美國到底有多少鋼橋？美國橋梁上部結構材料及結構形式選擇初探李志峰，王昌將，楊揚，白雨東，張軍（浙江省交通規劃設計研究院

浙江

杭州

310006）

摘

要：通過對美國橋梁信息庫(NBI)2015年數據的統計，得到了美國中小跨徑橋梁上部結構材料及結構形式選擇的總體情況，并對演變規律進行了分析，為我國中小跨徑橋梁上部結構今后發展方向的選擇提供參考。關鍵詞：NBI；上部結構；材料；結構形式

TheInvestigationonsuperstructurematerialandconstructiontypeofAmericanBridgesLIZhi-feng,WANGChang-jiang,YANGYang,BAIYu-dong,ZHANGJun(ZhejiangProvincialPlanning,DesignandResearchInstituteofCommunications,Hangzhou310006,China)

Abstract:ByanalyzingthedataandinformationoftheNationalBridgeInventory(NBI),thispaperstudiedthesuperstructurematerialandconstructiontypeofthesmallormediumspanbridgesinAmerica,andsummarizedthedynamicpropertiesoftheAmericanbridges’development.TheanalysisandconclusioninthispapercouldprovidereferenceforthedevelopmentofbridgesuperstructurematerialandconstructiontypeinChina.Keyword:NBI;superstructure;

material;typeofconstruction

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前言中小跨徑橋梁是橋梁的重要組成部分，以浙江省為例，截止2015年底共建成公路橋梁約4.9萬座，其中中小跨徑橋梁約4.5萬座，占比91.7%；建成公路橋梁總長度約2800公里，其中中小跨徑橋約1140公里，占比40.7%；如果按照跨徑劃分，單孔跨徑≤50m的橋梁總長度占比將超過95%。因此，中小跨徑橋梁量大面廣，在橋梁中具有舉足輕重的作用。當前鋼結構在我國大跨徑橋梁上得到了廣泛應用，但在中小跨徑應用方面還處于起步階段，以浙江省為例，鋼結構橋梁總占比不到1%；國內部分省份鋼結構比例稍大，但混凝土橋梁仍占有壓倒性優勢。如何在中小跨徑橋梁中推廣應用鋼結構，如何提升中小跨徑混凝土橋梁設計標準化，使得橋梁發展更符合綠色公路的建設理念，這是進一步提高我國橋梁品質的需要，也是我國橋梁產業邁向工業化發展的需要。發展中小跨徑橋梁的關鍵在于選擇合適的結構材料和最佳結構形式，這就需要系統總結以往的建設、養護經驗，進行細致嚴謹的分析研究，但收集國內公開的、系統的數據非常困難。學習和總結美國等已進入維護期的橋梁大國的經驗，研究其選擇橋梁上部結構材料類型和結構形式的總體情況和發展趨勢，對于解決上述問題很有借鑒意義。本文擬通過研究美國橋梁信息庫NBI（NationalBridgeInventory）近百年的數據，對美國橋梁上部結構材料和結構形式選擇進行歸納、總結，以供國內橋梁業界決策參考。

2

NBI簡介NBI是全世界最大的橋梁數據庫，跨徑大于20英尺（6米）的美國交通橋（含鐵路橋）均納入此數據庫[1]，已經收集了60余萬座橋涵的信息，其中橋梁47.5萬座。在該庫中，橋涵的質量按10級標準進行評價，9級：超理想；8級：理想；7級：優于設計標準；6級：達到設計標準；5級：部分優于最低容許極限，保留；4級：滿足最低容許極限，保留；3級：基本不滿足容許極限，及早維修；2級：基本不滿足容許極限，及早更換；1級：無使用價值；0級：立即停止使用[2]。NBI將不安全橋梁歸納成兩大類：“結構缺陷(StructurallyDeficient)”和“功能失效(FunctionallyObsolete)”?！敖Y構缺陷”是指由于橋梁重要構件的損壞而降低了整橋的承載能力，即評價標準中4級或以下的橋梁[2]。這類橋梁在進行嚴格的維修、養護，采取限載或限速措施后，方可安全使用。“功能失效”是指設計指標不能滿足現狀的使用要求，如硬路肩缺失，交通量、行車速度、橋梁寬度、設計荷載等不能滿足現狀使用要求，須進行拓寬改建或新建[2]。3

NBI數據內容NBI是一個統一、細致的數據庫，主要包括了橋梁識別、橋型規格、使用狀況、運營檢測等重要信息，便于數據統計分析和使用狀況判別。橋型規格不僅明確了橋型分類標準，也標明了材料信息。其中，材料及是否結構連續可分為10類，橋型分為23類，具體如表1、表2所示：表1

材料分類一覽表編號材料編號材料1砼簡支(Concrete)6預應力砼連續(Pre-stressedconcrete

continuous)2砼連續(Concretecontinuous)7木材(WoodorTimber)3鋼簡支(Steel)8磚石(Masonry)4鋼連續(Steelcontinuous)9鋁鐵(Aluminum,WroughtIron,or

CastIron)5預應力砼簡支(Pre-stressedconcrete)10其他(Other)

表2

橋型分類一覽表編號橋型編號橋型1板梁(Slab)13懸索橋(Suspension)2縱梁/多主梁(Stringer/Multi-beam

orGirder)14斜拉橋(StayedGirder)3縱橫梁格體系(Girder

andFloorbeamSystem)15升降式開啟(Movable-Lift)4T梁(TeeBeam)16豎轉式開啟(Movable-Bascule)5多箱梁(BoxBeamorGirders–

Multiple)17平轉式開啟(Movable-Swing)6箱梁(Box

BeamorGirders-SingleorSpread)18通道(Tunnel)7框架(Frame)19涵洞(Culvert)8正交異性梁(Orthotropic)20混合型(Mixed–type)9上承式桁梁(Truss–Deck)21節段大箱梁(SegmentalBoxGirder)10中、下承式桁梁(Truss–Thru)22槽型梁(ChannelBeam)11上承式拱(Arch–Deck)23其他(Other)12中、下承式拱(Arch–Thru)注：多箱梁，國內多稱為空心板；箱梁，包括單箱或多箱擴展，多箱擴展類似國內小箱梁。

美國橋型稱法與國內有所差別，特刊登部分橋型照片如下：

圖1

板梁(Slab)

圖2

縱梁/多主梁(Stringer/Multi-beamorGirder)

圖3

T梁(TeeBeam)

圖4

縱橫梁格體系(GirderandFloorbeamSystem)

圖5

多箱梁(BoxBeamorGirders–Multiple)

使用狀況包括建筑年齡、建成年份、維修年份、分離立交形式、車道數、日均交通量、日均卡車量、及支路繞道等信息。運營檢測包括橋梁檢測、檢查員評級和評估結果等信息。4

美國橋梁宏觀分析4.1

美國橋梁現狀分析經過百年的建設和發展，美國交通運輸網絡覆蓋全國，交通設施比較先進，NBI數據顯示，1900到2015年間，全國橋梁座數從0.18萬座增加到了47.47萬座，如圖6所示。其中，2015年，跨徑≤50m的中小跨徑橋梁有46.42萬座，占到了美國橋梁總座數的97.8%，中小跨徑橋梁的里程數達到了21754.6公里，占到了美國橋梁總里程數的84.7%。

圖6

美國歷年橋梁數量增長

圖7

美國2015年橋梁材料占比圖(按座數統計，單位：%)砼合計：60.7%，其中預應力砼合計：32.3%；鋼合計：34.7%

圖8

美國2015年橋梁材料占比圖(按面積統計，單位：%)砼合計：55.9%，其中預應力砼合計：39.2%；鋼合計：43.3%主橋材料占比如圖7、圖8所示。截止2015年，在橋梁座數上，預應力混凝土簡支橋梁占比最高，為26.9%，其次是鋼結構簡支橋梁(24.1%)和混凝土簡支橋梁(18.3%)；混凝土橋梁合計占比60.7%，其中預應力混凝土橋梁合計占比32.3%，鋼橋合計占比34.7%。在橋梁面積上，也是預應力混凝土簡支橋梁占比最高，為26.8%，其次是鋼結構連續橋梁(25.2%)和鋼結構簡支橋梁(18.1%)；混凝土橋梁合計占比55.9%，其中預應力混凝土橋梁合計占比39.2%；鋼橋合計占比43.3%。

圖9

美國2015年橋梁橋型占比圖(按座數統計，單位：%)

圖10

美國2015年橋梁橋型占比圖(按橋梁面積統計，單位：%)主橋橋型占比如圖9、圖10所示。在橋梁座數上，使用率最高的上部結構形式為縱梁/多主梁，占比為52.1%，其次是板梁(17.1%)、多箱梁(11.2%)和T梁(7.5%)；在面積上，縱梁/多主梁體系依然占據首位，占比63.8%，多箱梁、板梁和T梁分別占9.7%、7.2%和4.8%。將主橋材料和橋型進行組合，共有230種組合形式，如表3、表4所示；主要組合的座數、面積、橋齡如表5所示，占比情況如圖11、圖12所示(圖表中“其他”為總量排名在前8名之外的材料橋型組合)。

圖11

美國2015年材料及橋型占比圖(按座數統計，單位：%)

圖12

美國2015年材料及橋型占比圖(按面積統計，單位：%)表3

美國2015年橋梁材料及橋型統計表(單位：座)

表4

美國2015年橋梁材料及橋型統計表(單位：m2)

表5

材料橋型主要組合一覽表

由表3、表4和圖11、圖12數據分析可知，使用率最高的橋型為縱梁/多主梁，其中鋼簡支、鋼連續和預應力混凝土簡支的縱梁/多主梁體系占比最高，分別占到了橋梁總座數的20.8%、10.0%、11.9%，橋梁總面積的12.8%、21.1%、20.3%；其次是板梁的使用率，混凝土簡支板梁和混凝土連續板梁均占橋梁總座數的6.8%，各占橋梁總面積的2.1%和3.8%；另外，預應力混凝土簡支多箱梁和混凝土簡支T梁分別占到了總座數的8.9%和4.1%，總面積的3.6%和2.3%。由表5可知，橋梁規模比較大時，上部結構形式選用鋼連續—縱梁/多主梁體系(橋梁平均面積1593.6m2，下同)和預應力砼連續—縱梁/多主梁體系為主(1580.1m2)；橋梁規模中等時，上部結構一般選擇預應力砼簡支—縱梁/多主梁體系為主(1291.6m2)；橋梁規模較小時選擇鋼簡支縱梁/多主梁體系(466.1m2)、預應力混凝土簡支多箱梁(305.5m2)、混凝土連續板梁(419.1m2)、混凝土簡支板梁(234.4m2)和混凝土簡支T梁(419.5m2)為主。此外，由表5中各常用橋型的平均橋齡可知，混凝土簡支T梁的平均橋齡最大，混凝土板梁和鋼結構縱梁/多主梁體系的平均橋齡居中，預應力混凝土的多箱梁和縱梁/多主梁體系的平均橋齡最新。4.2

美國各州橋梁現狀分析如圖13所示，德克薩斯州、俄亥俄州和伊利諾斯州分別以33615、25354和21999座橋梁，位列座數前三位；德克薩斯州、加利福尼亞州和佛羅里達州分別位列面積前三位。

圖13

美國2015年各州橋梁面積占比圖

圖14

美國2015年各州橋梁材料座數占比圖為了更好的分析美國橋梁材料選擇趨勢，對各州的橋梁按主橋材料進行細分統計，得到的占比圖如圖14所示(材料圖表中“其他”為除了混凝土、預應力混凝土、鋼和木材以外的材料，下同)。多數州以混凝土、鋼結構和預應力混凝土作為橋梁的主要材料，每個州鋼結構和混凝土結構的使用各有特點，例如紐約州偏好鋼結構，而加利福尼亞州則偏好混凝土結構。4.3

美國“結構缺陷”橋梁現狀分析以橋面和上部結構缺陷為例，1900年到2015年間，隨著橋梁的建設發展和技術的不斷更新，“結構缺陷”橋梁的占比明顯呈下降趨勢，橋梁結構不斷完善，如圖15所示：

圖15

美國歷年“結構缺陷”橋梁座數占比

圖16

美國2015年“結構缺陷”橋梁座數占比圖(單位：%)砼合計：25.1%；預應力砼合計：10.9%；鋼合計：54.8%圖16數據顯示，按材料區分，超過一半的“結構缺陷”橋梁為鋼，其中鋼結構簡支橋梁占比46.1%，鋼結構連續橋梁占比8.7%；混凝土簡支橋梁占比17.9%，混凝土連續橋梁占比7.2%；預應力混凝土橋梁占比較小，簡支和連續結構占比分別為9.7%和1.2%。5

美國橋梁發展趨勢分析5.1

全國橋梁發展趨勢分析美國不同材料的橋梁占比變化趨勢如圖17、圖18所示，1900年之前，鋼簡支橋梁座數占到了約40%；1920年之后，鋼簡支橋梁的占比逐漸下降，混凝土簡支橋梁占比快速上升，1940年混凝土簡支橋梁占比達到了高峰，隨后逐漸下降；1980年之后，預應力混凝土簡支橋梁占比逐步增加，到了2015年，美國橋梁主要以混凝土簡支橋梁、鋼簡支橋和預應力混凝土簡支橋梁為主，緊隨其后的是混凝土連續橋梁和鋼連續橋梁。

圖17

美國橋梁材料累計占比（按座數統計）

圖18

美國橋梁材料累計占比（按面積統計）

圖19

美國歷年主要橋型累計占比（按座數統計）圖19對表5中材料橋型主要組合的橋梁占比變化趨勢進行分析，鋼簡支—縱梁/多主梁體系的橋梁從1960年之后呈下降趨勢，但其占比始終保持首位；從1980年開始，預應力混凝土簡支—縱梁/多主梁體系的橋梁開始大幅增長；而我國使用較為廣泛的混凝土T梁，在美國1940~1960年期間占比較高，從1980年之后其占比逐漸減小，開始被其他橋型所替代。

圖20

美國歷年新建橋梁材料占比(按座數統計)為了更好的分析橋梁材料的選擇變化，圖20對新建橋梁材料進行統計分析，在不同的歷史時期，新建橋梁材料、橋型選擇有所不同。1940年以前，鋼簡支橋梁和混凝土簡支橋梁為新建的主要橋型。1940年后預應力混凝土簡支橋逐漸成為新建橋梁的主流，2015年達到43.1%，加上預應力混凝土連續結構，混凝土結構總占比達到54.1%；而鋼簡支橋梁占比在逐漸減少，從1920年的47.7%下降到2015年的17.0%，鋼連續橋梁從1900到1960年間逐年增長，1960年后開始逐漸的減少，到2015年的為8.1%。為了避免橋梁施工對既有交通的影響，美國大力推進ABC快速橋梁施工法(AcceleratedBridgeConstruction)，預應力混凝土簡支橋因為其施工便捷快速，成為美國近年來新建橋梁上部結構的主流形式。

圖21

1980年之后美國歷年新建橋梁材料占比(按座數統計)由圖21可知，美國1980年之后的新建橋梁中，上部材料占比相對穩定，混凝土橋梁的占比維持在70%上下，逐年略有增加，鋼結構橋梁占比維持在28%左右，相較于我國新建鋼橋占比嚴重偏小的現狀，鋼橋在我國仍有很大的發展空間。5.2

美國各州橋梁發展趨勢分析以德州、加州和紐約州為例，對近20年的橋型數據進行統計分析，如圖22、圖23、圖24所示。

圖22

德克薩斯州歷年橋梁材料累計占比(按座數統計)由圖22可知，德州在1900年之前沒有橋梁記錄；1920年橋梁建設以鋼結構簡支橋梁為主，之后鋼橋占比迅速減小，到2015年僅占到了10.6%；在1940~1960年期間則大量采用混凝土簡支橋梁，占比50%以上；自1980年開始，預應力混凝土簡支橋梁開始得到廣泛應用，占比不斷增加，由1980年的24.6%增長到了2015年的46.0%，而普通混凝土橋梁的占比則逐年下降。

圖23

加利福尼亞州歷年橋梁材料累計占比(按座數統計)由圖23可知，相比于德州，加州更傾向于采用混凝土連續結構橋梁，自1920年開始，其占比逐漸上升，由原來的30.1%上升到了1980年的46.4%，之后占比有所下降，到2015年占比41.0%；混凝土簡支橋梁占比則是逐年下降，由1920年的44.0%下降到2015年的16.7%；1920年之后，預應力混凝土橋梁和鋼結構橋梁的占比均較小。

圖24

紐約州歷年橋梁材料累計占比(按座數統計)由圖24可知，紐約州是鋼橋運用最廣的州，其鋼橋使用占比遠大于混凝土結構橋梁，從1900年到2015年，鋼結構簡支橋梁的占比雖有波動變化，但占比始終超過50%；而普通混凝土橋梁占比不超過20%左右；預應力混凝土橋梁的占比則僅占約10%，直到2000年之后才逐步上升到約20%。

圖25

紐約州歷年鋼結構橋型累計占比(按座數統計)紐約州鋼結構橋梁不同橋型占比變化趨勢如圖25所示，鋼結構橋梁以縱梁/多主梁體系為主：1900年，縱梁/多主梁體系的鋼橋占鋼橋總座數的53.3%，到1920年下降為49.7%，之后逐年上升，到2015年達到了88.8%；其它較多采用的鋼橋橋型還有鋼桁梁橋和鋼縱橫梁格體系。5.3

“結構缺陷”橋梁變化趨勢分析美國每年都會對橋梁進行檢測和相應的維修、養護工作?！敖Y構缺陷”橋梁統計詳見圖26、圖27。由圖26分析可知，鋼簡支橋梁在所有“結構缺陷”橋梁中占比最高；1960年之后，隨著預應力混凝土橋梁的應用不斷增加，“結構缺陷”橋梁占比也相應有所提升，但鋼橋仍然在“結構缺陷”橋梁中占比最高。

圖26

美國歷年“結構缺陷”橋梁材料累計占比(按座數統計)由圖27可知，1980年之后的新建橋梁中，“結構缺陷”橋梁占比相對穩定，混凝土橋梁的占比維持在45%上下，鋼結構橋梁占約40%，相比較圖21中70%、28%的新建橋梁比例，鋼橋的“結構缺陷”率相對較高，但相比較1980年之前新建橋梁，新時期的鋼橋“結構缺陷”率已有顯著改善。

圖27

1980年之后美國歷年“結構缺陷”橋梁材料累計占比(按座數統計)因此，在我國進行鋼結構橋梁推廣過程中，橋型選擇時應充分考慮環境類別對橋型的影響；提倡全壽命周期成本設計；研制和推廣耐候鋼等新型耐腐蝕鋼材；運營階段應加強養護，減少鋼材銹蝕、結構損傷、疲勞破壞等一系列病害。6

結論美國橋梁發展歷史悠久、數據健全，通過本文的數據分析，清晰展示了美國橋梁的發展歷程。1、美國主要以混凝土、鋼和預應力混凝土作為橋梁的主要材料。2、美國使用率最高的上部結構形式是縱梁/多主梁，其中鋼簡支、鋼連續和預應力混凝土簡支的縱梁/多主梁占比最高，其余使用率較高的有混凝土簡支板梁、混凝土連續板梁、預應力混凝土簡支多箱梁和混凝土簡支T梁。3、1940年以前，鋼簡支橋梁和混凝土簡支橋梁為新建橋梁的主要橋型；1940年后，預應力混凝土簡支橋梁逐漸成為主流，鋼簡支橋梁占比逐漸減少，鋼連續橋梁從1900到1960年間逐年增長，1960年后占比開始逐漸減少；到1980年之后，上部材料占比相對穩定，混凝土橋梁和鋼結構橋梁的占比分別為70%、28%左右，相較于我國新建鋼橋占比嚴重偏小的現狀，鋼橋在我國仍有很大的發展空間。4、橋型、材料與橋梁規模有一定的相關性：規模較大時，多采用鋼連續—縱梁/多主梁體系和預應力砼簡支—縱梁/多主梁體系；規模中等時，一般選擇鋼簡支縱梁/多主梁體系和預應力混凝土連續縱梁/多主梁體系；規模較小時，選擇預應力混凝土簡支多箱梁、混凝土連續板梁、混凝土簡支板梁和混凝土簡支T梁。5、通過長期的橋梁結構更新和維護，合理選擇新建橋梁材料和橋型結構，美國“結構缺陷”橋梁的占比明顯下降。在所有“結構缺陷”橋梁中，鋼簡支橋梁占比最高；隨著預應力混凝土橋