引领钢桥科技发展趋势——长寿命钢桥设计理论与智能建造

文/图 长安大学 王春生 王茜 段兰

围绕长寿命高性能钢桥结构体系、设计理论与建造关键技术，项目研究团队在长安大学教授王春生的带领下，历经近20年产、学、研、用一体化的自主创新与实践，攻克了高性能、强韧性新材料研发与选材准则制定、新型构造与连接研发、创新性结构体系研制、试验技术突破、体系可靠性设计与优化理论革新、智能制造技术研制等重大技术问题，填补了多项技术空白，建立了设计使用年限达150年的长寿命高性能钢桥设计理论，实现了高性能、强韧化、长寿命的技术目标，引领了行业科技进步。

/研究突破/ 实现了从材料、构件到结构体系的系列创新

建立了长寿命高性能、强韧化钢桥选材准则与设计指标体系

项目研究团队提出了高韧性桥梁钢、耐候性桥梁钢的断裂韧性、耐候性设计指标，研发了超高韧性水泥基复合材料（UHPFRC）及其制备技术，确定了桥梁用玻璃纤维增强复合材料（GFRP）的材料设计指标，填补了现行相关规范中高性能材料设计指标不全面、不明确的技术空白。

研发了长寿命高性能钢桥的创新构造与连接件

项目成功研发了钢-UHPFRC组合桥面板、新型波折连接件和GFRP-钢黏贴节点，建立了钢-UHPFRC冷连接组合桥面板、GFRP-钢组合桥面板构造设计准则和计算分析方法，通过革新传力方式，提高了材料利用率、提升了钢桥面板耐久性，为破解钢桥面板疲劳耐久性不足的世界技术难题提供了新途径。

创新了长寿命高性能钢桥的构件与结构体系

项目研究团队探明了混合设计高强钢梁、管翼缘组合梁、波形腹板钢箱组合梁等新型高性能结构的受力性能；建立了钢桥数字疲劳试验方法，确定了耐候钢梁腹板间隙面外变形细节的疲劳强度等级；确定了实桥大应力比条件下钢桥抗疲劳强度取值；提出了组合梁斜拉桥主梁轴力和弯矩应力分离—叠加的分析模型与桥面板有效宽度计算公式；提出了钢桥塔新型构造。形成了系列的设计准则和计算分析方法，填补了相关规范的技术空白。

创建了长寿命高性能钢桥体系可靠性设计与优化理论

项目建立了长寿命钢桥温度梯度模型和温度疲劳荷载模型，填补了国内外规范中无温度疲劳荷载模型的空白，提出了温度与车辆疲劳应力耦合分析模型与计算方法，构建了结构体系可靠度的串并联分析模型和改进响应面计算方法，确定了长寿命钢桥构件与结构体系目标可靠度指标取值，提出了钢桥体系可靠度优化模型及算法，建立了长寿命钢桥体系可靠性设计与优化理论。

长寿命高性能钢桥智能制造技术与装备研制

项目研究团队提出了与高性能耐候钢相匹配的焊接材料与工艺参数，研发了耐候钢桥锈层稳定化技术，研制了波形腹板钢箱组合梁全流程智能制造设备及生产线，攻克了制约高性能钢桥发展的建造技术难题。

/研究成果/ 服务工程实际、指导标准制(修)订、推动行业进步

长寿命高性能钢桥结构体系、设计理论与建造关键技术研究

项目核心技术获授权专利14项、软件著作权2项，出版专著3部，发表论文70余篇。部分研究成果纳入《公路工程结构可靠性设计统一标准》（JTG 2120-2020）、《公路钢结构桥梁设计规范》(JTG D64-2015)、《公路斜拉桥设计规范》(JTGT 3365-01-2020)等6部国家行业规范及欧盟标准FRP补充设计指南，支撑了陕西省地方标准《高性能能钢桥设计与制造技术规程》、中国公路学会团体标准《钢管翼缘组合梁设计与施工技术指南》、中国工程建设标准化协会标准《公路耐候钢混凝土组合桥梁技术规程》的编制，以及《钢板组合梁桥通用图》等4部标准图的编制。

项目成果在3个交通运输部首批公路钢结构桥梁典型示范工程和首批免涂装耐候钢桥，以及西藏、贵州、江苏、湖北、陕西等14个省份的100余座钢桥中得到成功应用，包括川藏公路通麦特大桥、厦漳跨海大桥、云南普者黑特大桥等20余座特大跨钢桥，青藏高速公路等9条高速公路40余座常规跨径钢桥，以及中马友谊大桥等国际工程，对于长寿命高性能钢桥结构体系设计与建造起到了引领示范作用，产生了显著的社会经济效益。研究成果经中国工程院院士等组成的评价委员会鉴定，总体达到国际领先水平。

/创新团队/ 入选2个省部级创新团队，实现了产、学、研、用深度融合

项目研究团队在负责人王春生带领下，入选交通运输部科技创新团队“桥梁耐损性设计与安全维护技术创新团队”和陕西省科技创新团队“长寿命高性能钢桥智能设计、建造与管养创新团队”，长期致力于钢桥与组合结构桥梁、长寿命强韧性桥梁结构理论、桥梁耐损性设计方法与安全维护技术等领域的研究，形成了产、学、研、用一体化的研究模式。

王春生为长安大学二级教授，是国家“万人计划”科技领军人才，全国百篇优秀博士论文奖、国务院政府特殊津贴、茅以升科学技术奖—桥梁青年奖获得者。他主持承担了国家自然科学基金、973项目子题，以及教育部新世纪优秀人才基金、霍英东青年教师基金等省部级科研项目20余项，主持编制交通运输部行业技术标准《公路钢桥疲劳监测、评估与维护技术规程》，参与编制《公路钢结构桥梁设计规范》《公路工程可靠性设计统一标准》《公路钢结构桥梁养护技术规范》3部交通行业技术标准，主持编写地方与协会标准6部。发表论文被SCI、Ei收录100余篇，出版专著2部，授权国家发明专利10余项。王春生曾获国家科学技术进步奖二等奖1项、中国公路学会科学技术奖特等奖2项（主持），以及省级和学会科学技术奖10余项，推动了我国首批长寿命公路免涂装耐候钢桥的设计和建造。