0. 引言
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土木工程行业造成了大量的碳排放，桥梁作为重要的基础设施同样也消耗了大量的资源和能源。为响应国家“双碳”目标，贯彻落实绿色建筑理念在桥梁设计建造过程中全方面的实现，需要积极探索桥梁工程与自然环境和谐共同发展之路。绿色桥梁作为近年来的研究热点，西南交通大学高性能组合桥梁研究团队在上一年度对桥梁碳足迹计算方法进行了总结。碳足迹计算为桥梁减碳提供了指导作用，但是碳足迹的计算只是绿色桥梁领域内研究的第一步，桥梁如何减碳仍然需要落实到具体的技术手段上，也是绿色桥梁设计后续需要展开的工作。绿色桥梁不仅仅要求桥梁在狭义上保证桥梁结构、外观与环境的融洽，还要求桥梁在建设的整个生命周期内尽可能降低对环境的影响，在设计阶段尽可能少的使用建筑材料，在材料生产和运营阶段引进新材料、新结构来降低材料消耗和增加耐久性。因此绿色桥梁设计需要考虑全生命周期，对桥梁工程的设计、施工和使用等各个环节实施绿色设计，最大限度地减少碳排放。
1. 桥梁绿色优化理论
1.1
结构优化
在工程中存在各种各样的最优化问题，结构优化问题通常以最小化成本为目标，但是随着近年来土木工程行业对环境影响的重视，许多学者以最小化碳排放为目标，在结构设计完成后[1][2]或者结构设计初期[3]对桥梁进行优化。结构优化按优化方法可以分为拓扑优化、形状优化、尺寸优化，按优化对象可以分为局部优化、整体优化。如表1所示，本文列举了2022年桥梁结构优化方面的最新研究。
表 1 桥梁结构优化研究总结
优化变量、约束条件和目标函数是优化问题中的重点。而最优化算法，实际是一种搜索的过程，它可能根据自然界的某些规律演化而来，通过特定的规则来得到满足工程师要求的解。研究中目标函数的定义上存在不同，一些文章在优化问题的目标函数中加入了碳排放，进行优化。比如D. Martínez-Mu?oz[7]等对钢混组合桥的横截面进行了优化设计，优化变量选择了两类，分别为对应于横截面的几何变量（如图1所示）和钢筋直径、钢筋型号。
图 1 钢混组合桥的横截面变量 [7]
Van Lookeren Campagne[3]为了创造对环境影响更小的桁架桥设计，提出了一种在设计过程中完全利用回收钢材的桁架人行桥的逆向设计方法，通过生长式拓扑优化方法生成了可行的解决方案云（如图2所示），并且允许用户根据需求做出最优选择。
图 2 桁架桥解决方案云的生成 [3]
Moraes MHM等[14]在结构设计阶段采用萤火虫算法对预制预应力矩形梁进行了以减少碳排放为重点的优化设计。目标函数定义为每个施工阶段（生产、运输、安放）的总排放量，问题优化的变量定义为梁的几何性质和力学条件，其中以梁高、梁宽、梁高引起的偏心率和预应力所占比例为设计变量，优化方法的实现通过Python语言和谷歌的Colaboratory环境完成，图3展示了优化问题的计算流程。
图 3 目标函数的流程图 [14]
另一些文献虽然没有直接以碳排放为目标，但是以材料减少，成本减少为目标进行优化，并且在优化完成后对结构的碳排放变化量进行计算验证，结果表明以材料减少为目标的优化也间接达到了减碳的效果。Zhou等[1]利用拓扑优化的方法，结合Abaqus和OpenLCA软件，通过如图4所示流程，消除冗余的桥梁结构，减少混凝土和钢筋的使用量，实现桥梁的可持续性的提高。
图 4 线弹性结构拓扑优化流程图 [1]
Linwei He[5]等提出了一个计算高效的“全局-局部”优化框架，首先采用基于线性规划的桁架布局优化来生成初始优化设计，然后使用非线性优化结合实际工程需求来进行局部优化，从而使全局最优解和局部最优解相补充，并且结合了一个简单的桥梁实例进行说明。
图 5 全局 - 局部优化框架的工作流程 [5]
总之，环境负荷的增大对桥梁设计提出了绿色低碳的新要求，但是桥梁结构仍然面临必需的安全性要求和实际的经济性要求。如何平衡这三个目标，满足一系列有关的限制条件，通过计算迭代过程，修改几何形状或者后期验证，从而设计出最优的结构是结构优化研究需要解决的问题。如何将桥梁结构的优化与可持续发展、桥梁碳排放相结合是需要在未来开展的进一步的研究工作。
1.2
桥梁运维决策优化
桥梁运维的工作包括定期巡视检查、维护修补、危桥加固等，这些工作可以有效防止桥梁的损坏和塌陷。同时，桥梁运维也对可持续发展产生着积极的影响。一方面，桥梁是城市基础设施的重要组成部分，其良好的运营管理对于城市交通系统的畅通与高效具有至关重要的作用。另一方面，桥梁的维护和改造也可以提高桥梁的使用寿命，减少桥梁的报废以及重建，从而节约了资源，降低了对环境的负面影响。桥梁的维护策略可以分为必要性维护和预防性维护，与必要的养护相比，实施预防性养护更有利于实现老化桥梁的可持续发展[23]。
图 6 桥梁的预期经济、社会、环境年损失 [15]
在桥梁维护策略框架的制定方面：Jingjing Wang等[17]讨论了一种基于蒙特卡罗模拟的生命周期多目标动态维护策略优化模型，用于分析中国中小跨度桥梁中粉煤灰钢筋混凝土梁的预防性维护（PM）和基本维护（EM）的生命周期碳排放、成本和生命周期可靠性。
图 7 Q-learning 的框架 [19]
Kaewunruen等[18]利用BIM来增强铁路桥梁的运营、维护和资产管理，还使用了BIM集成开发的数字孪生（DT）模型来确定碳排放和成本消耗。
图 8 三目标优化（最小化累计失效概率 - 生命周期维护成本 - 环境影响）的帕累托前沿、占优解和最终最优解
Mingjun Ma等[24]评估了城市交通分流对环境影响。文章提出了一个基于焓值的框架，并且将其用于评估桥梁维护期间交通分流所产生的额外环境影响。该框架推导出了车辆流量的燃料消耗、CO 2 排放、NO X 排放和PM排放的焓值，突出了交通状况、分流距离和道路车辆数量对环境影响的重要性。
2. 新材料的应用
桥梁工程全生命周期中原材料生产加工的碳排放占比较大，因此减少建筑材料的碳排放是实现桥梁工程绿色减碳的重要环节。
2.1
混凝土绿色技术
混凝土作为建筑领域用量最大的材料，全球每年的产量可达40亿t，占碳排放总量的15%左右。[25]对于路桥工程，混凝土材料生产、加工运输、施工拆除等产生的碳排放占其生命周期总量的90%以上。[26]同时混凝土施工所消耗的自然资源以及产生的固废、噪音等问题也比较严重。因此发展绿色低碳的混凝土工艺是实现降低桥梁材料碳排放目标的重要手段之一。
图 9 普通基准混凝土和橡胶再生粗骨料混凝土生命周期总碳排放量 [27]
图 10 不同的 PP:RPP 比率下纤维含量为 0.5% 的 28MPa 和 32MPa 的 FRC 减少的 CO2 排放量（ kg CO 2 -e/m3 ） [28]
其次可以通过提升混凝土性能的方式延长寿命，减少建造和维护更换的碳排放。如碳纤维增强混凝土（CC）本身具有绿色环保的特点，其优秀的力学性能也提升了结构的寿命。Mostert等[35]发现与传统钢筋混凝土（SC）比较，CC桥占地面积低于SC桥，材料用量、水、能源和气候足迹均有减少（图11）。在生命周期中，无论是原材料生产阶段，还是后期施工和维护阶段，CC的各种环境影响指标都比SC要符合环保要求（图12）。自修复混凝土也是这个思路范围内的研究方向之一。在全生命周期中，自修复混凝土系统的初始环境和经济影响可能更高，而由于维护成本的降低，整体生命周期碳排放可能是降低的[36]。Jo?o Miguel Peres Medeiros[37]和Kennedy C. Onyelowe[38]分别研究了细菌自修复混凝土和枯草芽孢杆菌自修复混凝土的碳评估数据，验证了这些材料的整体低碳效应。
图 11 比较单位体积钢筋混凝土和碳纤维增强混凝土全生命周期的资源和气候足迹 [35]
图 12 由碳纤维增强混凝土（ CCB ）和钢筋混凝土（ SCB ）制成的人行天桥的气候、材料、能源和水足迹（ A1-C3 ：整个生命周期， A1-A3 ：生产阶段） [35]
第三个思路就是考虑混凝土碳化过程中对大气CO2的捕获固定。碳捕获技术可以在很多矿物和硅酸基材料中进行出现[39]，目前对传统混凝土的碳捕获效应已建立了数学模型进行模拟评估[40]，也出现了关于生物炭-水泥基复合材料[41]和多孔的再生骨料混凝土[42]等新型材料的碳捕获研究。
2.2
钢材和合金绿色技术
钢材行业属于碳排放和能源消耗密集型行业，据世界钢铁协会统计，2020年钢铁生产直接二氧化碳碳排放26亿吨，占全球总排放的7%-9%。[43]中国是世界产钢大国，2022年粗钢产量10.13亿吨，全球占比53.93%，位列世界第一。[44]因此，加快研究钢铁行业的“碳达峰、碳中和”目标，是构建适应生态文明要求和制造强国战略，推动国家工业绿色、可持续、高质量发展的关键。
图 13 对于钢筋混凝土结构在 RCP 8.5 气候环境下（ 50 mm 混凝土保护层，水灰比为 0.5 ， 75 年设计寿命），相对于 1996-2005 年，在 2091-2100 的气候条件下的使用寿命损失 [51]
表 2223 个县的钢桥使用寿命损失（△ts，年）的预计均值和标准差（括号内） [51]
耐候钢、铝合金、不锈钢等合金材料具有耐久性强、可循环和节省后期涂装的优势，在减少维护经济成本和运营期间的碳排放两方面有着很好的效果，其中耐候钢已经在桥梁工程领域有了不少的研究和应用。但是其他材料由于生产加工成本远高于传统钢材，因此未能得到很广泛地应用。Yossef N M等[52]对比了由不锈钢和碳钢制成的桥梁结构的生命周期成本，发现不锈钢和碳钢的每吨初始建造成本比值约为4.0：1.0，但当考虑到较长寿命周期内的维护费用时，不锈钢相对于便碳钢展现出了一定的优势（图14）。因此作者认为在桥梁和建筑结构的整个生命周期内，不锈钢是比碳钢更具竞争力的解决方案。
图 14 碳钢和不锈钢桥梁随生命周期的成本累计变化 [52]
记忆合金（SMA）因其有面对荷载作用下会产生一定的恢复力的特殊性质，在医学、工业和桥梁建筑领域有着广泛的应用，同时记忆合金还是一种耐腐蚀材料，因此记忆合金逐渐作为绿色减碳材料在桥梁领域得到关注。现阶段，记忆合金在桥梁工程中常用于结构加固、修复[53]、连接和支座制造等方面。图15和图16是Billah等[54]总结的桥梁工程中记忆合金的一些应用场景和分类。
图 15 SMA 在桥梁工程的应用 (a) 伸缩缝， (b) 后张预应力箱梁， (c) 减震支座， (d) 塑性铰区钢筋， (e) 节段式桥墩的屈服装置， (f) 节段式桥墩的后张预应力筋， (g) 桥墩主动约束装置， (h) 限位器， (i) 斜拉索减震器 [54]
图 16 SMA 在桥梁工程研究中的应用统计 [54]
Qian J等[55]考虑桥梁在其生命周期内因突发地震和持续的功能退化而损坏和失效，研究了采用记忆合金的钢混组合桥减轻地震损伤的能力，并提出一种新的生命周期可持续性和弹性评估框架。作者通过碳足迹评估计算，给出了75年内SMA钢骨混凝土桥梁与传统桥梁相比，长期可持续性和韧性的相对差值（图17）。在75年的时间范围内，SMA钢骨混凝土桥梁的建造成本和二氧化碳排放量相比于常规桥梁分别增加了25万元和2.6吨，而SMA钢骨水泥桥梁的长期经济损失和二氧化碳排放减少了72万元和126.6吨。这表明SMA钢骨混凝土桥梁施工相关的成本和二氧化碳排放增加值相对较小，但在长期可持续性（例如，死亡人数、经济损失和二氧化碳排放）和恢复力方面可实现显著效益。
图 17 传统桥梁与 SMA 钢骨混凝土桥梁相比，在第 75 年的长期可持续性和韧性的相对差值 [54]
注： NF ：死亡人数； EL ：经济损失； CDE ：二氧化碳排放； RL ：韧性损失
2.3
桥面铺装绿色材料
桥面铺装是桥梁上部结构的重要组成部分，其工作性能、施工质量和运营维护不仅直接影响桥上车辆的舒适和安全，还影响到了桥梁结构本身的耐久性能。例如在超载车辆荷载、环境腐蚀的影响下，桥面铺装发生破坏，导致水分侵入桥梁结构，使桥面混凝土或钢材发生腐蚀[56]。桥面铺装可以分为水泥混凝土铺装和沥青混合料铺装两种类型。由于大、中跨度桥梁对材料的稳定性、低温抗裂性和抗疲劳性能要求高，故沥青混合料主要用于大中跨度混凝土，而水泥混凝土铺装主要应用于设计荷载较低的小桥[57]。传统热拌沥青混凝土在生产制造的过程中需要经过高温加热过程，从而产生大量粉尘、多环芳香化合物等有害人体健康的物质，在施工阶段，也存在噪声、废料和烫伤风险。因此人们在降低沥青混凝土材料生产加工过程中的碳排放方面做了很多的努力，提出了温拌合沥青混凝土技术，开发出如以水泥沥青胶浆、火山灰材料及建筑拆除废料为原料制备的绿色沥青混凝土[58]。其中废弃物沥青路面再生利用技术得到了广泛关注，诞生了如旧沥青路面、旧水泥混凝土、废旧橡胶、废旧玻璃、废旧沥青油毡瓦回收再利用的一系列成果[59]。此外，学者们对在沥青混合料中掺加各种添加剂、改性剂以改变其拌合效果、降低生产加工能耗、改善路用性能的方面也进行了大量的研究。2022年出现了对再生沥青混凝土混合料[60]、厂拌热再生沥青[61]和温拌和沥青混合料[62]、废轮胎橡胶（WTR）+改性剂（APAO）改性的桥面用沥青防水层[63]等环保沥青材料的全生命周期碳排放进行的评估，定量验证了这些材料的低碳效益。还有研究者提出或总结了包括纤维改性沥青[64]、生物油再生老化沥青材料[65]、油磨再生木棉纤维填料改性沥青[66]、100%回收环氧沥青[67]在内的各种新型沥青材料的性能和应用，这些具有绿色低碳特性的沥青材料，可以作为未来研究的方向进行探索。除了从原料角度考虑，还有很多绿色环保、能源节约的新型沥青路面技术的应用也引起了人们的关注，图18是宋代学等[68]对此类技术进行的总结，这些技术旨在降低桥面铺装在运营使用阶段的碳排放和环境影响，延长使用周期，降低维护成本。
图 18 几种绿色环保的新型沥青路面技术 [68]
2.4
竹木材料
竹木材作为最古老、传统的建筑材料之一，因其固碳、可循环、环境友好的特性，近年来又重新获得了很多研究人员的关注，并且在工民建领域有了一定的应用。在桥梁领域，也有学者开始探索使用这种绿色材料的性能特点，或者将竹木材与其他工程材料进行结合的应用可行性。例如Camille Beudon等[69]进行了铝板和胶合木梁制成的新型混合公路桥的生命周期评估研究，发现在城市环境中铝-木桥的总生命周期成本比铝-钢桥低4%。
图 19 铝 - 木混合型桥与传统桥梁的生命周期成本比较 [69]
3. 新型结构形式
考虑到对大交通量、高速、重载、快速施工、易于维护、生命周期经济性和持久设计概念的要求日益增加，如今鼓励在桥梁建设中使用高性能钢和创新结构形式。新型结构形式的研究方向主要包括具体构件、结构，如伸缩缝、桥面板、可拆卸装配式结构的环保化和预制、轻质化的结构。
图 20 轻质复合材料桥面板的说明 [70]
Chun-sheng Wang等[71]通过用管状翼缘板代替传统工字型钢梁的扁钢翼缘板，设计了一种带管状钢翼缘板的组合梁，文章利用试验（图21）和有限元仿真，对带管状钢翼缘板的组合梁抗弯、抗剪、抗扭性能进行了比较分析，并且结合利用了带管状翼缘的耐候钢组合梁桥的工程实例，证明了这种设计在结构性能、高性能钢材利用率和生命周期经济性方面的提升。
图 21 不带混凝土的矩形管状组合梁在施工阶段的弯曲试验 [71]
Haiying Ma[72]提出了一种创新的桥梁主梁，使用空心顶部管状翼缘板来代替传统工字型截面的顶板，以提高传统工字型截面的扭转刚度，并保持原有的抗弯性能。经过讨论和分析证明空心翼缘板1）对减少钢材消耗有显著贡献；2）防止主梁在施工过程中的不稳定；3）减少施工过程中的临时支撑，减轻起重重量。
（ a ）
（ b ）
图 22 结构组成（ a ）无金属桥（ b ）超高耐久桥面板 [74]
WG Gomez-Ceballos等[75]讨论了一种由超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）和胶合层压木（Glulam）组成的新型复合结构。并且主要提出了一种数值方法，用于分析超高性能纤维增强混凝土增强胶合木梁的力学性能。为此，模拟了三组具有不同参数的Glulam-UHPFRC（HP-Glulam）梁在4点弯曲试验下的性能。结果表明，HP-Glulam梁是常用混凝土梁的潜在替代品，其生产成本低至56.16%，隐含碳排放减少至41.90 kgCO2e。
图 23 桥桩和桥柱的预制过程 [77]
新型结构形式的发展呈现出多样化的趋势，包括了桥梁结构体系以及细部结构形式的创新，结构形式的创新与新材料的应用、相应的施工设备的保障密不可分。
4. 绿色施工
绿色施工是指通过采用环保、资源节约、健康安全等可持续发展理念，整合设计、施工、运营、拆除等阶段的技术、管理和服务手段，实现建筑及其配套设施在生命周期内对环境、经济、社会的最小化影响，同时提高建筑使用价值的施工方式。绿色施工的意义在于减少对环境的负面影响，提高人们的生活质量和健康水平，实现可持续发展。采用绿色施工，可以降低碳排放、减少能耗、优化资源利用、改善生态环境、降低运行成本等。下面介绍绿色施工方面的研究。
图 24 悬臂浇筑混凝土拱桥的屈曲 - 锚固系统结构
Wu[79]以连续梁桥的转体施工为例。利用BIM核心软件Revit和Navisworks Manage，通过数据文件驱动的方法建立桥梁参数化模型。从4D施工模拟、碰撞校核、辅助测量、三维技术公开、工程量计算、碳排放等方面进行研究。
5. 总结与展望
本文总结了2022年绿色桥梁领域内主要的研究进展，主要包括桥梁绿色优化理论、新材料的应用、新型结构形式、绿色施工，相关方向的关键技术理论已经有了初步进展，但是绿色桥梁的发展仍然需要进一步的推动，未来绿色桥梁的发展展望如下:
作者介绍
卫星 ，教授，博导，四川省学术与技术带头人后备人选，中国钢结构协会结构稳定与疲劳分会理事。长期致力于钢结构及钢-混凝土组合结构桥梁损伤机理应用基础研究，长期从事《钢结构设计原理》、《钢桥与组合结构桥梁》及《桥梁结构分析理论及方法》教学工作。在钢-混组合结构体系、焊接细节疲劳损伤机理及结构性能劣化机理三方面开展了卓有成效的创新性研究。主持和主研完成各类科研项目40 余项，发表学术论文150余篇。
主要研究方向：（1）钢-混组合结构桥梁复杂力学行为；（2）复杂服役条件下桥梁性能退化行为；（3）绿色及智能桥梁。电子邮箱：we_star@home.swjtu.edu.cn
肖林 ，副教授，工学博士，西南交通大学桥梁工程系副主任，中国钢结构协会桥梁钢结构分会理事。长期从事桥梁钢结构、钢-混组合结构桥梁的计算分析理论、耐久性方面的研究，并在桥梁结构动力学进行了较深入研究，主要承担《桥梁工程》、《钢桥与组合结构桥梁》教学工作。在钢-混组合桥梁剪力键、长期性能以及混合桥梁结构行为方面进行了较为系统的创新研究。主持和主研完成各类科研项目20余项，发表学术论文60余篇；获得各类专利15项、软件著作权1项。
主要研究方向：（1）新型高性能组合桥梁；（2）钢-混组合桥梁耐久性；（3）桥梁结构微振控制与利用。电子邮箱：xiaolin@ swjtu.edu.cn
黄琪盛 ，硕士研究生，主要研究方向为绿色及智能桥梁建造。电子邮箱：896878596@qq.com
贾庆霖 ，硕士研究生，主要研究方向为绿色及智能桥梁建造。电子邮箱：709003654@qq.com
