美国桥梁上部结构材料及结构形式选择初探
美国桥梁上部结构材料及结构形式选择初探李志峰，王昌将，杨扬，白雨东，张军（浙江省交通规划设计研究院浙江 杭州310006）
摘要：通过对美国桥梁信息库(NBI)2015年数据的统计，得到了美国中小跨径桥梁上部结构材料及结构形式选择的总体情况，并对演变规律进行了分析，为我国中小跨径桥梁上部结构今后发展方向的选择提供参考。
关键词：NBI；上部结构；材料；结构形式
The Investigation on superstructurematerial and construction type of American BridgesLI Zhi-feng , WANG Chang-jiang , YANG Yang , BAI Yu-dong , ZHANG Jun(Zhejiang ProvincialPlanning , Design and Research Institute of Communications, Hangzhou 310006,China)
Abstract: By analyzing the data and information of the National Bridge Inventory(NBI), this paper studied the superstructure material and construction type of the small or medium span bridges in America, and summarized the dynamic properties of the American bridges’ development. The analysis and conclusion in this paper could provide reference for the development of bridge superstructure material and construction type in China.
Keyword: NBI; superstructure;material; type of construction
1前言
中小跨径桥梁是桥梁的重要组成部分，以浙江省为例，截止2015年底共建成公路桥梁约4.9万座，其中中小跨径桥梁约4.5万座，占比91.7%；建成公路桥梁总长度约2800公里，其中中小跨径桥约1140公里，占比40.7%；如果按照跨径划分，单孔跨径≤50m的桥梁总长度占比将超过95%。因此，中小跨径桥梁量大面广，在桥梁中具有举足轻重的作用。
当前钢结构在我国大跨径桥梁上得到了广泛应用，但在中小跨径应用方面还处于起步阶段，以浙江省为例，钢结构桥梁总占比不到1%；国内部分省份钢结构比例稍大，但混凝土桥梁仍占有压倒性优势。如何在中小跨径桥梁中推广应用钢结构，如何提升中小跨径混凝土桥梁设计标准化，使得桥梁发展更符合绿色公路的建设理念，这是进一步提高我国桥梁品质的需要，也是我国桥梁产业迈向工业化发展的需要。
发展中小跨径桥梁的关键在于选择合适的结构材料和最佳结构形式，这就需要系统总结以往的建设、养护经验，进行细致严谨的分析研究，但收集国内公开的、系统的数据非常困难。学习和总结美国等已进入维护期的桥梁大国的经验，研究其选择桥梁上部结构材料类型和结构形式的总体情况和发展趋势，对于解决上述问题很有借鉴意义。本文拟通过研究美国桥梁信息库NBI（National Bridge Inventory）近百年的数据，对美国桥梁上部结构材料和结构形式选择进行归纳、总结，以供国内桥梁业界决策参考。 2NBI简介
NBI是全世界最大的桥梁数据库，跨径大于20英尺（6米）的美国交通桥（含铁路桥）均纳入此数据库，已经收集了60余万座桥涵的信息，其中桥梁47.5万座。
在该库中，桥涵的质量按10级标准进行评价，9级：超理想；8级：理想；7级：优于设计标准；6级：达到设计标准；5级：部分优于最低容许极限，保留；4级：满足最低容许极限，保留；3级：基本不满足容许极限，及早维修；2级：基本不满足容许极限，及早更换；1级：无使用价值；0级：立即停止使用。
NBI将不安全桥梁归纳成两大类：“结构缺陷(Structurally Deficient)”和“功能失效(Functionally Obsolete)”。“结构缺陷”是指由于桥梁重要构件的损坏而降低了整桥的承载能力，即评价标准中4级或以下的桥梁。这类桥梁在进行严格的维修、养护，采取限载或限速措施后，方可安全使用。“功能失效”是指设计指标不能满足现状的使用要求，如硬路肩缺失，交通量、行车速度、桥梁宽度、设计荷载等不能满足现状使用要求，须进行拓宽改建或新建。
3NBI数据内容
NBI是一个统一、细致的数据库，主要包括了桥梁识别、桥型规格、使用状况、运营检测等重要信息，便于数据统计分析和使用状况判别。
桥型规格不仅明确了桥型分类标准，也标明了材料信息。其中，材料及是否结构连续可分为10类，桥型分为23类，具体如表1、表2所示：表1材料分类一览表编号材料编号材料1砼简支 (Concrete)6预应力砼连续 (Pre-stressed concretecontinuous)2砼连续 (Concrete continuous)7木材 (Wood or Timber)3钢简支 (Steel)8砖石 (Masonry)4钢连续 (Steel continuous)9铝铁 (Aluminum, Wrought Iron, orCast Iron)5预应力砼简支(Pre-stressed concrete)10其他 (Other) 表2桥型分类一览表编号桥型编号桥型1板梁 (Slab)13悬索桥 (Suspension)2纵梁/多主梁(Stringer/Multi-beamor Girder)14斜拉桥 (Stayed Girder)3纵横梁格体系(Girderand FloorbeamSystem)15升降式开启(Movable-Lift)4T梁 (Tee Beam)16竖转式开启(Movable-Bascule)5多箱梁(Box Beam or Girders –Multiple)17平转式开启(Movable-Swing)6箱梁(BoxBeam or Girders-Single or Spread)18通道 (Tunnel)7框架 (Frame)19涵洞 (Culvert)8正交异性梁 (Orthotropic)20混合型 (Mixed – type)9上承式桁梁 (Truss–Deck)21节段大箱梁(Segmental Box Girder)10中、下承式桁梁 (Truss – Thru)22槽型梁 (Channel Beam)11上承式拱 (Arch – Deck)23其他 (Other)12中、下承式拱 (Arch – Thru)
注：多箱梁，国内多称为空心板；箱梁，包括单箱或多箱扩展，多箱扩展类似国内小箱梁。 美国桥型称法与国内有所差别，特刊登部分桥型照片如下：
图1板梁(Slab)
图2纵梁/多主梁(Stringer/Multi-beam or Girder)
图3T梁(TeeBeam)
图4纵横梁格体系(Girder and Floor beam System)
图5多箱梁(BoxBeam or Girders – Multiple)
使用状况包括建筑年龄、建成年份、维修年份、分离立交形式、车道数、日均交通量、日均卡车量、及支路绕道等信息。
运营检测包括桥梁检测、检查员评级和评估结果等信息。
4美国桥梁宏观分析4.1美国桥梁现状分析
经过百年的建设和发展，美国交通运输网络覆盖全国，交通设施比较先进，NBI数据显示，1900到2015年间，全国桥梁座数从0.18万座增加到了47.47万座，如图6所示。其中，2015年，跨径≤50m的中小跨径桥梁有46.42万座，占到了美国桥梁总座数的97.8%，中小跨径桥梁的里程数达到了21754.6公里，占到了美国桥梁总里程数的84.7%。
图6美国历年桥梁数量增长
图7美国2015年桥梁材料占比图(按座数统计，单位：%)砼合计：60.7%，其中预应力砼合计：32.3%； 钢合计：34.7%
图8美国2015年桥梁材料占比图(按面积统计，单位：%)砼合计：55.9%，其中预应力砼合计：39.2%； 钢合计：43.3%
主桥材料占比如图7、图8所示。截止2015年，在桥梁座数上，预应力混凝土简支桥梁占比最高，为26.9%，其次是钢结构简支桥梁(24.1%)和混凝土简支桥梁(18.3%)；混凝土桥梁合计占比60.7%，其中预应力混凝土桥梁合计占比32.3%，钢桥合计占比34.7%。在桥梁面积上，也是预应力混凝土简支桥梁占比最高，为26.8%，其次是钢结构连续桥梁(25.2%)和钢结构简支桥梁(18.1%)；混凝土桥梁合计占比55.9%，其中预应力混凝土桥梁合计占比39.2%；钢桥合计占比43.3%。
图9美国2015年桥梁桥型占比图(按座数统计，单位：%)
图10美国2015年桥梁桥型占比图(按桥梁面积统计，单位：%)
主桥桥型占比如图9、图10所示。在桥梁座数上，使用率最高的上部结构形式为纵梁/多主梁，占比为52.1%，其次是板梁(17.1%)、多箱梁(11.2%)和T梁(7.5%)；在面积上，纵梁/多主梁体系依然占据首位，占比63.8%，多箱梁、板梁和T梁分别占9.7%、7.2%和4.8%。
将主桥材料和桥型进行组合，共有230种组合形式，如表3、表4所示；主要组合的座数、面积、桥龄如表5所示，占比情况如图11、图12所示(图表中“其他”为总量排名在前8名之外的材料桥型组合)。
图11美国2015年材料及桥型占比图(按座数统计，单位：%)
图12美国2015年材料及桥型占比图(按面积统计，单位：%)
表3美国2015年桥梁材料及桥型统计表(单位：座)
表4美国2015年桥梁材料及桥型统计表(单位：m2)
表5材料桥型主要组合一览表
由表3、表4和图11、图12数据分析可知，使用率最高的桥型为纵梁/多主梁，其中钢简支、钢连续和预应力混凝土简支的纵梁/多主梁体系占比最高，分别占到了桥梁总座数的20.8%、10.0%、11.9%，桥梁总面积的12.8%、21.1%、20.3%；其次是板梁的使用率，混凝土简支板梁和混凝土连续板梁均占桥梁总座数的6.8%，各占桥梁总面积的2.1%和3.8%；另外，预应力混凝土简支多箱梁和混凝土简支T梁分别占到了总座数的8.9%和4.1%，总面积的3.6%和2.3%。
由表5可知，桥梁规模比较大时，上部结构形式选用钢连续—纵梁/多主梁体系(桥梁平均面积1593.6m2，下同)和预应力砼连续—纵梁/多主梁体系为主(1580.1m2)；桥梁规模中等时，上部结构一般选择预应力砼简支—纵梁/多主梁体系为主(1291.6m2)；桥梁规模较小时选择钢简支纵梁/多主梁体系(466.1m2)、预应力混凝土简支多箱梁(305.5m2)、混凝土连续板梁(419.1m2)、混凝土简支板梁(234.4m2)和混凝土简支T梁(419.5m2)为主。
此外，由表5中各常用桥型的平均桥龄可知，混凝土简支T梁的平均桥龄最大，混凝土板梁和钢结构纵梁/多主梁体系的平均桥龄居中，预应力混凝土的多箱梁和纵梁/多主梁体系的平均桥龄最新。
4.2美国各州桥梁现状分析
如图13所示，德克萨斯州、俄亥俄州和伊利诺斯州分别以33615、25354和21999座桥梁，位列座数前三位；德克萨斯州、加利福尼亚州和佛罗里达州分别位列面积前三位。
图13美国2015年各州桥梁面积占比图
图14美国2015年各州桥梁材料座数占比图
为了更好的分析美国桥梁材料选择趋势，对各州的桥梁按主桥材料进行细分统计，得到的占比图如图14所示(材料图表中“其他”为除了混凝土、预应力混凝土、钢和木材以外的材料，下同)。多数州以混凝土、钢结构和预应力混凝土作为桥梁的主要材料，每个州钢结构和混凝土结构的使用各有特点，例如纽约州偏好钢结构，而加利福尼亚州则偏好混凝土结构。
4.3美国“结构缺陷”桥梁现状分析
以桥面和上部结构缺陷为例，1900年到2015年间，随着桥梁的建设发展和技术的不断更新， “结构缺陷”桥梁的占比明显呈下降趋势，桥梁结构不断完善，如图15所示：
图15美国历年“结构缺陷”桥梁座数占比
图16美国2015年“结构缺陷”桥梁座数占比图(单位：%)
砼合计：25.1%； 预应力砼合计：10.9%； 钢合计：54.8%图16数据显示，按材料区分，超过一半的“结构缺陷”桥梁为钢，其中钢结构简支桥梁占比46.1%，钢结构连续桥梁占比8.7%；混凝土简支桥梁占比17.9%，混凝土连续桥梁占比7.2%；预应力混凝土桥梁占比较小，简支和连续结构占比分别为9.7%和1.2%。
5美国桥梁发展趋势分析5.1全国桥梁发展趋势分析
美国不同材料的桥梁占比变化趋势如图17、图18所示，1900年之前，钢简支桥梁座数占到了约40%；1920年之后，钢简支桥梁的占比逐渐下降，混凝土简支桥梁占比快速上升， 1940年混凝土简支桥梁占比达到了高峰，随后逐渐下降；1980年之后，预应力混凝土简支桥梁占比逐步增加，到了2015年，美国桥梁主要以混凝土简支桥梁、钢简支桥和预应力混凝土简支桥梁为主，紧随其后的是混凝土连续桥梁和钢连续桥梁。
图17美国桥梁材料累计占比（按座数统计）
图18美国桥梁材料累计占比（按面积统计）
图19美国历年主要桥型累计占比（按座数统计）
图19对表5中材料桥型主要组合的桥梁占比变化趋势进行分析，钢简支—纵梁/多主梁体系的桥梁从1960年之后呈下降趋势，但其占比始终保持首位；从1980年开始，预应力混凝土简支—纵梁/多主梁体系的桥梁开始大幅增长；而我国使用较为广泛的混凝土T梁，在美国1940~1960年期间占比较高，从1980年之后其占比逐渐减小，开始被其他桥型所替代。
图20美国历年新建桥梁材料占比(按座数统计)
为了更好的分析桥梁材料的选择变化，图20对新建桥梁材料进行统计分析，在不同的历史时期，新建桥梁材料、桥型选择有所不同。1940年以前，钢简支桥梁和混凝土简支桥梁为新建的主要桥型。1940年后预应力混凝土简支桥逐渐成为新建桥梁的主流，2015年达到43.1%，加上预应力混凝土连续结构，混凝土结构总占比达到54.1%；而钢简支桥梁占比在逐渐减少，从1920年的47.7%下降到2015年的17.0%，钢连续桥梁从1900到1960年间逐年增长，1960年后开始逐渐的减少，到2015年的为8.1%。为了避免桥梁施工对既有交通的影响，美国大力推进ABC快速桥梁施工法(Accelerated BridgeConstruction)，预应力混凝土简支桥因为其施工便捷快速，成为美国近年来新建桥梁上部结构的主流形式。
图211980年之后美国历年新建桥梁材料占比(按座数统计)
由图21可知，美国1980年之后的新建桥梁中，上部材料占比相对稳定，混凝土桥梁的占比维持在70%上下，逐年略有增加，钢结构桥梁占比维持在28%左右，相较于我国新建钢桥占比严重偏小的现状，钢桥在我国仍有很大的发展空间。
5.2美国各州桥梁发展趋势分析
以德州、加州和纽约州为例，对近20年的桥型数据进行统计分析，如图22、图23、图24所示。
图22德克萨斯州历年桥梁材料累计占比(按座数统计)
由图22可知，德州在1900年之前没有桥梁记录；1920年桥梁建设以钢结构简支桥梁为主，之后钢桥占比迅速减小，到2015年仅占到了10.6%；在1940~1960年期间则大量采用混凝土简支桥梁，占比50%以上；自1980年开始，预应力混凝土简支桥梁开始得到广泛应用，占比不断增加，由1980年的24.6%增长到了2015年的46.0%，而普通混凝土桥梁的占比则逐年下降。
图23加利福尼亚州历年桥梁材料累计占比(按座数统计)
由图23可知，相比于德州，加州更倾向于采用混凝土连续结构桥梁，自1920年开始，其占比逐渐上升，由原来的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%；混凝土简支桥梁占比则是逐年下降，由1920年的44.0%下降到2015年的16.7%；1920年之后，预应力混凝土桥梁和钢结构桥梁的占比均较小。
图24纽约州历年桥梁材料累计占比(按座数统计)
由图24可知，纽约州是钢桥运用最广的州，其钢桥使用占比远大于混凝土结构桥梁，从1900年到2015年，钢结构简支桥梁的占比虽有波动变化，但占比始终超过50%；而普通混凝土桥梁占比不超过20%左右；预应力混凝土桥梁的占比则仅占约10%，直到2000年之后才逐步上升到约20%。
图25纽约州历年钢结构桥型累计占比(按座数统计)
纽约州钢结构桥梁不同桥型占比变化趋势如图25所示，钢结构桥梁以纵梁/多主梁体系为主：1900年，纵梁/多主梁体系的钢桥占钢桥总座数的53.3%，到1920年下降为49.7%，之后逐年上升，到2015年达到了88.8%；其它较多采用的钢桥桥型还有钢桁梁桥和钢纵横梁格体系。
5.3“结构缺陷”桥梁变化趋势分析
美国每年都会对桥梁进行检测和相应的维修、养护工作。“结构缺陷”桥梁统计详见图26、图27。
由图26分析可知，钢简支桥梁在所有“结构缺陷”桥梁中占比最高；1960年之后，随着预应力混凝土桥梁的应用不断增加，“结构缺陷”桥梁占比也相应有所提升，但钢桥仍然在“结构缺陷”桥梁中占比最高。
图26美国历年“结构缺陷”桥梁材料累计占比(按座数统计)
由图27可知，1980年之后的新建桥梁中，“结构缺陷”桥梁占比相对稳定，混凝土桥梁的占比维持在45%上下，钢结构桥梁占约40%，相比较图21中70%、28%的新建桥梁比例，钢桥的“结构缺陷”率相对较高，但相比较1980年之前新建桥梁，新时期的钢桥“结构缺陷”率已有显著改善。
图271980年之后美国历年“结构缺陷”桥梁材料累计占比(按座数统计)
因此，在我国进行钢结构桥梁推广过程中，桥型选择时应充分考虑环境类别对桥型的影响；提倡全寿命周期成本设计；研制和推广耐候钢等新型耐腐蚀钢材；运营阶段应加强养护，减少钢材锈蚀、结构损伤、疲劳破坏等一系列病害。
6结论
美国桥梁发展历史悠久、数据健全，通过本文的数据分析，清晰展示了美国桥梁的发展历程。
1、美国主要以混凝土、钢和预应力混凝土作为桥梁的主要材料。
2、美国使用率最高的上部结构形式是纵梁/多主梁，其中钢简支、钢连续和预应力混凝土简支的纵梁/多主梁占比最高，其余使用率较高的有混凝土简支板梁、混凝土连续板梁、预应力混凝土简支多箱梁和混凝土简支T梁。
3、1940年以前，钢简支桥梁和混凝土简支桥梁为新建桥梁的主要桥型；1940年后，预应力混凝土简支桥梁逐渐成为主流，钢简支桥梁占比逐渐减少，钢连续桥梁从1900到1960年间逐年增长，1960年后占比开始逐渐减少；到1980年之后，上部材料占比相对稳定，混凝土桥梁和钢结构桥梁的占比分别为70%、28%左右，相较于我国新建钢桥占比严重偏小的现状，钢桥在我国仍有很大的发展空间。
4、桥型、材料与桥梁规模有一定的相关性：规模较大时，多采用钢连续—纵梁/多主梁体系和预应力砼简支—纵梁/多主梁体系；规模中等时，一般选择钢简支纵梁/多主梁体系和预应力混凝土连续纵梁/多主梁体系；规模较小时，选择预应力混凝土简支多箱梁、混凝土连续板梁、混凝土简支板梁和混凝土简支T梁。
5、通过长期的桥梁结构更新和维护，合理选择新建桥梁材料和桥型结构，美国“结构缺陷”桥梁的占比明显下降。在所有“结构缺陷”桥梁中，钢简支桥梁占比最高；随着预应力混凝土桥梁的应用不断增加，相应的预应力混凝土“结构缺陷”桥梁占比开始逐步增加，“结构缺陷”钢桥占比下降，但钢桥仍然在“结构缺陷”桥梁中占比最高，但相比较1980年之前新建桥梁，新时期的钢桥“结构缺陷”率已有显著改善。
6、为了避免桥梁施工对既有交通的影响，美国大力推进快速桥梁施工法(Accelerated Bridge Construction)，预应力混凝土简支桥因为其施工便捷快速，成为美国近年来新建桥梁上部结构的主流形式。
通过以上研究可以看出，无论是材料还是结构形式的选择，都有很强的时代性，它与技术成熟度、经济性、可施工性及市场供给量有关，而选择发生变化的原因是安全性、可维护性、耐久性等因素，也就是全寿命周期角度的再次思考与比较，推动了新的选择，对我国桥梁发展方向的选择有很好的借鉴意义。
我国在下一阶段的桥梁发展中，应充分吸取国内外的实践经验，合理选择材料与结构形式。钢结构桥梁方面，结构形式上应选择构造简单、受力明确的双主梁或多主梁的钢板梁桥；混凝土方面可多采用纵梁/多主梁结构。
施工方面应有针对性的开展工业流水线制造、提高可运输性、提升可施工性、追求免维护性、延长使用寿命、增加安全性、合理降低造价等方面的研究，实现标准化设计、工业化制造、商品化供应、装配化施工、少量化维护、信息化管理，进一步提升我国中小跨径桥梁全寿命周期性价比，实现桥梁品质工程。
参考文献 Nien-Chun Wu, Stephen Chase.An Exploratory Data Analysis of National Bridge Inventory .University of Virginia, 2010. Thomas W. Ryan, J. Eric Mann, Zachary M. Chill, et al.Bridge Inspector’s Reference Manual (BIRM) . U.S. Department of Transportation&Federal Highway Administration, 2012.
作者：李志峰（1978-），男，高级工程师，从事桥梁设计工作14年。邮箱：7600896@qq.com工作单位：浙江省交通规划设计研究院
非常好的资料，收藏了 研究一下，很有意义，可以和欧洲的情况对比。
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