内河航道钢结构桥梁应用现状和建议
李志峰 金国强 赵眈崴 杨扬 刘舟
摘 要：对浙江省航道桥梁、国内外钢桥使用现状进行了调研，通过与各种常规桥型安全性、耐久性、全寿命周期经济性的比较，总结出钢桥在跨航桥梁使用过程中的优缺点和存在问题，并对钢桥桥型的选择、耐候钢的应用、钢桥的养护等提出了建议。
关键词：航道桥梁；钢桥；桥型；耐久性；全寿命周期；经济性；耐候钢；养护
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0054-03
1航道桥梁建设现状
根据对我省拟建集装箱运输主通道12条主干航道507座桥梁的调查分类统计显示：
（1）杭甬运河、京杭运河、杭平申线桥梁数量居多，数量分别占比29.8、16.2、16.6%；
（2）桥梁等级多样化；
（3）通航等级应各条航道建成年代不一，种类较多，其中，对于在建桥梁均按设计改建后的情况进行统计；
（4）主桥桥型以混凝土结构为主，占比96.4%；钢结构桥梁共18座，占比仅3.6%。
2国内外钢桥使用现状
2.1国内现状
我国钢桥发展已有100多年历史，但建设的钢桥相对较少。截至2015年，共有公路桥梁75.71万座、4257.89万米，钢结构和钢—混组合结构桥梁分别只有584、1293座，数量占比仅为0.08%、0.17%，钢材消耗占比仅为1.17%和1.55%，远远少于钢筋混凝土桥梁。另外，建成的公路钢桥基本都是特大跨径桥梁（斜拉桥、悬索桥等），量大面广的常規中、小跨径钢（组合）结构桥梁数量严重偏少。
2.2国外现状
在发达国家，钢桥应用较为普遍。美国60万座桥梁中，钢桥的座数和面积占比分别为34.7%、43.3%；日本13万座桥梁中，钢桥占41%；法国占比达85%。美国钢桥中使用率较高的桥型有纵梁/多主梁、桁梁、纵横梁格体系；在桥梁规模较大时，多采用钢连续—纵梁/多主梁体系，规模较小时，一般选择钢简支纵梁/多主梁体系。但钢桥在“结构缺陷”桥梁中占比较高，需经常进行检测和相应的维护、养护工作。
3跨航钢桥设计选型及经济性比较
3.1主要推广桥型
3.1.1钢桁梁
该桥型桁段均在工厂制作后进行现场拼接，施工进度快，结构高度低，自重较轻，施工拼接处理简便，非常适用于顶推施工，能很好地满足施工期通航要求，适用于主桥50～120m跨径。
但是由于杆件多且杂，通透性较差，有一定的压抑感，抗撞性能较差，后期须进行钢结构专业养护。
3.1.2钢系杆拱
该桥型优点同钢桁梁，外形同混凝土系杆拱，视线通透，外观轻巧、优美，拱肋为二次抛物线，线型美观，易于与周边景观协调搭配，通透性优于钢桁梁。除钢结构定期养护外，吊杆存在一定的使用年限，须定期更换。
3.1.3钢箱梁
该桥型具有很大的抗扭刚度，整体稳定性、抗撞性能好，可采用现场整体吊装或顶推施工，施工周期短，桥梁结构在桥面下方，接触雨水可能性小，适用于中等跨径。
正交异性钢桥面板易出现疲劳损伤，桥面铺装耐久性成为难点。高跨比为1/20～30，与前面两种桥型相比结构高度不具备优势。
3.1.4钢板组合梁
该桥型具有结构轻、架设快、现场施工环境简单，对周围环境影响小等特点，通常采用吊装钢梁法和顶推钢梁法施工。当桥宽较小时，可采用双主梁形式；桥宽较大时，采用多主梁形式。
跨越能力较小，通常只适用于30～60m中小跨径。梁高在跨径的1/20左右，结构高度不占优，可在部分引桥中使用。
3.1.5斜拉桥、悬索桥
这两种桥型跨越能力大，但桥型造价较高，经济性差，拉索得定期更换，养护费用高，主要适用于有较大跨越要求或者特殊景观要求的桥梁，不作为我省内河航道常用钢结构推荐桥型。
3.2桥型经济性比选
选取跨径80米，宽10米钢桁梁、钢系杆拱、预应力砼连续梁、砼系杆拱进行经济性比选，引桥均采用20m矮T梁，见表1（以2017年10月嘉兴市价格为标准，螺纹钢3500元/吨，砂石160元/m3）。主引桥工程费用（不包括养护费用、临时费用等其他费用，下同）：砼系杆拱（2793万元）<钢系杆拱（2934万元）<钢桁梁（3132万元）<砼连续梁（3304万元）。以100年设计使用年限计，考虑养护费用后，钢桁梁和钢系杆拱的工程费用分别为4032、4534万元，比最低的砼连续梁（3404万元）高出628、1130万元，比砼系杆拱（3593万元）要高439、941万元。
对主要材料（钢材、砂石）的单价敏感性进行分析：①将螺纹钢按2500、3000、3500、4000、4500元/吨计价，其余钢材做相应调整。②将砂石按160、210、260元/m3计价。
图1数据显示，螺纹钢在2500～4500元/吨范围内变化，主引桥工程费用始终为：砼系杆拱<钢系杆拱<钢桁梁<砼连续梁。随着钢材单价下降，钢系杆拱、钢桁梁与砼系杆拱总造价差距逐步减少。钢桁梁和钢系杆拱对钢材单价变化的敏感性强，单价每增加500元/吨，主桥造价平均增加0.875万元/m2，而砼连续梁和砼系杆拱仅为0.625、0.563万元/m2。
图2数据显示，砂石在160～260元/m3范围内变化，主引桥工程费用始终为：砼系杆拱<钢系杆拱<钢桁梁<砼连续梁。随着砂石单价上涨，砼连续梁和砼系杆拱上涨明显，钢系杆拱、钢桁梁与砼系杆拱总造价差距逐步减少。钢桁梁和钢系杆拱对砂石单价变化的敏感性较低，单价每增加50元/m3，主桥造价平均增加0.25万元/m2，而砼连续梁为0.75万元/m2。
4钢桥的特点及应用建议
4.1钢桥使用优点
4.1.1降低结构高度，方便接线
钢结构跨航桥梁结构高度低，可以在保证桥下通航净空的同时有效降低桥面高程，缩短两侧引桥及接线长度，降低总体造价，适用于接线长度受限的桥梁。以省交通设计院设计的杭平申线桐乡段山门街大桥为例：原设计方案主桥采用82m下承式钢筋混凝土系杆拱，结构高度1.5m，改用钢结构系杆拱后，结构高度降为0.77m，原桥面设计高程下降了0.73m，大大缩短了引桥及接线长度，降低了总造价。
4.1.2采用工厂化生产，提高质量
钢结构桥梁采用工厂化生产，钢构件可在工厂集中批量生产，通过原材料→下料、加工→构件组焊→修整→试拼装→涂装等步骤，实现了机械化、自动化、标准化，生产效率和产品质量大幅提高，质量易控制，可靠性高。
4.1.3缩短施工工期
钢结构桥梁各构件在工厂制造，下部结构可同时施工，极大的缩短施工工期。
4.1.4方便通航施工
钢结构桥梁各构件、节段在工厂制作后运至现场，可在少支架上进行整体拼接；或者在引桥上逐段拼接后设置临时墩、导梁和顶推滑道，进行顶推施工；场地条件允许的情况下也可以进行整体吊装。施工方便快速，对交通和通航的影响小。
4.2主要存在问题
钢结构桥梁推广应用中面临以下几个问题：
（1）结构上，存在钢材腐蚀、结构损伤、疲劳破坏等一系列病害，稳定性和防撞、防火性能较差；
（2）标准上，长期以来设计、施工、养护、检测等各环节是围绕混凝土结构为主而制订的，对于钢结构所特有的设备配置、构件加工、运输安装、施工、养护、检测等环节的标准研究少、储备不足；
（3）管理上，对钢结构从业单位的资质、专业分包和信用评價等内容较少，钢结构桥梁后期养护的单位较少。
4.3建议
4.3.1钢桥选型
针对航道建设和养护管理的特点，对于有结构高度和接坡限制的桥梁，可优先选用钢桁梁、钢系杆拱等桥型；对于具有明确管养单位和良好养护条件的城市道路、等级公路可采用钢桥；对于车流量很大的高速公路和管养力量薄弱的农村公路，考虑到养护原因，谨慎选用钢桥。
4.3.2应用耐候钢
与普通钢材相比，耐候钢在使用过程中可以省掉对环境造成污染的酸洗、镀锌、涂装等工序，减少环境危害，实现绿色生产；后期运营过程中免涂装维护，从全寿命周期来看具有较好的经济效果。
国外已将耐候钢当作一种普通桥梁用钢来广泛使用。美国和日本耐候钢桥梁在钢桥中比例已分别达到40%和50%。我国耐候钢桥数量还很少，有巨大的发展前景。在交通运输部大力推进钢桥，鼓励应用高性能钢的背景下，耐候钢发展正逢其时，建议进行耐候钢的推广和研究。
4.3.3钢桥养护
促进防腐新技术的开发和运用，减少锈蚀；后续运营期建立钢桥检测评估技术体系；注重钢桥养护技术的研发和养护队伍的培养，建立完善的钢桥养护规范体系，针对具体的桥梁形成针对性强的养护手册。
参考文献：
[1] Nien-Chun Wu， Stephen Chase.An Exploratory Data Analysis of National Bridge Inventory [D].University of Virginia， 2010.
[2] 李志峰，王昌将，杨扬，白雨东，张军.美国桥梁上部结构材料及结构形式选择初探[J].公路，2017，62（07）：133-137.
[3] 《中国公路学报》编辑部.中国桥梁工程学术研究综述·2014[J].中国公路学报，2014，27（05）：1-96.
[4] 周可夫. 中国公路钢桥运营现状分析研究[A]. 茅以升科技教育基金会桥梁专业委员会.2006钢桥科技论坛全国学术会议论文集[C].茅以升科技教育基金会桥梁专业委员 会：2006：7.
[5] 吴艺伟，葛桐旭，胡志超.钢结构桥梁的发展与应用趋势[J].科技风，2017（14）：96.
摘 要：对浙江省航道桥梁、国内外钢桥使用现状进行了调研，通过与各种常规桥型安全性、耐久性、全寿命周期经济性的比较，总结出钢桥在跨航桥梁使用过程中的优缺点和存在问题，并对钢桥桥型的选择、耐候钢的应用、钢桥的养护等提出了建议。
关键词：航道桥梁；钢桥；桥型；耐久性；全寿命周期；经济性；耐候钢；养护
中图分类号：TU391 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0054-03
1航道桥梁建设现状
根据对我省拟建集装箱运输主通道12条主干航道507座桥梁的调查分类统计显示：
（1）杭甬运河、京杭运河、杭平申线桥梁数量居多，数量分别占比29.8、16.2、16.6%；
（2）桥梁等级多样化；
（3）通航等级应各条航道建成年代不一，种类较多，其中，对于在建桥梁均按设计改建后的情况进行统计；
（4）主桥桥型以混凝土结构为主，占比96.4%；钢结构桥梁共18座，占比仅3.6%。
2国内外钢桥使用现状
2.1国内现状
我国钢桥发展已有100多年历史，但建设的钢桥相对较少。截至2015年，共有公路桥梁75.71万座、4257.89万米，钢结构和钢—混组合结构桥梁分别只有584、1293座，数量占比仅为0.08%、0.17%，钢材消耗占比仅为1.17%和1.55%，远远少于钢筋混凝土桥梁。另外，建成的公路钢桥基本都是特大跨径桥梁（斜拉桥、悬索桥等），量大面广的常規中、小跨径钢（组合）结构桥梁数量严重偏少。
2.2国外现状
在发达国家，钢桥应用较为普遍。美国60万座桥梁中，钢桥的座数和面积占比分别为34.7%、43.3%；日本13万座桥梁中，钢桥占41%；法国占比达85%。美国钢桥中使用率较高的桥型有纵梁/多主梁、桁梁、纵横梁格体系；在桥梁规模较大时，多采用钢连续—纵梁/多主梁体系，规模较小时，一般选择钢简支纵梁/多主梁体系。但钢桥在“结构缺陷”桥梁中占比较高，需经常进行检测和相应的维护、养护工作。
3跨航钢桥设计选型及经济性比较
3.1主要推广桥型
3.1.1钢桁梁
该桥型桁段均在工厂制作后进行现场拼接，施工进度快，结构高度低，自重较轻，施工拼接处理简便，非常适用于顶推施工，能很好地满足施工期通航要求，适用于主桥50～120m跨径。
但是由于杆件多且杂，通透性较差，有一定的压抑感，抗撞性能较差，后期须进行钢结构专业养护。
3.1.2钢系杆拱
该桥型优点同钢桁梁，外形同混凝土系杆拱，视线通透，外观轻巧、优美，拱肋为二次抛物线，线型美观，易于与周边景观协调搭配，通透性优于钢桁梁。除钢结构定期养护外，吊杆存在一定的使用年限，须定期更换。
3.1.3钢箱梁
该桥型具有很大的抗扭刚度，整体稳定性、抗撞性能好，可采用现场整体吊装或顶推施工，施工周期短，桥梁结构在桥面下方，接触雨水可能性小，适用于中等跨径。
正交异性钢桥面板易出现疲劳损伤，桥面铺装耐久性成为难点。高跨比为1/20～30，与前面两种桥型相比结构高度不具备优势。
3.1.4钢板组合梁
该桥型具有结构轻、架设快、现场施工环境简单，对周围环境影响小等特点，通常采用吊装钢梁法和顶推钢梁法施工。当桥宽较小时，可采用双主梁形式；桥宽较大时，采用多主梁形式。
跨越能力较小，通常只适用于30～60m中小跨径。梁高在跨径的1/20左右，结构高度不占优，可在部分引桥中使用。
3.1.5斜拉桥、悬索桥
这两种桥型跨越能力大，但桥型造价较高，经济性差，拉索得定期更换，养护费用高，主要适用于有较大跨越要求或者特殊景观要求的桥梁，不作为我省内河航道常用钢结构推荐桥型。
3.2桥型经济性比选
选取跨径80米，宽10米钢桁梁、钢系杆拱、预应力砼连续梁、砼系杆拱进行经济性比选，引桥均采用20m矮T梁，见表1（以2017年10月嘉兴市价格为标准，螺纹钢3500元/吨，砂石160元/m3）。主引桥工程费用（不包括养护费用、临时费用等其他费用，下同）：砼系杆拱（2793万元）<钢系杆拱（2934万元）<钢桁梁（3132万元）<砼连续梁（3304万元）。以100年设计使用年限计，考虑养护费用后，钢桁梁和钢系杆拱的工程费用分别为4032、4534万元，比最低的砼连续梁（3404万元）高出628、1130万元，比砼系杆拱（3593万元）要高439、941万元。
对主要材料（钢材、砂石）的单价敏感性进行分析：①将螺纹钢按2500、3000、3500、4000、4500元/吨计价，其余钢材做相应调整。②将砂石按160、210、260元/m3计价。
图1数据显示，螺纹钢在2500～4500元/吨范围内变化，主引桥工程费用始终为：砼系杆拱<钢系杆拱<钢桁梁<砼连续梁。随着钢材单价下降，钢系杆拱、钢桁梁与砼系杆拱总造价差距逐步减少。钢桁梁和钢系杆拱对钢材单价变化的敏感性强，单价每增加500元/吨，主桥造价平均增加0.875万元/m2，而砼连续梁和砼系杆拱仅为0.625、0.563万元/m2。
图2数据显示，砂石在160～260元/m3范围内变化，主引桥工程费用始终为：砼系杆拱<钢系杆拱<钢桁梁<砼连续梁。随着砂石单价上涨，砼连续梁和砼系杆拱上涨明显，钢系杆拱、钢桁梁与砼系杆拱总造价差距逐步减少。钢桁梁和钢系杆拱对砂石单价变化的敏感性较低，单价每增加50元/m3，主桥造价平均增加0.25万元/m2，而砼连续梁为0.75万元/m2。
4钢桥的特点及应用建议
4.1钢桥使用优点
4.1.1降低结构高度，方便接线
钢结构跨航桥梁结构高度低，可以在保证桥下通航净空的同时有效降低桥面高程，缩短两侧引桥及接线长度，降低总体造价，适用于接线长度受限的桥梁。以省交通设计院设计的杭平申线桐乡段山门街大桥为例：原设计方案主桥采用82m下承式钢筋混凝土系杆拱，结构高度1.5m，改用钢结构系杆拱后，结构高度降为0.77m，原桥面设计高程下降了0.73m，大大缩短了引桥及接线长度，降低了总造价。
4.1.2采用工厂化生产，提高质量
钢结构桥梁采用工厂化生产，钢构件可在工厂集中批量生产，通过原材料→下料、加工→构件组焊→修整→试拼装→涂装等步骤，实现了机械化、自动化、标准化，生产效率和产品质量大幅提高，质量易控制，可靠性高。
4.1.3缩短施工工期
钢结构桥梁各构件在工厂制造，下部结构可同时施工，极大的缩短施工工期。
4.1.4方便通航施工
钢结构桥梁各构件、节段在工厂制作后运至现场，可在少支架上进行整体拼接；或者在引桥上逐段拼接后设置临时墩、导梁和顶推滑道，进行顶推施工；场地条件允许的情况下也可以进行整体吊装。施工方便快速，对交通和通航的影响小。
4.2主要存在问题
钢结构桥梁推广应用中面临以下几个问题：
（1）结构上，存在钢材腐蚀、结构损伤、疲劳破坏等一系列病害，稳定性和防撞、防火性能较差；
（2）标准上，长期以来设计、施工、养护、检测等各环节是围绕混凝土结构为主而制订的，对于钢结构所特有的设备配置、构件加工、运输安装、施工、养护、检测等环节的标准研究少、储备不足；
（3）管理上，对钢结构从业单位的资质、专业分包和信用评價等内容较少，钢结构桥梁后期养护的单位较少。
4.3建议
4.3.1钢桥选型
针对航道建设和养护管理的特点，对于有结构高度和接坡限制的桥梁，可优先选用钢桁梁、钢系杆拱等桥型；对于具有明确管养单位和良好养护条件的城市道路、等级公路可采用钢桥；对于车流量很大的高速公路和管养力量薄弱的农村公路，考虑到养护原因，谨慎选用钢桥。
4.3.2应用耐候钢
与普通钢材相比，耐候钢在使用过程中可以省掉对环境造成污染的酸洗、镀锌、涂装等工序，减少环境危害，实现绿色生产；后期运营过程中免涂装维护，从全寿命周期来看具有较好的经济效果。
国外已将耐候钢当作一种普通桥梁用钢来广泛使用。美国和日本耐候钢桥梁在钢桥中比例已分别达到40%和50%。我国耐候钢桥数量还很少，有巨大的发展前景。在交通运输部大力推进钢桥，鼓励应用高性能钢的背景下，耐候钢发展正逢其时，建议进行耐候钢的推广和研究。
4.3.3钢桥养护
促进防腐新技术的开发和运用，减少锈蚀；后续运营期建立钢桥检测评估技术体系；注重钢桥养护技术的研发和养护队伍的培养，建立完善的钢桥养护规范体系，针对具体的桥梁形成针对性强的养护手册。
参考文献：
[1] Nien-Chun Wu， Stephen Chase.An Exploratory Data Analysis of National Bridge Inventory [D].University of Virginia， 2010.
[2] 李志峰，王昌将，杨扬，白雨东，张军.美国桥梁上部结构材料及结构形式选择初探[J].公路，2017，62（07）：133-137.
[3] 《中国公路学报》编辑部.中国桥梁工程学术研究综述·2014[J].中国公路学报，2014，27（05）：1-96.
[4] 周可夫. 中国公路钢桥运营现状分析研究[A]. 茅以升科技教育基金会桥梁专业委员会.2006钢桥科技论坛全国学术会议论文集[C].茅以升科技教育基金会桥梁专业委员 会：2006：7.
[5] 吴艺伟，葛桐旭，胡志超.钢结构桥梁的发展与应用趋势[J].科技风，2017（14）：96.
