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[分享]日本钢桥的历史和技术发展综述
来源：Yozo Fujino and Dionysius Siringoringo. Historical and Technological Developments of Steel Bridges in Japan – A Review[J]. 钢结构(中英文), 2020, 35(1): 34-58. DOI: 10.13206/j.gjgSE19112604
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背 景
Introdution
日本是一个群岛国家，海峡和内海阻碍了群岛之间的交通。由于特殊的地理环境，促使桥梁工程在日本得到了大力发展。截至2008年4月，日本公路桥的总长度约为9500公里。钢桥约占公路桥总数的38.3%，如图1所示。与其他国家相比，钢结构在日本很受欢迎，原因在于钢结构具有良好的抗震性能、成熟的施工和制造技术、成本竞争力以及在跨越能力方面的优势。
在基础设施生命周期的每个阶段，桥梁结构都必须应对必要的技术挑战。纵观历史发现钢结构桥梁包含四项基本的技术方面：结构分析；材料；结构设计(包括设计标准和施工方法)；检测与维护。作者根据上述四项基本技术的发展，回顾了日本钢桥的发展历程。
图1 日本桥梁的分类及数量
钢桥的历史发展
History of steel bridges
日本钢桥的建造历史可以追溯到1868年。明治时期(1868-1912)建造了第一座黑铁桥和第一座桁架桥。1915年第一座钢吊桥(长116m，宽3.1m)竣工(图2)。该桥为简跨悬索桥，主梁为加劲梁，主塔为混凝土结构。这座桥在2003年被指定为日本重要的文化遗产。
早期建造桥梁没有统一的设计标准，第一部钢桥设计标准于1939年起草。该标准规定，日本的公路桥分为国道桥梁和县道桥梁两级，标准车辆荷载分别为13吨和9吨。
图2 日本第一座钢吊桥—Mino桥
20世纪50年代 钢铁生产和焊接技术的发展取得了显著进步，设计和施工规范也定期更新以适应新技术的发展。日本第一座全焊接钢梁桥—Honkyu大桥于1952年建造[3]。此后，焊接成为建造钢桥的主要连接技术。与此同时，高强钢的使用量显著增加，第一座重1000吨的490N/mm2级全焊接高强度钢桥建成。这标志着全焊接高强度钢桥的普遍使用。此外，制定了钢公路桥梁设计规范，将一级桥梁设计车辆荷载量级提高到20吨。为了支持桥梁设计，出版了《钢桥设计规范》(1956年)、《电焊钢铁路桥设计规范》(1956年)、《焊接公路桥设计规范》(1957年)、《公路组合梁桥设计与施工规范》(1959年)等重要设计规范。适用于全焊接钢结构的设计规范已定期更新。
20世纪60年代 日本进入了基础设施的大规模建设时期，主要是因为1964年举办东京奥运会。在此期间，现代大跨度桥梁的开始发展，先后建造了第一座斜拉桥—Katsuse大桥(建于1959年，全长128m，桥宽4m，见图3)，第一座现代悬索桥—Wakato Ohashi大桥(建于1962年，全长545m，中跨367m，桥面宽15m，见图4)，并开始进行本州四国联络桥的技术研究。此外，开始建设东海道新干线、首都高速公路、名神高速公路和东名高速公路等交通基础设施。钢桥结构相关的材料、分析、设计和施工技术得到了迅速发展和进步。
图3 日本第一座斜拉桥—Katsuse大桥
图4 日本第一座现代悬索桥—Wakato Ohashi大桥
图5 日本最大桁架桥—Minato Ohashi桥
20世纪80年代 研究和发展主要集中在大跨度和近海桥梁的施工技术上[5]。Akashi Kaikyo大桥项目解决了世界上最大跨径悬索桥施工技术问题。通过此项目获得了许多关于抗风设计、抗震设计、疲劳设计等的重要成果，确保了大跨度悬索桥的设计和施工安全。这一时期，在材料方面，800MPa级高强钢的成功生产大大减轻了结构构件的重量。在结构形式上，研发了一些新型的小型梁桥和大跨度桥面板。在施工技术上，采用了全断面现场焊接等新施工技术，这些技术现在在桥梁工程中仍很流行。
20世纪90年代 利用世界最新技术建造的大跨度桥梁在这十年达到了顶峰。本州与四国之间主要的大跨径悬索桥：Akashi-Kaikyo大桥、Kurushima-Kaikyo大桥，以及主要的斜拉桥：Ikuchi大桥、Higashi-Kobe 大桥, Tsurumi Tsubasa大桥和Meiko-Chuo大桥相继建成。Akashi-Kaikyo大桥全长3911m，中跨长1991m，宽30m，1998年建成，是全球最大跨径悬索桥(图7)，总用钢量20万吨。Tatara大桥全长1480m，主度890m，宽30.6 m，1999年建成，用钢量3.73万吨，是全球最大跨径斜拉桥(图8)。
图6 近年来日本大跨度桥梁的发展
图7 Akashi-Kaikyo大桥
图8 Tatara大桥
除此之外，建成了世界上第一座采用对角吊索的单主缆自锚式新型悬索桥—大阪Konohana大桥（图9）。随着广岛Ujina大桥的建成，钢拱桥在这十年中也取得了较大发展(图10)，该桥为单弦拱杆钢桥面板的三跨连续箱梁，是日本钢拱桥中跨度最大的钢梁[14]。
图9 对角吊索的单主缆自锚式新型悬索桥
图10 广岛Ujina大桥
Sky Gate大桥是世界上最长的钢桁架桥（全长375m，宽30m，1992年建成）(图11)。该桥由三跨连续钢桁架、三跨连续钢箱梁、两跨连续钢箱梁和简支钢箱梁组成，双层结构，上层为六车道高速公路，下层为双轨铁路。除了交通，这座桥还承载着电力、天然气、供水服务、电话和所有其他公共设施。
图11 世界上最长钢桁架桥—Sky Gate大桥
2000年以后，钢桥的发展主要集中于降低建设成本、改善全寿命周期的设计、施工和维护等方面。此时，钢-混凝土组合结构开始推广，并先后建造了近10座大桥，其中，建造了世界上第一座无上部横向支撑的双层尼尔森式拱桥[16]和世界上第一座浮体式平旋开合桥(总长940m，浮段长410m，上部结构为双拱肋钢拱，两个浮桥可以横向移动，允许大型船只通过，见图12）[17]。此外，BHS（桥梁高性能钢）在日本得到首次应用，与先进的施工技术相结合，在降低施工成本的同时提高了施工的可操作性。
图12 世界第一座浮体式平旋开合桥—Yumemai-Ohashi 大桥
钢桥的技术发展
History of steel bridges
日本钢桥研发的最初驱动力是在广阔而复杂的的地形条件下提供可靠的基础设施，以支持经济增长。在材料方面，钢桥的建设需求促进了高性能钢、高强钢丝和高强螺栓的发展。另一个值得注意的驱动力是地震和台风等灾难造成的基础设施损失。抗震和抗风工程领域的需求推动了高质量钢材的生产以及钢桥安全性和可维修性的研究。大跨径钢桥的桥塔、主梁和索等对风敏感，因此研发了相关的风洞试验和分析技术。自1995年兵库县南部地震以来，钢桥的抗震、隔震以及抗震加固等技术一直稳步发展。在研究和开发之后，更新了设计指南，从而推进钢桥设计和建造的标准化。
材料 钢板、H型钢、钢管、高强度钢丝和棒材等，在桥梁中均被使用。日本焊接工程学会(WES)于1964年完成了焊接结构用高屈服强度钢的标准。1966年和1967年，分别完成了600MPaHSS （high-speed steel）(SM58)和耐候高强度钢(SMA50、SMA58)的规范。20世纪80年代开始发展超高纯度光纤，1983年JIS将800MPa级HSS定为更高等级。
除了以上钢材，高性能钢(HPS)已经被开发用于特殊用途的桥梁，称为BHS(桥梁高性能钢)[20]。BHS是指断裂韧性增强、焊接性改善、加工效率和成形性提高、耐候性良好、屈服强度和抗拉强度突出的钢材料。它的发展是为了设计经济和高度耐用的桥梁，并有效地制造钢构件。表1列出了日本常用的常规和高性能钢的性能钢材。
表1 日本常用的常规和高性能钢的性能钢材
抗拉强度1800MPa的高强钢丝使用极大地降低了施工成本和自重。高抗拉强度螺栓发展，使大型钢桥的施工成为可能。1958年，日本首次用高抗拉强度螺栓代替铆钉。目前已研制出抗拉强度达1400Mpa的超高压螺栓[22]。
抗风设计 风振是柔性钢桥和大跨度缆索承重钢桥面临的一个关键问题。桥梁上的风力由时均分量和脉动分量组成。桥梁的振动类型和水平取决于桥梁的结构特性，如质量、刚度和阻尼，以及风的类型及其与桥梁的相互作用。
桥梁及其构件(如缆索)的风致振动一般具有很强的非线性。利用全截面模型进行风洞试验是预测结构在风作用下的性能的唯一可靠方法。
涡激振动（VIV）是大跨度桥梁存在的关键问题之一。涡激振动主要发生在桥梁主梁和桥塔上。钢桥面上的振动比较严重，通常影响主梁的竖向或扭转模态。一般情况下，涡激振动有两种对策：1)气动；2)采用振动控制的机械措施。气动措施通过在桥面上设置局部开启的格栅来控制压差。机械措施采用安装在桥塔箱梁上的调谐质量阻尼器对桥塔振动进行机械控制。
以东京湾跨海大桥为例，利用截面模型和三维模型进行了大量的风洞试验，并在桥梁架设过程中，在箱梁内部安装了TMDs，并在桥面增加了导流板。这些措施大大降低了振动响应。图13给出了1991年明石海峡大桥风洞试验的1:100比例缩尺模型(图13)。
图13 明石海峡大桥风洞试验
钢索因柔性大、质量小、机械阻尼小等特点，容易发生振动。风雨激振(RWIV)是斜拉索中最常见的振动问题。它发生在斜拉索上，垂直面上的振动可达到钢索直径的十倍。振动频率不仅包括第一阶模态，还包括更高阶模态。RWIV非常独特，被认为是一种新型的由风雨引起的钢索振动。
在实际工程中，通过采用气动和结构抗振措施解决。气动措施是采用表面螺旋绕线、表面带波纹或表面凸起的钢索(图14)。结构抗振是通过在锚固点附近安装阻尼器来增加钢索阻尼。
图14 钢索振动控制的气动对策
抗震设计 日本属于多地震国家，其公路桥梁(包括钢桥)的抗震设计方法是在总结以往各种经验的基础上发展和改进的。现代大型钢拱桥、悬索桥和斜拉桥均遭受过地震的破坏。日本多采隔震设计概念，主要目的是提高桥梁阻尼和改善地震力的分布（图15）。许多公路桥都建在松软的土地上，地震发生频率高，采用隔震桥的设计方法，可最大限度地降低30%的地震力。隔震设计方法包括隔震结构对竖向压力、侧向位移和扭转位移的安全校核、结构防脱位和伸缩缝的设计。1995年兵库县南部地震以来，日本进行了大规模的地震加固工程。加固的第一步是采用钢护套和钢筋混凝土护套提高柱的抗剪强度和延性。第二步是上层建筑，如安装钢索防止落梁装置、钢板防止落梁装置、更换易损支座、延长盖梁以防止钢梁脱位和加固端隔板。之后，针对多大跨度桥梁进行了抗震加固项目，提出了适用于不同类型桥梁的改造策略。
图15 滑移摩擦隔震系统和防屈曲支撑
检测与维护 近些年，随着钢桥桥龄逐步增大，其维护逐步成为管理的重点。在钢桥防锈蚀方面，已经研发和应用了钢桥涂装、除湿系统等技术（图16a）。随着桥龄、车流量和车辆载重的增长，钢桥的疲劳问题也逐步出现。为了解决该问题，开发了疲劳裂纹检测和维修技术（图16b）。在钢桥检测和维护领域，许多新兴的技术也得到了应用，例如基于无人机的桥梁检测、基于电磁技术的无损检测、混凝土桥面板的雷达探测（图17~19）等。
图16 除湿系统和疲劳裂纹自动检测系统
图17 无人机检测技术
图18 电磁无损检测技术
图19 混凝土桥面板的雷达探测
结束语
Conclusion
从结构分析技术、材料技术、结构设计技术(包括设计准则)、检测与维护技术四个方面，综述了日本钢桥的历史与技术发展。20世纪50年代以来，日本的钢铁生产和焊接技术有了长足的发展，促进了钢材在桥梁建设中的应用。钢桥的发展从60年代后半期扩大到80年代。20世纪60年代，东京奥运会的举办，使得基础设施进入大规模建设时期。因此，与钢桥相关的材料、分析和设计技术得到了迅速的发展。
日本钢桥研发的最初动力是提供可靠的基础设施，以支持经济增长。另一个显著的驱动力是自然灾害造成的基础设施损坏，尤其是地震和台风等自然灾害。自然灾害推动了抗震和抗风工程领域的各项研究工作。
经过数十年的研究和实践，可以认为钢桥的技术和开发已经成熟。但如今仍然存在两个挑战，第一个是开发更有效的结构体系和施工技术以降低成本。第二个是维护现有的钢桥，使其在整个使用寿命中都能有效地发挥作用。
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作者简介
YozoFujino（藤野阳三）
日本城西大学校长，横滨国立大学先端科学高等研究院特聘教授，东京大学名誉教授，日本钢结构学会会长，日本内阁府参事，日本工程院院士。主要从事风工程、桥梁结构健康监测与控制等研究。
藤野阳三教授曾先后获得了美国土木工程协会（ASCE）Robert H. Scanlan奖章、George W. Housner奖章，日本皇家紫纹奖章，日本学士院奖等。
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