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全国市政工程行业科技成果展示:大跨度市政梁式桥建设关键技术研究

    “大跨度市政梁式桥建设关键技术研究”项目于2010年2月立项,2015年2月完成,2016年4月通过项目技术成果鉴定。该项目研究由中庆建设有限责任公司、长春市市政工程设计研究院、长春市海威市政工程设计有限公司等单位联合承担。该项目成果获中国市政工程协会2017年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”一等奖,其成果适用于城市大跨度市政梁式桥梁工程施工。

    项目技术研究概况

    “大跨度市政梁式桥建设关键技术研究”项目所采用的技术原理如下:在现代结构力学原理的基础上采用有限元建模,通过发明钢束布置新方法,实现消除桥梁二次弯矩,提高预应力钢束的使用效率,减少钢束用量。基于有限元模型,借鉴国外城市的设计理念,充分开发竖向空间,提高空间利用率。基于植物固坡机理,发明生态护坡新技术,提高坡面稳定和防污能力。基于内外防护机理,将结构本身与防护层结合,同时考虑美观要求,实现提高耐久性。在大跨度市政梁式桥施工中打破常规,结合工程特点,从施工技术本身和环保角度出发,研发现代施工新工法和发明泥浆处理新方法,在提高施工质量和施工速度的同时,实现废物利用,降低施工成本,达到节约资源和保护环境的目的。

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大跨度市政梁式桥建设关键技术研究项目--长春市两横三纵快速路工程

    项目关键技术及创新点

    该项目研究的关键技术及创新点如下。

    1)大跨度预应力混凝土梁桥科学布束方法的发明与应用。

    该方法通过有限元建模分析,在变截面设计的基础上,通过改变传统的大跨径预应力混凝土梁桥设计中正弯矩钢束布置形式,实现减少预应力钢束产生二次弯矩的目的,提高预应力钢束的使用效率,减少钢束用量。该方法同时实现消除下弯钢束在箱梁底板产生的径向压力,改善底板的受力状态,从而实现取消底板预应力钢束的防崩钢筋,减少钢筋用量和板厚。该方法可大大降低大跨径预应力混凝土梁桥的工程造价,提高跨度。在特大桥工程设计中应用,实现最大跨径160 m,钢束材料成本节省30 %。检测结果显示实际挠度值与计算值相差仅为3.04 %,优越性十分明显。

    2)基于有限元模型的桥梁创新设计,实现提高城市立体交通的空间利用率。

    针对当前城市空间紧张,基于有限元模型,借鉴国外城市的设计理念,同时结合东北地区特点,研发出当前功能最完备的城市快速路立体交通系统,实现公交、非机动车辆、行人不同出行方式,开辟静态停车场,实现提高利用空间15 %以上,节约材料成本5 %。该方法应用于路线和立交节点景观设计,能够充分展现城市风貌,景观效果极佳。

    3)耐久性新技术发明及应用。

    结合桥梁结构特点,首次在钢桥面铺筑高黏高弹沥青混凝土,提高了使用年限;研发了桥梁结构涂装新型设计方法,提高耐久性和美观性。

    4)桥梁基础生态护坡技术的发明与应用。

    发明生态护坡新技术,降低运输车辆对河流或湖泊的污染影响,通过基质过滤、植物吸收和生物分解,有效的去除污染物,大大提高防护水平,推动城市生态安全技术的进步。

    5)多种先进施工方法的发明与利用。

    发明了一种防止地面污染的防护结构层和跨平台测量坐标计算系统,研发了预应力钢绞线挤压锚施工工法、现浇盖梁抱箍法模板支撑施工工法、数控机械自动化钢筋加工施工工法、城市桥梁后张法预应力智能张拉施工工法、城市跨线桥变截面连续箱梁组合式支架施工工法、后弹式扩大头回转型可回收锚索施工工法和袖阀管注浆加固施工工法,并在工程施工中成功应用,节约施工成本5 %以上,在提高施工质量、缩短工期的同时,也有效保护了环境。

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大跨度市政梁式桥建设关键技术研究成果应用项目--长春市亚泰大街与南四环立交桥工程

    与国内外同类技术的比较

    市政桥梁作为城市基础设施的重要组成部分,在疏导城市车流和人流方面发挥着重要的作用。该项目在借鉴国内外已有研究成果的基础上,取得一系列创新性研究成果,整体处于国际先进水平。

    1)在美国、日本及西欧的一些发达国家,预应力连续梁桥施工技术发展较早,并在材料、结构、设计、施工等方面积累了宝贵的生产实践经验,制定了比较完善的标准和规范。预应力混凝土连续梁桥在我国起步发展较晚,上世纪70年代才在城市桥梁工程中第一次得到应用。近几十年来,国内外在预应力混凝土连续梁桥方面的技术发展迅猛,但由于钢筋混凝土连续梁自重大,在特大桥梁建设中应用较少,其受力结构形式一直未能取得突破性进展。该项目研究通过创新性的改变桥梁布束形式,消除二次弯矩,实现预应力混凝土连续梁单跨160 m,该研究成果成功应用于长白山国际旅游度假区北区道路及市政工程1号桥梁工程施工,该工程也是中国东北地区首例应用该项目成果施工的城市大跨度梁式特大桥,其整体施工技术处于国内领先水平。

    2)基于有限元模型的桥梁创新设计,有效增加了预应力混凝土连续梁桥跨度,同时也解决了不规则受力体系问题,实现了城市立体交通的集约化,较常规设计节约成本15 %,增加土地使用面积约30 %。该技术研究成果在长春市两横三纵快速路系统中应用,获得全国优秀工程勘察设计市政公用工程一等奖,整体技术水平处于国际领先水平。

    3)目前国内外市政大跨度桥梁耐久性设计上主要是依靠桥梁结构材料自身的耐久性,而该研究项目首次在钢桥面铺筑高黏高弹沥青混凝土,大大提高了使用年限,采用涂装新型设计方法,提高耐久性和美观性。该技术的工程应用多次获得全国性的设计与施工成果奖,处于国内领先水平。

    4)河流和湖泊构成富有特色的城市景观,同时具有巨大的生态功能和娱乐价值。跨河桥梁过往车辆对河流的污染风险大,防护难度大。该项目通过发明生态护坡新技术,提高坡面土壤的稳定性、抗冲刷能力和防污能力,阻止运输车辆发生泄漏对河流或湖泊的污染。实现对SS的去除率超过60 %,对石油类污染物去除率超过80 %,远高于国内外现有技术水平。该新技术成果获得发明专利授权,并获得全国优秀工程勘察设计奖和省勘察设计奖多项,整体技术处于国际领先水平。

    5)目前大跨度梁桥施工难度较大,施工周期长,基础施工产生的泥浆对环境污染严重。该项目研究发明了地面污染防护结构层和跨平台测量坐标计算系统,研发了预应力钢绞线挤压锚施工技术、现浇盖梁抱箍法模板支撑施工技术和城市桥梁后张法预应力智能张拉施工技术等一系列施工应用技术,该系列创新技术先后获得多项发明专利和软件登记权,并被批准为7项省级施工工法。与采用常规施工方法相比较,应用该系列创新技术,可节约施工成本15 %,同时提高施工质量,减少对环境的污染,缩短施工工期,整体技术达到国内先进水平。

    与国内外现有技术相比,该项目技术能够大大降低市政桥梁建设成本,降低维护频次,提高施工速度和质量,最大程度地减少施工期和运行期对环境的污染,提高大跨度市政桥梁的应用范围,推动现代桥梁技术的发展,促进了市政桥梁建设领域技术的进步,为城市建设做出突出贡献,具有较高的推广应用价值。

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大跨度市政梁式桥建设关键技术研究成果应用项目--长春市哈尔滨大街互通立交桥工程

    项目应用成果与效益

    “大跨度市政梁式桥建设关键技术研究”项目技术成果已在长春市快速路高架桥项目、长春市城市立交桥项目、长春市轻轨桥项目、长春市跨伊通河桥梁工程和长白山旅游度假区市政桥梁等多个项目施工中得到了成功应用,经济及社会效果十分显著。

    经济效益 该项目研究技术成果的应用,大大优化了大跨度市政连续梁桥设计,实现钢束材料节省30 %,经济效益显著。该项目研究所研发的地面污染防护结构层,预应力钢绞线挤压锚施工工法、数控机械自动化钢筋加工施工工法、现浇盖梁抱箍法模板支撑施工工法、城市桥梁后张法预应力智能张拉施工工法、城市跨线桥变截面连续箱梁组合式支架施工工法、后弹式扩大头回转型可回收锚索施工工法、袖阀管注浆加固施工工法等系列施工工法,应用于一汽大众物流专用通道桥梁工程、长春市亚泰大街与南四环路立交桥工程、长春市两横两纵部分标段桥梁工程等10多个项目,有效降低了施工成本,近3年来共节约成本支出1 238万元。

    社会效益 该项目研究技术成果应用的社会效益主要体现在以下几个方面。

    1)通过发明钢束布束新方法,减少预应力钢束产生二次弯矩,提高了桥梁的安全性。通过研发新技术,提高桥梁结构的耐久性,确保桥梁的安全运行。

    2)基于有限元模型的桥梁创新设计,实现了城市立体交通的集约化,在较常规设计节约建设成本的同时,增加土地使用面积约30 %,可提高交通运行速度,有效缓解交通压力。

    3)通过优化设计和发明新的施工工法,大大缩短大跨度市政桥梁建设的周期,使项目提前投入运行,有效缓解城市交通压力。

    4)发明了生态护坡方法,最大程度地降低了桥梁经过河流和湖泊对水体污染,同时提高了景观效果,给城市居民带来赏心悦目的感受,提升城市生活品质。

    5)发明了地面污染防护方法,减少桥梁基础施工泥浆外运,在保护城市环境的同时,缓解城市交通压力。

    6)通过创新设计技术的应用,使桥梁的整体外观设计新颖,气势宏伟,成为城市中一道亮丽的风景线。 

    (中庆建设有限责任公司 供稿

    注:本文刊载于《市政技术》2019年第3期,第1、2、3页。