《装配式波形钢腹板组合梁桥关键技术创新与产业化应用》

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中国桥梁建设以混凝土结构为主,需要消耗大量的水泥和砂石材料。通常采用的装配式桥梁结构形式为预应力混凝土空心板、组合小箱梁和T梁。但随着跨径加大其吊装重量显著增大,当跨径大于40米后没有适宜的装配式混凝土桥梁结构形式。

波形钢腹板组合梁桥与传统钢混组合结构梁桥相比,充分利用了波形钢板的褶皱效应和混凝土抗压强度高、波形钢腹板抗剪屈服强度高的优点,有效地将钢材、混凝土和预应力三种材料结合起来,提高了材料的使用效率,降低了工程造价。但国内外波形钢腹板组合梁桥主要采用支架现浇、悬臂浇筑或顶推等建造方式,材料用量大、现场作业多,影响了其推广应用。

经理论研究、模型试验、实桥验证、规模化应用到产业化推广,历时15年,建立了装配式波形钢腹板组合梁工业化建造产业体系,取得如下关键技术成果:

1、创新了波形钢腹板组合梁桥设计理论。提出了波形钢腹板整体与局部耦合失稳极限状态分析方法;采用解析法推导了波形钢腹板组合梁的预应力分布公式,揭示了波形钢腹板组合梁预应力传递机理和弱梁端效应;发现了波形钢腹板组合梁受载横向分布规律。

2、研发了波形钢腹板组合梁预制装配化结构体系。发明了工型、一次成箱与二次成箱三种梁型;研发了带翼缘埋入式连接件,建立了连接件承载力计算公式,比常规埋入式连接件承载力提高50%;通过全过程实桥试验研究,验证了设计理论、结构体系与连接件的可靠性。

3、形成了装配式波形钢腹板组合梁桥系列标准。提出了先预制波形钢腹板工字梁,后通过顶、底板湿接缝横向拼装为箱梁的设计和建造方法,开发了二次张拉体内预应力技术,形成了设计标准;研发了装配式波形钢腹板组合梁桥通用图,实现了结构形式、剪力连接件、制造和防腐等技术的标准化。

4、研发了波形钢板智能制造、梁体工厂化预制、架桥装备和全寿命周期数字化建管养成套技术。发明了波形钢腹板连续模压成型制造工艺,研制了大节段波形钢板制造装备,解决了波形钢板成型、焊接残余应力与变形控制等关键技术问题;建立了装配式波形钢腹板组合梁预制标准;研制了架梁专用装备,实现了400吨梁体整孔架设;基于BIM技术实现了装配式波形钢腹板组合梁全寿命周期数字化建管养。

装配式波形钢腹板组合梁用钢量在每平方米90~120kg,远低于传统钢混组合结构梁每平方米200~400kg的用钢量。相比混凝土梁桥可降低造价7%~30%,实现每公里六车道桥梁碳排放量减少1788吨以上。

项目经河南省科学技术信息研究院组织,进行了以王复明院士为组长的专家组评价,成果总体达到国际领先水平。解决了波形钢腹板组合梁桥的标准化设计、智能化制造、工厂化预制、装配化施工的系列技术问题,提升了装配式梁桥的跨越能力和桥梁的建设品质,提高了结构安全耐久性和经济性,推动了装配式波形钢腹板组合梁桥产业化发展。

该项目获国家授权专利56项,其中发明专利37项、实用新型专利19项;发表论文96篇,其中SCI/EI检索41篇、核心期刊论文45篇、会议等其他论文10篇;编制国家行业标准2项、河南省地方标准1项;获软件著作权3项;出版专著1部。成果入选2014年交通运输部科技成果推广目录,2018年获唯一的河南省交通运输科技进步特等奖,在国内多项重点项目特别是黄河特大桥等工程中得到规模化推广应用,近三年实现直接经济效益共计49623万元。

成果说明

项目在设计理论、结构体系、系列标准、波形钢板制造、工厂预制、架桥装备等关键技术方面取得突破与创新,自2005年建成第一座装配式波形钢腹板组合梁桥——泼河大桥开始,逐步从基础性理论研究、试验室模型研究、试探性实桥实验到规模化推广,形成了具有我国自主知识产权的波形钢腹板组合梁桥技术,在国内外得到了大范围应用。目前形成的设计施工规范、通用图、波形钢腹板生产线、波形钢腹板梁体预制、架桥装备等技术能满足设计、制造、施工、装备等不同企业的需求,实现了样品级、产品级到产业级的跨越,符合土建行业预制装配化、绿色公路建设、

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