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有进步更有不足,中国桥梁技术的现状与展望,让中国真正走向桥梁强国

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  • 更新时间:2017-11-21

        桥梁是跨越江河湖海、深沟峡谷等障碍的人工构筑物,是交通设施互联互通的关键节点和枢纽工程,是国民经济发展和社会生活安全的重要保障。桥梁产业的发展能有效化解钢铁、水泥、能源等传统产业的产能过剩,有力推动新材料、智能制造、高端装备、新一代信息技术、节能环保等战略性新兴产业和物流、运输、房地产等第三产业的蓬勃发展,在促进产业融合升级、拉动经济增长等方面发挥着重要作用。

  截至2013年底,中国桥梁总数达86万座,已超越美国的61万座,居世界第一,预计2025年将突破100万座。改革开放以来的30多年,是中国桥梁建设发展的黄金时期,在学习引进国外先进技术的基础上,我国坚持走自主建设和创新发展的道路,经历了20世纪80年代的学习与追赶、90年代的跟踪与提高,当前正处于21世纪以来的创新与超越发展阶段,建成了以苏通大桥、天兴洲大桥、卢浦大桥、杭州湾大桥等为代表的一大批结构新颖、技术复杂、设计施工难度大和科技含量高的特大型桥梁,并积极参与国际竞争,主持或参加建设了马来西亚槟城二桥、巴拿马运河三桥、塞尔维亚泽蒙·博尔察大桥、新奥克兰海湾桥等一批国际知名桥梁工程,荣获了国际咨询工程师联合会(FIDIC)“百年重大土木工程项目杰出奖”、美国土木工程师学会(ASCE)“杰出土木工程成就奖”、国际桥梁与结构工程协会(IABSE)“杰出结构工程奖”和“功绩奖”等多项著名国际大奖,赢得了国际桥梁界的尊重和认可,正在向桥梁强国迈进。


  中国桥梁技术虽取得了以上主要进展,但与发达国家相比,在创新设计理念、耐久性、高性能材料、软件、装备、标准规范、专业化人才队伍等方面,还存在问题和不足,一些基础理论研究和共性关键技术尚需突破,施工精细化程度不高,工业化、信息化和智能化水平还不高,科技创新与成果转化能力不足,产业化程度较低,制约了中国桥梁向以安全、长寿、绿色、高效、智能为特征的可持续桥梁方向发展。

无法忽视的问题与未来的路

桥梁建设技术

  桥梁建设技术及工业化、智能化、产业化水平有待进一步提升。在基本理论与方法体系方面,国外已开展200年使用寿命超级桥梁工程的基础研究工作,我国全寿命设计理论方法、基于性能的设计理论方法和多灾害作用下防灾减灾理论方法的系统深化研究与应用仍需加强,指标和规范体系有待完善与建立。

  欧洲、日本、韩国等国家和地区都在开展主跨1200米至1600米双塔斜拉桥、主跨700米以上多塔斜拉桥、主跨2700米至3300米悬索桥、主跨1400米协作体系桥等大跨度桥梁的技术研究与探索应用。此外,我国也在计划开展主跨700米至1000米拱桥的技术研究和探索。因此,我国超大跨径桥梁的结构体系及合理结构型式的研发仍亟待加强,以迎接未来复杂建设条件下建设超大跨度桥梁带来的技术挑战。

  在施工技术方面,中国桥梁施工技术工业化程度还较低。20世纪90年代加拿大诺森伯兰海峡大桥,已实现上下部全预制结构的工业化建造。美国正在进行系列化、标准化桥梁快速建设技术研究和推广应用。虽然我国近年来短线匹配、整孔架设等工业化技术,逐步在特大型桥梁上应用,但中小跨径桥梁大量现浇作业仍然存在,工厂预制、现场装配的施工技术尚未形成标准化、系统化,与建立全行业的工业化建造标准体系还有很大差距,环境污染和能源浪费仍较普遍,质量可靠性仍较低,工业化程度亟待提升。

  施工装备性能与可靠性亟待提高,桥梁智能施工技术及装备亟待研发。尽管我国在打桩船、液压打桩锤、大型浮吊、大直径钻机等大型装备方面均已实现了自主研发,但这些装备的效率、吨位、可靠性、故障率等与国外装备还有一定差距,部分装备存在寿命期较短、需频繁修理和更换等问题,控制系统、液压系统、行走系统等关键核心部件须依赖进口。我国的自动化智能化施工技术研究和应用还处在起步阶段,目前仅在钢箱梁机器人焊接、预应力智能张拉等方面有一些实践。

  在防灾减灾技术方面,灾变机理研究相对滞后、也不深入,灾害作用参数的合理取值还存在不确定性,需加强对多灾害作用的现场采集和原型观测,从概率性可靠度视角出发创新桥梁防灾减灾理论方法。现有试验平台主要偏重单因素灾害和常规灾害作用模拟,缺乏多灾害耦合、极端灾害作用的模拟试验能力和合适的试验技术,同时试验设备系统比较分散,需进一步整合以提高灾变试验模拟水平。


△ 卢浦大桥

桥梁新结构与高性能材料

  我国桥梁的新结构和高性能材料研发及推广应用还不够,与发达国家相比还有一定差距。

  在新结构方面,适用性强、便于推广的新结构开发有待加强。目前,大多是根据具体工程需要,着眼于提升结构受力性能,在国外类似工程结构基础上进行局部改进和发展,但在提高结构耐久性、可维修性、方便更换和施工等方面尚有不足,缺乏综合性能优、经济性好、适用性广、可标准化并易于推广的结构型式。超深水设置基础和组合基础的研究与开发也较为滞后。同时,针对新结构在设计理论与方法、数值模拟与试验技术等方面的研究还有待深化和加强。

  在高性能材料方面,国外桥梁混凝土主要采用C60-C80,钢材多采用Q420及以上,强度高于我国,对耐久性、工作性、绿色环保和推广应用等尤为重视。2000年时日本的高性能钢已占桥梁用钢量的22%,美国2000年前后就批量生产并使用了HPS 485W和HPS 690W高性能钢材,国外很多桥梁采用1860兆帕及以上的高强度缆索。相比之下,我国桥梁用高性能材料的强度和性能亟待进一步提升,并形成通用的系列化产品、及时反映到标准规范中。很多高性能材料都是针对具体工程研发,未形成行业通用的系列产品,产业化水平偏低,制约了我国桥梁的进一步发展。

桥梁监测检测、评估与管养技术

  随着桥龄的不断增大,更多、更复杂的病害和问题会逐步暴露出来,影响桥梁及交通网络的安全和使用,而目前很多基础理论和技术问题还没有很好地解决,还无法满足近百万座桥梁的安全长寿需求。

  在监测检测技术方面,无线传感测试技术、数据采集及通讯技术等还存在差距,仪器精度及稳定性还有待提高,高精度监测设备和隐蔽工程检测设备、非接触性检测设备等大多依赖进口,缺乏针对中小桥的快速检测技术与设备和针对大跨度缆索桥梁关键构件的无损检测技术与设备,结构内部缺陷快速检测与诊断前沿技术、关键检测技术和自主装备等远不能满足桥梁养护管理的需求。

  在理论方法和评估技术方面,缺乏实用的基于桥梁结构状态和退化模型的长期性能预测、养护规划与决策等方面的理论与方法,桥梁长期性能、承载能力评估及耐久性评估诊断技术等尚需进一步研究突破。

  在建管养一体化技术开发和平台建设方面,桥梁养护与维修加固技术多借鉴发达国家的经验,预防性养护技术研究缺乏系统性,基础数据积累和挖掘利用不够;缺乏专门针对国家级或区域级桥梁群的桥梁资产管理系统和智能化信息化技术的开发和应用,相应的管理体制、标准、管理平台系统等方面落后于发达国家;关键管养设备主要依赖进口,自主创新能力还有待提高。

桥梁信息化技术

  我国桥梁信息化技术水平较低、国产核心软件匮乏,严重制约了桥梁向工业化、信息化、智能化方向发展。其中,我国桥梁信息化技术水平低主要表现为支撑软件系统性差,数据采集设备、方法和手段较落后,缺乏适用于桥梁工程的海量数据存储、分析、挖掘等技术。BIM技术在我国桥梁领域的应用刚刚起步,远低于国外的研究和应用水平,尚未搭建起桥梁BIM标准体系,主要以试点工程的局部应用为主,且侧重于方案设计、施工模拟等个别阶段,尚未应用于覆盖桥梁规划设计、建造和运营管理的全寿命周期,未充分实现BIM技术所具有的信息共享、减少能耗、降低成本、缩短工期和实现建养一体化的价值。

  我国桥梁标准规范滞后于桥梁技术和产业的快速发展,与发达国家标准规范相比仍存在一定差距。在基础理论方面,在现有理论体系框架下,亟待研究解决材料统计特征、正常使用极限状态可靠指标、耐久性设计指标等指标参数缺失的问题。此外,中国桥梁标准的国际认可度还有待提高,对中国桥梁“走出去”的支撑性不足,亟需提升中国桥梁标准规范技术水平,加强外文版翻译出版和宣传工作,积极参与国际标准化活动,加大国际标准跟踪、评估和转化力度,推进优势、特色桥梁标准的国际化,创建中国桥梁标准品牌,以桥梁标准“走出去”带动中国桥梁技术、装备、服务“走出去”。


△ 天兴洲大桥

科技创新计划领航

  当前,世界桥梁强国都在为适应新的科技革命和迎接桥梁建养新高潮进行准备,北欧正在筹划新欧亚大陆桥项目“新丝路”;美国正在实施为期20年的“桥梁长期性能研究计划;日本正在从国家层面实施桥梁检测机器人研发计划;韩国正在实施“SuperBridge 200”计划(即为桥梁提供200年寿命期的先进技术)。

  这些都向我们发出警示:为了赶超世界桥梁强国,中国必须尽快规划桥梁科技发展战略、制订新的桥梁科技发展计划,全面提升中国桥梁技术创新能力和水平。

  中国桥梁正处于创新与超越的发展阶段,未来10年,中国桥梁产业将步入创新驱动和转型升级的重要战略机遇期,面临3大历史任务:首先,要支撑“一带一路”、长江经济带、京津冀协同发展等国家经济发展战略和“中国制造2025”国家工业重大发展战略、“创新驱动发展”国家科技发展战略;其次,要保障庞大已建和新建桥梁的安全长寿;再次,要实现科技领先和人才领先的桥梁强国梦。为迎接上述三大任务与挑战,要打造适应中国桥梁可持续发展的技术体系和产业链,尽快实施以重点专项“智能桥梁”为主题的“中国桥梁2025”科技计划,并通过组建“中国桥梁产业技术创新战略联盟”保障其顺利实施。

  以重点专项“智能桥梁”为主题的“中国桥梁2025”科技计划,是中国桥梁未来10年的顶层科技发展规划。其中,按照加强顶层设计、注重全产业链一体化实施的原则,重点专项主要由“桥梁智能设计建造技术及装备”“桥梁智能管养技术及装备”和“桥梁智能建养一体化技术及平台”3个项目群组成,并按照基础前沿、共性关键技术、系统集成及产业化示范布局16个项目,针对桥梁设计、施工、管养、材料、装备、软件等全产业链,实现互联网、物联网、大数据与云计算等新一代信息技术和桥梁建养技术深度融合,打造以工业化、信息化、智能化和绿色建造为特征的桥梁全产业链创新体系,提升桥梁建养技术水平和产业化能力。

  同时,为了解决现有科技体系中低层次重复、资源分散分隔、没有形成全产业链、成果转化不足和多产业领域合作等问题,按照国家新的科技体系对于“产学研用”协同创新和国家科技计划全产业链一体化实施的要求,拟整合桥梁及相关领域的优势资源,按照“产学研用”相结合以及“资源共享,优势互补,联合开发,协同共赢”的原则,形成基础理论研究团队、共性关键技术研发团队和产业化示范基地,组建中国桥梁产业技术创新战略联盟,协同有序地推进科技计划的组织实施,并申请成为国家产业技术创新战略联盟。

  未来10年,中国桥梁产业将步入创新驱动和转型升级的重要战略机遇期,必须解决制约中国桥梁发展的主要问题和不足,进一步提升中国桥梁技术创新能力和水平,打造适应中国桥梁可持续发展的技术体系和产业链,推动中国桥梁技术的快速健康发展,更好地支撑国家重大发展战略、保障庞大桥梁安全长寿,争取早日实现桥梁强国梦。


(转载自《科学通报》,有删减。)


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