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工 程
高性能结构：建筑结构和材料—综述
摘要
在桥梁工程的历史上，需求一直是发展的主要动力。改革开放以来，由于对建筑的巨大需求，中国的桥梁已经完成了从“追随者”到“竞争者”，最后到'领导者”的过渡，在三个主要阶段实现了数量和质量上的跨越。中国桥梁工程的新未来正在崛起。作为中国交通基础设施的重要组成部分，桥梁1 I程行业在这个新时代面临着如何支持新型交通运输方式的挑战。本文提供了一个总结。通过对库存需求，增量需求和管理需求的基础分析来确定中国桥梁技术的现状，我们认为中国桥梁工程行业必须满足三个突出要求:建设效率,管理有效性和长期运营能力。基于信息技术的智能技术为桥梁工程的创新提供了新的机会。桥梁工程的发展路径需要改变。本文提出了开发具有智能特征的第三代桥梁项目的想法，并讨论了该项目的意义，发展重点和计划。这样，这项工作为提高中国桥梁工程行业的核心竞争力提供了方向。
- 介绍
桥梁通过提供扩展人类触及范围的媒介，克服了地缘政治障碍。它们已成为扩大人类生存空间的重要渠道，从而极大地促进了社会发展。桥梁工程的功能，社会和文化价值与人类社会的政治，经济和文化活动密切相关。这些价值超越了桥梁本身，将其转变为具有社会和文化属性的基础设施。现代桥梁已成为社会发展的缩影，是重要的社会财富。
改革开放四十年是中国桥梁建设发展的黄金时期。遵循技术发展的一般规律以及整合，发展，创新的道路，中国桥梁工程经历了三个阶段: 1980年代是学习和模仿，1990年代进行跟踪和改进，自21世纪初以来不断创新和超越。中国桥梁工程的发展已取得实质性的重大飞跃[1]，由于许多特大桥梁的建造采用新颖的结构，困难的设计和施工以及复杂的高科技材料和程序;例如苏通长江公路大桥，天兴洲大桥和卢浦大桥。此外，中国积极参加和举办国际比赛，并在许多著名的国际桥梁的建设中发挥了作用，包括马来西亚槟城第二大桥，巴拿马运河第三大桥和新奥克兰湾大桥。这些项目为中国赢得了34个杰出的国际奖项，例如国际咨询工程师联合会(FIDIC) 的'最近100年重大土木工程项目'卓越奖，美国土木工程师协会(ASCE)颁发的“杰出土木工程成就'奖，以及国际桥梁与结构工程协会( IABSE)颁发的“杰出结构工程奖”，这些奖项标志着中国桥梁行业的发展，并代表国际桥梁行业的尊重和认可。中国桥梁工程已逐渐进入世界舞台的中心[2-5]。
然而，近年来不断发展的内部和外部环境使中国的桥梁工业进入了一个新的起点，这是对桥梁工程发展的新要求。在这个新时代，中国桥梁工程行业面临着如何支持“运输力里'建设的重大问题，这些问题包括:桥梁工程如何支持中国的主要国家战略?如何确保桥梁安全?使中国成为世界上最重要的桥梁工程国家之一的梦想能否实现?面对这些新的历史性任务，我们必须依靠中国桥梁工程技术的现状，研究中国桥梁技术向更广阔的方向发展构想，抓住当前的机会进一步发展，并以合理和科学的方法促进中国桥梁工程。
- 中国桥梁技术的现状
中国的改革开放，伴随着经济的发展，为中国桥梁工程的发展带来了前所未有的机遇，桥梁建设规模不断扩大。截至2017年底，中国已建造了83万多座桥梁。由于许多享誉国际的国际知名桥梁项目，中国以其桥梁工程而闻名。在每个类别下，中国的桥梁占世界十大桥梁的一半以上(表格1).中国桥梁行业的辉煌成就已被社会广泛认可。桥梁已成为中国基础设施建设中最重要的品牌之一，中国桥梁的国际认可度也在不断提高。
这些成就归功于中国桥梁工程行业根据自身需求进行的大里科学技术研究。该行业在四个方面取得了长足的进步:材料技术，勘测设计技术，建筑技术以及管理和维护技术。
2.1 关键技术成果
2.1.1 材料技术
材料是桥梁工程的基础;因此，特长桥梁的发展一直以材料技术的发展为基础。迄今为止，中国已经实现了混凝土，钢材，电缆，复合材料和智能材料的国内生产。其中一些材料代表了世界领先的技术[6-8]。
C50和C60混凝土在中国被广泛使用。纤维，轻质和超高性能混凝土也已被研究并逐渐被应用。改善混凝土材料的性能以改善其结构性能已经引起了极大的关注。
中国钢铁的发展已经经历了低碳，低合金，高强度和高性能的阶段。目前，Q345和Q370钢被广泛使用，而Q420逐渐被应用。Q500钢已成功开发并应用于沪南长江大桥等工程，700MPa级的钢正在研制中，环氧涂层的钢筋和不锈钢棒正在逐步被应用。
在电缆材料方面，已将1770 MPa的钢丝和1 860 MPa的钢绞线本地化并应用于工程中。2000 IPa钢丝(锌铝合金)也已成功开发并应用。
复合材料，例如纤维增强塑料(FRP)，已用于桥梁的修复和加固，并且已经进行了电缆的相应应用研究。记忆合金，压电材料，光纤和智能自修复混凝土等新型智能材料已逐渐得到研究，并应用于桥梁监测和加固工程。
2.1.2 勘测设计技术
勘察设计技术是桥梁工程发展的前提。中国地域辽阔，具有各种地质和地形条件:这促进了桥梁类型的多样化发展，并导致勘测和设计技术的发展。因此，中国的桥梁I程在测量技术，设计理论和方法，桥梁类型和结构系统，关键结构，防灾减灾技术以及桥梁信息技术方面取得了长足的进步。
为了进行测里，可以使用诸如遥感，全球定位系统，地理信息系统等的现代空间信息技术来获取地质解释图，正射影像图，数字高程模型(DEM)，点云数据等等。解释数据进行设计，支持土方工程童和工程里的准确计算，以及用于智能选线和三维(3D) 设计的基本数据平台。
同样，设计理论也逐渐得到完善，从容许应力法发展为基于性能的设计法。决策方法已经变得更加可靠，因为它已从仅基于经验转变为基于概率和经验的结合。现在已经建立了一种将经验，概率和风险评估结合在一起的决策方法。设计概念已逐渐得到改善，并已从可靠性设计转变为生命周期设计。而且，基于可持续发展概念的可持续设计现在还处于起步阶段。设计理论和方法的进步极大地促进了国际对中国桥梁技术的认可[9-11]。
在桥梁类型和结构体系方面，中国工程师已经掌握了各种桥梁设计技术，并不断创新和开发结构体系和关键结构。基于四种桥梁类型(箱梁桥，拱桥，斜拉桥和悬索桥)，开发了适合当地条件的技术。这些包括创新的桥梁类型，例如斜拉桥的结构系统[12]具有静态极限和动态阻尼的分体式钢箱梁悬索桥，中空连续钢桥和钢管混凝土拱桥(图。1)。基于这些成就，新的桥梁类型例如成了现代化的桥梁体系，已经开发了的低层斜拉桥，斜拉索拱桥和斜拉悬索桥。这些成就共同构成了现代化的梁桥体系，以梁桥，拱桥，斜拉桥和县索桥为主体的类型和结构。
桥梁的主要结构要素(例如桥塔，主梁，电缆，拱肋和地基)正在不断开发和创新[13,14].学习了超过300 m的混凝土桥塔，钢塔和钢混凝土复合桥塔等结构的设计技术，并提出了新的锚固结构，例如内置钢锚盒和规划环线。主梁的结构形式已经取得了创新和突破:分裂钢箱梁首次成功应用于悬索桥，并且正在开发三主桁架钢桁架梁。此外，钢混凝土组合梁的设计技术越来越成熟。通过开发设计寿命为50年的高强度耐用平行电线斜拉电缆系统，分配力锚固系统，以及用于悬索桥主缆的实时监控无粘结可更换预应力锚固系统，电缆和锚固系统的强度，寿命和智能已得到稳步提高。混凝土拱肋，钢箱拱肋，钢桁架拱肋，钢管和刚性骨架复合拱肋得到了广泛的应用，并取得各种拱桥跨度的世界纪录。对于下部结构，已开发出用于新型基础的关键设计技术，包括:形状异常且截面可变的哑铃形帽盖的超大型群桩基础;超大直径钻孔桩基础;大型钢混凝土复合沉箱基础;大型圆形地下连续墙锚固基础围护结构:沉箱和管柱复合地基和无限型地下连续墙基础。
为了解决防灾咸灾的问题，已经开发了理论方法，实验和控制技术。提出的方法包括:桥梁的3D振动分析的状态空间法和全模态分析法。斜风作用的抖振分析方法;基于风振概率评估的方法[15]:桥梁抗震设计理论[16]，它基于网桥的生命周期和性能;用于多点固定/非平稳随机地震分析的虚拟激励方法;以及基于性能的桥梁碰撞设计方法。开发了数值波浪池模拟技术及自主知识产权分析软件[17]:利用这些方法初步构成涵盖风，地震，船舶碰撞，波浪流和车辆的桥梁防灾减灾技术体系，从而确保了桥梁功能和桥梁安全的实现。目前，我国桥梁防灾减灾技术的研究正从单因素灾害研究向多因素灾害耦合研究发展。
在桥梁信息技术领域，桥梁软件的开发和应用已取得重大进展，其主要功能，计算精度，计算分析效率已接近国外软件水平( 表2) [18].作为提高桥梁信息化水平的有效手段，建筑信息模型(BM)技术在中国各个层面都受到高度重视，并已应用于桥梁前向设计，碰撞检测，施工过程模拟和施工进度管理试点项目;结合虚拟现实/增强现实(VR / AR)技术，应用于方案优化和选择。在集成建模和分析技术、基于BIM的管理平台建设取得了突破性进展。
2.1.3 施工技术
中国拥有在不同施工条件下用于各种类型桥梁的建造和控制技术，并且建筑工业技术正在迅速发展，在自动化水平，生产效率和质量稳定性方面不断提高。桥梁施工中使用的大多数主要建筑设备是中国制造的。自动化水平和设备生产能力也大大提高[19-22]。
在超高层桥梁塔架的施工技术和设备方面，发展包括:混凝土桥梁塔架的液压爬升模板技术;超高混凝土泵送技术;预制和吊装施工技术;以及用于钢桥塔的高精度装配。混凝土桥塔浇铸段的最大长度(每段6 m，段高6 m)，攀爬模板的施工效率(每段12d) 已达到国际先进水平。钢桥塔的塔顶倾角误差(1/42000) 和最大起重重量( 7.5m●min-1 )下的起升速度。5200吨塔式起重机是独立开发的，并已在实际项目中使用。
在主梁的建造技术和设备方面，发展包括:钢制箱梁数字化生产线;整体式混凝土梁预制架设技术;已建梁运输安装技术;短匹配法预置拼装施工技术;整体时钢箱梁吊装技术;主梁架设施工技术;桥面吊车;顶推滑膜施工技术。并且浮式起重机，架桥机，桥面起重机，索缆起重机，大型龙门起重机和滑动模板设备等关键设备是独立开发的。索缆起重机(900 t)的起重能力及其旋转施工技术(旋转体长198 m，旋转体重22 400 t)处于国际先进水平。
在电缆制造和安装技术与设备方面，发展包括用于斜拉桥的热挤塑聚乙烯保护索技术，以及热挤塑护套成型技术。已经开发出具有软硬结合和三阶段牵引的超长拉索架设技术，并广泛用于斜拉桥和拱桥。学习了使用预制平行钢绞线(PPWS) 的主电缆安装技术。在拱肋的建筑技术和设备方面，发展包括:诸如斜拉式悬索悬臂装配连接和悬臂浇筑等建筑技术;肋骨加劲技术;钢筋混凝土拱桥转体技术;大断面钢拱桥吊装技术。例如，上海至昆明铁路北盘江大桥的主跨段采用加筋骨架施工法建造，长度为445m，远大于外国国家的跨桥段(最大跨距为210m)。[23]. 加强骨架包裹混凝土浇筑技术采用了三阶段连续真空辅助泵送法，以提高输送效率，使其达到30.8 m3h-1.朝天门大桥主桥跨度为552 m，该桥采用悬臂拼装悬索吊装技术建造。使用拱肋旋转的构造方法，水平旋转法的最大起重吨位为17 300t，并且还开发了垂直旋转法。大断面提升方法的最大提升重里为2800吨。已经开发出建筑设备，例如大吨位电缆起重机( 最大起重重量为420 t，高度为202 m)。此外，拱肋构造技术在工业中变得越来越普遍。
在桥梁基础的施工技术和设备方面，发展包括大直径钻孔桩，大直径钢管桩，预应力高强混凝土(PHC) 管桩，钢管复合桩，大桩基，大型沉箱基础和超深地下连续墙基础。自主开发了桩工船，液压打桩锤，钻床，混凝土搅拌船，双橹铣床等桥梁施工设备。打桩船的容量(/ 7 m,桩长超过100 m，重量为600 t)已经超过了国外同类船舶的容量(例如，/ 2.5 m，桩长为80 m,重量为100 t) ) [24]。
在桥梁架设技术方面，工业建筑技术发展迅速，自动化水平也在不断提高。为了安装结构元件，已经实现了预制桩基础的集成驱动，帽盖和墩体的预组装以及预制钢桥塔的整体提升。对于主梁，已经实现了对所有操作的大规模预浇筑和架设技术，包括混凝土箱梁小截面的预制和组装，桁架梁大截面的预制和吊装，超大型的整体架设。水道上的钢箱梁截面，并通过架桥机安装预制混凝土主梁。从上部结构到下部结构均采用了自动选线。此外，为了最大程度地减少施工对繁忙交通的干扰，已经开发了促进大型桥梁断面的快速维修和更换的技术。在施工控制技术方面，分阶段成型的无应力状态控制方法[25]在变形的常规双重控制(内力)的基础上，结合无应力状态控制概念提出的几何控制方法，已经开发出用于解决桥梁分段施工的解决方案。此外，已经提出了一种几何控制方法，用于设计，制造和无应力构件安装的整个过程。这大大提高了大跨度斜拉桥的施工控制精度。目前正在开发一种集成了计算，分析，数据收集，指令发出，错误判断等功能的建筑控制系统。基于网络的智能，基于信息的桥梁施工控制技术正成为该领域研究的重点。
2.1.4 管理与维护技术
随着桥梁建设的飞速发展，我国桥梁管理与维护，监测，检查和评估技术取得了长足的进步。[26,27].关于管理和维护，已经建立了一种以预防性维护为
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