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桥梁网 发表于 2012-1-4 11:01:47 |显示全部楼层 |          |
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台湾海峡大桥的构思
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1 A' f3 f0 M6 k* _  g

文/邓文中5 c' j1 S: a/ b2 Z1 T; t" a

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编者按:0 B& z5 [. A- I, V

在交通通道的建设方案中,“桥隧之争“早已有之。随着我国的跨越通道向海峡工程推进,引发了桥梁与隧道的持久较量。势均力敌的桥梁隧道各有优劣,难分高下,一直成为业内人士的热点话题,同时也成为本期“关注”栏目中的看点——

台湾海峡到底宜桥还是宜隧?邓文中院士和王梦恕院士分别就跨越台湾海峡提出桥梁和隧道两种不同的构思方案。同时,本刊记者就“桥梁篇”和“隧道篇”进行了院士访谈,诸多院士就桥梁和隧道的比选与发展,具体阐述了他们的理念。作为跨越交通阻碍的工程手段,桥隧结合,优势互补,更好地实现交通连接,会是桥隧发展的共同话题。

自从中国改革开放以来,经济日益发达,交通的基础建设进展十分快速,高速公路、高速铁路的建造都在世界领先。尤其是经济实力日渐雄厚,许多从前只能想象而不敢奢望的工程,如三峡大坝等都已经成为事实。许多过江过海的大桥和隧道,也都修建了。长江上已经有100多座大桥,杭州湾大桥、东海大桥等特大跨海连线也都成功地建造了。大家的目光正关注着更长更大的连线,渤海湾、琼洲海峡都已有相当深入的研究。当然,横跨台湾海峡的连线,也是工程界常常谈及的大事情。近年大家对台湾海峡连线的兴趣愈来愈浓厚。把台湾和福建连接起来,无论于政治、经济和社会都有很明显的好处。目前连线有隧道和大桥几个不同设想,本文仅从工程技术的角度讨论大桥连线。

大桥线路方案

台湾海峡是台湾岛与福建海岸之间的海峡。南北长约370km,最北端宽约200km,最南端宽约410km,最狭窄的位置在台湾白沙岬到福建海坛岛之间,距离约125km。台湾海峡连线的研究,早在上世纪80年代就已经热烈展开,有不同的隧道方案和大桥方案。当然,隧道和大桥各有优劣。日本北海道的青函隧道和英吉利海峡的隧道建成使用后,大家对隧道的可行性和经济效益有了较深入的了解。尤其是由民间集资兴建的英吉利海峡隧道,在技术上和经济上都可以借鉴。英吉利海峡隧道长度38km,1986年开工,1994年通车,耗资106亿英镑 (约1100亿元人民币) 。和台湾海峡隧道比较,只有30%的长度。英吉利海峡隧道有三个管道,中间管道是机械和安全管道,每侧单方向一个管道,只通行火车,是背负式运输。汽车必须由火车载运。对一般市民而言,有其不方便和不舒适的一面,而且,使用成本比较高。

台湾海峡最短的连线也有125km,建造起来要比英吉利海峡隧道的难度高,而且东侧接近台湾岛附近,属比较强烈的地震区。一般情况下,隧道对地震比较不敏感。但如果由大地震引起断层相对位移,这种破坏比较不容易修复。大桥受地震破坏后的修复会比隧道容易处理。但最重要的是人们的心理。当大家可以自由自在地在台湾海峡的通道上开车和休憩,会有更强烈的联通的感觉。所以,大桥方案似乎比较适宜。当然,对这样庞大的工程,详细论证是必要的。海峡上强风和浓雾是大桥特有的设计重点之一。不过,今日工程界对桥梁风动力已经有足够的经验,可以设计出有足够抗风能力的大桥。

大家的讨论和研究集中在三个大桥线路方案,分别列名为北线、中线和南线[1]。北线连接福建平潭岛与台湾的新竹,海上距离全长约125km,是最短的连线。中线连接福建莆田南日岛与台湾的台中,全长170km,海上距离约140km。南线从福建的厦门经金门、澎湖岛到达台湾的嘉义,全长240km,海上距离从金门到澎湖约140km。见图1,2。

图2是这三个连线方案的地形截面。把这三条线放在一起。可以比较这三道连线的优劣。北线,a,长度比较短,但地形很不平均。南线,c,地形比北线平顺,但比较长,而且只包括从金门到澎湖的路段,在澎湖与台湾嘉义间仍有40多公里的距离。水深可能达到100m以上。中线,b,地形是两者之间。从这三个截面看,30m以下的浅水区不多,对整座大桥的设计影响不大。所以,不论是采用哪一线路,大桥的建造还是以深水区为主。

近年大家注意力集中在北线。北线比较短,应该比较经济。2009年,林元培建议[2]采用北线,并首先建议建数跨3500m跨径的悬索桥。北线在工程上有很大的优点。但是,在经济和社会方面是否也是最优选择,还有待论证的必要。在技术上,这三条线没有太大的区别。

大桥的交通用途

迄今,大部分工程师的注意力集中在公路上。由于造价昂贵,台湾海峡在将来相当长一段时间里大概只会建造一条通道,所以,大桥的功能应该尽量利用。大桥的货运功能很重要。而货运在今后能源价格渐渐提高的情况下,轨道将是比较便宜的运输工具。所以,为了发挥最大功能,这条通道应该包含轨道交通。建议大桥可以十个公路车道加两线铁路轨道为设计标准。因为公路交通是为车辆而设,公路设计速度不宜太低,建议以120km/h为标准;这样,驾驶汽车的人会比较舒适。另一方面,铁路设计对大桥变形的限制相当严格,设计速度愈高,允许变形的限制愈严格。大跨度桥梁要能完全满足高速的要求,桥梁结构必须有特别高的刚度,造价就可能很高。在这一段120多公里的路程中,行车时间的影响不大,所以,虽然今日中国已经有380km/h的高速铁路,在这条海峡连线反而不需过于高速。建议以160km/h以内为标准,可以节省造价。

由于跨海峡大桥很可能是两岸的唯一通道,一旦建成,就必须有全天候使用的功能,使它在浓雾和强风之下都能畅通无阻。所以,部分车道必须是与外界天气隔离的结构。在上世纪70年代设计从美国的阿拉斯加连接俄国西伯利亚的白令海峡大桥的时候,已故的林同棪先生已经对这个桥梁全天候的要求有很好的建议,见图3。那就是把车道和轨道放在一个箱形主梁里面。但是,这只能是权宜之计。驾驶员在一个隧道样子的箱内行驶100多公里的路程,会感觉十分单调而容易疲劳,引发交通意外。所以,在没有大雾和强风的时候,公路交通仍然应该行走在桥面上。近年来对保护车辆在大风下行驶的研究已经有相当的了解,专门根据空气动力学得出的特殊形式的护栏,可以使车辆在相当高的风速下仍然安全行驶。在台风中,汽车可以在箱梁内减速行驶。

大桥设计的重点

大桥横跨海峡,这里天然环境的影响主要是强风、地震、浓雾、深水和船舶撞击。中国已经建成了许多大跨度的大桥,对强风和地震的结构设计已经有相当深入的研究。如苏通大桥,西堠门大桥等,都是强风地带的大桥。

这个区域的地震烈度不太高,而且,大跨度桥梁比较柔软,地震对结构的影响比较低。但是,由于这座大桥建成后对两岸交通十分重要,大桥在大地震后必须保留持续通行的能力。旧金山海湾大桥东段的设计理念或许可以借鉴。该桥位于美国最强烈的地震区,而该地区又都是极疏松的沉积层。基础主要是100多米长、2.5m直径的钢管混凝土桩。在Bangladesh的Jamuna大桥,我们也用了100多米长,3.0m和3.50m直径的钢管混凝土桩,都很成功。这种大直径的长桩在强烈的地震下表现很好。台湾海峡的水深基本上在80m以下,可以考虑用4.0m直径的钢管桩。通常,这种钢管桩内有时只有部分灌满钢筋混凝土。但在80m深水,大概有全长满灌的必要。

旧金山海湾大桥的结构理念尤其值得研究比较,那就是强烈地震后结构的性能。现行美国AASHTO的地震设计的基本要求是在最强烈的地震下保障人的性命安全,所以允许一次性的保护措施,例如,可以断裂的连接。这样设计的基础是在地震产生的力大于一定的数值时,某些指定的杆件或连接点就会断裂,使结构的频率降低,减低了结构对地震的反应。但这些连接点必须在下次地震来临之前修复,否则结构就会发生问题。这个缺点在最近的纽西兰大地震就表现出来。许多建筑物在2010年9月第一次7.1烈度的地震时损伤不大,但在2011年2月的明显较低的6.3烈度的余震时,受到的破坏远远超过原来地震引起的破坏。基本原因很可能是因为第一次地震时有些用来防御的措施已经受到破坏,这些防御措施只能使用一次。在未修复之前来一个相当大的余震就没法对结构提供保护了。所以,对于如台湾海峡大桥这样比较重要的结构,我们必须要求有更好的保障。

旧金山海湾大桥的设计要求在最大设计地震后几小时内安全通车。这个要求应该也适用于台湾海峡大桥上。为了满足这个要求,我们为旧金山海湾大桥发展了剪力杆的应用:这些连接四根垂直塔柱的短横梁,在强烈地震下会产生塑性铰,使垂直的柱可以接受足够的水平位移而仍然处于弹性状态。在海湾大桥,我们有两个安全的保障:第一,钢横梁(剪力杆)发生塑性变形并不等于破坏,它们仍然可以继续承受周期性的变形;第二,我们在塔上放置了许多根短横梁,在一些短横梁受到破坏之后其余的短横梁仍可以继续工作。所以,在大地震后就算不立即修复,结构的荷载能力并没有太大的减低,对余震仍然有足够的保障能力。相似的理念可以应用在海峡大桥上。

现在一般大桥的设计寿命是100年。重要的工程设计寿命会有所提高:旧金山海湾大桥的设计寿命是150年,港珠澳大桥是120年。台湾海峡大桥的投资和重要性都更高,设计寿命应该至少是150年。

桥梁跨径的确定

在这里我们先确定通航净空的要求。这里是国际水道,在这里建桥应该提供足够的净空,让世界各国和各类的船舶通行无阻。这样一来,大桥的净空就应该与其他国际水道上的大桥相同。正在建造的意大利南部的、将是世界最大跨径(3300m主跨)的Messina大桥的通航净空是65m。但是,近年造船业似乎有建造更大的船只的兴趣,所以,建议应该把通航净空高度提高到72m。这个净空只需要用在主航道上,其他地方净空可以降低。但既然这里是宽阔的海面,在非通航孔净空也不宜太低。这个问题需要专家论证。我觉得,在非通航孔,40m也许是个适当的数字。

大桥主航道的通航宽度决定大桥主跨的最小允许跨径。国际水道一般要求1500m宽的通航孔。这个当然也需要通航论证。但从其他国际水道情况比较,2000m的跨径是应当足够的。到现在为止,在国际水道,世界最大的跨径是日本明石大桥的1991m。其次是丹麦的Storebelt大桥,主跨1624m。我国西堠门大桥跨径1650m,比Storebelt大,但不是在国际水道上。大桥的价格随跨径的增大急剧上升,在没有需要的情况下应该尽量把跨径减少。

非主通航孔的跨径应该根据经济效率决定。这里,墩及其基础必须能够承受船舶的撞击、台风地震侵袭、水流的冲击等。水愈深,墩及基础的刚度就要愈大,也就自然能够承担愈大跨径的桥梁。也就是说,水愈深,相对应的经济效益最高的跨径就愈大。在不同的水深和地质情况下,最经济的跨径可以根据类似图4的曲线确定。上面图2的地形截面显示,真正的浅水区范围很小。大部分水深在40m到60m之间。在实际设计的时候,当然要仔细研判什么是最经济的桥梁跨径。从经验看,40m到60m水深的最经济的跨度应该在500m到700m之间。

根据调查显示,海峡上船只航行主要集中在海峡中线以西海域,即接近福建方面。我们可以在这里设置两个2000m的主跨。另外在东侧也设置一个2000m的主跨。其余部分则定为非通航孔,建500m到700m跨径的桥梁。

桥型选择

能够提供2000m主跨的桥型是斜拉桥和悬索桥。目前的造桥技术对这两种桥型建造2000m的跨径没有技术上的问题。经济效益是决定悬索桥抑或斜拉桥的主因。这两种桥型最大的分别是锚碇。斜拉桥主梁受压,不需要锚碇。悬索桥主缆庞大的拉力必须由锚碇从桥面传到地下。由于这里水很深,这些在桥面上的水平力要由锚碇传递到海底岩层,锚碇的建造费用会很高。所以,在这个情况下,2000m主跨的斜拉桥会比较适宜。

主航道的位置必须经过验证来确定。调查显示现在在海峡航行的船只没有规范的航道。如果要建桥,船只的航道就必须予以规范;建议安排南向和北向各一个主航道。在2000m的跨径下,每个单向航道可以定为1600m。南北航道中间应该有一个至少1000m的分隔带。根据这些要求,我们建议如图5a的斜拉桥的结构。假如两个单向航道之间需要更大的隔离带,可以使用图5b的结构型式。2000m跨径的斜拉桥上的拉索很长,拉索垂度会引起这些长拉索刚度下降。笔者对这个问题曾提出过不同的对策(图6)[3]。

非通航孔如果用500m到700m的跨径,斜拉桥也应该是一个最适当的桥型。500m及以上的跨径,梁桥和拱桥都不经济。所以也是悬索桥与斜拉桥之间的选择。基于与主跨相同的原因,建议采用斜拉桥。这些桥梁也可以用和主跨相同的结构型式。

主梁截面

大跨径桥梁对主梁的宽度有一定的要求。在横向力的作用下,主梁基本上是一条连续梁,太狭窄的主梁会过于柔弱,横向变形太大,在风力作用下不能满足稳定要求。尤其是轨道桥梁。所以,截面的宽度必须根据最大跨径来确定,而不单是满足交通的要求。笔者曾建议过几种增加横向刚度的方法[3] (图7),需要时可以应用在海峡大桥上。如果宽度还不够,可以像旧金山海湾大桥、西堠门大桥和正在建造的意大利麦仙娜大桥一样,把主梁分成两个或三个用横梁连系的箱梁,增加桥面的宽度[3]。

上面谈及,大桥可以设置十个公路车道和两线轨道。不设人行道和非机动车道。但应该设置维修用的通道。车道分为上下两层:上层6个公路车道,下层两个轨道在中间,两边各2个公路车道。加上路肩和分隔带,主梁宽度约是35m。如图8。日本的明石大桥跨径1991m,桥宽也是35m。如果我们采用2000m的跨径,采用和苏通大桥相似的倒Y形或者倒V形桥塔,可以协助增加部分横向刚度。所以,35m的主梁宽度应该可以满足横向刚度的要求。当然,在设计的时候,须经过风洞试验来确认,必要时可以配置风嘴、阻尼器,或者增加桥宽来保证大桥的稳定。

图8是一个钢结构的截面。2000m跨径的大桥,在今日的环境下,混凝土结构会太沉重,其他能代替钢的新材料的应用还不成熟,所以大跨径桥梁还必须用钢结构。在500m以上跨径的大桥,钢梁还是比较适宜。但不管是用钢抑或用混凝土,保养和防腐都是重要的课题。

为了满足全天候的要求,可以给桁架加上一个外壳,如图9。这个外壳并不需要把箱梁与外界完全隔离,只需要达到下层桥面行车不受风雨和雾的干扰就足够了。所以,要尽可能地让光线和空气进入,使在箱内的乘客可以感受到外界的天气和环境。如果使用部分透明和半透明的外壳,当然更好。这个外壳对主梁的防腐也可以起很大的作用。外壳顶上的平面可以设置太阳能板,补助部分电力的需求。还应该收集雨水,加以处理后提供或补充大桥上用水的需求。

附属设施

在100多公里的长桥上,会需要不同的附属设施,如照明、卫生、休息、加油和环保等等。还有电能的供应。近年汽车设计趋向电能,这座超百年大计的通道,也应该考虑相应的设施。至于能源的供应,应当取之于当地环境,例如风能、太阳能、水流发电等。这座大桥主要是东西向的,有利于太阳能的收集。桥面部分雨水也可以收集,供桥上使用。所以,在能源上,应该可以自给自足。

施工和估算

这是一座前所未有的长桥。大桥愈长,就愈能发展出更高效的大型施工工具。因为重复使用的次数愈多,每单元的使用价格就愈低。杭州湾大桥上使用的大型整跨吊装方法,可以用在大约十余公里的浅水区。这里桥的跨径比较小,整跨或半跨吊装不成问题。500m到700m的斜拉桥,可以使用部分或整体吊装。假设平均跨径是600m,125公里长的大桥就有大约200跨,器械可以使用200次,建造两个15000t的吊机应该还在经济范围之内。这样两个吊机可以吊装30000吨的重量,一个700m跨径的钢斜拉桥结构的重量,应该不足30000t。否则,也可以只吊装一半,主梁的中间段在吊装后建造。2000m跨径的斜拉桥,整体吊装就不可能了。但是,桥塔仍然可以全部或部分预制拼装,可以缩短工期。

跨径对大桥的造价有很大的影响,3000m跨径的大桥比2000m跨径的大桥可能要贵很多。工程师应该避免竞争世界纪录,浪费公帑。

业界对这个连线粗略的估算大概在3000亿和5000亿元人民币之间。在最近的将来,单从收费来维持大概还不可能。但我们相信,这样一座桥对两岸经济、政治和社会的影响可是远远超过这个造价!

在台湾海峡建一座大桥,把台湾和福建连接起来,应该是工程师们和其他关心海峡连线工程的人们历来的梦想。以今天中国造桥技术的水平和两岸人民的经济能力,这个梦想是可以实现的!


/ k( C% P! ~( [: [+ M参考文献

[1] 李学杰,张以,冯志,郭连生,周昌范,万荣胜. 台湾海峡地形地质特征及其通道工程选线. 科技导报。 2008 26(22).

[2] 林元培. 窦文俊. 台湾海峡大桥 - 全天候通道方案。2010年全国科协论坛,2010年10月. 福州

[3] 邓文中.(Man-Chung Tang). Bridge Forms and Aesthetics. IABMAS Conference, Porto, Portugal, 2006.

(作者系美国工程院院士、中国工程院外籍院士)6 f! p9 a5 C- n. ^( a( j9 s
(编辑:樊灿)

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白头翁 发表于 2012-1-4 13:13:24 |显示全部楼层
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3 d3 g$ c- f& i$ m% L/ F已故的林同先生”?请予更正!
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Danny + 5 相当认真啊,刘总。

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转发此微博:成本高……
* ?0 X- _" R! n7 G$ q7 P, @# X2 m/ U. M' g/ V+ n: k
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微博评论 发表于 2012-1-4 13:14:17 |显示全部楼层
粗看下,个人倾向a方案。 各人观点肯定不同,在台湾不知道是否又要公投去决定?[哈哈]//@dongmeng789: 转发微博
) @2 Z( A/ z. E* G+ g* w. N4 `9 v8 f& e& p  M

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Danny 发表于 2012-1-4 13:29:59 |显示全部楼层
拜读,学习一下!
( I1 o5 Z3 @+ X' [& G$ [“已故的林同先生”?请予更正!
9 s, R1 W6 E; M' C% M) l3 s ...[/quote]/ y' r( P, F) Y3 J3 h' J; }2 {- F' y
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[围观]拜读,学习一下![鼓掌] [疑问]“已故的林同先生”?请予更正![右哼哼][左哼哼]
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微博评论 发表于 2012-1-5 02:42:59 |显示全部楼层
我功利一点,工程技术不是问题。台湾点近台北,内地点近福州,福州后方陆域近浙江长三角,较厦门更宽广(以公路运距视角),选a//@marina蒋冰蕾:我也选a, 其次是b. 但你能说你的理由吗,;-) //@王峰ajax:粗看下,个人倾向a方案。 各人观点肯定不同,在台湾不知道是否又要公投去决定? //@dongmeng789* x0 p" F* l# T' A% X

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Nore 发表于 2012-7-27 10:31:39 |显示全部楼层
这是一次会议上的汇报文本吧?有没有打包下载的?  i2 O' A+ m; {3 g1 ^! {+ V+ {

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