波形钢腹板PC箱梁桥的技术创新

文|中铁十四局集团第二工程有限公司 谷守法 刘小果

中铁十四局集团有限公司 李秀东

前山河特大桥是港珠澳大桥珠海连接线的一个重难点工程，具有同类桥型国内跨度最大、悬臂最长、应用波形钢腹板数量最多、施工节段重等主要特点。对此，项目研发了大跨波形钢腹板箱梁施工技术，解决了施工期裂缝控制问题。

突破技术瓶颈

港珠澳大桥东接香港特别行政区，西接广东省珠海市和澳门特别行政区，是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程，将形成连接珠江东西两岸新的公路运输通道。前山河特大桥是港珠澳大桥连接线的控制性工程，主桥上部结构为90+160+90米，波形钢腹板预应力混凝土连续箱梁桥，其主跨达到160米，具有同类桥型国内跨度最大、悬臂最长、应用波形钢腹板数量最多、施工节段重等主要特点。故对超长悬臂施工波形钢腹板吊装施工、大跨宽幅钢-混组合箱室防裂控制、体内预应力钢绞线张拉力质量智能识别、超长体外预应力转向块及锚固块局部应力及张拉控制、施工过程结构安全及线形控制等技术提出了严峻的考验。

“内撑外拉”模板

为了保证大跨波形钢腹板箱梁桥内衬混凝土厚度及浇筑质量，项目提出了“内撑外拉”式内衬混凝土模板结构。此模板结构采用L50×50×3毫米角钢，一端焊在栓钉上，一端顶住钢模，从而形成模板内撑结构，保证内衬混凝土浇筑厚度；通过钢模上的开孔，将Φ16螺纹钢筋一端焊接在钢腹板上，一端穿过模板开孔，用等高垫块加垫板螺母拧紧，从而形成模板外拉结构，防止由于混凝土浇筑冲击造成的模板结构变形。

暴露于外界环境下的桥梁结构，由于受到太阳辐射及大气环境等因素的影响，加之材料热传导性能较差，箱梁将产生不均匀的日照温度场。工程实践和理论分析均已表明，由此产生的温度应力甚至超出活载应力，是导致大跨箱梁桥开裂的重要原因。对此，项目开展了波形钢腹板箱室温度场现场测试试验，揭示了波形钢腹板日照场分布规律，提出了波形钢腹板箱室竖向及横向温度梯度计算模型，计算了港珠澳大桥珠海连接线前山河特大桥温度效应。

组图：前山河特大桥顺利合龙

混凝土温度传感

波形钢腹板测温枪

传统大跨及特大跨连续箱梁桥一般采用挂篮悬臂对称浇筑。由于波形钢腹板PC箱梁桥具有自身结构特点，其波形钢腹板需进行吊装施工作业。因此，仅仅依靠传统挂篮，无法满足特大跨径、超长悬臂的波形钢腹板连续箱梁桥施工要求。通常波形钢腹板一般采用塔吊、汽车式起重机、浮吊三种吊装方式，但均有局限性，如塔吊受工作范围及长悬臂稳定性影响，仅适合零号块和中小跨径桥梁施工，无法满足波形钢腹板长悬臂施工阶段安装施工要求；用起重机吊装时，有一定的桥下场地要求，应用于跨河桥梁工程的难度和经济压力较大；浮吊不仅大大增加了施工投入，吊装过程稳定性同样较难控制。

利用拖吊结合式挂篮进行波形钢腹板运输吊装主要流程

步骤一

通过塔吊将波形腹板起吊并放置于位于墩顶的运梁小车上。

步骤二

启动位于挂篮上的电动葫芦，将运梁小车拖运至挂篮前端。

步骤三

将钢丝绳分别连接波形钢腹板上翼缘和下翼缘，起吊上翼缘钢丝绳，并通过下翼缘钢丝绳控制波形钢腹板安装精度。

步骤四

待波形钢腹板吊装并精确定位后，即进行波形钢腹板之间的连接工作。首先通过螺栓进行波形钢腹板之间的连接，然后进行焊接工作，待焊缝质量通过检验合格后，完成本节段波形钢腹板施工。

针对大跨波形钢腹板箱梁桥长悬臂施工过程中波形钢腹板运输、吊装的技术难题，提出了一种新型拖吊结合式挂篮结构及施工技术，实现了波形钢腹板长悬臂施工快速吊装和准确定位。为了保证波形钢腹板长悬臂施工快速吊装和准确定位，该挂篮结构在传统挂篮基础上增加了运输轨道、运梁小车、起吊钢丝绳、牵引滑轮、电动葫芦。

技术、设计等创新成果丰硕

中铁十四局集团有限公司、广东省南粤交通投资建设有限公司、交通运输部科学研究院等单位通过对该项目的研究，取得了诸多方面的创新成果。

研发了大跨波形钢腹板箱梁施工技术，解决了施工期裂缝控制问题。提出了“内撑外拉”式内衬混凝土模板结构；优化了挂篮底板吊点布置；建立了波形钢腹板箱室底板水化热防裂应对措施；揭示了超长体外预应力对转向块和锚固块局部受力影响，修正了锚固块设计方案；发明了一种新型波形钢腹板拖吊结合式挂篮结构及施工工艺；建立了波形钢腹板空间定位方法。

深化了大跨波形钢腹板箱室受力机理及设计方法。国内外首次建立了波形钢腹板箱室竖向及横向温度梯度计算模型；修正了波形钢腹板及内衬混凝土腹板抗剪机理及计算公式；提出了带加劲肋的新型波形钢腹板构造方案；首次提出了2400型波形钢腹板设计参数；优化了波形钢腹板箱梁桥横隔板间距；揭示了体外预应力张拉顺序对成桥受力影响；研发了三种新型波形钢腹板箱室底板钢-混组合部剪力连接键方式。

突破了体内预应力、张拉力质量智能识别技术难题。研发了锚下有效预应力测试智能检测设备；揭示了“拉脱法”的锚下有效预应力测试原理；提出了体内预应力钢绞线锚下预应力现场测试流程及控制标准；开展了“拉脱法”锚下有效预应力无损检测技术工程应用。

应用于世界级工程

项目成果成功应用于港珠澳大桥珠海连接线工程前山河特大桥（目前已建国内最大跨波形钢腹板箱梁桥）、宁夏叶盛黄河公路大桥、南通西高架站特大桥、蒙华铁路跨汉宜高铁特大桥等施工中，技术成果推广应用范围广，对大跨波形钢腹板PC箱梁桥施工具有重要的技术指导意义。项目三年的整体技术应用共为实际工程节约施工成本14000万元,节约工期5个月。

项目成果授权发明专利4项，实用新型专利3项，发表学术论文20篇，其中SCI/EI检索5篇，核心期刊收录6篇。依托该课题，培养博士研究生1名，硕士研究生5名，为本科生提供实习岗位35个；培养本领域专业技术人才20余名，对于该领域人才培养做出了重要贡献。

项目成果“超长悬臂施工波形钢腹板吊装对策及新型挂篮技术”“大跨宽幅钢-混组合箱室力学特性与防裂控制关键技术”“施工过程波形钢腹板空间定位及线形控制关键技术”“新型波形钢腹板下翼缘钢-混结合剪力键构造及施工工艺”，可在同类或相似钢-混组合结构桥梁进行推广应用。由于钢-混组合结构桥梁具有结构轻盈、外形美观、受力合理、抗震性能好、工程造价经济、绿色环保等优点，成为近几年我国大力推广及应用的桥梁结构形式。

该项目成果“体内预应力钢绞线张拉力质量智能识别与控制关键技术”“超长体外预应力锚固块局部应力分析及张拉控制关键技术”，不仅局限于钢-混组合桥，对于存在体内及体外预应力的结构均可推广应用。由于近几年国内外桥梁工程领域开始重视施工阶段预应力张拉质量控制，但国内尚未形成有效实用的体内预应力钢绞线张拉力定量识别方法。该项目成果弥补了目前此类检测技术的不足，具有良好的应用前景。

组图：前山河特大桥波形钢腹板桥远景图

前山河特大桥波形钢腹板悬灌梁整体浇筑图

2018年1月28日，经中国铁建股份有限公司组织评审，以中国工程设计大师王用中大师为主任的评审委员会一致认为：该项目总体达到国际领先水平。

坚守科技创新

中铁十四局集团有限公司（简称“中铁十四局”）前身系中国人民解放军铁道兵第四师，组建于1947年。1984年1月奉命集体转业并入铁道部，2001年9月改制为母子公司管理体制的现代企业集团，隶属于中国铁建股份有限公司，是国务院国有资产监督管理委员会管理的大型建筑企业，也是国内大直径盾构和水下盾构及城市轨道交通领域的骨干企业和龙头企业。

中铁十四局下辖12个子公司，2个分公司，现有员工14690人，其中专业技术人员总数9110人，占职工总数的60%以上，研发人员1536人，占职工总人数的11%，高级职称1794人，中级职称3123人；具有一级注册建造师769人，1147资格项。中铁十四局具有“4+1”项特级资质，其中，集团公司具有铁路工程、建筑工程和市政工程、公路工程施工总承包四项特级资质，所属三公司具有公路工程特级资质。

中铁十四局技术中心2014年被认定为国家级企业技术中心。目前，中铁十四局拥有1个国家级企业技术中心，1个博士后科研工作站，5家省级企业技术中心，1个山东省省级工程技术研究中心，1个省级工程实验室，3家子公司被认定为高新技术企业，为自主创新提供了更好的人才保障和发展平台。

国家技术中心

博士后工作站

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中铁十四局近十年在科技创新方面成绩卓著，获得国家级科技进步及发明奖5项，中国土木工程学会詹天佑大奖12项，山东省科学技术奖等省部级科技奖30余项，中国铁建股份有限公司科技进步奖47项，中国岩石力学与工程学会，中国施工管理企业协会等国家级协会科技进步奖50余项，集团公司共拥有国家专利530项，其中发明专利52项，软件著作权29项。

科技创新平台建设成效显著，取得了一大批科技成果和知识产权，中铁十四局在大盾构工程、装配式建筑工程、测量实验、城市轨道交通工程等领域掌握了多项核心技术，科技创新为集团公司高质量发展奠定了坚实基础。