钢桥的绿色环保和可持续发展(定型版).doc

钢桥的绿色环保与
可持续发展

学校： 福州大学 f
学院： 土木工程学院 l
组别： 第04组 l
成员：林XXX、杨 XXX、钟XXX
学号：040000000、180000000、110000000

钢桥的绿色环保与可持续发展

（FZU）

摘 要：在社会、经济、政治与生态环境都发生着巨大变化的全球背景之下，建筑模式也随之发生变化，将传统的耗材耗能建筑转向绿色环保型建筑。而这一方向的确立自然而然地引出建筑业可持续发展的观念，是适应时代的发展，是当今社会的需要。本文着重介绍钢桥的绿色环保设计与可持续发展的理念。
关键词：钢桥，绿色环保设计，可持续发展
1．引言
纵观世界，一些发达国家的钢桥技术发展已经到了非常成熟了，然而中国的钢桥却久久不能进步，即使是早期铁路桥上必备的钢桥，大部分也都是外国人设计和建造的。为什么美国多钢桥而中国多混凝土桥？甚至连同在亚洲的日本都十分重视钢桥，并且钢桥的设计成为一种普遍的选择。或许大家都会回答经济基础决定上层建筑，但是我相信以现在中国的经济，以及目前中国的炼钢水平，钢桥的推广在经济上和技术上已经不是问题了。所以我们主要介绍钢桥的绿色环保和可持续发展所具有的意义。

图1 跨时代的金门大桥
2． 钢桥绿色环保设计的时代背景
发展是人类社会永恒的主题。自从20世纪90年代联合国在环保大会上提出“可持续发展”口号后，“可持续发展”战略越来越受到人们的关注，在社会发展中得到了广泛的宣传和应用，在建筑领域也掀起了一股“绿色建筑”热潮。由于传统城市发展模式、传统建筑体系是不可持续的体系，是污染环境、造成生活质量下降的体系，因此，在绿色文化的影响下，思想敏锐的建筑师开始思考，开始探索建筑发展的“绿色”道路。所谓“绿色建筑”就是一种象征着节能、环保、健康、高效的人居环境，以生态学的科学原理指导建筑实践，创造出人工与自然相互协调、良性循环、有机统一的建筑空间环境，它是满足人类生存和发展要求的现代化理想建筑。目前，“绿色建筑”已成为21世纪建筑发展的主流，越来越受到人们重视。
绿色环保设计则是随着人类生存环境的严峻化和环境生态问题层出不穷的情况下引入的理念。在桥梁设计中要把降低能耗、循环利用、保护生态环境同时兼顾桥梁自身的性能、寿命、质量等相关因素作为设计的前提，以实现桥梁的最优化设计和可持续发展的目标。
图2 结构复杂外形独特的钢桥
钢桥有自重轻，跨度大，抗震性好，施工便捷，拆除、改建、扩建、移建方便，可做成结构复杂、美观漂亮的桥型，最重要的还有桥梁的钢材可以回收再利用，更加节能环保的有点。但也有建设成本先对较高，钢桥容易锈蚀，后期的维护管理要求较高的缺点。相比于混凝土桥梁，其虽然有比较好的耐久性，但最大的弊端在于其由于地震等原因破坏后难以修补更换，拆除就意味着整座桥梁的寿命已经终结，不但在经济上会承受巨大的损失，而且搬运以及废弃混凝土的处理也是极其不方便的，甚至给环境带来巨大的负担。这也充分说明，发展绿色环保与可持续发展的钢桥势在必行。
3．绿色环保下的桥梁体系
绿色设计要遵从五项基本原则，即闭环设计原则、资源最佳利用原则、能源消耗最小原则、零污染原则、技术先进原则。闭环设计原则体现的是产品全生命周期并行；资源最佳利用原则是指尽可能选用通过简化产品结构实现可回收再利用性的可再生资源，并在产品的整个生命周期中最大限度的利用选用的资源的设计原则。能源消耗最小原则是指产品整个生命周期循环中实现能耗最少。零污染原则是指设计时消除污染源，从根本上防止污染。技术先进原则是指创造性的应用最先进的技术来获得最佳的生态经济效益。以下介绍了三种桥梁结构设计形式：
①根据绿色设计的原则中闭环设计原则，在对桥梁结构进行设计时，要充分以桥梁在其生命周期内所面临的各种荷载、各种不利的环境因素以及自身承载能力的退化为设计前提，通过全面精准的结构计算来保证桥梁过程使用中的安全性。对于架构在海上的桥梁，要对其承受风荷载、海水及湿热空气能力在设计中予以充分考虑。对于钢结构桥梁要全面考虑防腐措施的设计。
②根据绿色设计原则中能源消耗最小原则和零污染原则，在设计中要准确分析结构受力，并合理的设计桥梁结构尺寸和配筋及结点。充分考虑结构安全的同时，以最小的材料消耗实现最大的效益。通过设计合理的施工方案并活用各种结构体系来提高桥梁质量，减少材料能耗并降低环境污染。
③根据绿色设计的原则中的技术先进原则，在对桥梁结构进行设计时，要结合具体的实际情况，进行技术先进的结构形式设计。总之，运用绿色设计的理论和观念进行桥梁结构设计，要比传统的桥梁设计更具备美观、安全性及经济适用性，对环境的影响也会更小，更有可持续发展的价值。
4．绿色钢桥的可持续发展理念
4.1可持续原则
“To take less timber from the forest than it can reproduce.” 即不能索取任何大于自然再生能力的物质资料。虽然世界上的总量有限，但钢材具有回收利用的技术，在历史的潮流里，其周转在保证一定的量时是可以达到平衡的，也就是说我们不需要一直去索取有限的原材料，对于钢材料也自然不会索取大于自然再生能力。
4.2可持续发展目标
“Economic process that can be maintained long term in line with earth’s carrying capacity” & “Development that means the needs for the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs” 即保持长期协调增长的目标和不至于损害后代发展的目标。目前的中国桥梁建设中，大部分仍使用混凝土桥梁，因为桥梁技术的发展都离不开材料，但就钢桥发展来说，国内桥梁用钢的发展还有待突破。那就是钢梁的材质应具有高强度、高坚韧性、高淬透性、低碳且塑性好并具有高性价比的环保材料的特点，一般称之为高性能钢。如今，我国钢材产量和质量比过去提高很多，但在材料的品种、规格和性能的多用途上与国外还有较大的差距，因而在一定程度上成了影响着桥梁结构的设计和施工工艺的瓶颈。随着对钢结构的深入研究和经济的不断增长，我国也开始建钢材和混凝土混合结构的桥梁。相信在不久的将来，技术难题的攻克，钢桥会在桥梁建设中被普及。所以这是一个长期的课题。
4.3可持续要求
概念设计中的创新、施工过程中的新技术实现、提高结构设计运营中的耐久性。
4.3.1概念设计的创新
概念设计的创新，是整个工程设计阶段的最初级阶段，也是工程设计的核心和灵魂。概念实际离不开对桥梁的自然条件、桥梁的使用功能和周边的景观要求等一系列基础资料的充分研究，概念生成和选择的成果体现了设计者对实际对象的独特理解、对设计任务的具体驾驭和对设计目标的总体把握，概念设计阶段是最需要赋予创新理念的实际过程。但中国对钢桥的概念却很少，自然也就不会修建钢桥，钢桥技术的发展就比较慢。而在美国，自金门大桥起，就十分重视，所以现在拥有成熟的技术，以致钢桥成为众多工程师的普遍概念。所以有概念才会发展。
4.3.2施工过程中的新技术实现
钢桥施工技术的一个重要方面是钢构件的连接技术，从最早采用的铆接到栓接再到焊接。这三种连接方式在钢结构桥梁施工中已经被使用100多年，铆接已经被逐渐淘汰，焊接得到了越来越广泛的应用，栓接特别是高强螺栓连接虽有逐渐减少趋势但无法被取代。目前，主要技术进步是对焊接技术的改进和推广，未来的发展需求体现在一下几个方面：
（1） 不同强度钢材之间的焊接技术，以促进基于不同手里要求的等强度钢板的变厚度布 置向不同强度钢板的等厚度布置，方便不同受力的钢结构手段之间的连接施工。
（2） 不同材质钢材之间的焊接技术，以改变以前只能对同一性质的钢板进行焊接的状况，有利于桥梁用的选择和施工。
（3） 特殊钢材的焊接技术及其低成本化，以推动耐候钢产品在钢结构桥梁中的推广应用不仅使得钢桥具有更好的耐腐蚀能力，而且也适应了低碳化的可特续发展要求。
（4） 水下接技术和焊接质量的不断提高，以适应未来跨海大桥的深水基础施工。
图3 钢桥的安全施工
钢结构在施工过程的健康检测技术也十分重要。钢结构施工过程健康监测是一个涉及变形、应力、振动、施工环境等多方面因素实时监测、分析、判断的过程。其中每个因素都有很多种手段方法来进行监测跟踪，应该根据不同过程的结构特点、施工方法以及现场环境特点来选用合适的监测方法，扬长避短，力求在满足测试精度、测试频率等要求下，准确、经济、安全地完成施工过程的安全监测工作。传统意义上的有线监测有段在测点布置、能源供应、排错检修、劳动强度等方面都有很大的局限性。所以需要发展无线传感技术的远程振弦式应变监测系统为钢结构健康监测在布线安装难、工作量大、更换维护、能源限制、现场监测工作量大等困难提供了解决方法。钢结构施工过程的安全预警，国内外还没有人详细系统的研究，如果可以施工过程的预警按照不同方法进行分类，并且按照“明确警情、寻找警源、分析警兆和预报警级”对施工过程预警体系进行分析，并且提出了施工过程预警的综合预警法，在施工中保证安全。
技术的发展为钢桥提供可靠的安全度，使其适应各种环境并得到广泛的应用，同时钢结构施工安全的发展，确保了钢桥建设的确实可行，可加速钢桥的发展。
4.3.3提高结构设计运营中的耐久性
提高结构耐久性。桥梁结构的耐久性是桥梁设计中的重要考虑环节，它决定着桥梁结构的使用寿命。使用寿命过短会造成资源的极大浪费，加大初期投资的成本和后期养护及维修费用成本，降低效益，违背了绿色设计的基本原则。要实现这个目标就需要在桥梁的设计阶段对桥梁结构的可检性、可修性、可换性、可强性、可控性及可持续性等因素进行充分的分析研究，要对传统的设计理念提出挑战，如果桥梁建成后其各个部件无法顺利实现检查、更换、及时修复，且不能得到有效控制、加强和可持续发展，就会导致桥梁结构在内、外因复合作用下，逃不出破损，倒塌的命运。在设计中，设计师要充分考虑这些自身寿命期低于结构设计寿命期的部件，要实现对桥梁结构设计的变形在构造上达到“可控”的目的，同时在构造上保证其建成后可查、可修、可换、可加强，只有这样才能在日后的运营阶段对桥梁进行有效的维修、加固，达到保证桥梁结构耐久性的目的。
我国现有的规范规定，桥梁结构的耐久性或使用寿命为100年，但实际上桥梁结构在规定使用期内就不得不重建，部分桥梁甚至在预期的一半寿命内就需要拆除重建。正交异性钢桥面的疲劳裂缝大会报告是桥梁耐久性研究中最常见也是最需要解决的问题。
由于与厚重的混凝土主梁或桥面板相比，正交异性钢桥面板是一种轻质结构系统，因此在我国大跨度悬索桥和斜拉桥中，正交异性钢桥面使用比较普遍，也出现了一些疲劳裂缝问题，1997年建成的虎门大桥，其正交异性钢桥面在通车后不久就发现了桥面沥青铺装问题，到了2007年更是暴露出面板和纵肋焊接处的裂缝问题，严重影响了正常的桥梁通行，也在中国桥梁界引起了极大的关注。该桥桥面是一个典型的正交异性钢桥面，钢箱梁总宽度为35.6m，中间梁高3.0m，作为箱梁顶板的正交异性钢面板厚度为12mm，并采用间距为620mm、厚度为8mm的U形肋进行加劲。目前，在正交各向异性钢桥面内发现了大量的疲劳裂纹，这些裂缝可以分成图4所示的从A到E的5种类型。其中，A型裂纹出在顶板上，沿着顶板与纵向U形肋的焊缝；B型裂纹出现在U形肋的腹板上，沿着顶板与纵向U形肋的连接线，大部分出现在U形肋的弯折处；C型裂纹出现在U形肋节段之间的接缝处；D型裂纹产生于U形肋的腹板上，位于与横膈连接的焊脚处；E型裂纹产生于横膈板上，位于与U形肋相连的焊脚处，这种裂缝隔板孔开始沿着横膈板水平或斜向发展，或者沿焊缝发展。
初步分析发现，正交异性钢桥面板疲劳裂缝的主要原因是频繁的超载，包括车辆密度和车轴重量两个方面。为此，首先进行了交通量统计分析，日交通量从1997年的14928增加到2008年的62439，增长系数为4.2。即在过去的11年里，6车道桥面己经经受了1.55亿车次的作用，平均每个车道承受了2.58千万车次的作用，远远超过了疲劳强度。然后又对车辆轴重进行了统计分析，显小出有三个轴重峰值，分别为50kN、150kN和400kN，而桥梁的设计轴重是200kN，几乎一半以上的车辆轴重超过设计轴重。最后的现场调查和试验研究发现，这裂缝主要发生在重型货车行驶的两个边车道上，由于卡车超载严重、通行密度又高，而面板较薄、沥青铺装破坏后造成路面不平整，加大了冲击作用，正是由于这综合因素导致了正交异性钢桥面在通车不到12年的时间里就因为反反复复的超载而产生严重的疲劳裂缝。
邓文中先生曾经建议：如果货车的超载问题难以控制，中国的桥梁设计规范应当正视这一现实，在保证桥面铺装耐久性的前提下，应将两侧重车车道的钢面板厚度进一步加大到16mm。他还提出过一个的构思：采用热轧大型纵肋，并将肋距增大到800mm，桥面板厚度不小于18mm，而纵肋的跨度可增加到8～10m，此时可取消横肋而仅保留少量横隔板。超载引起的正交异性钢桥的疲劳裂缝问题是中国社会发展中出现的特殊问题，在世界范围内并不具有普遍性。正因为如此，我们中国的桥梁界更需要结合国情自主创新设计，以期在不久的将来成功解决中国式正交异性钢桥面板的耐久性问题。
5．钢结构和混凝土结构的对比
对于一件事物的评价都是需要通过对比的，有对比才能体现钢结构的优越性和在未来发展的必然性。经过大家多年各方面的研究，我们也从经济性、绿色发展等方面罗列了钢结构与混凝土的客观对比。
5.1建筑钢结构与混凝土结构的技术经济比较
我国的基本路线是以经济建设为中心，经济是一个国家能否发展的根本。不管什么，经济都是主导着能否发展的根本，所以对建筑的经济探索决定着我们适合用什么样的材料、什么样的结构。所以对钢结构的经济调查至关重要。
5.1.1抗震设防对钢结构和混凝土结构的经济比较
近年来，随着国内对地震的不断重视，土木行业对建筑的抗震要求有着越来越严格的要求。土木工程师也力求能够建造出能够让人们住得安心的建筑，所以不管是混凝土结构还是钢结构的建筑，在地震烈度比较大的地区都要进行抗震设防。以下是对抗震建筑采用不同材料的经济评估。
（1） 在六度区，钢结构比混凝土结构的用钢量要多，主要体现在标准层大约增加造价30%左右。而在地下部分，钢结构的造价要略低一些。钢结构优势最明显的地方主要体现在基础上，基础造价可比混凝土结构节省30%左右。因此结构总造价钢结构的比混凝土结构高 20%左右。考虑上工期提前完成以及有效面积增加的因素，从综合经济分析上看，钢结构比混凝土结构多了10%的经济效益。
（2） 在七度区，钢结构比混凝土的地上标准层造价高 14%左右，地下部分，钢结构的造价要比混凝土的低 14%左右，基础部分又节省了 33%，所以结构造价上，钢结构比混凝土结构仅高了 8%左右。考虑工期和总投资以及有效使用面积增加的影响，则钢结构比混凝土节省 20%，综合效益上占有优势。
（3） 随着地震设防烈度的增加，地质条件的变化，和工程投资的增加，钢结构的优势会逐步凸显出来，在工程总造价上接近混凝土结构。
（4） 整体成本分析的结果显示：建筑钢结构的经济效益很大一部分来自结构施工工期的优势，而且结构的层数越高，这方面的优势会越明显。这点也表明钢结构综合经济效益的取得，需要高水平的施工管理和有效的施工组织。而混凝土结构的工程造价低，但是工期长，时间成本高，所以综合经济效益就会显得较低。因此在评估高层建筑结构材料的时候，应该充分考虑到施工工期优势，以争取节约更多的成本。
5.1.2钢结构与混凝土空间上的经济比较
中国是人口稠密的国家，大城市的土地寸土寸金，所以空间对大城市的人来说，合理的使用会创造出更多的价值。以下对钢结构建筑和混凝土建筑的比较来研究这两种材料的空间价值。
（1） 钢框架混凝土核心筒结构，可以通过钢管混凝土柱和钢-混凝土组合梁，充分发挥钢与混凝土的组合优势，结构的内力和变形均能满足使用要求，在满足极限承载力和使用极限承载力的前提下，得到更经济的截面尺寸，增加了高度和面积，更加的有利于建筑的功能使用。
（2） 钢框架混凝土核心筒结构的高层建筑比混凝土框架核心筒结构质量轻，使得地震力及倾覆弯矩的数值均偏小，由于框筒结构主要的抗侧构件为核心筒，故钢框架核心筒结构体系可以节省核心筒的墙体厚度，从而使整个结构显得更简洁轻巧。
（3） 在高地震烈度区，钢结构的优势会更加表现出来。钢结构的延性和良好的变形能力，使得节省截面尺寸的优势也越来越大。而地震烈度的增大，混凝土结构却越显的笨重，截面也相应的增加了 8%，对建筑的使用功能有很多的影响，同时随着抗震等级的提高，核心筒的配筋率也增大了很多。
（4） 钢框架混凝土核心筒结构，质量轻，约为混凝土框架核心筒结构的 3/5，因此可以大大的节省基础造价。
（5） 由于混凝土结构的柱截面较大，而层高为 3.4 米，所以形成了短柱，不但增大的柱箍筋，还减小了结构整体的延性，对整体结构的极为不利的，所以钢结构-混凝土核心筒是比较适合的结构方案。

图5 钢桥的视野
虽然桥梁的经济优势没有高层建筑那么明显，而且相同量的钢结构比混凝土材料昂贵许多，但是有着强度高，用量少的优势，在城市甚至可以用以立交桥的建设使得整体看起来更加美观、空旷。城市越发展，土地的利用率就必须提高，一座城市发展的评判标准，也取决于现代建筑给这座城市产生的美感，而钢桥恰恰可以设计出各种形状，而且更能利用空间价值，所以我坚信钢桥在城市发展中是一种必然的趋势。
5.2钢桥与钢筋混凝土桥梁的能耗与排放比较
钢桥具有可检性、可修性、可换性、可强性、可控性及可持续性等，而且对比混凝土桥梁，这些操作还是十分便捷的。对于钢筋混凝土桥而言，就目前的技术水平，一旦毁坏就比较难处理，便成为建筑垃圾；而型钢的处理方式就相对简单。据葛耀君教授的研究，在同一个处理水平上，各种材料回收后的资源消耗为水泥1.6单位/吨、型钢0.18单位/吨、钢筋0.9单位/吨。假设不计循环回收利用，钢桥的资源消耗是混凝土桥的50%，如果考虑回收利用，则钢桥仅为混凝土桥的5%。能源消耗是指建筑物全寿命周期的总耗能，其包括建材生产阶段、施工阶段、使用阶段、拆除阶段、废建材处理阶段的总能耗。由于混凝土比较难处理，大部分仅采用打碎埋置处理，与重新熔炼的钢材比起来是少耗了好多能量，但是重新熔炼的能量可以归入下以项目的生产阶段，所以对于钢材比混凝土理论能量不会高出多少。最后建设排放方面，主要是二氧化碳排放和废弃物。虽然钢结构比混凝土结构建设过程二氧化碳排放高，但在完成使命后整个混凝土桥会变成垃圾、而钢桥则大部分可以回收利用。
而且对钢桥易锈蚀的缺点，我国也已经有了比较深入的研究。有化学腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳以及缝隙腐蚀等。而且也总结了防腐涂装的常用方法：重防腐油漆涂装防腐、热浸镀锌防腐、热喷涂防腐（火焰喷涂、电弧喷涂）等。
绿色是可持续发展的重要载体，发展绿色建筑首次纳入国家规划。绿色设计是随着人类生存环境的严峻化和环境生态问题层出不穷的情况下引入的理念。在桥梁设计中要把降低能现桥梁的最优化设计和可持续发展的目标。 所以不管从资源损耗、能源损耗、建设排放三方面进行评价，钢桥的可持续发展更具优势。
结合钢结构的技术经济优势，对钢结构进行了综合的评价，因此钢结构的发展具有很大的潜力和前景，且是符合我国建筑行业的整体形势的。
6． 推进我国钢桥绿色环保可持续发展主要措施
（1）加强宣传教育工作，提高人们的绿色钢桥意识，加大绿色环保宣传力度充分利用当今互联网时代，采用各种形式，加强绿色钢桥的宣传、知识普及，让人们认识到绿色钢桥的可行性与必要性。高等院校要进一步完善绿色环保建筑相关学科建设，培养适应绿色建筑发展需要的各类专业型人才与复合型人才。
（2）完善相关法规建设，加快绿色建筑发展，抓紧研究绿色建筑开发、建设、运营、管理、税收、市场准入、信息资源管理等方面的法律法规，为绿色钢桥的健康发展营造良好的环境。
（3）制定绿色建筑技术与产品的评估标准，通过实施绿色建筑材料，产品认证和绿色建筑技术评估、标识制度，规范、监督管理等，切实促进绿色建筑材料的发展。
（4）制定一系列推广绿色可持续发展钢桥的政策，例如可以采取经济性奖励政策，通过市场来影响政策对象，手段灵活，加强绿色可持续发展钢桥的推广。
（5）结合我国实际，制定和完善财政、税收、价格等方面的政策，围绕建设绿色建筑创新奖评选工作，结合当地情况，合理开展绿色可持续发展钢桥试点示范工程，以点带面，总结经验，不断推广。
7. 结语
随着城市的不断发展，私家车的拥有量不断攀升对城市交通的压力越来越大，且已经开始制约我国的经济发展。建立现代化的交通体系，改善交通状况已经势在必行。面对拥挤的都市、复杂的道路，混凝土桥梁弊端已经显露无遗，渐渐无法满足现代城市的需求，而跨距长、外形美观、施工快捷、环保节能、便于改建的钢桥是我们城市化的必然选择。与自然和谐共存的的绿色环保型建筑也必将成为人类追求的理想居住模式。

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