科技立项申请--大跨度连续钢箱梁跨河施工关键技术研究

中交第二公路工程局有限公司

科技研发项目立项申请书

项目名称：大跨度连续钢箱梁跨河施工关键技术研究

申报单位：中交第二公路工程局有限公司 

负 责 人：瞿东明

项目经费：608.96 万元

完成时间：2018年12月～2020年12月

中交第二公路工程局有限公司制订

一、立项背景

我局承建的南京至马鞍山国家高速公路油坊桥互通至刘村互通段扩建工程NM-SG4合同段，起点K3+200，终点K6+000，全长2.8 Km。

主要工程为：G匝道上跨友谊路桥（新建）桥长106.04m，J匝道上跨友谊路桥（新建）桥长106.04m，主线上跨平良大街桥（拼宽）桥长85.95m，莲花中桥（拆除重建）桥长44.48m，秦淮新河大桥（拆除重建）桥长852.2m，挖土方72802.3m3，填土方1526.9m3，双向搅拌桩246618m，PC管桩46610m，高压旋喷桩5824m。 

本标段控制性工程为秦淮新河大桥，桥梁全长837.2m。秦淮新河大桥主桥（第五联55+100+55m），采用变截面连续钢箱梁结构，钢箱梁全长为209.76m，梁端缝12cm。钢箱梁立面处在半径为10000m的竖曲线上，主桥分幅布置，单幅主梁采用双箱单室截面。钢箱梁采用工厂分块制造、工地组焊成整体，主梁的分块方式根据工厂的制造条件、运输条件及起吊设备能力等具体情况决定。为保证成桥后主梁线型，主梁中跨设预拱度。

钢箱梁顶、底板平行设置，顶、底板坡度同路面设计坡度；腹板采用直腹板。钢箱梁中间支点处梁高4.2m,设3m长的等高段，跨中梁高2.4m，支点与跨中之间的梁高采用圆弧曲线过渡。钢箱靠近设计线侧悬臂长3.0m，远离设计线侧悬臂长2.85m,(预留0.15m护栏后浇段)；悬臂根部高0.8m，端部高0.35m。悬臂采用托架形式，托架腹板厚14mm，底板厚24mm，底板宽360mm。钢箱梁的顶板为正交异形板，板厚为16mm，顶板采用“U”形肋、“T”形肋及“I”形肋三种纵向加劲肋。底板的纵向加劲肋采用“T”形加劲肋；腹板采用“I”形加劲肋。

钢箱梁纵向每1.5m设一道中间横隔板，中间支点附近加密为1.15m，中横隔板采用14mm厚的两种腹式隔板，中间开设人孔，隔板采用板式竖向肋加劲。中支点处设支撑横隔板，支撑横隔板采用28mm厚的实腹式隔板，在支点处设板式竖向支撑加劲肋。在边支点设端横隔板，端横隔板采用24mm的实腹式隔板，在支点处设板式竖向支撑加劲肋加劲。钢箱梁两箱室之间纵向每3m设置一道横梁，横梁与箱室大隔板在同一位置。一般横梁梁高1.5m，腹板厚28mm，底板厚28mm，底板宽660mm，腹板采用横、竖向板式加劲肋加劲。

钢箱梁端支点处部分梁段为压重段，压重材料为C30铁砂补偿收缩混凝土，密度为35KN/m3。为加强压重区段，在压重区段纵向两隔板之间增设横向加劲肋，环绕于底板及腹板，与纵肋相交时自然打断。为改善箱内防腐条件，钢箱梁为全封闭构造，端隔板为围焊，不设焊缝通过的切口。支座须在箱梁焊接密封前安装到位。钢箱梁采用球型支座。边支点采用JQZ-2016（1）-2.5型支座，中支点采用JQZ-2016（1）-8.0型支座。

钢箱梁柱墩采用7m*2.8m矩形墩，其中，13#水中墩高16.99m，14#水中墩高16.94m；13#、14#水中墩采用群桩式承台结构，每个承台由13根群桩式桩基构成，桩基直径均为1.5m。承台宽9m，高3m，长21.15m。

1、国内外大跨度连续钢箱梁工程简介

1850年,GeorgeStephenson第一次提出了薄壁闭口截面形式的桥梁，并建造了世界上第一座金属结构箱梁桥——英国的Britania铁路桥。然而在此后的100年间，此类型的桥很少被采用。直到二战结束后，随着对莱茵河上桥梁的修复，德国陆续建造了若干现代钢箱梁桥，打破了此前英国的Britania铁路桥跨长纪录。随着德国钢箱梁桥的兴建，钢箱梁桥在世界各国也开始盛行。

与国外钢箱梁桥相比，中国钢箱梁桥发展较晚，直到20世纪80年代中国才开始建造钢箱梁桥。1984年建成通车的马房北江大桥，是一座跨径布置为14×ｍ简支钢箱梁桥，位于广东省肇庆四会市马房镇，是中国第一座自行设计、自行施工的公路铁路两用桥。该桥公路与铁路桥面处于同一平面上，各居一侧，公路桥双车道宽9ｍ，截面为双箱，铁路为单线。之后，1986年建成的旧大北窑立交桥主桥为钢栓焊结构连续梁桥。 2000年之后，在公路桥梁中钢箱梁桥的身影越来越频繁地进入大家的视野，特别在城市立交桥和跨线桥中应用广泛。例如，江苏南通市Ｇ204国道改线跨越九圩港河直接进入南通市区的一条交通要道的九圩港大桥工程，主桥截面为单箱多室，变高度（截面）的三跨连续钢箱梁桥，桥跨布置为50＋80＋50ｍ，钢箱梁总跨度179.8ｍ。位于哈尔滨市中心的尚志至海城的跨线桥，跨度布置为51＋55＋50＋51ｍ连续钢箱梁，全桥位于直径为700ｍ的圆曲线及直线上。2008年通车的杭州留石路上塘河桥，跨径布置为57.5＋85＋56.6ｍ，截面形式为单箱多室全焊连续钢箱梁桥，其位于半径为500ｍ的圆曲线和缓和曲线上。连接上海市崇明区至江苏省启东市的崇启大桥是中国第一座特大跨径变截面连续钢箱梁公路桥，桥跨布置为102＋4×185＋102ｍ，主桥总长994ｍ，其单跨跨径在中国同类桥梁中最大。

2、研究概况

（1）、连续钢箱梁桥数量、跨径

此次收集到的连续钢箱梁桥共40座，其中30座为跨线桥或立交桥以2000年为界，连续钢箱梁桥发展经历了两个阶段：第一个阶段是2000年以前的缓慢发展阶段；第二个阶段是2000年以后的快速发展阶段。此次了解到的已知跨径最早的为1986年，最晚为2013年，前后共历经27年。就第一个阶段而言，了解到的只有2座，仅占总数的5％，最大跨径的是九圩港大桥，主跨为80ｍ；而第二个阶段占到总数的95％，最大跨径的是崇启大桥，主跨达到了185ｍ，崇启大桥建成通车时被誉为中国首座特大跨度钢箱梁公路桥。同时也实现了中国变截面、185ｍ大跨度、近1000ｍ连续钢箱梁桥施工的突破，创造了中国185ｍ节段梁整体运输、双浮吊装、精准对接技术的新纪录。 就跨径而言，已知跨径的有37座，从查阅相关资料可知： 

中国连续钢箱梁桥跨径主要集中分布在50～80ｍ 之间，总共22座，占总数的59.4％；跨径小于50ｍ 的有11座，占总数的29.7％；跨径大于80ｍ的有4座，占总数的10.9％；从总体来看，宜以80m为跨径分界，跨径在80m以下，占总数的.1％，是中国连续钢箱梁桥跨径主要分布范围；而跨径大于80m 的应用较少，仅有4座，占总数的10.9％。

（2）、钢箱梁结构构造 

截面形式 钢箱梁桥根据主梁截面形式的不同可划分为：单箱梁桥、双箱梁桥、多箱梁桥。不同的截面形式，结构受力性能与施工难易程度也不同。已知截面形式的30座连续箱梁桥中，单箱梁桥最多有24座，占总数的80.6％；双箱梁桥占总数的9.7％；多箱梁桥占总数的9.7％；由此可知，目前中国连续钢箱梁桥主梁截面以单箱梁为主。钢箱梁由于抗弯刚度和抗扭刚度较大，箱梁截面尺寸较大时，单梁具有较大的承载力。桥宽较小时，可以采用单箱结构，如兴海月亮湾立交桥桥宽为10.5ｍ。当桥宽为四～六车道时，也可采用完全分离的双幅单箱梁桥，如双向六车道的崇启大桥。因单箱结构尺寸过大，在制作、运输和安装与架设中有困难，或者单箱有效宽度很小，不经济时，采用双箱结构（宣城市日新路高架桥）或多箱结构较为合理。多箱梁桥的布置与双箱梁桥基本相同。由于多箱梁桥结构用钢量较大，只有在跨径较小、且桥宽很大时采用，如春意桥采用多箱截面的钢箱梁。为了使主梁受力均匀和改善桥面板的受力，多箱钢梁桥的主梁尽可能等间距布置。此外，仅从单箱来看，单箱单室箱梁桥有６座，占24座单箱梁桥总数的25％；单箱双室箱梁桥有３座，占总数的12.5％；单箱多室箱梁桥有15座，占总数的62.5％。由此可见，中国单箱钢梁桥通常采用单箱多室。但从结构受力特点来说单箱多室结构中间腹板对箱梁的抗扭刚度贡献不大，而且会增加施工难度和造价。

（3）、钢桥面铺装层 

钢桥面铺装是一项世界性的难题，一直是钢箱梁桥建设的难点。中国国内对钢桥面铺装技术研究起步较晚，于2000年左右引进了浇注式沥青、环氧沥青等钢桥面铺装技术。根据收集到的资料，目前中国采用的铺装材料有：改性环氧树脂沥青配制的混合料、改性沥青SMA、沥青玛碲脂混合料、浇筑式沥青混凝土。收集资料中已知铺装材料的有18座桥，铺装材料为改性沥青的有５座；铺装材料为沥青混凝土的有７座；铺装材料为沥青玛蹄脂的有２座；铺装材料为环氧沥青的有４座。

（4）、桥梁深水基础 

我国深水基础的应用始于20 世纪50 年代, 从基础尺寸、使用材料、结构形式等方面叙述深水基础发展和应用主要经历的3 个阶段, 即管柱基础、沉井基础和钻孔灌注桩基础、复合基础和特殊基础。钢板桩围堰是目前极具优势的深水基础围堰施工技术, 在客运专线和高速铁路桥梁建设中有广泛应用。其设计计算方法大多基于简化计算和工程经验;围堰施工技术的关键在于空间定位、超深钢板桩快速插打及止水等方面;通过对围堰施工过程的实时监控, 可以检验施工效果和设计的合理性、及时掌握围堰的受力和变形情况, 对施工中出现的异常情况采取措施。

3、可行性分析

(1)美国二十世纪90年代末共有五百多座桥梁的发生失效。这些失效中以钢梁桥和钢桁架桥所占比例最多为50%,第二多的是混凝土梁桥、板桥占11%。桥梁的服役期要远多于桥梁的施工期间,这是服役期成为桥梁失效发生的主要时期的主要原因。因而对连续钢箱梁施工技术进行研究,为工程实践提供参考资料，显得十分必要。

(2) 2000年以来中国钢箱梁桥发展很快,数量迅速增加,且以立交桥和跨线桥居多;主跨跨径在80 m以下建得最多,截面形式以单箱多室居多;箱梁顶板板厚以14 mm居多,底板板厚以12、14、16mm居多,加劲肋的厚度以8mm居多;横隔板板厚在10~20 mm之间,间距一般在1.5~3.6m之间;主梁高跨比分布在1/43.5~1/13之间,其中又以1/30~1/20最多;所以，对于大跨度钢箱梁加工焊接、拼装吊装和顶推等关键施工技术研究，

并将研究成果应用于未来的钢结构工程施工中，具有指导性和参考价值的纲领性技术资料。即可有效控制施工生产进度，又能确保施工安全和质量。

(3) 21世纪以来，随着我国交通事业的迅速发展，连续钢箱梁桥应用越来越广泛。从目前来看，大部分施工单位缺乏大跨径钢箱梁跨江河施工技术经验。我们可以利用先发优势，在工程实施过程中，深入研究大跨径钢箱梁跨江河施工关键技术。

综上所述，由于钢材具有强度高、材质均匀、塑性及韧性良好和可焊性好等诸多优点；因此，大跨度钢箱连续梁与传统钢筋混凝土结构连续箱梁相比有其独特的特点，其表现在以下几个方面：

①跨越能力大。由于钢材的强度高，在相同的承载能力条件下；与钢筋混凝土桥梁相比，钢桥构件的截面较小，所以钢桥的自重较轻，最适合于建造大跨度的桥梁。

②最适合于工业化制造。钢桥构件一般都是在专业化的工厂由专用设备加工制作，不受季节的，加工制造速度快、精度高，质量容易得到控制，因而工业化制造程度高。

③便于运输。由于钢桥构件的自重较轻，特别是在交通不便的山区便于汽车运输；涉水跨江、河施工便于采用轮船运输。

④安装速度快。钢桥构件便于用悬臂施工法拼装，有成套的设备可用，拼装工艺成熟。便于采用吊车或浮吊进行直接安装。

⑤钢桥构件易于修复和更换。

（4）用我国国土面积大，河流很多，在经济建设不断发展的同时，大型深水桥梁基础施工也越来越多，这类工程涉及围堰工程量大，对围堰质量要求高，所以应该不断提高钢板桩围堰施工技术，进而保证桥梁桩基质量。钢板桩是带有锁口的一种型钢, 早期钢板桩是用铆钉锁合的, 随着轧钢技术的进步, 后来制成了更好的截面形式, 主要有直板形、槽形及Z 形等, 有各种尺寸及联锁形式, 主要有套形锁口、环形锁口和阴

阳锁口三种。套形锁口的防渗性能较好, 拉森式钢板桩都采用这种锁口, 其优点是强度高、容易打入坚硬土层;可在深水中施工, 防水性能好;能按需要组成各种外形的围堰, 并可多次重复使用。所以，处于秦淮新河水中的主桥13#、14#墩拟采“HZ”组合型钢板桩围堰施工。

“HZ”组合型钢板桩围堰主要优点有：

1可现场加工，锁扣焊接量小；

2工效高，18m长的组合钢板桩6 根/（8 人·d）；

3 刚度大，减少围檩层数，减少体系转换，有效降低成本；

4施工要求低，不需大型锤击设备；

一、研发的主要内容

1、对进场的钢箱梁材料、构件按照规范要求，委托有资质单位对其性能常规试验的同时，对钢构件焊接变形控制、焊缝无损探伤（超声波探伤、射线探伤及磁粉探伤）检测等技术方面的分析研究； 

2、变截面钢箱梁分段吊装的吊具与吊点设计、临时支撑与调位系统设计以及线形监测控制等技术方面分析研究；

3、对连续钢箱梁的分段加工、运输、吊装及拼接等关键施工工序所需要的场地选址、相应成套机械设备选型等技术方案比选方面的论证研究。

4、对钢箱梁桥面铺装层，RA10冷拌环氧沥青砼、高弹改性沥青砼等铺装层材料，在施工过程中监测控制技术方面的分析研究；

5、通过钢箱梁分段加工焊接、运输、现场吊装拼接等关键技术流程研究大跨度连续钢箱梁施工工法。

6、通过对桥梁水中桥基础施工的钢板桩围堰材料、设备选型；支撑体系的内力、位移监测；插打钢板桩过程中的定位偏差控制及止水防漏措施等关键技术研究，形成完整的深水基础施工工法。

二、主要技术经济指标

1、通过对连续钢箱梁的分段加工、运输、吊装及拼接等关键施工工序所需要的场地选址、相应成套机械设备选型等技术方案比选方面的论证研究。以便形成一套“安全可靠、切实可行、经济环保、科学高效”的最佳方案。

2、通过对宁马高速秦淮新河大桥的施工技术针对性研究，总结一套大跨度连续钢箱梁的施工技术和施工工艺，为今后大跨度连续钢箱梁项目施工起到借鉴和指导作用，从而达到降低施工安全风险、提高工程质量、提高经济效益。

3、通过对该科研项目的攻关和研究，对全方位占领普通桥梁及大跨度钢构桥梁建筑方面有着不可估计的潜在市场效益。

4、专项研究报告1项，《大跨度连续钢箱梁跨河施工关键技术研究报告》形成大跨度连续钢箱梁跨河施工工艺成套研究成果。

5、国内外期刊发表论文2篇，编制大跨度连续钢箱梁跨河施工工法1篇。

结合研发项目的技术特点，依据技术实施的先后顺序及技术含量，合理制定项目研发的技术路线。

1、学习和借鉴国内外大跨度连续钢箱梁及深水桥基础钢板桩围堰施工技术，引进并加以总结消化和吸收，形成一套适用于大跨度连续钢箱梁施工及深水桥基础钢围堰施工的完整、成熟的施工技术参考资料。

2、联合苏交科设计院，研发更先进的适合大跨度连续钢箱梁及深水桥基础钢围堰施工的关键技术施工工艺。

3、制定和研究科研内容相关技术方案。

4、收集、分析研发过程获得的参数数据。

5、根据研究过程中反馈的成果信息，修订研究技术方案。

6、对改进的研究技术方案现场再次实施验证。

随着经济的发展,城市化进程的不断加快,交通日益发达,各类城市道路得到了飞跃的发展,高架桥在城市发展中占据着重要的位置。在国内外的桥梁中,混凝土立交桥较多,立交桥采用预应力混凝土技术取得了较大的跨越能力。随着钢铁工业的不断发展,市政桥梁普遍采用钢箱梁结构,钢箱梁结构已成为现代主梁的主要形式。结合具体的工程实例对大跨度连续钢箱梁施工技术的研究，对以后的类似工程施工有很强的借鉴和指导价值。中国钢箱梁桥发展较晚，应用规模不大，但是近几年发展应用速度逐年加快，设计、制作、架设等经验不断积累，研究工作也相应有了进展。中国目前仍处于大规模的交通基础设施建设时期，特别对于市政桥梁的建设，钢箱梁桥还有广阔的应用前景。

桥梁水中墩钢板桩围堰施工是桥梁基础施工的一部分，直接影响着桥梁整体质量。只要我们在对桥梁进行施工时不断地创新和总结经验，在各个环节重视工程质量，以防为主，依靠科学，规范管理，就能确保桥梁工程质量，不断提高我国铁路桥梁建设水平。

本项目的成功实施，可为大跨度连续钢箱梁及深水桥基础施工方面积淀出成熟施工技术及丰富的施工经验，进一步夯实我局在相类似桥梁工程施工方面的领先地位。

1、申报单位：中交第二公路工程局有限公司铁路工程公司

分工：负责本项目的策划管理、协调、实施和总结；负责项目的技术研究设计；负责科研成果的总结提炼和总结报告的编制；研究成果的推广应用验证、信息反馈等工作。

2、协作单位: 暂无

为保证科研项目的顺利实施，项目组根据秦淮新河大桥施工总体安排制定了科研项目各阶段的进度计划。

1、2018年12月～2019年3月进行国内外相关资料收集和现状调研，梳理技术研究路线、细化课题研究内容，编制大跨度连续钢箱梁及主桥桥基础钢板桩围堰实施性科研方案。

2、2019年3月～2019年5月按照科研项目工作大纲，开展科研各项工作；完成右半幅主桥桥基础及下部结构施工工艺研究方案的现场实施；完成右半幅钢箱梁分段焊接、加工制作及验收施工工艺研究方案的现场实施；进行跟踪、数据采集工作并研究分析数据。

3、2019年5月～2019年10月完成右半幅钢箱梁的运输、拼装吊装施及桥面铺装层施工工艺研究方案的现场实施；并开展钢箱梁施工关键技术、施工工艺研究工作；完成左半幅钢箱梁分段焊接、加工制作及验收施工工艺研究方案的现场实施；并进行跟踪、数据采集工作并研究分析数据。

4、2019年10月～2020年2月完成右半幅主桥桥基础及下部结构施工工艺研究方案的现场实施；进行跟踪、数据采集工作并研究分析数据。

5、2020年2月～2020年6月完成右半幅钢箱梁的运输、拼装吊装施及桥面铺装层施工工艺研究方案的现场实施；进行跟踪、数据采集工作并研究分析数据。

申请单位意见：

    同意上报“大跨度连续钢箱梁施工关键技术研究”科技攻关项目的立项申请。

                   申报单位负责人：

                   申报单位（盖章）：