回顾近年来我国大跨钢桥的建设成就和技术进步、高性能桥梁用钢的研发和应用、桥梁新的组合形式与体系、3D打印钢桥雏形、正交异性钢桥面和高强铆钉等多方面的进展，对相关问题做了综合分析。
我国大型钢桥跨进世界行列
大跨悬索桥
2019年4月建成通车的广东省南沙大桥(虎门二桥)坭洲水道桥，以主跨1688米超越了浙江省舟山西堠门大桥(主跨1650米)，跻身世界悬索桥的第二跨度；2019年10月建成通车的湖北省武汉杨泗港长江大桥（图1），以主跨1700米成为悬索桥新的第二跨度。南沙大桥坭洲水道桥和杨泗港长江大桥的主缆均采用抗拉强度1960MPa的高强钢丝制作。前者为八车道公路正交异性桥面钢箱梁悬索桥，钢箱梁全宽49.7米，高4.0米；后者为十车道与双自行车道的双层正交异性桥面(采用新型厚边U肋桥面)钢桁梁悬索桥，桁梁宽32.5米，高10米，采用了低屈强比的桥梁钢材。
图1 杨泗港长江大桥及其钢桁梁与上层桥面
大跨斜拉桥
江苏省沪通长江大桥为连接张家港与南通的主跨1092米公铁两用双层桥面斜拉桥；上层为双向六车道公路，下层为四线铁路；钢桁梁部分采用Q500qE级高强桥梁结构钢；斜拉索采用抗拉强度2000MPa的高强平行钢丝束；桥塔高330米。桥梁主体已经建成，将成为世界第二跨度斜拉桥和第一跨度公铁两用斜拉桥。
图2 沪通长江大桥
大跨拱桥
我国在2009年建成世界第一跨度拱桥重庆朝天门长江大桥(主跨552米)、 2003年建成上海卢浦大桥(主跨550米)、2013年建成四川合江波司登大桥(钢管混凝土桁架拱桥，主跨530米)后，2019年又建成湖北秭归长江大桥，主跨519米(主孔两过渡墩之间长度531.2米)的四车道公路钢桁架拱桥，成为世界拱桥的第四跨度，使我国囊括世界拱桥跨度的前四位。
图3 大瑞铁路怒江大桥
优美而复杂的新首钢大桥
以优美而复杂为突出特点的北京新首钢大桥(图4)位于北京长安街西延线上，横跨永定河。桥梁为两塔五跨钢箱梁斜拉桥，主跨280米，桥宽54.9米，双向八车道；钢桥塔为空间复杂曲面倾斜拱形高低塔，高低塔在桥面以上高度分别为112.2米和65.9米；高塔南北塔柱角度分别为71.1度与61.3度，低塔南北塔柱角度分别为74.6度与58.4度，高低塔的塔柱在塔底中心的纵向间距均为25.1米；塔柱扭曲度由塔底至塔顶递增，断面尺寸递减。桥梁总用钢量达到难以想象的4.5万吨(超过国家体育场“鸟巢”4.2万吨的用钢量)。据说，大桥设计采用“和力之门”寓意，从桥梁美学设计角度看，两座拱形桥塔分别向东、西两侧倾斜，从高空俯瞰，犹如两个面对面席地而坐的拔河健儿，脚抵着脚，手拉着手，各自向后用力拉伸，就像一座兼具力与美的钢铁艺术品。
图4 北京新首钢大桥及其桥塔曲面制造单元
材料加持提高钢桥经济性
高强钢与高强钢丝的研发与应用
高强钢具有减少用钢量、减少焊接工作量、节省运费、减轻结构自重等优势，能够带来可观的社会经济效益。随着冶金技术的发展，钢材性能不断提高，各国家和地区定义的高强钢名义屈服应力也在不断提高：欧洲Eurocode3规范规定为500～700MPa；澳大利亚AS4100规范规定为450MPa；我国香港规范定义为460～690MPa。2019年，“十三五”国家重点研发计划“高性能桥梁用钢”项目研制的690MPa级桥梁钢通过专家评审。高强度钢应用在桥梁中会导致钢板厚度降低，其稳定性将更为显著。针对高强度结构钢抗震应用问题的研究表明，随钢材强度提高，其伸长率下降、屈强比提高且延性变差，这将阻碍高强度结构钢在抗震结构中的应用。此外，对Q460钢在高温下的强度和弹性模量进行了研究，结果表明，Q460钢的力学性能随温度升高而降低，其高温下的强度折减率系数低于普通结构钢。综上所述，高强度钢的应用可以为桥梁结构进一步发展奠定基础，但是，其应用带来的稳定问题、抗震问题和耐火问题需进一步研究。
组合体系计算分析
组合体系计算分析主要针对正交异性板的强度、刚度，研究其对桥面铺装抗疲劳性能和裂缝损伤问题而进行的。为此，首先应建立组合体系的计算分析模型，用数值分析（有限元分析）方法计算其在汽车荷载作用下产生的局部变形、应力、应变情况，尽可能充分体现组合体系的结构特征，量化钢桥面板表面和铺装表面的最大拉应变位置和可能产生裂缝的位置，以及加劲肋间最大的相对挠度值和最小曲率半径，从而为钢桥面铺装结构设计提供依据。
典型的正交异性钢桥面板与铺装组合体系可简化为钢桥面板、粘结层、防水层和铺装体，在汽车轮载作用下会发生变形（如图3、图4）。
1.基本假定
① 桥面钢板是均匀的、连续的正交异性弹性材料。
② 在常温和低温状态下，桥面铺装层是均匀的、连续的各向同性弹性材料。
③ 钢桥面板与桥面铺装层之间通过粘接层连接。钢板与铺装体结合状态以三种模式模拟：a.层间结合完全连续；b.层间结合部分连续；c.层间结合全部丧失，形成脱层。
2.结构行为分析
特大跨桥梁结构行为通常分解成三类体系：第I类体系——主梁体系；第II类体系——即正交异性板与铺装组合体系；第III类体系——盖板体系。分别研究其应力和变形行为，再作叠加组合。本文着重讨论第II类体系。
3.计算分析
常用计算方法可分为两大类：一是经典的解析法；另一类是数值法。
解析法是20世纪初期出现的计算方法，经典的正交异性板计算理论采用了两种假设：连续性假设和不对称性假设。
对于钢结构桥梁，按上述假设形成的经典解析法具有相当的精度，并得到广泛应用。对于组合体系，经典解析就很难适应了。随着现代计算技术的发展，基于各种软件的数值法得到广泛应用。但是，以往的研究忽略了桥面铺装与钢桥面板之间粘结层的功能和作用，这与实际状况有很大的差距，其计算结果也不能真实地反映钢桥面板的变形和应力、应变分布。
正交异性板与桥面铺装组合体系的计算分析对象不仅仅是正交异性钢桥面板，还包括铺装层以及结合面之间的粘结层，其计算体系结构形式如前面图3所示。
某大桥曾将钢桥面板作为薄板单元、桥面铺装作为八节点六面体单元、粘结层用Goodman单元，模拟组合体系， 应用ALGOR FEAS程序进行计算分析。
钢板与铺装之间的粘结层用Goodman模型夹层单元模拟，以法向劲度系数Kz、切向系数Ks（Ks=Kx=Ky）来表征铺装体与钢桥面板之间完全连续、部分连续、层间结合丧失（即铺装层发生推移）三种不同结合状态。图5为夹层单元示意图。
在标准轴载作用下，该桥的计算结果列于表1、表2。
计算结果显示：裸板加载条件下，纵向U形加劲肋间相对挠度小于0.4mm，曲率半径大于20m。组合体系位移和挠度比裸板体系小。这是铺装参与受力的效果。
在双轮荷载为50kN、接地压力为0.7MPa、铺装厚度65mm时，铺装与钢板间连续结合工况下，计算得到铺装层与钢板间结合界面最大剪应力发生在荷载边缘线下。当取水平荷载为0.35MPa（相当于横向力系数或摩擦系数为0.5）时，最大层间剪应力为-0.30MPa；当取水平荷载为0.56MPa（相当于横向力系数或摩擦系数为0.8）时，最大层间剪应力为-0.40MPa。
多种优化组合结构与体系
两主跨斜拉桥拉索交叉布置形式
2017年建成通车的英国昆斯费里大桥(Queensferry Crossing，又称福斯三桥)毗邻1890年的福斯铁路桥和1964年的福斯公路悬索桥，主桥两主跨均为650米，是世界最大跨度三塔斜拉桥，采用组合梁，六车道桥面；单索面斜拉索在两主跨跨中一定长度范围内采用交叉布置(如图6)，既能有效地解决了多塔斜拉桥因中间桥塔纵向刚度不足，导致非对称荷载作用下主梁竖向变形较大的问题，又能解决了一般斜拉桥跨中无索区梁段出现的较大轴拉力(甚至导致横向开裂)等问题。这一革新性的拉索布置形式，可望成为斜拉桥设计与研究的热点问题。
图6 英国昆斯费里大桥
钢与FRP组合桥梁
早前提出在混凝土中添加复合加强塑料，用以提高混凝土抗拉强度，试验效果显著。该方法是用于FRP混凝土的非轴向强度模型，并通过试验进行了验证。还提出了复合材料对于混凝土梁抗剪性能的提高作用，并提出了相应模型。此外，研究表明，在增加配筋率的条件下，碳纤维增强复合材料板-混凝土组合梁的极限承载力将得到提高，且梁体变形减小。对FRP-钢组合梁桥的连接界面受力特性的研究，采用弹性理论建立了FRP-钢组合梁变形的微分方程，并计入了温度和荷载的影响，有助于连接界面抗剪连接件的合理设计。钢-FRP-混凝土组合梁桥的力学性能和设计方法的研究，指出了弯曲荷载作用下钢-FRP-混凝土组合梁的破坏形态，并提出了组合梁抗弯承载力的计算方法。基于FRP材料的优点，提出了采用FRP材料对钢桥加固的指南。综上，纤维增强复合材料在钢桥中的应用具有优势：极高的强度质量比，能够进一步实现主梁轻量化，同时也为桥梁的加固提供了新方法。此外，FRP材料在解决松弛问题与耐老化问题之后，也可能用于桥梁斜拉索和主缆。
新型工艺提高钢桥面耐久性
钢与UHPC组合桥面
1978年阿根廷跨越巴拉那河的公铁两用斜拉桥(跨度为100+330+100米)的公路桥面，曾采用在正交异性钢桥面上增加钢筋混凝土板；早期的巴西里约热内卢联邦大学针对里约-尼特罗伊大桥(Rio-Niteroi Bridge，300米主跨连续钢箱梁桥，1974年建成)的正交异性钢桥面加固研究中，曾论证过在钢顶板上焊剪力钉与铺设120毫米钢筋混凝土层的方法。其他国家多家研究机构陆续开展多项类似研究并投入应用。
钢桥面U肋双面焊工艺
钢桥面顶板与U肋连接焊缝采用内部焊接和外部焊接相结合(简称双面焊)工艺，最早由日本阪神高速道路公司于2011年提出，同年在日本开始进行相应制造工艺研发（如图8），即在完成外侧75%熔透焊缝后，在U肋内侧采用二氧化碳气体保护焊形成贴边角焊缝。2011年-2014年间，日本研究机构所开展的有限元分析表明：采用内焊工艺后，焊根处应力水平降低80%左右；内侧焊缝的焊趾处应力水平为原焊根处应力水平的50%左右。2016年，我国研发的U肋内焊技术，完成包含U肋内焊(CO2气保焊)在内的全自动生产线，在顶板与U肋焊缝自动化制造中加入双面焊接技术。此后，对工艺进行改进：首先采用细丝埋弧工艺实现U肋内焊，然后在U肋外侧采用埋弧焊工艺(船形位或平位)施焊。利用双面埋弧焊熔深大的优势，该工艺基本实现U肋腹板免开坡口的全熔透焊接，与U肋双面气保焊工艺相比，生产工效得到了提高。目前该技术已应用到湖北嘉鱼长江公路大桥、湖北武汉青山长江大桥等多座桥梁。
图8 钢桥面U肋内焊机器人和双面焊的焊缝形态
厚边U肋正交异性钢桥面
厚边U肋正交异性钢桥面的设计与研究理念是：在不改变U肋总体形态的前提下进行端部局部镦厚，以增大可焊接熔深，从而提高钢桥面顶板与纵肋连接焊缝的疲劳强度(如图9)。2013年研究团队对厚边U肋钢桥面进行了较为详细的试验研究，研究表明：厚边 U 肋的使用有效地提升了该焊缝的疲劳强度，其应用能够延长钢桥面的使用寿命。相关研究成果现已纳入行业标准《桥梁钢结构用 U形肋冷弯型钢》，并应用到四川成都凤凰山高架桥、北京三元新桥、山西太原五一路桥、浙江湖州五一大桥、浙江鱼山大桥、北京首都环线大桥和2019年通车的湖北武汉杨泗港长江大桥(主跨1700米双层桥面悬索桥，共使用近7000吨)等工程中。
图9 厚边U肋钢桥面
智能化监测与检测系统的建立
疲劳损伤预后技术是实现智能监测与检测系统的重要前提，也是制定科学合理的维护决策的重要依据。结合智能化传感器和网络云端数据处理技术，引入基于数据驱动和人工智能数据挖掘的新方法，对多尺度物理模型实时修正与更新，考虑外部环境的不确定性，通过人工智能算法对历史数据进行机器学习，对未来不确定性损伤状态进行预测，对可能出现的疲劳损伤提前进行智能化人工干预，并基于预测结果制定科学、合理、适用的管理维护策略。研究团队对钢桥面板疲劳损伤智能监测与检测体系进行了深入研究，初步建立了钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估体系，并根据建立的钢桥面板疲劳损伤智能监测与评估体系研发了钢桥面板疲劳损伤智能化监测与评估软件，如图7所示。
图7 钢桥面板疲劳损伤智能化监测与检测系统的建立
当前面临的主要挑战
研究团队对钢桥面板疲劳损伤智能监测与检测系统进行的研究表明，所提出的模型更新方法、多尺度疲劳损伤评估方法、智能化监测与检测方法、基于人工智能的剩余寿命评估方法,可为钢桥面板疲劳损伤智能监测提供有力支撑。但作为多学科交叉的全新研究领域，当前钢桥面板疲劳损伤智能监测与检测系统及其关键技术,仍面临多方面的挑战，有待进一步深入研究并逐步完善。
大跨度复杂桥梁结构的高效模型更新方法
采用数值模拟类方法,对大跨度复杂桥梁结构进行模型更新时，计算效率较低，尤其是当更新参数数量增加后，其计算效率显著下降，导致实时模型更新较为困难。此外，由钢桥面板的构造特性所决定，其过高的冗余度使局部刚度退化更新困难。为准确确定钢桥面板的当前受力状态，需进一步对钢桥面板的局部构造参数更新方法进行研究。随着云计算的发展和计算机核心处理器计算效率的提高，基于云计算的多服务器并行计算方法,有望解决钢桥面板多参数更新效率低下的难题。采用多服务器并行的群计算,进行大跨度桥梁结构参数和局部参数的多尺度更新方法,有待进一步深入研究。
基于人工智能的剩余寿命预测方法
本文作为正交异性钢桥面板体系疲劳裂纹监测与检测体系方向的起步工作，涉及多个学科领域，所涉及的各项研究工作仍需不断深化。如大跨度复杂桥梁结构的高效模型更新方法、高精度智能化监测与检测新技术、钢桥面板疲劳损伤预警方法与指标、基于人工智能的剩余寿命预测方法、多因素耦合影响条件下结构系统疲劳抗力可靠度与剩余寿命预测方法、基于疲劳损伤预后的智能管理维护决策等，是下一阶段的研究重点。
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