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大数据时代的桥梁创新与发展

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龙行天下 发表于 2018-3-5 10:10:01 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题

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我国公路桥梁建设正在以令世人惊叹的规模和速度迅猛发展,取得了巨大成就,特别是最近5年,新建桥梁达9万座。截至2016年底,我国公路桥梁数量超过80.5万座,长度超过4.9万公里。其中,跨径>400m的桥梁有172座,跨径>600m的桥梁有75座,跨径>800m的桥梁有41座,跨径>1000m的桥梁有22座。从这些大数据来看,我国公路桥梁实现了跨越式发展。


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山区峡谷桥梁

我国西部山区山峦连绵,峰丛林立、谷深坡陡,由于地形起伏变化剧烈,高速公路桥梁呈现高墩、大跨、场地条件狭小、运输条件缺乏的特点,峡谷桥梁成为我国桥梁技术发展有别于世界的一个重要领域。


山区峡谷桥梁的主要特点有——


1. 地形地貌复杂。主要表现为丛峦叠嶂、山高坡陡、溪沟纵横、林森树密,绵延纵横的山岭峡谷给设计施工带来极大的困难。


2. 地质条件复杂。存在滑坡、岩堆、岩溶、地下暗河、断裂带等不良地质情况,极易发生各种地质灾害。


3. 施工条件艰难。主要表现为施工场地狭窄,便道崎岖,运输受限,各种筑路材料、大型机具、大型构件无法进场。


4. 气候条件恶劣。主要的灾害性气候有大雾、冰冻、大暴雨、连阴雨、冰雹及大风等。


在这样的背景下,针对山区峡谷桥梁的设计原则,分为一般桥梁设计原则和特殊桥梁设计原则。


对于一般桥梁设计,首先应尽可能采用技术成熟、标准化程度高的桥型。一般山区大中桥梁以跨越深沟、峡谷,或不良地质路段为主,且量大面广,设计的合理与否直接对工程的可靠性、运营养护的可实施性、结构的耐久性,甚至是整个项目的投资效益产生重大影响。因此,一般大中桥梁以采用技术成熟、标准化程度高、养护要求低的混凝土梁桥或拱桥为主。其次,以中小跨径为主。预制梁(板)式桥梁跨径的拟定,不仅需要考虑经济性,还要看桥梁所在位置的施工场地条件。由于很多桥梁工点的预制、存放场地狭小,因而以场地占用少,运输、起吊、安装较易的中小跨径为宜。最后还要注重环保和耐久。因为山区高架桥通常沿着山腰展布,横向地形变化大,墩台、基础的设计,对边坡开挖、山体稳定等环境的影响非常大,同时也对工程的景观效果产生重大影响,一般采用双(多)柱式桥墩,墩高较大时,可采用Y形墩、薄壁空心墩等,双(多)柱式桥墩结合桩基浅表层地质情况、桥区抗震等级,尽量不设桩顶横系梁,以减少对山体边坡的开挖。沿山坡布设的中小跨经的桥梁也可采用独柱独桩,以减少基础的开挖。


对于特殊桥梁的设计,首先应将大型桥梁的桥位、桥型、结构形式,结合路线方案、隧道方案做好总体设计。因为山区大型桥梁一般位于地形非常复杂、桥隧相连的位置,受隧道工程规模、地形地质条件的影响,隧道在平面布线时可分别采用左右分幅的分离式隧道(多数情况)、小间距隧道和联拱隧道,而这些隧道的平面布设方式,直接影响隧道进出口桥梁方案的选定。同样,隧道进出口紧邻的大桥方案也影响了隧道的平面布设方式。其次结合山区运输条件困难等特点,梁型选择尽可能化整为零、集零为整。对于大跨径斜拉桥、悬索桥的梁型宜选择钢桁梁,便于散件运输到现场后拼装。

典型山区峡谷桥梁


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图1 湖北沪蓉西四渡河大桥

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图2 悬索桥锚碇单根可换式预应力技术

1. 湖北沪蓉西四渡河大桥


沪蓉国道主干线宜昌至恩施公路(简称湖北沪蓉西,现国道调整为沪渝国道G50)地处鄂西南褶皱山区腹地,山脉走向、地形地貌总体走向呈北东展布,地形切割强烈,是宜昌至恩施高速公路建设项目中地形地貌最为复杂险峻的路段,也是2010年国内外山区高速公路地形地质最为复杂、建设条件最艰巨的项目。


四渡河特大桥起点接八字岭隧道出口,跨越四渡河深切峡谷,两岸岸坡陡峻,悬崖矗立,桥面与谷底高差500m。经综合考虑边坡稳定、施工起吊场地等需求,采用900m单跨双铰钢桁梁悬索桥方案。


相对于一般地区大江大河上的悬索桥,四渡河大桥体现了山区悬索桥的三个重要特点——


①山区运输条件困难,加劲梁大型节段无法通过山区现有等级不高的公路运输,只能采用单件运输、现场组拼的桁架式结构,桁式加劲梁是山区悬索桥的一个重要特点。


②山区地形陡峻,通常难以设置体积巨大的重力式锚碇,其地形、地质条件通常适宜设置隧道锚,隧道锚利用锚体围岩抵抗巨大的缆索拉力,工程量通常只有普通重力锚的1/2~1/3,具有显著的技术、经济和环保效益,是山区悬索桥常用的锚碇型式。


③山区运输条件缺乏,桥下没有水运条件,加劲梁只能采用大型缆索吊装技术或悬臂拼装逐次刚接技术。缆索吊装效率高、对加劲梁受力影响小,为优先吊装方案。


四渡河大桥宜昌岸采用隧道式锚碇,左右两侧锚体长度40m,置于公路隧道上方,与公路隧道的净距23m,单侧锚体承受22000T的主缆拉力。为提高锚体与围岩受力的整体性,开挖后沿洞周设砂浆锚杆,并对洞周10m范围内的裂隙及溶洞等进行压浆封闭、封堵处理,锚体混凝土采用C40聚丙烯微膨胀混凝土。


四渡河大桥锚碇采用环氧树脂全喷涂钢绞线预应力锚固系统,可更换式无粘接设计,以保证锚固系统的耐久性和可维护性。


加劲梁采用华伦式钢桁架,桁高6.5m,桁宽26.0m,小节间长度6.4m,大节间(即一个标准节段)长度12.8m。钢桁架采用整体节点、节点外高强螺栓拼装技术,桁架杆件在工厂制作,现场用高强螺栓连接成桁架节段,缆索吊装就位。全桥共分71个节段组拼安装,节段吊装长度12.8m,最大吊装重量91.6T。加劲梁跨中设刚性中央扣。


桥面系采用钢-混凝土组合式。桥面板为预制混凝土板,厚0.18m,通过剪力钉与钢纵梁结合形成组合结构。


钢桁加劲梁在索塔处设置上下铰接的塔连杆取代常规支座,以改善国内悬索桥支座易损坏的通病。塔连杆两铰接点距离10.7m,上端与预埋在索塔内侧壁上的钢托架铰接,下端与桁架节点耳板铰接。


四渡河大桥充分研究了山区峡谷悬索桥的适应性技术,具有良好的技术、经济、环保性能。具有如下创新点——


①桥面与峡谷谷底高差达560m,为我国第一高桥;


②主跨900m钢桁架加劲梁式悬索桥,建成时居国内首位;


③宜昌岸桥隧相接,采用隧道式锚碇,隧道锚单缆拉力22000T,规模居世界前列;


④大型隧道锚位于分叉式公路隧道上方,与公路隧道的最小距离23m,相互影响复杂,国内外尚无先例;


⑤发明并率先采用集束管可更换式无粘接环氧树脂全喷涂钢绞线预应力锚固系统,提高了锚固系统的耐久性和可维护性;


⑥大型连杆式铰支座,固体镶嵌自润滑轴承衬套,为国内首例;


⑦加劲梁节段安装采用缆索吊装系统,缆索吊跨度900m、吊重100T,规模居国内第一;


⑧发明火箭抛送先导索技术及工法,实现了深切峡谷悬索桥主缆架设新工艺。



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图3 湖北沪蓉西支井河大桥

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图4 大跨度上承式钢管混凝土拱桥无风缆节段拼装工法

2. 湖北沪蓉西支井河大桥


支井河大桥为430m上承式钢管混凝土拱桥,拱上桥跨21×19.1m预应力混凝土连续箱梁,拱肋为钢管混凝土和型钢组成的空间桁架结构,拱肋距拱顶6m,距拱脚13m,每道拱肋由上下各两根1200、内灌C50混凝土的弦杆组成,两拱肋间横向设米撑横联,均为型钢桁架。由于桥区地形条件复杂,运输困难,无法采用工厂加工大节段整体运输方式,只能以小单元散件运抵现场组装,因此,拱肋构件采用节点板高强螺栓连接。


拱肋构件在工厂加工、预拼,以散件方式运抵桥址拼装平台复拼为大节段,吊装就位,大节段接头及杆件节点采用“先栓后焊”方式连接。


拱肋采用两岸对称悬拼,每半跨分15个吊段、30个起吊段,扣索体系分临口和正扣两类,临口由钢丝绳、滑轮组构成,正扣由钢绞线组成。


支井河大桥为世界跨度最大的上承式钢管混凝土拱桥,主拱钢管厚度24~35mm,厚度大、制作困难,节段重量大,施工场地狭小。特别是两侧拱座和桥台地处悬崖峭壁,施工风险大,为湖北沪蓉西施工难度最大的特大桥梁工程。


支井河大桥展现了山区峡谷大跨度拱桥的技术特点——


① 两岸岸坡陡峻,采用有推力、上承式拱桥体系;


② 采用钢管混凝土桁式拱肋, 实现更大的跨越能力;


③ 采用斜拉扣挂、缆索吊装的无支架安装技术,控制拱肋线形和结构受力,实现深切峡谷大跨度拱桥施工;


④ 拱肋采用栓焊节点,工厂制作管件及节点,适应山区运输条件。



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图5 湖北沪蓉西龙潭河大桥

3. 湖北沪蓉西龙潭河等系列高墩连续刚构桥


连续刚构桥具有结构受力性能好、能适应一定的平面线形变化、适应左右分幅、刚度大、伸缩缝少、行车平顺舒适、后期养护工作量小、施工方法成熟等特点。特别是对施工机具要求、场地要求、运输条件要求均较低,尤其适合作为山区大型桥梁的首选方案。


湖北沪蓉西连续刚构方案能否成立的关键是超高墩的设计,及在超高桥墩上悬臂施工的安全性问题。在初步设计的26个连续刚构桥型方案中,墩高100m以上的超高墩连续刚构方案16个,施工图实施阶段龙潭河特大桥墩高178m、双河口特大桥墩高166m、野三河特大桥墩高120m,大幅度超越当今连续刚构桥的墩高纪录,居世界之最。


有代表性的龙潭河特大桥位于分离式路基段内,采用106m+3×200m+106m五跨变截面预应力混凝土连续刚构箱梁,两岸引桥采用预应力混凝土T梁,先简支后刚构。


主桥箱梁根部梁高1 2 m , 跨中梁高3 . 5 m,顶板厚28cm,底板厚从跨中至根部由32cm变化为110cm,腹板从跨中至根部分三段采用40cm、55cm、70cm三种厚度,箱梁高度和底板厚度按1.8次抛物线变化。箱梁顶板横向宽12.5m,箱底宽6.5m,翼缘悬臂长3m。箱梁采用三向预应力,全预应力混凝土设计。


龙潭河大桥等系列桥梁,对高墩连续刚构结构体系、连续刚构桥梁开裂下挠等问题开展了研究,展现了山区峡谷高墩大跨度连续刚构的技术特征——


① 高墩采用双肢空心薄壁结构,既保证了自身的稳定和上部结构悬臂浇筑的安全,又能适应结构体系温度变化导致的纵向变形;


② 高墩大跨度连续刚构结构体系表现为长周期的柔性结构,结构稳定及结构抗风成为设计的重要因素;


③ 箱梁设腹板下弯索,减小腹板所受的剪应力和主拉应力,改善结构应力状态;


④ 充分考虑混凝土的徐变特性;


⑤ 增加普通钢筋含量,设置防裂钢筋;


⑥ 控制箱梁节段预应力施工龄期为7天,避免早期过大的收缩徐变损失。



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图6 贵州水盘高速北盘江大桥


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图7 上构空腹区域施工工艺

4. 贵州水盘高速北盘江大桥


贵州六盘水至盘县高速公路北盘江大桥桥跨布置为82.5m+220m+290m+220m+82.5m,五跨连续,其中主跨290m为空腹式连续刚构,次主跨220m为常规连续刚构与空腹式连续刚构的组合,7号主墩高125m,8号主墩高178m。


主跨空腹区域的上、下弦均采用箱梁, 上弦高度6~5m,下弦高度7.5m;整体式箱梁长度约190m,箱梁跨中高度4.5m;上、下弦根部总高度35m;下弦及箱梁下缘按2.5次抛物线变化。


空腹式连续刚构桥施工,关键是空腹区域上、下弦的施工及合龙段施工。根据结构特点,提出了倾斜挂篮及支架现浇筑法,其基本思路是下弦倾斜行走挂篮悬浇下弦、支架法浇筑上弦,如图7。


新型大跨度空腹(斜腿)式连续刚构桥梁建设关键技术研究,取得了多项创新性科研成果和专利。技术成果获得贵州省公路学会科学技术奖特等奖、湖北省技术发明奖三等奖、贵州省科技进步奖一等奖、第14届土木工程詹天佑奖等荣誉。


空腹(斜腿)式连续刚构桥研究的重要贡献在于——


① 创造、发明了一种新的桥型结构,并提出了与新型结构相匹配的设计方法和施工工艺,形成了设计施工成套技术;


② 新桥型提高了连续刚构的跨越能力,拓展了连续刚构桥的应用范围,填补了跨度200m~400m之间缺乏经济适用桥型的空白;


③ 新桥型具有鲜明的中国特色,为具有完全自主知识产权的原始创新、重大创新。



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图8 贵州贵黔高速鸭池河大桥

5. 贵州贵黔高速鸭池河大桥


跨越深切峡谷的大跨径桥梁,跨径需求600m以上选择悬索桥方案的实例较多,但是,斜拉桥不需要悬索桥锚碇等大体积结构的基坑开挖和弃土处理,对环境影响小,且后期维护费相对较少,在经济性上具有一定的竞争优势。


鸭池河大桥是贵阳至黔西高速公路的控制性工程, 位于乌江源百里画廊。大桥为72m+72m+76m+800m+76m+72m+72m七跨对称双塔双索面钢桁-混凝土混合梁斜拉桥,主跨径800m,边中跨比0.275;主塔采用H形桥塔,贵阳岸塔高243.2m,黔西岸塔高258.2m。引桥采用先简支后连续的预制T梁。


大桥主跨采用钢桁梁结构,主桁为“N”形桁架,中心间距27.0m,桁架中心高7.0m,节间长度8.0m;主跨桥面采用正交异性钢桥面板,由桥面板、U肋、次横梁及倒T形纵梁组成,正交异性钢桥面板与主桁上弦焊接,共同受力。


边跨混凝土主梁采用等截面预应力混凝土边箱梁结构,标准梁宽27.7m,混凝土主梁外侧腹板设置斜拉索锚孔,锚孔直径为2m;主跨钢桁梁与边跨混凝土梁之间设钢混结合段。混凝土主梁按全预应力混凝土设计,采用三向预应力,纵、横向预应力材料采用高强钢绞线,竖向预应力采用直径32mm的精轧螺纹钢筋。


主跨钢桁梁采用设于主塔上横梁的缆索吊机安装,边跨混凝土主梁利用辅助墩对称悬臂浇筑和部分支架浇筑。


鸭池河大桥为世界跨径最大的山区峡谷钢桁梁斜拉桥,集中展现了山区峡谷大跨度斜拉桥的技术特点与创新——


① 小边中跨比混合梁斜拉桥体系。主跨采用钢桁梁,适应大跨度需求;边跨采用混凝土梁,适应减少或缺少边跨长度需要。减少边跨长度,使斜拉桥相对悬索桥更具优势;


② 山区运输条件缺乏,主跨钢桁梁组件工厂制作,现场组拼,便于山区运输;


③ 创新提出斜拉桥主跨缆索吊装技术,解决了峡谷没有水运条件,缺乏两岸拼装场地的主梁安装难题;


④ 创新提出以斜拉桥辅助墩悬臂浇筑混凝土梁技术,解决了混合梁斜拉桥边跨混凝土梁浇筑支架高度过大的技术难题。


长江大桥


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图9 武汉沌口长江大桥钢箱梁横断面图


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图10 钢桥面板与纵向U肋双面焊接

1. 湖北武汉沌口长江大桥


沌口长江公路大桥是武汉市四环线西南段跨越长江的关键控制性工程,该桥位于武汉白沙洲长江大桥和军山长江大桥之间,主桥为100+275+760+275+100)m半漂浮体系双塔双索面钢箱梁斜拉桥;桥塔采用钻石形结构、大直径钻孔灌注桩基础;斜拉索采用平行钢丝拉索,索梁之间采用钢锚箱锚固,索塔之间采用钢锚梁锚固。


主梁采用PK断面钢箱梁,箱梁总宽46m,中心线处梁高4.0m,横隔板标准间距3.0m,主梁标准节段长12.0m。


该桥是长江上首座开工建设的双向八车道高速公路特大桥,主桥主跨达760m、主梁全宽达46m;同时交通量预测显示,大桥大客车及货车通行比例将达55%,其中重载车辆占27%。宽幅大跨及重载交通是该桥最为重要的两个特点。其设计特点与技术创新主要有——


① 提出了大吨位“弹性+阻尼”复合式阻尼器,兼顾了大桥的抗震、静力及疲劳受力性能,提高了全桥二类稳定系数,延长了伸缩缝等易损件的使用寿命,获得了大桥综合使用性能的提升。



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图11 大吨位“弹性+阻尼”复合式阻尼技术

② 首创智能焊接机器人技术,首次实现钢桥面板与纵向U肋内、外双面角焊缝连接,大幅提升了焊缝连接的静力及疲劳强度,为解决正交异性钢桥面疲劳开裂难题创出了一个新路。


③ 优化过焊孔形状及加厚横隔板顶部区域的齿形板,大幅降低了易开裂部位的疲劳应力幅,承受疲劳荷载的作用次数提高了约5倍。


④ 对倾斜的中塔柱设置预拱,抵消由塔柱自重产生的弯矩,改善了桥塔受力。



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图12 湖北白洋长江大桥

2. 湖北白洋长江大桥


白洋长江公路大桥是宜昌至张家界高速公路跨越长江的关键控制性工程,该桥位于宜昌市境内,北岸连接枝江市白洋镇,南岸连接宜都市陆城镇,桥位距上游宜昌长江大桥约26km,距下游枝城长江大桥约15km。主桥为单孔1000m双塔钢桁梁悬索桥,组合梁桥面系。白洋侧锚碇采用重力式嵌岩锚,宜都侧锚碇采用浅埋扩大基础。


主桁架采用华伦式桁架,桁高7.5m,桁宽36.7m;小节间长度7.5m,两节间设一吊点,4节间作为一个节段整体吊装,标准吊装节段长度30m。加劲梁跨中设柔性中央扣。


桥面系采用钢-混组合梁。预制混凝土板厚0.18m,通过剪力钉与工字钢纵梁形成组合结构。桥面系纵向结构连续,全桥共分7联,端联长130.5m,中间联长135m,其余联长150m。


白洋侧锚碇采用重力式嵌岩锚, 平面尺寸62.5m×67.2m,基础持力层为中风化泥质砂岩,放坡开挖,最大开挖深度48.0m;宜都侧锚碇采用浅埋扩大基础锚碇,平面尺寸101m×71.5m,基底置于卵石层之中,基础进入卵石层2.5m,开挖深度10.0m。


白洋长江大桥设计过程中充分研究了富水巨厚卵石地区跨江悬索桥的适应性技术。具有如下创新点——


① 宜都岸锚碇置于富水巨厚卵石层中,基础设计充分利用了卵石层摩阻系数大,后期压缩量小的特点,创新性采用浅挖方案,回避了富水卵石层中大范围深基坑开挖风险,较之常规沉井或地连墙方案,在安全性、经济性、施工便利性及工期等方面具有明显优势。


② 钢桁梁运输安装充分利用长江这一天然优质航道资源,采用大节段整体式节段吊装架设,每30m节段桁梁同桥面系整体起吊安装,显著缩短了工期,降低了施工风险与难度。


③ 加劲梁采用柔性中央扣+塔连杆体系,采用塔连杆替代了易损的支座,中央扣的设置减小了活载位移,延长了伸缩缝使用寿命。


海外桥梁

“世界桥,中国造”,一直是我国桥梁建设者前进的方向,桥梁作为一个品牌已走出国门,从马来西亚槟城二桥到美国旧金山—奥克兰海湾大桥,从印尼泗马大桥到多瑙河上的塞尔维亚泽蒙大桥,中国建造的桥梁已经在世界上展现自己的风采,“中国桥梁”已成为一张闪亮的中国名片。


莫桑比克马普托跨海大桥为非洲建设规模及技术难度最大的桥梁,为连接首都马普托及南非干线公路的控制性工程,非洲地标性建筑。是中国交建采用EPC(设计、采购、施工、试运行、交付)方式建设。


大桥受首都马普托国际机场航空限高、桥下12万吨马普托港口、水下被炸沉军舰、巨厚软弱地层、通航条件等限制,葡萄牙设计公司提出了水中设置桥塔的高低塔斜拉桥方案,并完成了初步设计,我公司进场后提出了一跨跨越马普托海湾的悬索桥方案,并最终得到了认可和实施。


桥梁全长3000m,主桥采用单跨双铰悬索桥,跨径布置为260m+680m+284m;副主桥采用64m+5x119m+75m七跨刚构-连续梁组合体系,平面位于S形曲线上(起点侧两个悬浇T平曲线半径350m);引桥为45m、30m预制T梁。


主桥主梁采用扁平钢箱梁,桥中心处梁高3m,全宽(包括风嘴)25.6m。全桥共57个梁段,标准梁段梁长12m,重124.8吨,全桥钢箱梁共重约7600吨。主塔采用门形混凝土结构,基础采用钻孔灌注桩。锚碇基础采用直径50m,壁厚1.2m地下连续墙,马普托岸、卡腾贝岸墙体深度分别为54m、56m。地连墙采用液压抓斗施工槽段,墙体作为基坑开挖的维护结构,墙体施工完成后,作为基础外墙。


马普托跨海大桥为中国在海外建设的最大规模的桥梁,桥梁的设计及施工受铁路、港口、码头、通航、航空限高、沉船、地质条件差等诸多因素影响,其设计特点与技术创新主要有——


① 世界上首座采用中国规范设计、欧洲规范验证的悬索桥,为中欧规范的对比、中国设计企业拓展海外业务积累了一定的经验;


② 马普托岸锚碇与现有铁路最小距离仅35m,采用深墙浅基坑的地下连续墙方案,在满足基础受力、铁路沉降的控制要求的同时,取得了较好的经济效益;


③ 64m+5x119m+75m、曲线半径350m大跨长联曲线梁式桥,主跨包角19.5度,世界首例。


④ 首次采用大吸水率(2%~5%)粗骨料配置高性能海工混凝土,大幅节约了项目建造成本。




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图13 莫桑比克马普托跨海大桥


展望

伴随信息技术、网络技术、人工智能、新型结构材料等技术的突飞猛进,桥梁工程的技术发展和创新必将进入更广阔的天地,以更好地满足人们不断提升的发展的需求。


创新是桥梁技术发展的第一动力,是桥梁大国迈向桥梁强国的唯一途径;创新更重要的是破解工程难题基础上的创新,尺度和规模的超越会更加理性;未来桥梁发展趋势——更新(结构、技术、材料)、更轻(轻质高强)、更美(建筑、品质)。我国桥梁建设者必将为世界贡献更多的“中国智慧”“中国方案”。



作者:冯鹏程单位:中交第二公路勘察设计研究院有限公司

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