消息來源：鋼結構
來源：Yozo Fujino and Dionysius Siringoringo. Historical and Technological Developments of Steel Bridges in Japan – A Review[J]. 鋼結構(中英文), 2020, 35(1): 34-58. DOI: 10.13206/j.gjgSE19112604
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背 景
Introdution
日本是一個群島國家，海峽和內海阻礙了群島之間的交通。由於特殊的地理環境，促使橋樑工程在日本得到了大力發展。截至2008年4月，日本公路橋的總長度約為9500公里。鋼橋約佔公路橋總數的38.3%，如圖1所示。與其他國家相比，鋼結構在日本很受歡迎，原因在於鋼結構具有良好的抗震性能、成熟的施工和製造技術、成本競爭力以及在跨越能力方面的優勢。
在基礎設施生命週期的每個階段，橋樑結構都必須應對必要的技術挑戰。縱觀歷史發現鋼結構橋樑包含四項基本的技術方面：結構分析；材料；結構設計(包括設計標準和施工方法)；檢測與維護。作者根據上述四項基本技術的發展，回顧了日本鋼橋的發展歷程。
圖1 日本橋樑的分類及數量
鋼橋的歷史發展
History of steel bridges
日本鋼橋的建造歷史可以追溯到1868年。明治時期(1868-1912)建造了第一座黑鐵橋和第一座桁架橋。1915年第一座鋼吊橋(長116m，寬3.1m)竣工(圖2)。該橋為簡跨懸索橋，主樑為加勁梁，主塔為混凝土結構。這座橋在2003年被指定為日本重要的文化遺產。
早期建造橋樑沒有統一的設計標準，第一部鋼橋設計標準於1939年起草。該標準規定，日本的公路橋分為國道橋樑和縣道橋樑兩級，標準車輛荷載分別為13噸和9噸。
圖2 日本第一座鋼吊橋—Mino橋
20世紀50年代 鋼鐵生產和焊接技術的發展取得了顯著進步，設計和施工規範也定期更新以適應新技術的發展。日本第一座全焊接鋼樑橋—Honkyu大橋於1952年建造[3]。此後，焊接成為建造鋼橋的主要連接技術。與此同時，高強鋼的使用量顯著增加，第一座重1000噸的490N/mm2級全焊接高強度鋼橋建成。這標誌著全焊接高強度鋼橋的普遍使用。此外，制定了鋼公路橋樑設計規範，將一級橋樑設計車輛荷載量級提高到20噸。為了支持橋樑設計，出版了《鋼橋設計規範》(1956年)、《電焊鋼鐵路橋設計規範》(1956年)、《焊接公路橋設計規範》(1957年)、《公路組合梁橋設計與施工規範》(1959年)等重要設計規範。適用於全焊接鋼結構的設計規範已定期更新。
20世紀60年代 日本進入了基礎設施的大規模建設時期，主要是因為1964年舉辦東京奧運會。在此期間，現代大跨度橋樑的開始發展，先後建造了第一座斜拉橋—Katsuse大橋(建於1959年，全長128m，橋寬4m，見圖3)，第一座現代懸索橋—Wakato Ohashi大橋(建於1962年，全長545m，中跨367m，橋面寬15m，見圖4)，並開始進行本州四國聯絡橋的技術研究。此外，開始建設東海道新幹線、首都高速公路、名神高速公路和東名高速公路等交通基礎設施。鋼橋結構相關的材料、分析、設計和施工技術得到了迅速發展和進步。
圖3 日本第一座斜拉橋—Katsuse大橋
圖4 日本第一座現代懸索橋—Wakato Ohashi大橋
20世紀70年代 大跨度橋樑施工技術的研究與開發工作取得了顯著進展。研究成果成功應用於以下大跨度橋樑中：桁架橋(Minato Ohashi橋，1974，見圖5；Ohshima Ohashi橋，1976)、拱橋(Saigou Ohashi橋，1977)、懸索橋(Kanmon橋，1973)。1972年制定了公路橋樑的統一設計規範，它是日本最早的公路橋樑規範，最初由兩部分組成:通用設計原則和鋼橋。之後又添加了混凝土橋樑、下部結構和抗震設計，共計五部分內容。這種系統集成的統一設計規範格式是橋樑設計規範的一個重要發展，至今仍在使用。
圖5 日本最大桁架橋—Minato Ohashi橋
20世紀80年代 研究和發展主要集中在大跨度和近海橋樑的施工技術上[5]。Akashi Kaikyo大橋項目解決了世界上最大跨徑懸索橋施工技術問題。通過此項目獲得了許多關於抗風設計、抗震設計、疲勞設計等的重要成果，確保了大跨度懸索橋的設計和施工安全。這一時期，在材料方面，800MPa級高強鋼的成功生產大大減輕了結構構件的重量。在結構形式上，研發了一些新型的小型梁橋和大跨度橋面板。在施工技術上，採用了全斷面現場焊接等新施工技術，這些技術現在在橋樑工程中仍很流行。
20世紀90年代 利用世界最新技術建造的大跨度橋樑在這十年達到了頂峰。本州與四國之間主要的大跨徑懸索橋：Akashi-Kaikyo大橋、Kurushima-Kaikyo大橋，以及主要的斜拉橋：Ikuchi大橋、Higashi-Kobe 大橋, Tsurumi Tsubasa大橋和Meiko-Chuo大橋相繼建成。Akashi-Kaikyo大橋全長3911m，中跨長1991m，寬30m，1998年建成，是全球最大跨徑懸索橋(圖7)，總用鋼量20萬噸。Tatara大橋全長1480m，主度890m，寬30.6 m，1999年建成，用鋼量3.73萬噸，是全球最大跨徑斜拉橋(圖8)。
圖6 近年來日本大跨度橋樑的發展
圖7 Akashi-Kaikyo大橋
圖8 Tatara大橋
除此之外，建成了世界上第一座採用對角吊索的單主纜自錨式新型懸索橋—大阪Konohana大橋（圖9）。隨著廣島Ujina大橋的建成，鋼拱橋在這十年中也取得了較大發展(圖10)，該橋為單絃拱杆鋼橋面板的三跨連續箱梁，是日本鋼拱橋中跨度最大的鋼樑[14]。
圖9 對角吊索的單主纜自錨式新型懸索橋
圖10 廣島Ujina大橋
Sky Gate大橋是世界上最長的鋼桁架橋（全長375m，寬30m，1992年建成）(圖11)。該橋由三跨連續鋼桁架、三跨連續鋼箱梁、兩跨連續鋼箱梁和簡支鋼箱梁組成，雙層結構，上層為六車道高速公路，下層為雙軌鐵路。除了交通，這座橋還承載著電力、天然氣、供水服務、電話和所有其他公共設施。
圖11 世界上最長鋼桁架橋—Sky Gate大橋
2000年以後，鋼橋的發展主要集中於降低建設成本、改善全壽命週期的設計、施工和維護等方面。此時，鋼-混凝土組合結構開始推廣，並先後建造了近10座大橋，其中，建造了世界上第一座無上部橫向支撐的雙層尼爾森式拱橋[16]和世界上第一座浮體式平旋開合橋(總長940m，浮段長410m，上部結構為雙拱肋鋼拱，兩個浮橋可以橫向移動，允許大型船隻通過，見圖12）[17]。此外，BHS（橋樑高性能鋼）在日本得到首次應用，與先進的施工技術相結合，在降低施工成本的同時提高了施工的可操作性。
圖12 世界第一座浮體式平旋開合橋—Yumemai-Ohashi 大橋
鋼橋的技術發展
History of steel bridges
日本鋼橋研發的最初驅動力是在廣闊而複雜的的地形條件下提供可靠的基礎設施，以支持經濟增長。在材料方面，鋼橋的建設需求促進了高性能鋼、高強鋼絲和高強螺栓的發展。另一個值得注意的驅動力是地震和颱風等災難造成的基礎設施損失。抗震和抗風工程領域的需求推動了高質量鋼材的生產以及鋼橋安全性和可維修性的研究。大跨徑鋼橋的橋塔、主樑和索等對風敏感，因此研發了相關的風洞試驗和分析技術。自1995年兵庫縣南部地震以來，鋼橋的抗震、隔震以及抗震加固等技術一直穩步發展。在研究和開發之後，更新了設計指南，從而推進鋼橋設計和建造的標準化。
材料 鋼板、H型鋼、鋼管、高強度鋼絲和棒材等，在橋樑中均被使用。日本焊接工程學會(WES)於1964年完成了焊接結構用高屈服強度鋼的標準。1966年和1967年，分別完成了600MPa HSS （high-speed steel）(SM58)和耐候高強度鋼(SMA50、SMA58)的規範。20世紀80年代開始發展超高純度光纖，1983年JIS將800MPa級HSS定為更高等級。
除了以上鋼材，高性能鋼(HPS)已經被開發用於特殊用途的橋樑，稱為BHS(橋樑高性能鋼)[20]。BHS是指斷裂韌性增強、焊接性改善、加工效率和成形性提高、耐候性良好、屈服強度和抗拉強度突出的鋼材料。它的發展是為了設計經濟和高度耐用的橋樑，並有效地製造鋼構件。表1列出了日本常用的常規和高性能鋼的性能鋼材。
表1 日本常用的常規和高性能鋼的性能鋼材
抗拉強度1800MPa的高強鋼絲使用極大地降低了施工成本和自重。高抗拉強度螺栓發展，使大型鋼橋的施工成為可能。1958年，日本首次用高抗拉強度螺栓代替鉚釘。目前已研製出抗拉強度達1400Mpa的超高壓螺栓[22]。
抗風設計 風振是柔性鋼橋和大跨度纜索承重鋼橋面臨的一個關鍵問題。橋樑上的風力由時均分量和脈動分量組成。橋樑的振動類型和水平取決於橋樑的結構特性，如質量、剛度和阻尼，以及風的類型及其與橋樑的相互作用。
橋樑及其構件(如纜索)的風致振動一般具有很強的非線性。利用全截面模型進行風洞試驗是預測結構在風作用下的性能的唯一可靠方法。
渦激振動（VIV）是大跨度橋樑存在的關鍵問題之一。渦激振動主要發生在橋樑主樑和橋塔上。鋼橋面上的振動比較嚴重，通常影響主樑的豎向或扭轉模態。一般情況下，渦激振動有兩種對策：1)氣動；2)採用振動控制的機械措施。氣動措施通過在橋面上設置局部開啟的格柵來控制壓差。機械措施採用安裝在橋塔箱梁上的調諧質量阻尼器對橋塔振動進行機械控制。
以東京灣跨海大橋為例，利用截面模型和三維模型進行了大量的風洞試驗，並在橋樑架設過程中，在箱梁內部安裝了TMDs，並在橋面增加了導流板。這些措施大大降低了振動響應。圖13給出了1991年明石海峽大橋風洞試驗的1:100比例縮尺模型(圖13)。
圖13 明石海峽大橋風洞試驗
鋼索因柔性大、質量小、機械阻尼小等特點，容易發生振動。風雨激振(RWIV)是斜拉索中最常見的振動問題。它發生在斜拉索上，垂直面上的振動可達到鋼索直徑的十倍。振動頻率不僅包括第一階模態，還包括更高階模態。RWIV非常獨特，被認為是一種新型的由風雨引起的鋼索振動。
在實際工程中，通過採用氣動和結構抗振措施解決。氣動措施是採用表面螺旋繞線、表面帶波紋或表面凸起的鋼索(圖14)。結構抗振是通過在錨固點附近安裝阻尼器來增加鋼索阻尼。
圖14 鋼索振動控制的氣動對策
抗震設計 日本屬於多地震國家，其公路橋樑(包括鋼橋)的抗震設計方法是在總結以往各種經驗的基礎上發展和改進的。現代大型鋼拱橋、懸索橋和斜拉橋均遭受過地震的破壞。日本多采隔震設計概念，主要目的是提高橋樑阻尼和改善地震力的分佈（圖15）。許多公路橋都建在鬆軟的土地上，地震發生頻率高，採用隔震橋的設計方法，可最大限度地降低30%的地震力。隔震設計方法包括隔震結構對豎向壓力、側向位移和扭轉位移的安全校核、結構防脫位和伸縮縫的設計。1995年兵庫縣南部地震以來，日本進行了大規模的地震加固工程。加固的第一步是採用鋼護套和鋼筋混凝土護套提高柱的抗剪強度和延性。第二步是上層建築，如安裝鋼索防止落梁裝置、鋼板防止落梁裝置、更換易損支座、延長蓋梁以防止鋼樑脫位和加固端隔板。之後，針對多大跨度橋樑進行了抗震加固項目，提出了適用於不同類型橋樑的改造策略。
圖15 滑移摩擦隔震系統和防屈曲支撐
檢測與維護 近些年，隨著鋼橋橋齡逐步增大，其維護逐步成為管理的重點。在鋼橋防鏽蝕方面，已經研發和應用了鋼橋塗裝、除溼系統等技術（圖16a）。隨著橋齡、車流量和車輛載重的增長，鋼橋的疲勞問題也逐步出現。為了解決該問題，開發了疲勞裂紋檢測和維修技術（圖16b）。在鋼橋檢測和維護領域，許多新興的技術也得到了應用，例如基於無人機的橋樑檢測、基於電磁技術的無損檢測、混凝土橋面板的雷達探測（圖17~19）等。
圖16 除溼系統和疲勞裂紋自動檢測系統
圖17 無人機檢測技術
圖18 電磁無損檢測技術
圖19 混凝土橋面板的雷達探測
結束語
Conclusion
從結構分析技術、材料技術、結構設計技術(包括設計準則)、檢測與維護技術四個方面，綜述了日本鋼橋的歷史與技術發展。20世紀50年代以來，日本的鋼鐵生產和焊接技術有了長足的發展，促進了鋼材在橋樑建設中的應用。鋼橋的發展從60年代後半期擴大到80年代。20世紀60年代，東京奧運會的舉辦，使得基礎設施進入大規模建設時期。因此，與鋼橋相關的材料、分析和設計技術得到了迅速的發展。
日本鋼橋研發的最初動力是提供可靠的基礎設施，以支持經濟增長。另一個顯著的驅動力是自然災害造成的基礎設施損壞，尤其是地震和颱風等自然災害。自然災害推動了抗震和抗風工程領域的各項研究工作。
經過數十年的研究和實踐，可以認為鋼橋的技術和開發已經成熟。但如今仍然存在兩個挑戰，第一個是開發更有效的結構體系和施工技術以降低成本。第二個是維護現有的鋼橋，使其在整個使用壽命中都能有效地發揮作用 。
全文獲取鏈接
1. https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG
2. http://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/Detail?pykm=GJIG&dbcode=STMJ
3. http://gjg.ic-mag.com/CN/volumn/home.shtml
作者簡介
YozoFujino（藤野陽三）
日本城西大學校長，橫濱國立大學先端科學高等研究院特聘教授，東京大學名譽教授，日本鋼結構學會會長，日本內閣府參事，日本工程院院士。主要從事風工程、橋樑結構健康監測與控制等研究。
藤野陽三教授曾先後獲得了美國土木工程協會（ASCE）Robert H. Scanlan獎章、George W. Housner獎章，日本皇家紫紋獎章，日本學士院獎等。
關於期刊
中冶建築研究總院有限公司和中國鋼結構協會聯合主辦、《工業建築》雜誌社有限公司編輯出版的中文科技期刊《鋼結構》（Steel Construction），於1986年創刊，2019年為促進國際學術交流，併兼顧對內傳播，滿足國內外讀者需要，經國家新聞出版署批准，期刊文種變更為中英文雙語出版，同時更名為《鋼結構（中英文）》（Steel Construction）/ISSN 2096-6865/CN 10-1609/TF，自2020年1月全面改版發行。
期刊報道方向包括：高性能鋼材，空間鋼結構，高層鋼結構，預應力鋼結構，鋼-混凝土組合結構，輕型鋼結構，住宅鋼結構，橋樑鋼結構，特種鋼結構及裝配式鋼結構建築等。今後將持續關注國際學術熱點，深入思考未來發展方向，報導具有高學術水平和應用價值的科研成果。
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