波形鋼腹板PC箱梁橋的技術創新

文|中鐵十四局集團第二工程有限公司 谷守法 劉小果

中鐵十四局集團有限公司 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工程，具有同類橋型國內跨度最大、懸臂最長、應用波形鋼腹板數量最多、施工節段重等主要特點。對此，項目研發了大跨波形鋼腹板箱梁施工技術，解決了施工期裂縫控制問題。

突破技術瓶頸

港珠澳大橋東接香港特別行政區，西接廣東省珠海市和澳門特別行政區，是國家高速公路網規劃中珠江三角洲地區環線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關鍵性工程，將形成連接珠江東西兩岸新的公路運輸通道。前山河特大橋是港珠澳大橋連接線的控制性工程，主橋上部結構為90+160+90米，波形鋼腹板預應力混凝土連續箱梁橋，其主跨達到160米，具有同類橋型國內跨度最大、懸臂最長、應用波形鋼腹板數量最多、施工節段重等主要特點。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、體內預應力鋼絞線張拉力質量智能識別、超長體外預應力轉向塊及錨固塊局部應力及張拉控制、施工過程結構安全及線形控制等技術提出了嚴峻的考驗。

“內撐外拉”模板

為了保證大跨波形鋼腹板箱梁橋內襯混凝土厚度及澆筑質量，項目提出了“內撐外拉”式內襯混凝土模板結構。此模板結構采用L50×50×3毫米角鋼，一端焊在栓釘上，一端頂住鋼模，從而形成模板內撐結構，保證內襯混凝土澆筑厚度；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構，防止由于混凝土澆筑沖擊造成的模板結構變形。

暴露于外界環境下的橋梁結構，由于受到太陽輻射及大氣環境等因素的影響，加之材料熱傳導性能較差，箱梁將產生不均勻的日照溫度場。工程實踐和理論分析均已表明，由此產生的溫度應力甚至超出活載應力，是導致大跨箱梁橋開裂的重要原因。對此，項目開展了波形鋼腹板箱室溫度場現場測試試驗，揭示了波形鋼腹板日照場分布規律，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。

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

傳統大跨及特大跨連續箱梁橋一般采用掛籃懸臂對稱澆筑。由于波形鋼腹板PC箱梁橋具有自身結構特點，其波形鋼腹板需進行吊裝施工作業。因此，僅僅依靠傳統掛籃，無法滿足特大跨徑、超長懸臂的波形鋼腹板連續箱梁橋施工要求。通常波形鋼腹板一般采用塔吊、汽車式起重機、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；用起重機吊裝時，有一定的橋下場地要求，應用于跨河橋梁工程的難度和經濟壓力較大；浮吊不僅大大增加了施工投入，吊裝過程穩定性同樣較難控制。

利用拖吊結合式掛籃進行波形鋼腹板運輸吊裝主要流程

步驟一

通過塔吊將波形腹板起吊并放置于位于墩頂的運梁小車上。

步驟二

啟動位于掛籃上的電動葫蘆，將運梁小車拖運至掛籃前端。

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，即進行波形鋼腹板之間的連接工作。首先通過螺栓進行波形鋼腹板之間的連接，然后進行焊接工作，待焊縫質量通過檢驗合格后，完成本節段波形鋼腹板施工。

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輸、吊裝的技術難題，提出了一種新型拖吊結合式掛籃結構及施工技術，實現了波形鋼腹板長懸臂施工快速吊裝和準確定位。為了保證波形鋼腹板長懸臂施工快速吊裝和準確定位，該掛籃結構在傳統掛籃基礎上增加了運輸軌道、運梁小車、起吊鋼絲繩、牽引滑輪、電動葫蘆。

技術、設計等創新成果豐碩

中鐵十四局集團有限公司、廣東省南粵交通投資建設有限公司、交通運輸部科學研究院等單位通過對該項目的研究，取得了諸多方面的創新成果。

研發了大跨波形鋼腹板箱梁施工技術，解決了施工期裂縫控制問題。提出了“內撐外拉”式內襯混凝土模板結構；優化了掛籃底板吊點布置；建立了波形鋼腹板箱室底板水化熱防裂應對措施；揭示了超長體外預應力對轉向塊和錨固塊局部受力影響，修正了錨固塊設計方案；發明了一種新型波形鋼腹板拖吊結合式掛籃結構及施工工藝；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理及設計方法。國內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襯混凝土腹板抗剪機理及計算公式；提出了帶加勁肋的新型波形鋼腹板構造方案；首次提出了2400型波形鋼腹板設計參數；優化了波形鋼腹板箱梁橋橫隔板間距；揭示了體外預應力張拉順序對成橋受力影響；研發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。

突破了體內預應力、張拉力質量智能識別技術難題。研發了錨下有效預應力測試智能檢測設備；揭示了“拉脫法”的錨下有效預應力測試原理；提出了體內預應力鋼絞線錨下預應力現場測試流程及控制標準；開展了“拉脫法”錨下有效預應力無損檢測技術工程應用。

應用于世界級工程

項目成果成功應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，技術成果推廣應用范圍廣，對大跨波形鋼腹板PC箱梁橋施工具有重要的技術指導意義。項目三年的整體技術應用共為實際工程節約施工成本14000萬元,節約工期5個月。

項目成果授權發明專利4項，實用新型專利3項，發表學術論文20篇，其中SCI/EI檢索5篇，核心期刊收錄6篇。依托該課題，培養博士研究生1名，碩士研究生5名，為本科生提供實習崗位35個；培養本領域專業技術人才20余名，對于該領域人才培養做出了重要貢獻。

項目成果“超長懸臂施工波形鋼腹板吊裝對策及新型掛籃技術”“大跨寬幅鋼-混組合箱室力學特性與防裂控制關鍵技術”“施工過程波形鋼腹板空間定位及線形控制關鍵技術”“新型波形鋼腹板下翼緣鋼-混結合剪力鍵構造及施工工藝”，可在同類或相似鋼-混組合結構橋梁進行推廣應用。由于鋼-混組合結構橋梁具有結構輕盈、外形美觀、受力合理、抗震性能好、工程造價經濟、綠色環保等優點，成為近幾年我國大力推廣及應用的橋梁結構形式。

該項目成果“體內預應力鋼絞線張拉力質量智能識別與控制關鍵技術”“超長體外預應力錨固塊局部應力分析及張拉控制關鍵技術”，不僅局限于鋼-混組合橋，對于存在體內及體外預應力的結構均可推廣應用。由于近幾年國內外橋梁工程領域開始重視施工階段預應力張拉質量控制，但國內尚未形成有效實用的體內預應力鋼絞線張拉力定量識別方法。該項目成果彌補了目前此類檢測技術的不足，具有良好的應用前景。

組圖：前山河特大橋波形鋼腹板橋遠景圖

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，經中國鐵建股份有限公司組織評審，以中國工程設計大師王用中大師為主任的評審委員會一致認為：該項目總體達到國際領先水平。

堅守科技創新

中鐵十四局集團有限公司（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月奉命集體轉業并入鐵道部，2001年9月改制為母子公司管理體制的現代企業集團，隸屬于中國鐵建股份有限公司，是國務院國有資產監督管理委員會管理的大型建筑企業，也是國內大直徑盾構和水下盾構及城市軌道交通領域的骨干企業和龍頭企業。

中鐵十四局下轄12個子公司，2個分公司，現有員工14690人，其中專業技術人員總數9110人，占職工總數的60%以上，研發人員1536人，占職工總人數的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。中鐵十四局具有“4+1”項特級資質，其中，集團公司具有鐵路工程、建筑工程和市政工程、公路工程施工總承包四項特級資質，所屬三公司具有公路工程特級資質。

中鐵十四局技術中心2014年被認定為國家級企業技術中心。目前，中鐵十四局擁有1個國家級企業技術中心，1個博士后科研工作站，5家省級企業技術中心，1個山東省省級工程技術研究中心，1個省級工程實驗室，3家子公司被認定為高新技術企業，為自主創新提供了更好的人才保障和發展平臺。

國家技術中心

博士后工作站

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

科技創新平臺建設成效顯著，取得了一大批科技成果和知識產權，中鐵十四局在大盾構工程、裝配式建筑工程、測量實驗、城市軌道交通工程等領域掌握了多項核心技術，科技創新為集團公司高質量發展奠定了堅實基礎。