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成果名称:  珠海横琴二桥设计施工关键技术研究 技术领域:  桥隧工程
体现形式:  新技术 项目名称:  珠海横琴二桥设计施工关键技术研究
完成单位:  珠海交通集团有限公司、中铁第四勘察设计院集团有限公司、中交第二航务工程局有限公司、中交第四公路工程局有限公司、华南理工大学 项目负责人:  陆汉召,罗世东,余 锋
项目成员:  林全富,张 鸿 ,赵国恩 ,江文智,张朝阳 ,陈建春 ,杨舟,邢长利 ,刘永健,金福海,王新国,瞿国钊,董继豪 ,张永涛,凌飞,王有德,李建中 ,李永乐 ,叶梅新,祝兵,任伟新,田 唯,马存明,胡 隽 ,李明水 ,雷胜前 ,邓晓岚 ,江荣丰 ,宋霞,徐振辉 ,余晓琳,何晓春,蔡德强 ,孙辉 ,夏正春 ,曾 敏 ,张 浩 ,赵建刚 ,崔红伟 ,詹光善 ,游新鹏 ,朱孟君,彭荣,何震,刘文武,余海堂,周仁忠 ,杜 松 ,陈富强 ,夏颂军 ,张大鹏 ,刘 颖 ,高捷 ,王建军 ,刘 丹 ,蒋明雷 ,卢小伟,盛建平,颜全胜,贾布裕,邹志平,吴小琴,陈舟,姚岚,陈海桦,李光凤,任巍峰,张运波
研究开始时间:  2014-04-15 研究结束时间:  2018-03-15
联系人:  李赛 联系邮箱:  601564696@qq.com
验收编号:  粤交科验字[2018]07号 验收时间:  2018-02-07
 

珠海横琴二桥设计施工关键技术研究

发布人:陆汉召,罗世东,余 锋         发布时间:2018-04-08        浏览次数:655
知识产权声明:         项目研究成果是本团队独立进行研究工作所取得的成果,研究成果归完成单位所有,如发现本项目研究成果被恶意抄袭,本项目团队将进行法律追究。

1.任务来源
            广东省交通厅2014年度科技项目,项目编号:科技-2014-02-013
2.应用领域和技术原理
            本项目成果主要应用于指导钢桁拱桥的设计和施工,以及大悬臂展翅宽箱梁桥的设计和施工。
技术原理:
1、通过全桥空间仿真静力分析,研究横琴二桥孔跨布置、合理的约束体系、结构参数的优化、施工期间的通航问题及无临时系杆施工方案、桥面结构形式及受力特点,确定其主要结构形式和施工方案,提高耐久性和经济性;
2、通过节段模型风洞试验、风致静动力响应分析、吊杆CFD分析以及风—车—桥耦合振动分析,对台风多发区大跨度钢桁拱桥抗风性能及风-车-桥耦合动力响应研究;
3、采用非线性有限元方法研究大跨度钢桁架系杆拱桥的极限承载能力,通过参数分析,得到主要影响因素,探讨总结此类桥型的破坏机理;
4、通过实验为海洋气候下桥梁钢结构提供了一种长效、经济、易修复、环保性好的防腐涂装新体系,进一步提高钢结构桥梁对海洋气候的适应性和全寿命期内的经济性;
5、通过动力有限元分析,开展大跨度钢桁系杆拱桥的抗震性能和减震体系研究,实现对大跨度钢桁系杆拱桥工程地震损伤合理有效控制;
6、通过1:5的系杆锚固超大整体节点模型试验,对钢桁拱桥关键节点的应力状态和传力特性进行研究;
7、考虑结构几何、材料双重非线性,分析主结构和大型临时结构在关键施工期横向风作用下的稳定性;通过不利工况下的数值风洞仿真分析及半刚性模型风洞实验,得到主结构和斜拉扣挂系统均匀流和紊流耦合状态下的风致响应结果,并提出降低过大位移响应的抗风措施;
8、通过调研并结合桥址环境特点,对施工总体方案及关键工况施工方案进行比选,开发了成套大跨钢桁拱桥施工技术。研究了适用于大跨钢桁拱桥的全过程自适应控制方法,确定了关键施工参数,并根据现场误差分析和理论敏感性分析结果,指导主拱及刚性系杆的无应力合龙施工,最终实现快速、精确合龙;
9、围绕超声螺栓紧固力测量技术的研究,以及基于该技术的螺栓紧固力测试仪的应用过程,研发了一套超声螺栓检测方法;
10、通过精细的实体有限元数值模拟对大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁的受力特性进行系统研究,得到该类结构应力空间分布规律,建立实用的剪力滞系数拟合方法,计算分析其有效翼缘宽度,为大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁的设计提供指导;开发了异型钢模板滑移施工模架,系统提出了大悬臂展翅预应力混凝土连续宽箱梁施工工法;
11、研究结构的性能预测评估方法,并将该方法应用于大悬臂根部混凝土抗裂评估研究,将以往的抗裂评估从静态统一思路转变为动态的信息更新。
3.性能指标
            本课题以横琴二桥为依托工程,对大跨钢桁拱桥和大悬臂展翅宽箱梁的设计和施工关键问题展开了理论和试验研究,得到一系列成果,与国内外现有成果相比具有一定的创新性,工程应用价值较高。本项目组研究内容均按照任务书严格执行,并完成了规定内容,主要达到以下性能指标:
(1)世界首次采用边中跨比1/4的超短边跨体系超大跨度钢桁拱桥;首创钢混结合预应力端门式墩及引桥压重的方案;首次在超大跨度的钢桁拱桥上采用钢-预应力混凝土桥面板组合桥面技术;研发了带临时锁定装置又可逐级调节水平力大小的14000吨大吨位支座,创新采用临时锁定纵向活动支座来承受施工期间巨大的水平力的钢梁架设新技术;首次在国内采用冷喷锌防腐涂装,创新了高温、潮湿、多盐海洋气候条件下钢结构桥梁长时、高效防腐新体系;通过风—车—桥耦合振动分析在国内率先开展了桥上车辆抗风行车准则研究;采用E型钢阻尼器与速度锁定器组合的综合减隔震措施解决钢桁拱桥横向抗震问题;超大整体节点的模型试验三维空间加载真实模拟最不利工况下节点应力状态。
(2)建立考虑几何、材料非线性的数值仿真模型,分析了典型施工工况下主结构和大型临时结构耦合状态下的结构稳定性;针对四个典型施工状态开展了风洞模型试验,得到了多个风偏角和风攻角工况下的结构响应;开发了大跨度钢桁拱桥无临时系杆施工新工艺,成功应用于横琴二桥刚性系杆施工,并形成了《大跨钢桁架系杆拱桥施工工法》;研究成果运用于横琴二桥主桥上部结构架设施工,实现主拱合龙精度纵向±10mm,横向±5mm,竖向±3mm;成桥线形精度主桥轴线偏位误差≤L/8000,高程误差≤L/5000;对大吨位活动中支座上进行了改造,在不影响原支座支撑及变位功能基础上,通过设置多个可调节钢垫块实现了渐进式纵向位移调节及拱脚限位要求,取消了临时系杆,保证了桥面下的净空距离,对桥下通航基本不产生影响;研发了超声螺栓检测方法。
(3)建立了基于克里金模型的大悬臂展翅宽箱梁结构剪力滞系数拟合方法,有效实现了对剪力滞系数的拟合,可推广应用于箱梁不同位置的剪力滞系数拟合;结合详细理论分析及现场施工,进行技术创新,针对逐孔现浇采用滑移式模板施工及膺架法成功解决了大悬臂复杂结构施工中的关键问题,系统提出了大悬臂展翅预应力混凝土连续宽箱梁施工工法;建立了基于动态贝叶斯模型的结构性能预测评估方法。
4.成果关键技术介绍
            1)横琴二桥采用了100m的小边跨体系,并创造性的解决了短边跨钢桁梁边支座出现拉力的问题;
2)采用刚性钢结构系杆和柔性系杆共同受力的混合系杆体系;
3)研发了带临时锁定装置的140000kN大吨位支座,将大吨位纵向活动支座改造为临时纵向固定支座,用两个固定支座替代传统临时系杆承受施工期间拱圈的纵向水平推力;
4)采用了密纵梁分段预应力叠合混凝土桥面板结构体系,有效解决板桁受力分离技术难题;
5)通过节段模型风洞试验、风致静动力响应分析、吊杆CFD分析以及三维非线性静风稳定性分析,验证了桥梁结构的抗风安全性。并通过风—车—桥耦合振动分析在国内率先开展了桥上车辆抗风行车准则研究;
6)采用E型钢支座与速度锁定器的综合减隔震措施,可以有效减小边墩和主墩的横向地震响应;
7)实验研究了冷喷锌防腐涂装在横琴二桥海洋腐蚀性环境下的各项性能,为高盐、高湿海洋气候下桥梁钢结构提供了一种长效、经济、易修复、环保性好的防腐涂装新体系;
8)系杆锚固超大整体节点的模型试验采用三维空间加载,真实模拟了最不利工况下节点的应力状态;
9)形成了强风地区大跨钢桁拱桥施工及控制成套技术,解决了横琴二桥拼装精度高、合龙影响因素多的技术难题,实现了主拱安全、快速合龙,且合龙精度达到纵向±10mm,横向±5mm,竖向±3mm,成桥主拱线形误差10)形成了滨海地区桥梁专用高栓无损检测方法,该方法考虑了滨海地区多种复杂因素对高栓预紧力的影响,测试效率高,精度可靠,具有良好的工程应用前景;  
11)建立了基于Kriging模型的剪力滞系数拟合方法,有效的实现了对大悬臂展翅宽箱梁桥剪力滞系数的拟合,拟合的误差在千分位范围内,该法可以推广应用于箱梁不同位置的剪力滞系数拟合;
12)开发了异型钢模板滑移施工模架,系统提出了大悬臂展翅预应力混凝土连续宽箱梁施工工法;该方法成功解决了大悬臂展翅翼板结构复杂构件施工中的关键问题,节约了成本,加快了进度,同时保证了工程的质量和安全;
13)提出了基于动态贝叶斯网络模型的结构性能预测评估方法,实现基于检测信息对结构性能的持续更新分析,并将该方法应用于大悬臂根部混凝土抗裂评估研究。
5.与国内外同类技术比较
            本项目以横琴二桥为工程背景,针对大跨度钢桁拱桥和大悬臂展翅宽箱梁桥的设计和施工展开了理论和试验研究,得到了一整套可应用于指导同类桥梁设计和施工的方法和参数。本项目研究成果与国内外同类技术相比,具有明显的创新性,内容全面,试验数据多,可靠性高,工程意义大,并已在珠海横琴二桥的工程实践中得了充分的考验。
通过国内外查新结果表明,珠海横琴二桥具有如下突出的技术特点:
1)桥面最宽、桁间距最大的大跨度钢桁拱桥:主桥整幅桥面宽33.5m,两片主桁中心间距36m,在主跨400m以上的大跨度钢桁拱桥上排名第一,且为国内最大跨度的公路钢桁拱桥(不含公铁、公轨合建)。
2)边跨中跨比≤0.25的短边跨体系的大跨度钢桁拱桥:本桥主跨400m,边跨仅100m,边跨与主跨比仅为0.25。
3)首次在主跨400m以上的大跨度中承式连续刚桁拱桥上采用钢-混结合桥面。
4)首次采用带有临时锁定装置且可逐步调节纵向位移的14000t的大吨位支座。
5)首次采用冷喷锌防腐涂装的大跨度钢桁拱桥。
6)首次在大跨度钢桁拱桥上采用E型钢阻尼器与速度锁定器组合的综合减隔震措施。
7)首次在系杆拱桥施工阶段开展了半刚性模型风洞实验,并提出合理抗风措施。
8)首次提出了适用于钢桁拱桥的全过程自适应控制体系。
9)本项目研发了位移补偿技术,通过边墩、中墩的调位系统预先补偿钢拱施工变形发生的大位移,实现快速、精确主拱和刚性系杆合龙。
10)首次提出了无临时系杆的刚性系杆合龙施工工艺,利用渐进纵向锁定大吨位拱脚支座精确调节中跨桥面合龙距离,避免了以往先拱后梁施工通常采用的临时柔性系杆张拉工艺,节省了工期,节约了投资,提高了施工精度和质量。
11)针对滨海区桥梁高强螺栓预紧力受温度及湿度影响大,研发了基于声时原理及温度补偿的多因素影响下的螺栓预紧力无损测试技术,解决了桥梁专用高栓应力高精度分析难题。
12)横琴二桥南引桥采用40-60m的大悬臂展翅宽箱梁新型结构型式,箱梁顶宽33.5m,悬臂长度8m,桥墩占地宽度仅10m,相比较常规城市桥梁大大节省了城市空间。在国内外已建成的连续箱梁桥中,未见整幅箱梁宽度及悬臂长度同时达到此水平的桥梁。
13)目前常用的结构性能预测评估方法,多为静态评估,本项目提出的基于动态贝叶斯网络的模型的结构性能预测评估方法,实现基于检测信息对结构性能的持续更新分析。
6.成果的创造性、先进性
            本项目主要具有以下创新:
1)创造性地将钢桁梁的端竖杆及端横梁采用预应力混凝土结构,形成端门式墩,缩短了桥梁的边跨,消除了边支座的负反力,使主桥全部位于直线上,优化了结构,实现了引桥与主桥不同结构间的良好过渡,具有良好的经济性,桥梁景观造型更加突出。
2)首次提出了大跨度钢桁拱桥无临时系杆悬拼施工方法,取消临时系杆,研发了带临时锁定装置的140000kN的大吨位抗推支座,将大吨位纵向活动支座改造为临时纵向固定支座,用两个固定支座替代传统临时系杆承受施工期间拱圈的纵向水平推力。
3)首次提出横桥向边墩采用E型钢阻尼器,主墩采用速度锁定器的支座约束减震体系,有效地提高了桥梁的抗震性能,并确定了合理横桥向E型钢阻尼器和纵桥向粘滞阻尼器设计参数。
4)采用密纵梁体系分段预应力叠合混凝土桥面板的钢-混结合桥面。相比传统正交异性板桥面系结构,节省了桥面系用钢量、避免了钢正交异性桥面板超载疲劳问题、提升了桥面结构抗风性能;相比传统板桁结合的整体混凝土桥面,采用板与主桁仅通过横梁弱联系,有效的解决了板桁受力分离技术难题,在此基础上采用分段预应力技术,更进一步提升了预应力效率。
5)首次开展了大跨钢桁拱桥拟弹性模型风洞试验技术研究,实现了施工期主桁拱及扣塔结构耦合状态下结构风致响应和稳定分析,提出了可靠抗风对策,保障了强风条件下结构施工安全。
6)建立了适用于钢桁拱桥的自适应几何控制体系,通过参数敏感性分析、杆件无应力长度修正、架设参数优化、一次性张拉扣背索等措施,实现主拱高精度合龙,成桥主拱线形精度优于L  /5000。研发了无临时系杆的钢主梁合龙技术及纵向渐进锁定装置,实现了钢主梁高精度无应力合龙。
7)研发了基于声时原理的群栓超声预紧力检测技术,提高了检测效率。
8)针对大悬臂展翅预应力混凝土宽箱梁的受力特性进行了系统的研究,得到了该类结构横向应力、纵向应力的空间分布规律,建立了基于克里金模型的大悬臂展翅宽箱梁结构剪力滞系数拟合方法;
9)开发了异型钢模板滑移施工模架,系统提出了大悬臂展翅预应力混凝土连续宽箱梁施工工法;该方法成功解决了大悬臂展翅翼板结构复杂构件施工中的关键问题,节约了成本,加快了进度,同时保证了工程的质量和安全。
10)提出了基于动态贝叶斯网络模型的结构性能预测评估方法,实现基于检测信息对结构性能的持续更新分析,并将该方法应用于大悬臂根部混凝土抗裂评估研究。
7.作用意义
            有关成果已在珠海横琴二桥工程实践中得到了应用,并在实践中得到了进一步发展和完善。横琴二桥主桥施工过程进展顺利,合拢精度高,主梁线形和结构内力均高标准的满足设计要求。横琴二桥主桥施工缩短工期约6个月,节约施工经费约1200万元,南引桥节省施工经费约300万元。
横琴二桥主桥采用的钢桁拱桥,有诸多优点,但作为国内首座在沿海及海洋环境下修建的公路最大跨度钢桁拱桥,其在海洋气候下的适应性、在深厚软土层地区的综合减隔震措施、强风地区施工阶段抗风性能及稳定性、施工及控制问题、高强螺栓检测等方面却缺乏有效的经验和数据,本项研究正好弥补了这一不足,这将大大推动该类桥型的建设,具有重要的社会效益。
横琴二桥南引桥采用的大悬臂展翅宽箱梁新型结构型式,相比较常规城市桥梁大大节省了城市空间。在国内外已建成的连续箱梁桥中,未见整幅箱梁宽度及悬臂长度同时达到此水平的桥梁,其受力特性和施工工艺等的研究尚不完善,本项目所进行的研究,可为形成大悬臂展翅预应力混凝土连续宽箱梁桥梁设计规范做前期准备,提升相关研发、设计、施工行业的技术水平,促进该类桥向更大跨度发展,并推动此类结构在城市市政桥梁中得到广泛应用,以减少资金投入,达到良好的社会、经济效益。
在横琴二桥设计和施工阶段进行的大量科研工作,对珠海交通要道工程——横琴二桥的建设起到积极的支撑作用,同时也验证了在沿海及海洋环境下修建大跨度钢桁拱桥的可行性和合理性;实践了大跨径大悬臂展翅宽箱梁新型结构型式在城市交通中的应用,为更大限度的利用有限的空间发挥最大的交通能力提出了一种新的可能。实践表明,该项目的研究成果不仅为大桥的成功修建起到了关键的作用,并为我国正在修建的其他滨海地区桥梁提供理论依据和实用技术,对促进和推动大跨度钢桁拱桥技术和大悬臂宽箱梁技术的发展和全面进步,具有重要与不可忽视的作用。
8.推广应用前景与措施
            大跨度桥梁是国民经济和社会发展的重要基础设施,也是交通行业新技术集中应用与创新的综合体现。大跨钢桁拱桥由于其刚度大、稳定性好,非常适合在风力大、地震烈度较高的山区峡谷、跨江跨海地区建设应用。
本项目依托珠海横琴二桥主桥钢桁拱桥,对海洋气候下大跨径栓焊钢桁梁的适应性、综合减隔震措施、系杆锚固超大整体节点的应力状态、强风地区大跨钢桁拱桥施工期结构稳定性及抗风性能、施工与控制关键技术、潮湿环境高强度螺栓预张力控制及检测技术等内容进行了深入研究。本项目的成功研发,将进一步推动我国大跨钢桁拱桥建设发展,并为其提供极具参考价值的宝贵经验。
本项目研究成果在横琴二桥建设过程中的成功应用表明:经过深入研究,总结提炼,针对滨海地区钢桁拱桥建设已形成了较为成熟的成套技术,可用于指导类似工程施工,具有缩短现场作业时间、提高作业工效、确保工程质量的效果;技术成果能够适应强风频发给大跨钢桁拱桥施工带来的挑战,可以提高高温高湿环境不利影响下的螺栓检测精度,解决高栓连接大跨度钢桁拱桥制造线形、安装线形和成桥线形匹配精度要求高的难题。
城市交通的飞速发展与城市道路交通容量过小之间的矛盾越来越突出,为了最大限度的利用有限的空间发挥最大的交通能力,城市高架线路一般桥梁面都比较宽大,同时要求其尽量少占用地。对于宽度大于30m的整幅箱梁,腹板数较多,设计难度大,经济性差,且梁体悬臂短,底宽较宽,整体结构侵占地面道路的高度空间。本项目依托横琴二桥南引桥,采用整幅大悬臂展翅宽箱梁,深入研究大悬臂展翅预应力宽箱梁结构的空间受力特性、施工工艺、混凝土耐久性施工控制及大悬臂展翅预应力混凝土连续宽箱梁抗裂分析及结构性能预测评估技术等内容,克服了现有大悬臂展翅箱梁桥在常规技术下的不足,提供一种结构形式更好,且地面空间占用更少的梁型应用于城市交通。
本项目研究针对大悬臂展翅预应力混凝土连续宽箱梁的关键技术问题进行研究,可推动该类新颖桥型的应用及普及,提升相关研发、设计、施工行业的技术水平。该研究项目成果的取得与推广,可保证横琴二桥南引桥工程安全、顺利的完成,减小采用此类结构而可能带来的技术风险。同时可提高大跨度预应力混凝土连续梁桥的设计与施工水平,促进该类桥向更大跨度发展,并推动此类结构在市政桥梁中得到广泛应用,以减少资金投入,达到良好的社会、经济效益。
9.推广应用存的问题和改进意见
            综合考虑课题研究所取得的成果及其推广应用情况,结合国内外相关技术领域研究现状,有以下几点建议:
(1)建议在国内类似工程建设中进一步推广应用课题研究成果;
(2)进一步研究恶劣环境下钢桁拱桥架设技术,在本课题基础上继续完善高精度、安全、可靠的架设方法和控制体系,建立一套完整全面的栓接大跨钢拱桥施工方法,为今后栓接大跨钢桁拱桥建设提供有效解决方案。
10.相关附件材料
[application/pdf]研究报告(公开简版) 2018-04-08 下载 50 次
[application/pdf]项目研究工作总结 2018-04-08 下载 0 次
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