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1、高速公路深嵌峡谷百米高墩、宽幅连续刚构桥施工关键技术工作报告一、课题研究的目的和意义长深高速公路连接线位于福建省西北部，起于规划的海西高速网中的第六横“厦沙线”呈东北西南走向，经在建的三明市综合交通枢纽、沙县三明市区、永安市，连接厦沙高速及长深高速三明连接线，全线按双向6车道一级公路标准建设，设计等级为高速公路。本项目合同段合同造价为5.38亿元，线路全长约4.407km；主要结构物有互通立交1处，特大桥、大桥各一座总长1300m,隧道1.5座计2386.5m；其中马林大桥为全线重难点及控制性工程。马林大桥为左右幅分离式桥梁，主桥设计为(42+76+42)=160m预应力混凝土连续刚构桥跨越峡
2、谷，主桥左右幅桥平面均位于R=IoOOm圆曲线，桥面横坡3%o主桥墩身采用钢筋混凝土变截面双室薄壁空心桥墩，壁厚顺桥向为90cm,横桥向为IOOcmo墩身顶断面结构尺寸17.25mX(3-4)m,墩身断面宽度按墩高80:1增加；墩身与钻孔灌注群桩基础采用承台连接，主墩承台结构尺寸为19.4m13.5m4.5m,过渡墩承台结构尺寸为17.lmX7.7mX3.5m；群桩基础桩基采用端承桩设计。马林大桥位于三明市梅列区马林道班附近，处于深嵌V型峡谷中，峡谷两侧山坡陡峭，地形复杂，无既有道路进出桥址处，后期修建的临时便道坡度大，车辆的转弯半径小，大型的施工设备通过较困难。针对马林大桥地形复杂、运输条件
3、差、现场垂直吊装能力低的特点，需对挂篮各杆件特别是主桁架的构造、用料及连接方式进行优化设计，实现在满足承载力及刚度的前提下减轻重量，使其满足运输、吊装条件，同时降低挂篮重量，节约施工成本。同时需要提出宽幅大横坡对挂篮主桁横向联结方式和宽幅桥面对挂篮走行下横梁结构要求的解决方案，优化挂篮结构设计，降低整个挂篮的重量，解决挂篮结构型式的适应性问题。如何选择合理的高墩混凝土施工工法，解决在墩身大作业平面内大方量混凝土的浇筑,优化墩身混凝土的浇筑施工工艺，保证混凝土施工质量。马林大桥主桥箱梁和墩身混凝土方量大，梁部及墩身C50混凝土总方量大（6万方），在满足泵送混凝土工作性能的基础上，如何优化高性能混
4、凝土配合比设计，达到降低施工成本的目的，以及通过施工风险分析和制定风险控制预案。以上几个方面的研究，对保证桥梁优质、高效、安全、经济地完成施工，具有重要的意义。二、课题的组织本研究课题依托工程为福建省三明市长深高速公路连接线本项目A3合同段马林大桥，由中铁十七局集团有限公司承建，中铁十七局集团六公司参建。中铁十七局集团有限公司及中铁十七局集团六公司高度重视，专门成立了科技攻关小组，对马林大桥施工过程中挂篮的优化设计与研发、主桥高墩混凝土的施工工法和墩身垂直度的控制、墩身及梁部高性能混凝土的配合比优化，以及施工过程中的风险分析与风险控制几个方面进行了细致的技术分析和研究。围绕本项目深嵌V型峡谷百
5、米高墩和宽幅大横坡的工程特点，针对施工过程中的多项关键技术开展研究。首先搜集整理了国内外针对挂篮设计、高墩混凝土施工和高性能混凝土配合比设计的有关资料，开展各施工技术的调查研究；在调查研究的基础上，提出挂篮优化设计方案、混凝土施工工法的选择和墩身大作业平面混凝土的浇筑工艺，优化混凝土的配合比设计，并进行桥梁施工过程的风险分析和风险控制；通过理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，为桥梁施工提供理论指导，保证大桥顺利建成和安全运营。三、课题研究进行情况第一阶段：2013.4013.8,调查文献资料，根据甲方现场墩身施工进度及基础资料收集情况，完成高墩方面的施工技术总结；并适时完成相应材料及工法
6、总结；第二阶段：2013.82014.4,根据甲方现场梁部施工进度及基础资料收集情况，完成梁部方面的施工技术总结；并适时完成相应技术材料及工法总结；第三阶段：2013.4014.7,进行整个科研项目的科技成果总结；并进行科技成果鉴定查新，根据查新结果不断的进行科技成果的修改与完善，达到科技成果的鉴定的条件。第四阶段：2014.72014.9完成项目总结工作，提交完整的项目研究技术报告和典型工程应用报告，组织项目成果验收。四、研究结论与展望结合马林大桥在实际施工过程中需要解决的技术难题，采用理论分析、数值模拟、专家论证、室内试验、现场实验及监测等方法，针对马林大桥异型三角挂篮的设计与优化、超宽变
7、截面空心薄壁高墩的施工关键技术、高性能混凝土配合比设计、高墩和主梁悬臂施工风险分析与风险控制四个方面进行了研究，主要取得以下几个方面的研究结论：（1）综合三角和菱形挂篮各自优点，研究设计了一种新型挂篮形式异形三角挂篮；优化异形三角挂篮主桁架设计，主桁架的受拉构件采用强度更高的16Mn钢拉板代替以往的型钢结构，节约钢材；同时采用销轴及螺栓联结主构件简化了拼装工艺。该创新型的异形三角挂篮主桁架结构，申请了国家实用新型专利并授权（专利号：ZL201320065900.5）o通过三片主桁架阶梯式布置和连接解决宽梁面大横坡带来的相邻根主桁架之间的高差问题，提高了挂篮的通用性及利用率。对挂篮主桁架进行了优
8、化设计分析，结果表明：当夹角8o12。时，异形三角主桁架前端悬臂支点的竖向变形达到最小，在这个夹角范围内，变形值随角度的变化改变很小。主梁AB的截而应力基本不受夹角变化的影响，立杆BC的截面压应力随着夹角的变化迅速增加，斜压杆BD的应力则随着夹角的增大逐渐减小，立杆BC和斜压杆BD的应力变化曲线相交于l（）o12o之间。后拉板AC的拉应力不随夹角的改变而改变，当夹角小于12。时，拉板CD内的应力变化很小。根据挂篮主桁架的受力和整体刚度，综合考虑前上横梁下的净空对顶板施工操作空间的影响，马林大桥挂篮确定=10。为异形三角主桁架优化设计方案的最优夹角。最后通过挂篮的试压试验和数值模拟对比分析表明，
9、实测结果与理论分析结果吻合良好，挂篮在最大设计荷载作用变形和各杆件的应力限值均满足规范要求，超载系数为120%时挂篮仍处于弹性工作状态。（2）通过在挂篮底横梁增设纵向滑移梁作为下横梁的支撑构件，有效减小下横梁的受力跨度，解决了宽幅梁悬臂施工需要大刚度下横梁的难题，同时也提高了挂篮走行过程中的安全性。该创新性的挂篮底篮结构形式，申请了国家实用新型专利并授权（专利号：ZL201320065941.4）o增设滑移梁后下横梁在不利工况下（挂篮走行过程中）的最大弯矩为Minax=3.5Itonfm,仅为不设滑移梁时下横梁最大弯矩MmaX=457tonfm时的8.65%,显著地降低了下横梁内的最大弯矩。倘
10、若按等应力原则进行下横梁截面的选型，增设滑移梁时，（两根滑移梁总质量）41039.173+移根横梁总质量）21782kg=5131kg,可使后挂篮的总重减少8261kg（8261=2x6696-5131）,效果非常明显，大大减轻了挂篮的总重。不设滑移梁时，底模下横梁的单根构件重量将达到6.696t6t,超过了塔吊的最大吊装重量，且挠度和应力均严重超标，而增设滑移梁后单根构件的最大重量为1.782t,最大挠度仅为14.02mm,最大应力为54.1MPa,有效地解决了超宽梁挂篮后下横梁的现场吊装质量限制的问题和挠度过大问题。（3）马林大桥墩身采用翻模施工工法具有施工操作方便的优越性，特别是在地形条
11、件复杂、施工难度大的工程中，采用翻模施工，安全、质量、工期和成本均易控制。混凝土浇筑时，泵管末端采用三维轻型布料机进行全断面内混凝土浇筑，很好地解决了混凝土布料难的问题。研究表明：空心薄壁高墩混凝土浇筑时布料的均匀性控制，严重影响空心薄壁墩的混凝土质量和垂直度。浇筑过程中采用高精度全站仪和激光垂准仪对轴线、高程、垂直度进行了测量和控制，控制结果表明混凝土浇筑方式的选择是成功的,各项指标获得了令人满意的结果。（4）通过利用最少浆体理论进行配合比设计，对胶凝材料进行优化，用粉煤灰和矿粉取代50%左右的水泥，用最少浆体理论设计的C50混凝土比常规方法设计的混凝土塌落度减少约5%,扩展度降低约10%,
12、凝结时间减少不大于5%,虽然流动性稍有降低,但工作性仍能满足施工要求。无论是早期还是后期抗压强度均有提高，提高约5%o混凝土的弹性模量略有提高，凝结时间延长5%左右，具有更好的和易性。其早期抗压强度较低，降低约10%,但后期强度较高，提高约5%o孔结构试验表明采用最少浆体理论配制的混凝土结构更密实、更合理，抗渗性更好，且具有更好的抗裂性能。可以稍微改善混凝土的抗冻融性能，但对混凝土的抗碳化性能影响不明显。（5）根据施工过程及风险事态特点，将全桥施工过程分为若干个施工阶段内容进行风险评估，根据大桥施工阶段的划分，细分出每一施工阶段中可能出现的风险因素,据此确定了马林大桥主桥施工阶段的风险识别策略
13、和施工风险控制预案，为桥梁的安全施工奠定坚实的基础。本课题研究工作的开展，在挂篮设计与优化、混凝土配合比优化和高墩的施工工法方面都具有明显的创新性，对我国大跨度连续刚构桥的施工技术水平的提高具有重大的理论指导和实践意义，主要创新如下：（1）综合三角和菱形挂篮各自优点，自主研发了一种新型挂篮形式异形三角挂篮，获批国家实用新型专利（专利号：ZL201320065900.5）o该创新型的异形三角挂篮主桁架受拉构件采用高强度16Mn钢板代替以往的型钢结构，节约钢材，性能稳定,安全可靠；同时采用销轴及螺栓联结主构件，简化了拼装工艺。（2）自主研发了一种新型挂篮底篮结构形式，通过在挂篮底横梁增设纵向滑移梁
14、作为下横梁的支撑构件，有效减小下横梁的受力跨度，解决了宽幅梁悬臂施工需要大刚度下横梁的技术难题。该新型挂篮底篮结构获批国家实用新型专利（专利号：ZL201320065941.4）o（3）创新性地提出多根桁架挂篮前上横梁错台被接连接形式（布置方法），解决了大横坡宽幅桥面挂篮三片主桁架高差问题，满足了挂篮整体稳定及走行要求。（4）提出最少浆体理论，丰富了高性能混凝土配合比设计方法，解决了高墩大体积混凝土水化热高、坍损等技术难题，满足了马林大桥高墩混凝土泵送要求，取得显著经济效益；相关理论成果已被SCI收录。（5）首次将三维轻型混凝土布料机应用于宽幅高墩混凝土浇筑施工，解决了墩身大作业平面内大方量混凝土浇筑的均匀性难题，有效保证了混凝土施工质量和墩身垂直度，显著提高了施工工效。由于挂篮是桥梁悬臂施工过程中不可或缺的设备，将来将会有越来越多的高墩桥梁不断涌现，对挂篮的设计和高墩混凝土的施工技术研究，将显得越来越重要。因此，本项目的研究，有着广阔的应用前景，也将产生良好的经济效益和社会效益。
