的刚性拉板斜拉桥- 甘特桥(Ganter);又如我国香港地区采用 4 索面的汀九斜拉桥，等等，使人类认识到桥梁建筑艺术造型的价值及艺术与经济的统一。因此，21 世纪的桥梁结构必将更加重视建筑与艺术造型并重，必将注重环境保护与环境协调，进而使我们的生活环境更加美好。桥梁工程领域中的新材料新技术 （第 102 期） 作者：管理员 添加时间：2010-5-14 20:22:49 浏览次数：33 主 讲 人：赵唯坚 教授主讲题目：桥梁工程领域中的新材料新技术讲座时间：2010 年 3 月 19 日 15：30讲座地点：乙 1-2
10、01主讲人简介：赵唯坚，男，1958 年 10 月出生。1982 年于同济大学获工学学士学位。1987 年在沈阳建筑工程学院晋升为讲师并获得沈阳市高校优秀青年教师。1988 年由国家教委公派出国到日本长岗技术科学大学作访问学者。1991 年获得日本文部省资助再次渡日攻读硕博。1996 年在日本长岗技术科学大学获工学博士学位。之后进入日本最大建筑集团公司大成建设株式会社从事研究开发工作至今。现任主任研究员。日本国家一级注册结构工程师，一级注册综合技术监理工程师（工程系列中地位最高的国家职称） 。日本土木学会认定上级工程师。土木学会会员、日本混凝土学会会员。在学会任多种研究委员会的委员， 混凝土工
11、学杂志编委，土木学会论文的特约审稿人。现任土木学会组合结构设计规范编制委员会委员。主讲内容：通过赵唯坚教授的介绍我们了解到使自由振动衰减的各种摩擦和其他阻碍作用，我们称之为阻尼。而安置在结构系统上的“特殊”构件可以提供运动的阻力，耗减运动能量的装置，我们称为阻尼器。从二十世纪七十年代后，人们开始逐步地把这些利用阻尼来吸能减震的技术转用到建筑、桥梁、铁路等结构工程中，其发展十分迅速。特别是有五十多年历史的液压粘滞阻尼器， 在美国被结构工程界接受以前，经历了一个大量实验，严格审查，反复论证，特别是地震考验的漫长过程赵教授说城市规划一直是对全新的可视化技术需求最为迫切的领域之一，虚拟现实技术可以广泛
12、的应用在城市规划的各个方面，并带来切实且可观的利益。 虚拟现实技术在道路桥梁应用现状在高速公路与桥梁建设中虚拟现实技术也得到了应用。由于道路桥梁需要同时处理大量的三维模型与纹理数据，导致这种形势需要很高的计算机性能作为后台支持，但随着近些年来计算机软硬件技术的提高，一些原有的技术瓶颈得到了解决，使虚拟现实的应用达到了前所未有的发展 。在我国，许多学院和机构也一直在从事这方面的研究与应用。三维虚拟现实平台软件，可广泛的应用于桥梁道路设计等行业。该软件适用性强、操作简单、功能强大、高度可视化、所见即所得，他的出现将给正在发展的 VR 产业提示入新的活力。 虚拟现实技术在道路桥梁方面的应用虚拟现实技
13、术在高速公路和桥梁建设方面有着非常广阔的应用前景，可由后台置入稳定的数据库信息，便于受众对各项技术指标进行实时的查询，周边再辅以多种媒体信息，如工程背景介绍,标段概况,技术数据,截面等,电子地图,声音、图像、动画，并与核心的虚拟技术产生交互，从而实现演示场景中的导航、定位与背景信息介绍等诸多实用、便捷的功能。无粘结预应力束是桥梁工程中的新材料，它是由单根或多根高强钢丝、钢绞线或钢筋，沿全长涂抹防腐蚀油脂并用聚乙烯热塑套管包裹而成。无粘结束像普通钢筋一样敷设，然后浇注混凝土，待混凝土达到规定强度后，进行张拉和锚固，它省去了预埋套管、穿索和压将工艺，节省了施工设备，简化了施工工艺，缩短了工期，降低
14、了造价。因而在欧美、日本等国得到广泛应用。从 90 年代开始，无粘结束技术已在我国的中心跨径桥梁中应用，目前最大跨度已达到20m。但是无粘结束预应力桥梁不宜作更大跨度，且计算比较复杂。日本开发的后期粘结预应力钢材新技术，有着广阔的应用前景。 后期粘结 PC 钢材是 PC 钢材上涂抹硬化的黄油状的常温硬化型树脂，以套管包裹。这种常温硬化型树脂，通过控制环氧树脂硬化促进剂的添加量，可以自由确定硬化时期。这种树脂是硬化时，与无粘结钢材一样，具有与黄油状同等的粘度，张拉后，PC 钢材与套管之间充填的环氧树脂自然硬化，介于套管间的 PC 钢材同混凝土粘结起来。由于耐水性、耐药性，特别是耐酸性都很好，套管
15、是很难破坏的，高温下也比较稳定，而耐气候性有一定程度降低。根据用途不同，套管的形状可以做成与无粘结 PC 钢材同样的形状，如圆形。为提高与混凝土的握裹力，也可以做成凹凸形。后期粘结 PC 钢材特点： 1、施工容易 只需将后期粘结钢材置于所定的配筋位置，进行混凝土浇注，达到规定强度后进行张拉、锚固。这样钢材的穿入、压浆作业都不需要了。2、PC 钢材同混凝土能形成一体 PC 钢材上涂抹树脂，硬化后同 PC 钢材紧密粘结由于套管的形状，取得了与混凝土粘结好的性能。还由于这种树脂在一定时间内自然硬化，而且不需要特别处理（如加热等） ，因此，没有任何危险。3、耐腐蚀性好在整个 PC 钢材上涂抹了防腐蚀性
16、能优良的树脂，其上还有套管包，有这样两重防腐构造，因而耐腐性是很好的。 4、使用性能好 由于套管直径小，即使很薄的翼缘板也能使用，使配筋设计更容易进行。又由于摩擦系数小，也能节约钢材的使用量。后期粘结 PC 钢材新技术的关键之处是树脂可在常温下硬化，而硬化是通过促进剂的添加量来进行控制的。因此，研制这种促进剂，就能取得这项科技成果 赵教授还说粘贴钢板法是公路混凝土桥梁常用的加固方法，一般是采用环氧树脂或专门结构胶将钢板直接粘贴在混凝土构件表面，使之与构件形成受力整体。土木工程中的新技术往往来自新材料的应用。自上世纪七十年代末初期，欧洲进行纤维增强复合材料（FRP）在土木工程应用研究以来，具有极
17、好的比强度和比刚度、优秀耐腐蚀性的纤维增强复合材料已广泛用于混凝土结构的粘贴加固工程，形成了纤维增强复合材料补强加固已有混凝土桥梁的新技术，其中碳纤维增强复合材料（CFRP）应用更多。本文根据国内外关于碳纤维增强复合材料补强加固的工程研究，介绍这一新技术的材料特性、施工方法和技术措施。 一、 材料的基本特性碳纤维增强复合材料补强加固所采用的基本材料是高强度或高弹性模量的连续碳纤维，单向排列成束，用环氧树脂浸渍固化的碳纤维板或未经树脂浸渍固化的碳纤维布，统称碳纤维片材。将片材用专门配制的粘贴树脂或浸渍树脂粘贴在桥梁混凝土构件需补强加固部位表面，树脂固化后与原构件形成新的受力复合体，共同工作。1、
18、碳纤维片材。片材碳纤维材料的拉伸强度在（24003400）MPa之间，与普通碳素钢板拉伸强度为 240MPa 相比，片材的拉伸强度很高。片材碳纤维材料的弹性模量依片材力学性能不同，碳纤维片材依力学性能分成高模量、高强度和中等模量三类。高模量碳纤维片材的弹性模量较高，但其伸长率较低。相比之下，碳纤维片材的单位重比钢材低许多，说明碳纤维片材较轻。碳纤维的化学结构稳定，本身不会受酸碱盐及各类化学介质的腐蚀，有良好的耐寒和耐热性。2、配套树脂类粘结材料。混凝土结构加固修补配套树脂系统包括底层涂料，用于渗透过混凝土表面，促进粘结并形成长期持久界面的基础；油灰，用于填充整个表面空隙并形成平整表面以便使用碳
19、纤维片材；浸渍树脂或粘结树脂，前者用于碳纤维布粘贴，后用于碳纤维板粘贴。浸渍树脂或粘贴树脂是将碳纤维片粘附于混凝土构件表面并与之紧密地结合在一起形成整体共同工作的关键，因此，树脂同混凝土的粘贴强度大于混凝土的拉伸强度和剪切强度。就公路混凝土桥梁用碳纤维片材加固技术而言，环氧树脂在不同施工环境温度下固化性能有十分重要的意义，因为这涉及到粘贴工作质量与如何尽量减少桥上正常交通中断时间紧密相关。采用专配的环氧树脂材料，在混凝土施工表面温度（1040）摄氏度时，粘贴环氧树脂固化时间约 15 小时以上，但粘贴后就可以使用的时间为 45 分钟以上，专配的环氧树脂材料的这一性能是完全适合混凝土桥梁的加固工作
20、。二、碳纤维片材加固桥梁的形式 碳纤维片材主要用于混凝土桥梁的基本构件和节点的加固补强，其加固的效果主要是提高构件的抗弯承载力、抗剪承载力以及受压构件的轴向抗压承载力；提高构件的刚度以及延性。除此之外，许多室内及现场试验证明，碳纤维片材加固的混凝土构件裂缝宽度发展可以得到控制。 由于碳纤维片材，特别是碳纤维布质量轻且厚度薄，具有一定柔度，在混凝土桥的有关部位加固较灵活。碳纤维片材因碳纤维排列方向不同而使各方向拉伸强度不相同，碳纤维片材的纤维向与受力向相同时，其拉伸强度最高，反之，纤维方向与受力方向垂直时，其强度最低。因此，在采用碳纤维片材进行加固设计中，必须正确掌握纤维的布置方向。根据混凝土构件加固计算，可以采用连续式粘贴或条带间隔粘贴碳纤维片材的方式。研究表明，分条加固的效果要优于整条布的加固效果。:
