波形鋼腹板PC箱梁橋的技術(shù)創(chuàng)新

文|中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司 谷守法 劉小果

中鐵十四局集團(tuán)有限公司 李秀東

前山河特大橋是港珠澳大橋珠海連接線的一個重難點(diǎn)工程，具有同類橋型國內(nèi)跨度最大、懸臂最長、應(yīng)用波形鋼腹板數(shù)量最多、施工節(jié)段重等主要特點(diǎn)。對此，項(xiàng)目研發(fā)了大跨波形鋼腹板箱梁施工技術(shù)，解決了施工期裂縫控制問題。

突破技術(shù)瓶頸

港珠澳大橋東接香港特別行政區(qū)，西接廣東省珠海市和澳門特別行政區(qū)，是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關(guān)鍵性工程，將形成連接珠江東西兩岸新的公路運(yùn)輸通道。前山河特大橋是港珠澳大橋連接線的控制性工程，主橋上部結(jié)構(gòu)為90+160+90米，波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，其主跨達(dá)到160米，具有同類橋型國內(nèi)跨度最大、懸臂最長、應(yīng)用波形鋼腹板數(shù)量最多、施工節(jié)段重等主要特點(diǎn)。故對超長懸臂施工波形鋼腹板吊裝施工、大跨寬幅鋼-混組合箱室防裂控制、體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉力質(zhì)量智能識別、超長體外預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)向塊及錨固塊局部應(yīng)力及張拉控制、施工過程結(jié)構(gòu)安全及線形控制等技術(shù)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

“內(nèi)撐外拉”模板

為了保證大跨波形鋼腹板箱梁橋內(nèi)襯混凝土厚度及澆筑質(zhì)量，項(xiàng)目提出了“內(nèi)撐外拉”式內(nèi)襯混凝土模板結(jié)構(gòu)。此模板結(jié)構(gòu)采用L50×50×3毫米角鋼，一端焊在栓釘上，一端頂住鋼模，從而形成模板內(nèi)撐結(jié)構(gòu)，保證內(nèi)襯混凝土澆筑厚度；通過鋼模上的開孔，將Φ16螺紋鋼筋一端焊接在鋼腹板上，一端穿過模板開孔，用等高墊塊加墊板螺母擰緊，從而形成模板外拉結(jié)構(gòu)，防止由于混凝土澆筑沖擊造成的模板結(jié)構(gòu)變形。

暴露于外界環(huán)境下的橋梁結(jié)構(gòu)，由于受到太陽輻射及大氣環(huán)境等因素的影響，加之材料熱傳導(dǎo)性能較差，箱梁將產(chǎn)生不均勻的日照溫度場。工程實(shí)踐和理論分析均已表明，由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力甚至超出活載應(yīng)力，是導(dǎo)致大跨箱梁橋開裂的重要原因。對此，項(xiàng)目開展了波形鋼腹板箱室溫度場現(xiàn)場測試試驗(yàn)，揭示了波形鋼腹板日照場分布規(guī)律，提出了波形鋼腹板箱室豎向及橫向溫度梯度計算模型，計算了港珠澳大橋珠海連接線前山河特大橋溫度效應(yīng)。

組圖：前山河特大橋順利合龍

混凝土溫度傳感

波形鋼腹板測溫槍

傳統(tǒng)大跨及特大跨連續(xù)箱梁橋一般采用掛籃懸臂對稱澆筑。由于波形鋼腹板PC箱梁橋具有自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其波形鋼腹板需進(jìn)行吊裝施工作業(yè)。因此，僅僅依靠傳統(tǒng)掛籃，無法滿足特大跨徑、超長懸臂的波形鋼腹板連續(xù)箱梁橋施工要求。通常波形鋼腹板一般采用塔吊、汽車式起重機(jī)、浮吊三種吊裝方式，但均有局限性，如塔吊受工作范圍及長懸臂穩(wěn)定性影響，僅適合零號塊和中小跨徑橋梁施工，無法滿足波形鋼腹板長懸臂施工階段安裝施工要求；用起重機(jī)吊裝時，有一定的橋下場地要求，應(yīng)用于跨河橋梁工程的難度和經(jīng)濟(jì)壓力較大；浮吊不僅大大增加了施工投入，吊裝過程穩(wěn)定性同樣較難控制。

利用拖吊結(jié)合式掛籃進(jìn)行波形鋼腹板運(yùn)輸?shù)跹b主要流程

步驟一

通過塔吊將波形腹板起吊并放置于位于墩頂?shù)倪\(yùn)梁小車上。

步驟二

啟動位于掛籃上的電動葫蘆，將運(yùn)梁小車拖運(yùn)至掛籃前端。

步驟三

將鋼絲繩分別連接波形鋼腹板上翼緣和下翼緣，起吊上翼緣鋼絲繩，并通過下翼緣鋼絲繩控制波形鋼腹板安裝精度。

步驟四

待波形鋼腹板吊裝并精確定位后，即進(jìn)行波形鋼腹板之間的連接工作。首先通過螺栓進(jìn)行波形鋼腹板之間的連接，然后進(jìn)行焊接工作，待焊縫質(zhì)量通過檢驗(yàn)合格后，完成本節(jié)段波形鋼腹板施工。

針對大跨波形鋼腹板箱梁橋長懸臂施工過程中波形鋼腹板運(yùn)輸、吊裝的技術(shù)難題，提出了一種新型拖吊結(jié)合式掛籃結(jié)構(gòu)及施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了波形鋼腹板長懸臂施工快速吊裝和準(zhǔn)確定位。為了保證波形鋼腹板長懸臂施工快速吊裝和準(zhǔn)確定位，該掛籃結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)掛籃基礎(chǔ)上增加了運(yùn)輸軌道、運(yùn)梁小車、起吊鋼絲繩、牽引滑輪、電動葫蘆。

技術(shù)、設(shè)計等創(chuàng)新成果豐碩

中鐵十四局集團(tuán)有限公司、廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司、交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院等單位通過對該項(xiàng)目的研究，取得了諸多方面的創(chuàng)新成果。

研發(fā)了大跨波形鋼腹板箱梁施工技術(shù)，解決了施工期裂縫控制問題。提出了“內(nèi)撐外拉”式內(nèi)襯混凝土模板結(jié)構(gòu)；優(yōu)化了掛籃底板吊點(diǎn)布置；建立了波形鋼腹板箱室底板水化熱防裂應(yīng)對措施；揭示了超長體外預(yù)應(yīng)力對轉(zhuǎn)向塊和錨固塊局部受力影響，修正了錨固塊設(shè)計方案；發(fā)明了一種新型波形鋼腹板拖吊結(jié)合式掛籃結(jié)構(gòu)及施工工藝；建立了波形鋼腹板空間定位方法。

深化了大跨波形鋼腹板箱室受力機(jī)理及設(shè)計方法。國內(nèi)外首次建立了波形鋼腹板箱室豎向及橫向溫度梯度計算模型；修正了波形鋼腹板及內(nèi)襯混凝土腹板抗剪機(jī)理及計算公式；提出了帶加勁肋的新型波形鋼腹板構(gòu)造方案；首次提出了2400型波形鋼腹板設(shè)計參數(shù)；優(yōu)化了波形鋼腹板箱梁橋橫隔板間距；揭示了體外預(yù)應(yīng)力張拉順序?qū)Τ蓸蚴芰τ绊懀谎邪l(fā)了三種新型波形鋼腹板箱室底板鋼-混組合部剪力連接鍵方式。

突破了體內(nèi)預(yù)應(yīng)力、張拉力質(zhì)量智能識別技術(shù)難題。研發(fā)了錨下有效預(yù)應(yīng)力測試智能檢測設(shè)備；揭示了“拉脫法”的錨下有效預(yù)應(yīng)力測試原理；提出了體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線錨下預(yù)應(yīng)力現(xiàn)場測試流程及控制標(biāo)準(zhǔn)；開展了“拉脫法”錨下有效預(yù)應(yīng)力無損檢測技術(shù)工程應(yīng)用。

應(yīng)用于世界級工程

項(xiàng)目成果成功應(yīng)用于港珠澳大橋珠海連接線工程前山河特大橋（目前已建國內(nèi)最大跨波形鋼腹板箱梁橋）、寧夏葉盛黃河公路大橋、南通西高架站特大橋、蒙華鐵路跨漢宜高鐵特大橋等施工中，技術(shù)成果推廣應(yīng)用范圍廣，對大跨波形鋼腹板PC箱梁橋施工具有重要的技術(shù)指導(dǎo)意義。項(xiàng)目三年的整體技術(shù)應(yīng)用共為實(shí)際工程節(jié)約施工成本14000萬元,節(jié)約工期5個月。

項(xiàng)目成果授權(quán)發(fā)明專利4項(xiàng)，實(shí)用新型專利3項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文20篇，其中SCI/EI檢索5篇，核心期刊收錄6篇。依托該課題，培養(yǎng)博士研究生1名，碩士研究生5名，為本科生提供實(shí)習(xí)崗位35個；培養(yǎng)本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人才20余名，對于該領(lǐng)域人才培養(yǎng)做出了重要貢獻(xiàn)。

項(xiàng)目成果“超長懸臂施工波形鋼腹板吊裝對策及新型掛籃技術(shù)”“大跨寬幅鋼-混組合箱室力學(xué)特性與防裂控制關(guān)鍵技術(shù)”“施工過程波形鋼腹板空間定位及線形控制關(guān)鍵技術(shù)”“新型波形鋼腹板下翼緣鋼-混結(jié)合剪力鍵構(gòu)造及施工工藝”，可在同類或相似鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行推廣應(yīng)用。由于鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁具有結(jié)構(gòu)輕盈、外形美觀、受力合理、抗震性能好、工程造價經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，成為近幾年我國大力推廣及應(yīng)用的橋梁結(jié)構(gòu)形式。

該項(xiàng)目成果“體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉力質(zhì)量智能識別與控制關(guān)鍵技術(shù)”“超長體外預(yù)應(yīng)力錨固塊局部應(yīng)力分析及張拉控制關(guān)鍵技術(shù)”，不僅局限于鋼-混組合橋，對于存在體內(nèi)及體外預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)均可推廣應(yīng)用。由于近幾年國內(nèi)外橋梁工程領(lǐng)域開始重視施工階段預(yù)應(yīng)力張拉質(zhì)量控制，但國內(nèi)尚未形成有效實(shí)用的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉力定量識別方法。該項(xiàng)目成果彌補(bǔ)了目前此類檢測技術(shù)的不足，具有良好的應(yīng)用前景。

組圖：前山河特大橋波形鋼腹板橋遠(yuǎn)景圖

前山河特大橋波形鋼腹板懸灌梁整體澆筑圖

2018年1月28日，經(jīng)中國鐵建股份有限公司組織評審，以中國工程設(shè)計大師王用中大師為主任的評審委員會一致認(rèn)為：該項(xiàng)目總體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

堅(jiān)守科技創(chuàng)新

中鐵十四局集團(tuán)有限公司（簡稱“中鐵十四局”）前身系中國人民解放軍鐵道兵第四師，組建于1947年。1984年1月奉命集體轉(zhuǎn)業(yè)并入鐵道部，2001年9月改制為母子公司管理體制的現(xiàn)代企業(yè)集團(tuán)，隸屬于中國鐵建股份有限公司，是國務(wù)院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會管理的大型建筑企業(yè)，也是國內(nèi)大直徑盾構(gòu)和水下盾構(gòu)及城市軌道交通領(lǐng)域的骨干企業(yè)和龍頭企業(yè)。

中鐵十四局下轄12個子公司，2個分公司，現(xiàn)有員工14690人，其中專業(yè)技術(shù)人員總數(shù)9110人，占職工總數(shù)的60%以上，研發(fā)人員1536人，占職工總?cè)藬?shù)的11%，高級職稱1794人，中級職稱3123人；具有一級注冊建造師769人，1147資格項(xiàng)。中鐵十四局具有“4+1”項(xiàng)特級資質(zhì)，其中，集團(tuán)公司具有鐵路工程、建筑工程和市政工程、公路工程施工總承包四項(xiàng)特級資質(zhì)，所屬三公司具有公路工程特級資質(zhì)。

中鐵十四局技術(shù)中心2014年被認(rèn)定為國家級企業(yè)技術(shù)中心。目前，中鐵十四局擁有1個國家級企業(yè)技術(shù)中心，1個博士后科研工作站，5家省級企業(yè)技術(shù)中心，1個山東省省級工程技術(shù)研究中心，1個省級工程實(shí)驗(yàn)室，3家子公司被認(rèn)定為高新技術(shù)企業(yè)，為自主創(chuàng)新提供了更好的人才保障和發(fā)展平臺。

國家技術(shù)中心

博士后工作站

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中鐵十四局近十年在科技創(chuàng)新方面成績卓著，獲得國家級科技進(jìn)步及發(fā)明獎5項(xiàng)，中國土木工程學(xué)會詹天佑大獎12項(xiàng)，山東省科學(xué)技術(shù)獎等省部級科技獎30余項(xiàng)，中國鐵建股份有限公司科技進(jìn)步獎47項(xiàng)，中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會，中國施工管理企業(yè)協(xié)會等國家級協(xié)會科技進(jìn)步獎50余項(xiàng)，集團(tuán)公司共擁有國家專利530項(xiàng)，其中發(fā)明專利52項(xiàng)，軟件著作權(quán)29項(xiàng)。

科技創(chuàng)新平臺建設(shè)成效顯著，取得了一大批科技成果和知識產(chǎn)權(quán)，中鐵十四局在大盾構(gòu)工程、裝配式建筑工程、測量實(shí)驗(yàn)、城市軌道交通工程等領(lǐng)域掌握了多項(xiàng)核心技術(shù)，科技創(chuàng)新為集團(tuán)公司高質(zhì)量發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。