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公铁两用钢桥在中国的发展与展望
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人类采用钢结构的历史和炼铁、炼钢的发展有密切的关系。对于一个国家来说，还和本国的钢铁产量有关。经济学家通常把钢产量或人均钢产量作为衡量各国经济实力的一项重要指标。在所有建筑材料中，钢材是一种抗拉、抗压、抗剪强度均较高的均质材料，因此钢桥具有很大的跨越能力。此外钢桥构件适用于工业化制造，便于运输和安装，施工工期短，易于修复和更换，所以钢材在桥梁结构中扮演着重要的角色。钢桥的发展与人类的炼铁，炼钢的技术紧密相关的
钢材用于建造桥梁已有几千年的历史。在我国，公元前六七十年间，就成功地用熟铁建造铁链桥。欧洲在18世纪下半叶开始修建生铁桥。世界上第一座铸铁桥是英国科尔布鲁克戴尔厂所造的赛文河桥，建于1779年。
二次世界大战后，随着强度高、韧性好、抗疲劳和耐腐蚀性能好的钢材的出现，以及用焊接平板钢和用角钢、板钢材等加劲所形成轻而高强的正交异性板桥面的出现，高强度螺栓的应用等，钢桥有了很大发展。
轨道交通活载较之公路活载在桥梁荷载中所占的比重大，尤其是时速高于200km/h的高速列车的出现，对于线路的平顺度、刚度有更高的要求，所以对于小跨度铁路桥往往采用混凝土简支梁桥。但随着跨度的增加，混凝土自重比例增大，以及混凝土材料本身抗压不抗拉的局限性，对于跨度达到几百米甚至上千米的铁路桥，钢桥成为首选。
一、公轨两用钢桥在中国的发展
桥梁事业在中国的发展历史可以说就是中华民族兴衰史的缩影。中国桥梁事业的发展经历了一个从巅峰到没落再到复兴的过程。中国的桥梁历史在隋唐时代达到了一个巅峰时期，在最近的1000年中，中国的桥梁技术全面落后于世界的脚步。而我国的桥梁事业工作者，却只用了100年左右的时间，使我国的桥梁事业重新屹立于世界的前列。我国第一座铁路钢桥是唐山至胥各庄的蓟运河桥。我国自行设计、施工的钢桥则是从詹天佑修建京张铁路开始的。茅以升先生带领中国工程师设计并建造的钱塘江大桥拉开了我国开创了我国自行建造现代大型钢桥的序幕。而中国现代钢桥技术的真正发展则主要是从1949年以后开始的。通过短短的70多年的时间，中国现代钢桥的事业无论是在所用材料、工艺、结构理论还是结构形式方面，都取得了很大的发展。通过几十年的实践，我国拥有了一支现代化装备的钢桥制造工厂和具有现代化架桥技术的建桥队伍，还发展了一批具有高水平的桥梁方面的专家、学者。
建国以后，陆续修建的几座跨江跨谷大桥，可以成为我国桥梁事业发展的里程碑式建筑。比如武汉、南京、九江、芜湖、天兴洲、苏通大桥，重庆朝天门大桥。它们或在历史地位上，或在结构形式上与受力性能上，或在施工工艺与建筑材料使用上，都有着跨时代的意义。
表1 中国具有时代意义的公轨两用钢桥
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桥 名 |
武汉大桥 |
南京大桥 |
九江大桥 |
芜湖大桥 |
朝天门大桥 |
天兴洲大桥 | |
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最大跨度（m） |
128 |
160 |
216 |
312 |
552 |
504 | |
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建成年份 |
1957年 |
1968年 |
1993年 |
2000年 |
2009年 |
2009 | |
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主要钢材 |
进口
CT3M |
国产
16Mnq |
国产15MnVNq |
国产14MnNbq |
国产
Q370Qd
Q420qD |
国产
Q370QE |
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|
屈服强度(MPa) |
240 |
350 |
450 |
350 |
370
420 |
370 | |
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连接方式 |
铆接 |
铆接 |
栓焊梁
（节点栓接） |
栓焊梁（焊接整体节点） |
栓焊
（拼装节点栓接） |
栓焊梁（焊接整体节点） | |
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桥型 |
平弦连续钢桁梁 |
曲弦连续钢桁梁 |
刚性梁柔性拱桁架桥 |
矮塔斜拉桥 |
钢桁拱桥 |
钢桁斜拉桥 |
武汉长江大桥是万里长江上第一座公铁两用钢铁大桥，该桥虽然在技术上有苏联专家援助，主要的还是我国自己设计和建造，是我国自力更生建设现代化桥梁的开端。 “一桥飞架南北，天堑变通途”，拉开了长江建桥的序幕。而上世纪60年代修建的南京长江大桥则是我国依靠自己力量建设的第一座长江大桥，该桥正桥全长1576m，计10孔，三联3×160m连续钢桁梁加一孔128m简支梁。这两座桥可谓有其特殊的历史意义与精神象征。
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图 武汉长江大桥 |
图 南京长江大桥 |
图 九江长江大桥
芜湖长江大桥正桥全长2193.7m，主跨为180m+312m+180m矮塔斜拉桥，加劲梁为钢筋混凝土板与钢桁梁结合共同受力的板桁式主梁；整体节点的拼接板与弦杆栓焊，达到了多焊少栓的目的，为全焊无栓的铁路桥梁打下基础。于此同时，对于板桁结构构的受力分配问题，节点连接的应力问题，提出了新的要求。
芜湖长江大桥
天兴洲大桥则实现了公铁两用斜拉桥跨度上从300m到500m的跨越，其创下当时同类桥型跨度世界第一，承受荷载最大，列车运行时速最高的三项世界“之最”，该桥孔跨结构为98m+196m+504m+196m+98m，桁架采用三榀桁架设计，开创了一般桁架桥从两桁片结构到三桁片结构的跨越，桥面板同样采用板桁结构的双塔三索面斜拉桥，该桥拼装采用整节间吊装技术，即整节段在工厂预制，焊接后运至桥位吊装，这样就克服了散拼时构件变形难以控制，焊接残余应力大，施工速度慢等问题。由于整节段达到700t，对拼装吊机吨位与施工控制提出更高的要求。
图 武汉天兴洲长江大桥
可见天兴洲大桥有芜湖长江大桥的影子，但又有质的飞跃。天兴洲大桥具有大跨度板桁公铁两用斜拉桥承前启后的作用。该桥也为我国后来在建的黄冈公铁两用大桥（81m+243m+567m+243m+81m），安庆公铁两用大桥(主跨580m)，铜陵公铁两用大桥（90m+120m+630m+120m+90m）奠定了坚实的基础。
其中铜陵公铁两用长江大桥为目前在建（包括建成）中同类跨度最大的斜拉桥，该桥铁路桥面板采用正交异性钢箱式桥面，实现了板桁桥向箱桁式的跨越。
重庆朝天门长江大桥为钢桁拱桥，而该桥成为桥梁美学与工程美学相结合的精品工程。包括南京大胜关钢桁拱桥也采用了相似的外形设计。
从上述的分析中可以看出，无论是从结构受力还是从施工工艺上，还是钢材材料和结构美学上，我国的公铁两用大桥的发展呈现阶梯式跨越。
图 中国公轨两用桥梁阶跃式发展示意图
二、促进中国现代（公轨铁路）桥梁发展的因素
促进现代桥梁发展因素是多方面的，主要可以归于以下几个方面：
1.新结构形式的出现使得桥梁向大跨度发展
每一种桥型都受限于该种桥型的受力特点，新桥梁结构形式的每一次出现，都促进了桥梁的跨度向一个新的里程碑迈进。从梁桥到桁架桥的变化，桥梁结构变得更加轻巧；拱桥提高了材料的使用效率，尤其是充分利用了砌体材料的抗压性能，以我国的赵县赵州桥为该类桥型的典型代表；斜拉桥、悬索桥的出现，使桥梁跨径达到千米级别成为可能。从我国最大跨度的斜拉桥苏通长江大桥（主跨跨度1088m）到刚刚刷新这一记录的俄罗斯岛斜拉桥（主跨跨度1104m），从蜚声全球的美国金门大桥到世界最大跨峡谷悬索桥，中国湖南湘西矮寨钢桁悬索桥；各类组合体系的桥梁，如钢桁斜拉桥，钢桁悬索桥，悬索斜拉桥等，这些桥梁都优化了结构受力，充分发挥了各基本体系的受力性能。对于大跨度公铁两用桥梁，往往采用的结构桥梁结构形式为钢桁斜拉组合或钢桁拱组合。
2、计算机技术及有限元计算方法的发展为现代桥梁的发展提供里理论上的支持。
有限元方法作为一种数值计算方法，将庞大的结构“化整为零”，为复杂的结构形式提供了一种通用的计算格式，从而摆脱了解析解在数学上的局限性。也正式这种通用的计算格式，才使得有限元理论能给在计算机上应用。从而，对于桥梁结构的分析从手算跨越到电算时代，从而人们对于桥梁结构的分析速度大大提升。同时计算机技术的发展，使人们进行复杂程序的分析得以成为可能。
1946年世界上第一台电子计算机“埃尼阿克（ENIAC）”诞生，1981年世界上第一台个人电脑问世，电子计算机的应用大大促进了人类文明的进步。1943年，Courant 首先用了单元概念；1945~1955年，Argyris发展了结构矩阵分析；1956年Clough将结构矩阵分析思路引入弹性力学分析，并于1960年首先提出“有限元法”的名称，并在 20世纪60年代逐步形成和完善。一大批数学家、力学家和工程师在这一领域内作出了重要贡献。
计算机系统从最初的DOS系统到后来被广泛应用的windows系统，内存从曾经的64-256KB到现在普通电脑的2-4GB。有限元理论的发展和计算机技术的成熟，促进了商用软件的出现，各种有限元软件被普遍地应用于桥梁结构分析中。
常见国外大型有限元商用软件一览表
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编号 |
名称 |
国家/研制单位 |
常用功能/特点 |
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1 |
Ansys |
美国/Swanson分析系统公司 |
通用有限元程序/强大的分析能力，支持图形显示功能，支持APDL命令流。逐步出现专业模块 |
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2 |
NASTRAN |
Mac-Neal Schwendler 公司 |
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3 |
SAP |
美国/加州大学伯克利分校 |
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4 |
TDV |
奥地利/ |
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5 |
ADINA |
ADINA工程公司 |
通用有限元程序/可靠高效与方便性 |
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6 |
ABAQUS |
Hibbitt, Karison公司 |
通用有限元程序/具有大型的单元库和广泛的求解非线性问题的能力 |
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7 |
Midas |
韩国/Midas IT |
通用有限元程序/具有Gen，GTS，Civil等多个版本，前后处理极其方便 |
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9 |
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国内常见有限元软件一览表
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编号 |
名称 |
研制单位 |
常用功能/特点 |
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1 |
桥梁博士 |
上海同豪土木工程咨询有限公司 |
桥梁结构二维分析专用软件/紧贴中国规范/挂篮模拟工具/具有索力优化模块。 |
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2 |
公路桥梁结构设计系统GQJS |
交通部组织开发 |
公路桥梁分析专用软件/紧贴中国规范/挂篮模拟工具/具有索力优化模块 |
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3 |
BSAS |
西南交通大学 |
直线桥梁结构内力分析及施工过程分析控制 |
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4 |
BNLAS悬索桥主缆线形计算系统 |
西南交通大学 |
任何桥梁结构的计算，尤其是缆索承重桥梁——悬索桥、斜拉桥、悬吊斜拉混合协作体。 |
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5 |
3D Bridge |
中铁大桥勘测设计院 |
以无应力状态控制法思想编制，尤其适用于桥梁结构施工监控 |
3新材料的研发为现代钢桥的发展提供了条件
我国最初所建钢桥的材料基本上都是进口的碳钢，后来发展了国产的3号低碳钢A3钢和16桥钢。低碳钢中最具代表性的公铁两用桥就是武汉长江大桥，3号桥钢CT3M钢，屈服强度为该种钢材引进了苏联的材料和技术，屈服强度为240Mpa。
1962年，我国独立成功研制出了16锰桥低合金钢（16Mnq），屈服强度为350MPa用于南京长江大桥。
为了建更大跨度的桥，我国开始研发15锰钒氮桥钢（15MnVNq），其屈服点达到了450Mpa，板厚效应，韧性和可焊性都比16Mnq钢好，成功用于九江长江公铁两用大桥中。
为了满足建造芜湖长江大桥的厚板焊接，整体节点对钢材的要求，研制出了强度适中、板厚效应不明显、可焊性好、韧性及抗裂性好的新一代钢材14MnNbq。
随着新结构、大跨度钢桥的建设，对钢材的各种性能要求都越来越高，我国经过多年的研制，现已形成了力学性能、工艺性能和焊接性能都比较好的强度等级明显的钢材：Q235qD、Q345qD、Q345qE、Q370qD、Q370qE、Q420qD、Q420qE，并推荐为钢梁主体结构用钢，现已广泛用于钢桥的建造中。
4、施工工艺的进步为现代钢桥的发展提供了现实条件
对于构件的连接有铆接、焊接和栓接三种。
武汉、南京两桥钢梁均是铆接的。铆接施工工艺相对简陋，施工时既要钻孔又要铆合，费时费料，对工人的技术要求高，体力耗费比较大。因此焊接和栓接应运而生，早期焊接施工一般都在桥位现场施工，更多的使用栓接。随着施工工艺的改进，人们把板间焊接的工作放在工厂里进行，在工地上的杆件连接采用栓接的栓焊拼装方式。这种方式成为现在钢桥的主要拼装方式。
我国栓焊钢梁在上世纪50年代开始研制。当时的16锰桥梁钢（16Mnq），铆接梁是可以的，用在栓焊梁，材质是欠缺的，我国栓焊梁的跨度长期停留在双线铁路桥80m，单线铁路桥112m。所有附连件都是栓接的，是少焊多栓的栓焊梁。随着15锰钒氮桥梁钢（15MnVNq）的研发，焊接构件最大板厚达56mm及材质35VB的大直径高强度螺栓用于建造九江长江大桥，该桥采用少焊多栓的拼接方式从此铆接钢桥退出新建铁路钢桥的历史舞台。
随着14锰铌桥梁钢（14MnNbq），实现了厚板（50mm）焊接整体节点的栓焊梁，达到了多焊少栓的焊接桥梁，为全焊无栓的铁路桥梁打下基础。
顶推法、悬臂拼装法的出现为在复杂的环境中施工提供了可能。对于大跨度公铁两用桥，往往采用悬臂拼装或顶推法。
对于钢桥的拼装可以分为散拼和整节段拼装的方式。散拼指将桥梁的各部位构件运至现场进行组装，拼装。而整节段拼装则是指的是整个节间的全部或部分杆件预先在工厂组装好，运至现场进行拼装。
对于桥梁结构简单，构件重力效益不明显的桥梁，一般采用散拼或者部分节段整体拼装。对于结构复杂或特大跨度的桥梁，结构的非线性效应显著，对于拼装误差的要求高，为了克服拼装误差的影响，往往采用整体拼装。这样既减小了施工误差又明显缩短了工期，减少施工现场的工作量。但这对整体吊装技术的要求更高。比如天兴洲长江大桥边跨部分节段采用了散拼，主桁大部分构件采用了整体吊装的施工方案。
天兴洲大桥整节段吊装
铁道部在2000年“铁科技[2000]83”号文制订了铁路桥梁发展的技术政策是：“桥梁应向高强、轻型、整体、大跨度新结构发展。提高桥梁耐久性，高速铁路和快速铁路的桥梁设计应进行列车——线路——桥梁整体动力特性分析……”。
随着我国快速的发展节奏，也为桥梁建设提出了更高的要求
1、桥梁连接技术由栓焊连接向全焊连接发展
虽然在芜湖长江大桥已经在建的多座桥梁中实现了厚板焊接全封闭整体节点，但要建成大跨度全焊铁路钢桥，还需相当长的路要走。理论、技术、管理全面跟进。
2、更大跨度的公轨两用桥梁继续被建造
目前无论是我国还是世界上其他各国，跨海工程已经都被列入发展规划当中。我国全国公路路网规划总体规划中，以把跨海大桥纳入建设的行列。比如杭州湾跨海工程，珠江口伶仃洋跨海工程，琼州海峡跨海工程，渤海跨海工程等等。目前在建的港珠澳跨海大桥在如火如荼地进行。这就为桥梁技术提出了更高的要求。
3、新材料将不断地被应用到桥梁中来
随着桥梁规模，复杂程度的加大，对材料的要求也越来越高。高强度，质量轻，韧性好，抗冲击能力强，耐久性好的材料将会被研发继而应用到桥梁结构中来。
4、桥梁施工及控制的智能化
随着科技的进步，智能化、便携式设备（传感器、诊断监测仪）大型智能机器人都将逐步应用到桥梁的施工、管理、监测、养护、维修等一系列现场工作中来，以减少人工作业和实现自动化，远程化管理。
5、桥梁结构的设计与建造越来越注重性能与美学
随着造桥的技术不断地提升，人们对于桥梁结构的要求不止停留于满足安全与功能需要。会更加注重结构的受力性能优化与美学。结构受力优化使得满足同等需求的情况下使得所耗费的财力，物力最少，结构能充分发挥自身材料的性能，并注重与周围环境相协调。如今，许多桥梁都具有城市景观的功能。
结语
可以说中国的现代桥梁事业的发展起源于公铁两用桥梁的建设，回顾现代公铁两用桥梁工程走过的60多年，公铁两用桥梁新体系、新结构、新材料、新工法以及新的理论和分析方法的创造是一步一个脚印走出来的，这依赖于千万桥梁方面的工作者脚踏实地的工作与大胆的创新精神。
随着新的技术理论的出现，施工工法和相应施工装备的不断升级换代，使桥梁施工也日益精确、轻便、自动控制，更少依赖人工操作，从而使工程质量更好、更耐久，又推动材料不断向高性能发展。这些因素相互作用又不断促进我国的公铁两用桥梁事业向前迈进。
主要参考文献
[1] 向敏. 桥梁工程.中国铁道出版社
[2]项海帆 肖汝诚. 现代桥梁工程六十年
[3]方秦汉.中国铁路钢桥发展的回顾与展望报告 中铁大桥勘测设计院
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