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  矮寨大桥关键技术研究  
  日期:2014-01-13    来源:西部项目中心  
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中国公路学会科学技术奖特等奖

1.项目简介

以矮寨大桥为依托,项目组对深切峡谷钢桁梁悬索桥结构体系、施工技术、抗风、抗震、隧道锚碇及边坡稳定性等方面展开了深入研究,取得了塔梁分离式悬索桥新结构、轨索滑移法悬索桥加劲梁架设新工艺、CFRP碳纤维材料岩锚体系以及深切峡谷风场观测新技术等一系列创新成果。

1)大桥首创了塔梁分离式悬索桥结构,减少了山体开挖,保护了环境,实现了桥梁结构与自然景观的完美融合,产生直接经济效益4882万元,为深切峡谷悬索桥提供了一种极具竞争力的桥型布置方案;通过对塔梁分离式悬索桥受力性能研究,获得了塔梁分离式悬索桥的受力特性、设计理论与设计方法,为塔梁分离式悬索桥推广应用奠定了理论基础。

2)针对深切峡谷悬索桥加劲梁架设的难题,项目组发明了“轨索滑移法”,为悬索桥提供了一种安全、经济、高效的施工方法,成为悬索桥施工的“第4种方法”,是我国桥梁技术发展历程中为数不多的原创技术。“轨索滑移法”在矮寨大桥得以成功运用,工期缩短810个月,创造直接经济效益12475万元。该工艺还可推广到中、下承式拱桥等其他桥型的施工,具有广泛的适用性和生命力。

3)针对常规岩锚体系普遍面临的结构耐久性问题,项目组开发了基于高级复合材料碳纤维锚杆、超高性能水泥基粘结锚固介质的CFRP岩锚体系,并成功应用于矮寨大桥岩锚系统,提高了结构耐久性,并大幅减小了地下锚固深度。

4)为准确掌握桥址处风环境特别是桥面高程附近的风特征,项目组创造性地提出了一种高空悬索吊挂式风环境现场观测系统,为大跨径桥梁风环境现场观测提供了一种新技术。

“矮寨大桥关键技术研究”项目组历时八年,整合8家国内知名科研机构、高等院校、设计单位、施工单位等100余位科技人员参加联合攻关,共完成了6个专题研究,发表了相关论文39篇,发明专利4项,实用新型专利3项、获得湖南省技术发明一等奖1项,中国专利优秀奖1项。项目研究成果成功的解决了矮寨大桥设计与施工过程中的诸多技术难题,有力地保障了矮寨大桥的顺利建设,获得了巨大的经济、社会效益。大桥创新成果形成了一整套深切峡谷大跨度钢桁梁悬索桥设计施工关键技术,大大推动了我国悬索桥建设技术发展,经鉴定,项目研究成果整体达国际领先水平。

正如交通运输部原总工程师凤懋润所说:“(矮寨大桥)实现了具有自主知识产权,具有中国原创性的成果,它的成果令国人鼓舞……”目前,国内四川、云南、贵州等西部山区正在规划或者建设多座峡谷悬索桥,本项目新结构、新工艺、新材料、新技术成果具有广阔的应用前景和推广价值,将大大推动悬索桥在我国西部山岭重丘区的交通基础设施建设中发挥更大更好的作用。

 

2. 立项背景(立项时国内外相关科技状况、主要技术经济指标、存在问题、立项目的)

大跨径悬索桥受力性能好,跨越能力强,外型美观、施工便捷,是跨越大江大河、海峡港湾等交通障碍的首选桥型。悬索桥起源于中国,发展于美国、欧洲,近年来在日本、中国建设较多。国内大多数已建或在建悬索桥均为在长江、珠江以及沿海海湾等地跨越,由于地质、地形条件限制,多采用重力式锚碇,钢箱梁加劲梁,国内钢桁梁悬索桥建造经验还相对较少。

矮寨大桥是山区跨越深切峡谷的大跨度钢桁梁悬索桥,两岸与隧道相连,大桥的建设面临诸多设计与施工难题。

1)对于桥隧相连的深切峡谷悬索桥,如何合理的布置索塔、加劲梁、锚碇与公路隧道等结构,选择对环境影响最小、与峡谷自然景观协调的桥型布置方案,实现“资源节约、环境友好”的设计理念是意义重大的技术难题;若采用塔梁分离式悬索桥新结构,其力学行为、设计理论与设计方法也是亟待解决的课题。

2)大桥地处特殊的高山峡谷地形,工程面临大跨(主跨1176m,是世界最大跨度的跨峡谷桥梁)、谷深(桥面距谷底355m,高度远超吊装设备适用范围)、路险(矮寨盘山公路(G209)蜿蜒盘旋,运输条件极为不便)、地狭(两岸山势跌宕,悬崖峭立,施工场地极其狭小)、气象(浓雾、雷暴天气频繁,峡谷风场复杂)等难题,常规大跨径悬索桥加劲梁架设方法均无法满足矮寨大桥安全、经济、高效的施工要求,需要开发新的施工工艺。

3)常规地锚体系普遍面临由于混凝土老化、钢筋锈蚀导致的结构耐久性问题,需开发一种高性能、耐久性好的新型岩锚体系。

4)超大跨度峡谷桥梁风场特性复杂,现有桥梁抗风设计规范无法准确描叙其风特性与风参数,然而,常规的风廓线仪方法与测风塔方法均难以准确获得峡谷桥梁桥轴向风的分布状态,必须建立适合于深切峡谷悬索桥的风观测系统及试验研究方法,以确定大桥合理的风参数,并提出切实可行的气动措施及行车侧风安全策略。

5)矮寨大桥桥隧相连,索塔、锚碇与隧道等构造物布置在同一山体,复杂地形地质条件下构造物特殊布置的基岩稳定性问题有待深入研究。

本项目在悬索桥已有的研究成果的基础上,对深切峡谷悬索桥结构体系、施工技术、抗风、抗震、隧道锚碇、岩体及边坡稳定等方面展开深入研究,以形成比较完善的深切峡谷大跨径钢桁梁悬索桥关键技术。

 

3.主要技术创新点(技术思路、关键技术、系统集成等方面)

1)提出了一种塔-梁分离式悬索桥新结构。该结构能很好地适应山区地形,减少两岸山体开挖,有效降低工程投资,实现了结构与自然的完美融合,成为一种新的山区桥梁建设方案。对新结构的力学行为开展了深入研究,获得了吊跨比对主缆应力、吊索索力、吊索应力幅、加劲梁应力与位移等结构力学参数的影响规律;对无吊索区受力性能改善措施进行了系统研究,为新型结构优化设计提供了科学依据。

2)发明了一种悬索桥加劲梁架设的新技术--“轨索滑移法”,成为悬索桥加劲梁架设的第4种方法。成功解决了深切峡谷悬索桥主梁架设难题,实现了高效、经济、安全的施工目标,同时,还将索结构的应用拓展到了大跨、重载范围。

3)研发了一种采用高性能复合材料CFRP的新型预应力岩锚体系,提出了CFRP筋粘结强度计算公式和粘结锚固段长度计算公式,建立了基于CFRPRPC的新型岩锚体系的设计理论,为解决传统预应力岩锚体系的耐久性难题提供了一种方案。

4)开发了一种悬挂式高空风环境现场观测系统。通过在桥面水平沿桥轴向布置高空悬索,可以在桥面关键断面任意布置测点,能准确获得桥面高度沿轴向的风参数分布规律,为抗风设计提供最有价值的数据。

 

4. 应用情况(生产、应用及推广情况、预期前景)

塔梁分离式悬索桥结构,减少了山体开挖,保护了环境,实现了桥梁结构与自然景观的完美融合,产生直接经济效益4882万元,为深切峡谷悬索桥提供了一种极具竞争力的桥型布置方案。

“轨索滑移法”在矮寨大桥得以成功运用,69段钢桁梁架设仅用了2个半月,与同类型桥梁相比,工期缩短810个月;减少钢桁梁永久结构用钢约2000吨,创造直接经济效益12475万元。

开发了CFRP高性能岩锚体系,并成功应用于矮寨大桥岩锚系统,大幅减小了地下锚固深度,提高了结构耐久性。

高空缆索悬挂风场测量系统能直接测量设计桥面高度处的风特征,对准确掌握峡谷风环境的特征和规律提供了技术保障。

通过本项目研究,形成了比较完善的、适合深切峡谷区的大跨径悬索桥关键技术,研究成果将使我国山区峡谷悬索桥建设跃上一个新台阶。目前国内四川、云南、贵州等西部山区正在规划或者建设多座峡谷悬索桥、斜拉桥、拱桥结构,本项目新结构、新工艺、新材料、新技术成果有广阔的应用前景和推广价值。

  
 
 
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