用新材料打开设计新思维——浅谈新尚普兰大桥的耐久性设计

随着中国桥梁大建设时期的逐渐过去，工程师们从一开始只注重桥梁实用性、安全性、经济性和美观性，开始逐渐将更多的关注点放在桥梁结构耐久性、可持续性和“减碳”理念中去。同时，越来越多的桥梁工程师开始将这些理念带到了实际的工程应用中，接下来我们以塞缪尔·德·尚普兰大桥（以下简称新尚普兰大桥）为例，介绍一下这座桥梁是如何在钢筋方面实现其耐久性设计的。

新尚普兰大桥全长3.4公里（图1），位于加拿大魁北克省蒙特利尔市，横跨圣劳伦斯河，连接凡尔登和布罗萨德地区，是中心城区重要的交通枢纽。同时也是加拿大最繁忙的一座桥梁，每年大约有5000万辆汽车在此穿过，为两岸带来超过200亿美元的贸易额。新尚普兰大桥设计使用寿命125年，采用独塔斜拉桥结构，总耗资42.39亿加元。大桥总宽度60.2米，包括6条车道、两条大巴超宽路肩车道、一个公共交通使用的中央通道（为未来轻轨REM预留）和一条宽3.5米的自行车道和行人道（图2），形成了三幅独立平行桥面。大桥于2015年6月动工建设，历时4年，2019年7月1日正式通车。

图1 新尚普兰大桥夜景

图2 新尚普兰大桥横截面

新尚普兰大桥由独立的三部分组成：西引桥、主桥斜拉桥、东引桥组成。西引桥长2044米，标准跨径80.4米，斜拉桥全长529米，主跨240米；东引桥长762米，最大跨径109米。大桥设计独特，桥塔高160米，由双柱组成，外形像音叉，下塔柱与引桥桥墩一致内倾斜；全桥所有墩帽外形呈W形，既符合结构力学要求，又具有独特的美学（图2）。大桥采用钢混组合结构。桥墩和桥塔采用现浇和预制混凝土拼装相结合的施工方法，主桥采用钢箱梁，所有桥墩墩帽采用预制钢结构，为了能够在工期内完工，全桥整体采用桥梁快速施工技术（Accelerated Bridge Construction）。

图3 老尚普兰大桥

老尚普兰大桥是一座钢桁架悬臂桥，1962年建成通车，服役近58年，设计时因为缺乏对耐久性的认识，未考虑除冰盐的侵蚀；构造细节未能从耐久性角度进行设计，如桥面排水系统等、引桥混凝土预应力钢桁梁，虽然在上世纪90年代进行了更新修复，但除冰盐已经侵蚀到预应力管道，另外老桥的维护费用也极其高昂。2010年经过一系列关键工程研究之后，政府决定新建一座桥梁完全取代这座老桥。

通常情况下，传统桥梁的设计使用寿命都在50-80年，随着全寿命周期和碳中和理念的深入人心，以及新技术、新装备、新材料的不断应用，根据最新的国际、国内设计规范要求，重大桥梁的设计使用年限均要超过100年，新尚普兰大桥125年的服役年限要求，给桥梁耐久性设计提出了新的挑战。

蒙特利尔是加拿大重要的港口城市，天气多变，气候湿润，降雨丰富。冬季气温经常低至-25℃，季节气温变化高达60℃，产生极端的冻融循环现象，冬季为了开放桥梁，桥梁养护部门需要在道路播撒除冰盐。极端冻融循环和除冰盐的使用对桥梁构件和桥梁安全破坏性很大，尤其对于混凝土中的钢筋。

整座大桥从开始动工到建成通车仅有48个月。另外，圣劳伦斯河水流量大，上下游需要通航，河上不允许搭建临时钢结构施工，冬季有4个月结冰期，影响混凝土浇筑和凝固，这也意味着更短的施工周期和复杂的施工环境。

大桥在设计之初就考虑了全寿命周期成本，因此在设计之初就把不锈钢钢筋写进了设计中。据新尚普兰大桥通道的总工程师盖伊·梅奥特（Guy Mailhot）说：“总的来说，耐久性要从三个方面考虑：设计、施工、运营和养护……新尚普兰大桥是北美地区不锈钢钢筋用量最大的桥梁，为了不冒任何风险并保证桥梁安全，我们在设计中规定了使用不锈钢钢筋。”从全寿命周期成本上来看，使用不锈钢钢筋不仅满足了耐久性需要，也减少了更多的长期养护成本。如果按照旧桥的服役年限，这相当于重新又修建了一座同等规模的桥梁。老尚普兰大桥在服役期间经过多次重大修复，最近的一次修复就花费了近5000万加元，完全修复需要花费20-30亿加元，而新桥建成后30年间的养护成本仅需7.5亿加元，且已经包含在总预算中。

新尚普兰大桥的建设不仅考虑了经济性、美观性、功能性、耐久性，同时还考虑了环境保护问题。因此桥梁采用部分预制拼装、驳船吊装等对当地生态影响最小的形式进行现场施工（图4）。

图4 新尚普兰大桥施工现场

由于大桥的重要地位，且设计使用寿命长达125年，业主和科研团队在设计与选材时进行了大量研究，所有核心构件必须符合耐久性和成本/效益要求。在桥梁的整个寿命周期内，避免进行修复和中断交通。大桥建设中最重要的基础材料之一是钢筋。根据交通专管部门评估，最终决定了钢筋材料只能使用不锈钢。原本业主指定了三种可能的不锈钢钢筋牌号-2304型（UNS S32304）、2101型（S32101）和304型（S30400）。但是经过对耐蚀性能和成本核算，最终选择了2304型双相不锈钢钢筋。全桥共使用双相不锈钢钢筋17000吨，应用部位包括受除冰盐影响严重的整个预制和现浇混凝土桥面铺装层（图5），以及引桥、伸缩缝周围和冻融影响严重的桥墩位置，这也使新尚普兰大桥成为北美地区使用不锈钢钢筋最多的桥梁。

图5 全桥440个预制混凝土桥面板均采用2304双相不锈钢钢筋

1. 良好的耐蚀性能

由于蒙特利尔地区冬季桥梁需要使用除冰盐且冬夏温差较大，存在冻融现象，建设新桥所使用的钢筋需要比普通钢筋拥有更好的耐蚀性能。和普通碳钢钢筋相比，2304双相不锈钢钢筋具有较好的耐蚀性能。一般评价一种钢筋材料的耐蚀性能可用PREN值来表示，PREN中文是点蚀当量值又称为耐点蚀当量（Pitting Resistance Equivalent Number，简称PREN），是一种以金属中某些元素的质量分数为基础计算的一套算法，数值常被用于耐点腐蚀比较的评定方法。通常情况下，这个公式可表示为PREN =Cr %+ 3.3 *Mo% + 16 *N%。2304不锈钢钢筋的耐点蚀当量为27左右，而普通碳钢则为5左右（图6）。另外还有一套评价体系-“耐氯离子浓度”，根据港珠澳大桥钢筋耐蚀性能研究试验显示（图7），2304不锈钢钢筋发生点蚀的临界氯离子浓度在3.9-3.95mol/L之间，普通碳钢钢筋的临界氯离子浓度约为0.06mol/L，2304不锈钢钢筋耐蚀性能是普通钢筋的65倍。

图6 不锈钢与碳钢的耐点蚀当量对比

图7 2304不锈钢钢筋在模拟混凝土孔隙液中阳极极化曲线

2.优异的耐高、低温表现

2304双相不锈钢钢筋拥有良好的耐高温和低温性能表现，Avesta公司曾用2304双相不锈钢作为复合船舱壁一部分进行了一个试验，测试发现尽管一侧因火产生的温度已经超过1100摄氏度并且散发出明亮的橙色火焰，但不锈钢一侧升温没有超过30摄氏度。因为较高百分比的铬和镍，不锈钢拥有较好的蠕变强度，在高温下能持续作业，具有良好的耐高温性。不仅如此，在低温条件下，双相不锈钢仍然具有良好的耐低温韧性，而普通钢筋在低温条件下则容易发生脆性断裂，影响桥梁的安全运营。

3.经济型不锈钢牌号2304

2304双相不锈钢被称为经济型双相不锈钢，其在节约镍钼资源的同时，具有高强度和优秀的耐氯离子应力腐蚀能力。镍、钼都属于稀有金属，价格较高，如果合金中添加较多的镍、钼元素，成本也相应提高。不锈钢钢筋自上世纪60年代开始在重大工程中得到应用，经过长达50年的对比和选择，最终2304牌号的不锈钢钢筋得到各种国际工程的普遍认可。

4.低廉的养护成本

2304双相不锈钢钢筋基本不需要进行后期养护，而且大桥混凝土结构防护也不用过度依赖硅烷浸渍、添加阻锈剂、增加保护层厚度和阴极保护，节约了养护成本，从根本上解决了问题。

5.优异的力学性能

双相不锈钢的抗拉强度和屈服强度最大，能承受较大的应力并且具有更高的抗冲击能力；奥氏体不锈钢的延伸率最大，塑性变形能力较强。双相不锈钢的综合特性比较好，它兼具了奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢的优点，更适应混凝土结构工程应用（表1）。

同时，根据英标BS 6744不锈钢钢筋规范的要求和国内主要不锈钢钢筋生产企业的疲劳试验数据显示，相比于普通钢筋，2304双相不锈钢钢筋的耐疲劳性能更好，国产不锈钢钢筋可以满足BS 6744 英国标准规定的500万次疲劳试验。

6.可循环与减碳

双相不锈钢可以100%回收再利用，不仅节约了资源而且可以循环利用，是真正的减碳。大桥现浇和预制混凝土构件中所使用的预应力钢筋全部采用不锈钢钢筋，连接器也全部采用不锈钢材质，这种钢筋不仅易于施工，而且无惧磕伤问题，节约了施工时间。使用不锈钢钢筋后，桥梁将减少大量需要关闭交通而进行的养护。

新尚普兰大桥是加拿大蒙特利尔市的标志性工程，它将屹立在圣劳伦斯河长达125年，作为工程师，谁不愿意让自己参与设计、建设、运营的项目成为传世佳作，品质工程呢？新尚普兰大桥是双相不锈钢钢筋应用的又一个示范性工程。正如ARUP（奥雅纳）全球桥梁设计总监纳伊姆·侯赛因所说，实现桥梁长寿命不仅仅依靠设计，同时也需要使用正确的材料，这要求工程师不仅需要全面的了解施工现场情况，也必须了解当地的地理条件、环境因素、土壤性质等，这样才能在设计中确定合理的混凝土配合比、用钢的类型，何时、何处使用新材料和复合材料。给时代以价值，给历史以痕迹，愿我们建设的每一座桥梁都能成为后人瞻仰的丰碑。