“钢混组合”如何破圈

钢混组合结构桥梁，巧妙并充分利用了钢材抗拉和混凝土抗压的材料优势，自成一体，优势明显。早在20世纪初至二次世界大战前后，欧美、日本等国家，就认识到组合结构桥梁具有压倒性优势，并开始大力研究、推广，时至今日，组合结构桥梁俨然成为了国外中小跨径桥梁的主要结构形式。

自20世纪90年代以来，钢-混组合结构在国内梁式桥、拱桥、悬索桥及斜拉桥中均得到不少工程应用，但我国钢-混组合结构桥梁数量占比仍然不超过0.5%。

究竟是什么原因影响了组合结构桥梁在国内的发展？又是哪些环节“卡了脖子”？带着这些问题，本刊记者采访了业内几位专家，谈一谈“钢混组合”的未来。

本期特邀采访嘉宾（按文中先后顺序）：

◆陈奉民中铁长江交通设计集团有限公司桥梁院院长

◆吴志刚安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司桥梁专业总工程师、工程技术研究院院长

◆邵长宇全国工程勘察设计大师、上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司资深总工程师

起步晚 存在整体差距

钢材和混凝土是最常用的两种建筑材料，一个抗拉，一个抗压。为充分发挥钢和混凝土的材料性能优势，工程师将两种材料应用于桥梁结构，成为桥梁组合结构。

中铁长江交通设计集团有限公司桥梁院院长陈奉民向记者介绍道：“相比于混凝土结构，组合结构具有自重轻、承载力高、变形能力强、抗剪承载力高、抗震性能优越以及施工便捷等优点，减少了对砂石等不可再生材料的消耗，避免了混凝土长期使用的碳化裂化问题，从而提高桥梁使用寿命等方面具备优势。相比于钢结构，其具有刚度大、稳定性好、耐火性强、耐腐蚀性好、经济性高、维护工作量较少等长处，同时在降低现场焊接量、规避钢桥面疲劳开裂，以及避免造价高昂且耐久性不足的钢桥面铺装方面占有上风。”

资料显示，钢-混组合梁在20世纪初至二战前在欧美已投入实际应用，二战后德法美日等国面临大规模重建的迫切需求，由于认识到组合桥梁经济上具有压倒性优势，开始发力基础研究，进行了大量工程实践并制定了相应技术标准。到1960年代，组合桥梁得到广泛应用，建成了大量的各种形式的组合桥梁。到1980年代，国际桥梁及结构工程协会（IABSE）对组合结构桥梁在研究、设计、施工等方面的发展进行广泛的交流和研讨，促进了组合结构桥梁的发展。1990年代中期以来，日本及欧美均同步开展了钢桥结构合理化运动，时至今日，组合梁俨然成为了国外中小跨径桥梁的主要结构形式，并成为了一种可用于斜拉桥、拱桥等大跨度桥梁主梁的热门结构类型。

“在欧美日各国的桥梁建设中，组合结构桥梁占有重要地位。反观我国，由于起步较晚，所以存在一定差距。”安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司桥梁专业总工程师吴志刚分析道：“以法国的桥梁应用为例，组合结构桥梁最具竞争力的跨径范围可达30～110m，在40～100m的跨径范围的公路桥中，85%是组合结构桥梁。英国大多数20～160m及以上跨径的公路桥，组合结构桥梁竞争力优势明显，德国及美国的组合结构桥梁应用更广。在我国，组合结构桥梁，虽然在大跨度桥梁建设中得以快速发展并屡创世界纪录，但是在中、小跨度桥梁中，混凝土及预应力混凝土的桥梁仍占据绝对数量优势。相比于欧美国家，我国的组合结构桥梁的技术水平整体落后于国际先进水平，例如在基础理论研究方面，我国还存在明显差距。而且关于结构体系创新研究较少，新结构体系基本产生于国外。”

“近年来钢-混组合梁桥发展态势良好，衍生出了类型丰富的新型组合结构桥梁，尤其在中小跨度桥梁中地位逐渐提升。但我们也应正视与国外发达国家在钢桥设计、材料、工艺及装备等方面的行业整体差距，特别要指出的是在组合桥梁高性能长寿命桥面板方面的系统性研究还很缺乏，需要基于系统周期论的理念，在技术合理化方面进一步加强基础性理论研究和试验，在工程实践中不断总结，从而提升我国钢-混组合桥梁的建造水平。”陈奉民如是说。

“经济”决定推广应用水平

“没有经济效益的事情，永远是没有前途的。”邵长宇指出，无论是哪个行业，经济上可循环，推动整条产业链的发展。尤其是在走工业化制造这条道路上，经济方面的考量贯穿始终。换句话说，经济性决定组合结构桥梁在国内的应用推广。

“经济”是桥梁设计的基本原则之一，组合结构也不例外，抛开“经济”谈经济技术比选是空中楼阁。吴志刚补充道：“主要原因是因钢结构的推广应用及其建管养的高昂工程造价，阻碍了组合结构桥梁的大力发展。”

从历史规律来看，新技术替代原有技术基本需要满足更高的经济性和更好的可靠性，才能成为市场的主流选择。然而受制于组合结构桥梁在国内的发展水平，“钢+混凝土”的组合优势尚未被我们充分挖掘出来。

邵长宇大师为记者算了一笔账：举例来说，用欧洲规范的材料指标和国内的做对比，同样6车道公路的一段40米梁，在欧洲需要130公斤的钢料，但按国内的算法，则需要250公斤。这样一比，造价就贵了。若用混凝土和钢材的材料指标做对比，国内同样长度的梁，钢混组合的造价平均比纯混凝土的至少高出约1.2倍，甚至达到1.8倍。试想，一段引桥，如果采用钢混组合结构形式，价格要贵1.8倍，那么肯定是很难推广的。另外，对于型钢厂来说，轧钢需要投入相应的设备，如果有全国统一的标准，那么同一套设备可以复制迭代；如果每个省市都有不同的标准，要求不同的组合结构形式，那么为了适应不同的形式，设备成本就会大大增加。

从借鉴吸收到自主创新

2013我国推出《绿色建筑行动方案》，钢结构也随之在公路行业中得到推广应用。2016年，交通运输部发布了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》，决定推进包括钢-混组合梁等公路钢结构桥梁建设，要求深入贯彻落实现代工程管理人本化、专业化、标准化、信息化、精细化等“五化”要求。发挥钢结构桥梁性能优势，降低全寿命周期成本，提升公路桥梁品质和耐久性，助推公路建设提质增效和转型升级。

借着这些国家政策的契机，国内各省市开始结合各自地域特点，借鉴国外的发展经验，加强基础和理论研究，大力推广新型合理化组合梁桥的应用实践，组合梁桥在国内得到了长足进步。

陈奉民向记者介绍道，重庆市交通行业结合山区公路桥梁建设条件和实践经验，经过5年左右的广泛研究和持续攻关，先后编制并颁布了《窄幅钢箱组合梁桥通用图》（CQJTG/T D11-2021）和《中小跨径钢板组合梁通用图》（CQJTG/T D08—2022），推动了在山区组合梁桥的创新发展和技术升级。该套技术面向山地环境适应“工业化、智能化、装配化”的绿色品质建设理念，具有“小快灵”的特点：“小”——结构轮廓小，构造精简化，主梁、横梁、隔板数目减少，用材节省，表面涂装面积大幅减少，日常养护费用减少；“快”——方便制造安装，易于长节段运输和安装，特别适宜山区复杂路况下的运输，主梁节段及桥面板模块均以螺栓连接为主避免现场焊接，最大程度减少了对支架、模板等临时设施的消耗，大幅提升现场施工效率和减少现场工期；“灵”——适应山区公路及山地城市多种复杂场景，适应多样的安装工法，可因地制宜根据场地和装备条件自由选择。该组合桥梁结构体系为山区60~100m中等跨径桥梁的标准化、装配化提供了新的解决方案，填补了国内小半径曲线组合梁桥的应用空白，攻克了跨既有道路桥梁不占车道不断交通的快速化无干扰建设难题。截止目前，技术成果在重庆、广东、广西、四川等上百座桥梁中落地应用，综合成本大幅下降，性能品质显著提升，降碳减排效果明显，在山区公路及山地城市桥梁建设中具有广阔的应用前景。

同样，安徽省也借助国家大力推广装配式建筑、钢结构桥梁的机遇，经过了三个阶段的发展——以承载力和大跨度为需求、以节点铺装耐久性和低高度梁为需求、以工业化建造为需求，逐渐形成了独具特色的组合桥梁建造的“安徽模式”。

吴志刚为记者介绍道：“前期我们做了大量的调研，避免开展重复与低水平科研。借鉴吸收国际先进经验，以高起点开展理论研究、工程设计与施工实践，大力提升技术水平与创新能力，形成了自主创新技术。为快速且大量推广组合结构，结合科研成果与实践经验，我们还编制了企业标准图集、地方标准和国家标准图集，建立了成熟的标准体系，从而降低设计人员应用组合结构的技术难度，推动组合结构的进一步普及。”据介绍，在实践过程中，安徽省交通规划设计研究总院对组合结构桥梁的思考主要集中在三个方面，一是要明确计算模型及计算理论体系，进而为优化设计奠定基础。二是在结合结构优化基础上进行用钢量优化，进而降低工程造价，为大规模推广提高竞争优势。三是结合施工简化连接构造，进而降低施工难度。

“以钢板组合梁为例，十多年前我院就开展钢板组合梁的研究，并依托纵三淮河桥引桥开展大规模应用，采用的是大横梁支撑体系，桥面板不设预应力的I型钢板梁。经过一系列实践应用，为简化现场施工难度，我们依托北沿江高速开展了非支撑小横梁体系、桥面板横向全宽预制（设横向预应力）的II型钢板梁的研究。目前高速公路主线应用较多的是Ⅱ型钢板组合梁桥。同时为进一步增强施工便易性，我们不断尝试创新改进：比如采用标准的型钢横梁替代原有横梁，横梁与钢主梁直接栓接；桥面板湿接缝避免底模，直接设计成带底托U形钢筋连接方式；采用耐候钢主梁、UHPC-RC叠合可拆卸桥面板、L-P变厚钢板等涉及新材料、新理论、新工艺的创新手段，都在实桥中进行了成功应用。”吴志刚如是说。

引领组合结构行业发展

尽管与国际先进水平存在明显差距，但从组合结构桥梁在国内的实际应用情况，以及其在欧美等国家的发展来看，钢混组合桥梁，作为强有力的竞争结构，在我国发展潜力巨大。

“要想实现工业化发展，就要先统一标准。”邵长宇大师表示，“只要标准固定统一，工业化后的成本才会越来越低。根据统一后的标准来研发装备，才更容易，也更经济。在这一方面，国内的规范还有待于提升先进性和精细程度。此外，我们做工程也是一项经济活动，因此创新的目的在于找到一个更经济更高效的方法。但是，现在我们对于组合结构的创新还没有触及最核心、最实质的部分，还仅仅停留在表面形式的变化。如果我们采用组合结构形式，但没有赢得经济效益，也没有使用更新的材料，也就是说经济价值没有提升，那么这些创新的实质意义就不大。”

对比组合结构桥梁在欧美国家的发展历程，吴志刚给出了几点建议：一是加强基础理论与原始创新研究。虽然国内在构件与构造层面，进行的相关理论研究与试验非常多，也产生了很多成果，如抗拔不抗剪连接件、带底托湿接缝等，但关于结构体系创新研究较少。只有加强基础理论与原始创新研究，才能不断超越引领组合结构行业发展。二是做好标准编制与引领工作。目前公路行业关于组合结构的设计标准有《公路钢结构桥梁设计规范》与《公路钢混组合梁设计与施工规范》，其中关于组合结构计算理论基本是参考欧洲规范。但在新材料新技术的应用与研究方面，随着我国大量基础设施的建设，一些技术处于国际领先地位。针对新材料新技术的应用，应先行先试，可通过团体标准或者地方标准的编制推动相关技术的应用，引领组合结构的发展。三要持续关注组合结构桥梁的施工养护工作。

“除了上述问题外，相关的人才培养、技术储备也至关重要。”吴志刚补充道，“考虑到组合结构使用的材料包括混凝土和钢材，甚至其他新材料。因此要求设计人员对混凝土结构与钢结构设计都要熟悉掌握，因此要求更高。首先要掌握好基本概念及不同材料的性能；其次要敢于创新和善于创新，不能停留在模仿；第三，要熟悉施工，不断更新迭代。此外，大型钢结构施工企业也要及时了解组合结构桥梁的发展趋势，从而开发和储备相应的施工技术和工法等。装备制造企业，应结合行业发展需求，整合数字化技术，采用数字化技术，如自动化控制系统、远程监控和传感器技术，开发更多具有高承载能力、高精度、高效率，以及适应不同组合结构桥梁制造和架设的设备。材料企业应投入更多资源做好高性能材料的研发和量产，进一步促进组合结构桥梁行业的发展。”

当下，绿色、低碳、可持续已经成为传统基建行业高质量发展的重要方向，这也为我国组合结构桥梁的推广，提供了黄金机会。在采访中，专家们也向记者表示，虽然“起步晚”是我国发展钢混组合结构桥梁的一大硬伤，但也为我们提供了借鉴欧美经验与教训的机会。伴随钢混组合结构桥梁研究的不断深入，我们迫在眉睫的一项重要工作，就是要增强敢于创新、敢于实践的勇气，敢于打破舒适区的枷锁，在新材料、新结构、新工艺等方面持续发力，解决相关领域的制约难题，通过应用与实践，稳步推进我国组合结构桥梁的发展。

本文刊载 / 《桥隧产业》杂志

2023年 11月刊 总第54期

本刊记者 / 王硕

美编 / 赵雯

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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