城市桥梁工程新材料探究 田锐（深圳华粤城市建设工程设计有限公司，广东深圳 518100）1 引言城市桥梁是城市交通公共基础设施的重要组成部分，其建设往往受地下构筑物（特别是综合管廊与地铁）、市政管线、用地规划、周边衔接与环境控制等诸多因素制约，严苛的客观条件对城市桥梁建设技术水平提出了更高的现实要求。 基于此， 近年来越来越多的新技术材料逐步应用于城市桥梁设计与建设过程中，包括高性能混凝土（HPC）、纤维增强聚合物类（FRP）、轻质土等，给城市桥梁设计提供了更多的解决方案，进一步增强了桥梁设计的可实施性，将城市桥梁建设的美观、实用、高效提升到一个崭新的台阶。2 新材料的特点和潜力在桥梁工程领域，新材料具备高强度、高韧性、低密度等显著特点，使得在特定的工程建设条件下，桥梁设计师能大胆实现更轻薄的结构尺寸、更富有创意的结构造型、更大桥梁跨径的设计，为城市桥梁建设向着高质量发展提供了重要支撑，并且发展潜力巨大、影响深远。 目前，城市桥梁中常用的新材料类型、优点及应用领域见表1。表1 城市桥梁工程常用新材料的类型、优点及应用场景在充分挖掘新材料优点的同时，还应注重其应用领域。 重点把握不同建设条件下桥梁工程的重难点， 有侧重点地使用新材料，深入探究和分析新材料的成本、可靠性及后期管养维护的可操作性，扬长避短，不断激发、释放新材料的优势潜力，管控新材料的经济合理性及安全性， 为桥梁建设提供更加先进、安全、可持续的解决方案。3 基于新材料的城市桥梁创新设计思路3.1 桥梁结构形态优化新材料优异的力学结构性能， 让设计摒弃常规固有结构选型并大胆尝试更加轻盈、富有强烈艺术形态成为可能。 相较于传统材料，新材料更易于加工成复杂形状，为桥梁外形设计的创新和独特性提供了落地性支撑。 此外，新材料还兼备极佳的耐久性和耐腐蚀性，该性能拓宽了新结构、新材料的应用范围，为桥梁结构或形态优化提供了可靠性保障。3.2 材料的优化选择与组合在桥梁设计中， 新材料的特性和性能差异使设计可以灵活选择和组合不同材料。 例如，在实际工程中，选择高强度材料用于承受大荷载的关键部位； 选择耐腐蚀材料应对海岸地区的腐蚀环境。 通过合理选择和组合这些材料，可以充分发挥其特点，提高桥梁的整体性能。 同时加强材料的优化选择与组合和可持续性的关系。 在桥梁设计中，选择能耗较低和对环境影响较小的可再生材料，并与传统材料相结合，可以降低资源消耗和环境负荷，推动城市桥梁朝着可持续的方向发展。4 桥梁工程新材料4.1 高性能混凝土在城市桥梁领域， 应用较为广泛的高性能混凝土尤以超高强韧性混凝土（USFRC）、超高韧性混凝土（STC）为代表。 以STC 为例， 该材料现已逐步大面积应用于减小桥面板疲劳应力和提高耐久性的钢桥面正交异性板铺装层。 广东省交通运输厅于2015 年发布了GD JTG/T A012015 超高性能轻型组合桥面结构技术规程，深圳市SJG 712020桥梁工程设计标准第5.2.2 节亦做出了明文推荐。以深圳市某在建山地桥梁为例。道路起终点高差达47 m，且路线整体位于现状生态林地范围， 路线平面展线需严格控制在规划线位范围内， 导致路线起点区段需布置纵坡达4.37%、曲率半径仅49.0 m 的桥梁，同时，受工期限制，桥梁拟考虑采用钢箱梁结构。根据桥梁建设的前置条件， 为解决正交异性钢桥面的耐久、耐疲劳问题，缓解大纵坡、小半径车辆荷载的离心力、汽车制动力对于桥面铺装损伤影响， 结合广东省及地方性标准的相关要求， 该项目桥梁铺装考虑并采用了超高韧性混凝土STC25 方案， 其各项力学性能均显著高于常规普通C50 混凝土。 具体桥面铺装材料力学性能对比见表2。表2 桥面铺装材料力学性能对比表对于该类材料，广中江高速龙溪互通A 匝道桥、深圳岗厦北钢桥、 佛江高速FJ-S03 标H 匝道桥等一批中大型桥梁均已采用，并取得了较好的工程效益，其安全性、可靠性已经通过检验。该新材料的应用大幅提高了桥面刚度，有效改善了沥青面层的受力状态；良好的温度稳定性，在改善沥青面层工作条件的状况下，大幅度降低了黏结层失效、车辙、推移等破坏风险1；不断减小了钢面板和加劲肋在轮载下的应力， 更大幅提高了钢桥面的抗疲劳寿命， 高密实性和良好的耐久性根本性地解决了钢桥面板的防腐问题。 其在桥梁工程中的应用效益发挥出了传统的材料所无法达到的效果。对于钢桥来说，采用该材料“一劳永逸、一举多得”的解决方案，将会逐步引领桥梁铺装发展新趋势。4.2 纤维增强聚合物（FRP）工程上常用的纤维增强聚合物材料包括玻璃纤维增强聚酯（GRP）、碳纤维增强聚合物（CFRP）、芳纶纤维增强聚合物（AFRP）等。目前，在桥梁工程中，尤以玻璃纤维、碳纤维增强聚合物应用较为广泛， 其中， 玻璃纤维增强聚合物一般用于常规钢桥面铺装、高桥台回填土工格栅中。 其作为加筋材料，具有良好的抗拉强度，能够有效抵御填土体受力时产生的拉伸力，提高填土体的强度和稳定性。 此外，玻璃纤维具有较好的柔韧性和抗震性能。而碳纤维增强聚合物多用于桥梁加固工程中， 利用其高强度和高刚度优点，将其贴在需要加固的结构表面上，并使用专用黏合剂进行连接，可以有效避免结构裂缝、变形问题，提高结构的承载能力和抗震性的同时，延长桥梁使用寿命。无论是玻璃纤维、碳纤维还是芳纶纤维增强聚合物，其作为一种复合新型材料，目前已在大跨度建筑、钢管混凝土结构、组合梁板、人行天桥等领域得到了前瞻性应用，对于城市桥梁而言，其应用相对简单且成熟。但是，随着FRP 结构的相关基本理论和设计方法逐步成熟， 其材料优势将会进一步扩大至桥梁工程中的其他领域，也势必在包括梁在内的各构件中逐步得到广泛应用。4.3 轻质土工程领域，特别是桥梁工程中，轻质土的应用多以气泡混合轻质土为主， 其是将制备的气泡群按一定的比例加入由水泥、水及可添加材料制成的浆料中，经混合、搅拌、现浇成型的一种微孔类轻质材料。 根据不同的工程需要，一般气泡混合轻质土的重度和强度可分别在315 kN/m3及0.310 MPa 范围内调整。 具体各回填材料主要性能详见表3。表3 气泡混合轻质土材料力学性能对比表根据定义可知，轻质土具备如下特点：（1）多孔、轻质；（2）良好的流动性，可自流平；（3）构筑成型后可实现自立（即侧土压力极小）；（4）材料重度和强度的可调节性；（5）流动属性带来的施工便捷性；（6）几乎等同于混凝土材料的耐久性2。同样以深圳市某桥梁为例， 该项目桥梁整体线位与现状地铁车站平面重叠，因外部环境制约，桥台处需进行最大高度达7.48 m 的台背回填， 且回填范围与现状地铁车站结构重叠面积约910.54 m2。 桥台填土与地铁车站立面关系图详见图1。图1 桥台填土与地铁车站立面关系图根据现状地铁安全运营保护区的相关规定， 新建工程对现状地铁建构筑物的附加荷载不得大于5.0 kN/m2。 根据上述要求，按7.48 m 的最大填筑高度，回填材料最大重度不得大于0.66 kN/m3。 基于此，仅可考虑采用气泡混合轻质土。为有效保证道路路面结构的最低设计标准， 设计考虑采用部分挖除车站顶原有覆土， 换填气泡混合轻质土的实施方案。 按照附加荷载不大于5.0 kN/m2的总体设计原则，根据桥台填土高度的变化， 设计沿道路纵向按台阶开挖方式换填现状车站顶部分覆土。 其中， 气泡混合轻质土采用重度等级为W4、标准湿重为4.0 kN/m3的建设方案。 经详细核算并报地铁安保审查，该方案已批准实施。该气泡混合轻质土在桥梁建设环境严重受限、 外部附加荷载要求极其苛刻的情况下得以顺利使用， 充分展现了其可以大幅降低填土荷载、减少地基的附加应力的特点，同时还有效缓解了桥台与台背路基的刚性突变， 消除了填料自身的工后沉降问题3。 其施工自动流平密实，完全解决了台背压实难的问题，施工适应性极强。 此外，制造轻质土所需的能源和水资源都比传统的建筑材料少很多， 兼顾生态环境保护与可持续发展。 该材料将在桥梁建设中发挥越来越不可替代的作用。5 结语本文通过研究和分析， 深入探讨了城市桥梁工程新材料的应用潜力、发展前景及实际的应用情况，梳理了新材料对于城市桥梁工程建设减轻桥梁自重、提高承载能力、延长使用寿命和减少维护成本等方面具有的优势， 并提出未来应进一步加强探索新材料的性能和应用、完善设计理论、改进施工技术和工艺，以不断提升城市桥梁的质量、安全性和可持续性。 -全文完-