揭秘南京五橋粗骨料活性粉末混凝土鋼-混組合梁技術(shù)

文/中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

獲獎(jiǎng)等級(jí)：一等獎(jiǎng)

項(xiàng)目名稱(chēng)：粗骨料活性粉末混凝土鋼-混組合梁及快速組拼建造技術(shù)

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“粗骨料活性粉末混凝土鋼-混組合梁及快速組拼建造技術(shù)”項(xiàng)目的依托工程——南京長(zhǎng)江第五大橋，位于江蘇省南京市城市中心地帶，是連接主城和江北新區(qū)的重要紐帶，全線按一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，工程南岸順接已通車(chē)的青奧軸線地下工程，北止于寧合高速五里橋互通，路線全長(zhǎng)10.33公里。

南京長(zhǎng)江第五大橋的跨江主橋?yàn)榭v向鉆石型索塔中央雙索面三塔組合梁斜拉橋，總造價(jià)11.44億元，綜合單價(jià)每平方米1.7875萬(wàn)元，橋跨布置為80+218+600+600+218+80=1796米，是近10年來(lái)長(zhǎng)江中下游已建跨江大橋單價(jià)最優(yōu)的經(jīng)典工程。

在“粗骨料活性粉末混凝土鋼-混組合梁及快速組拼建造技術(shù)”項(xiàng)目的支撐下，南京長(zhǎng)江第五大橋建成的輕量化高性能鋼-混組合結(jié)構(gòu)與橋梁建筑美學(xué)相結(jié)合，孕育出了結(jié)構(gòu)挺拔、優(yōu)雅、簡(jiǎn)潔的大橋。其與周?chē)h(huán)境融為一體，相互襯托，成為當(dāng)?shù)刈罹邩?biāo)志性的建筑。

高性能組合結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新性應(yīng)用

近年來(lái)，環(huán)境保護(hù)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，低碳環(huán)保成為社會(huì)焦點(diǎn)；原材料的限制性開(kāi)采及其生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的影響制約了大批量合格建筑材料的獲?。挥行趧?dòng)力的不足和勞動(dòng)力成本增加使勞動(dòng)密集型施工工藝逐漸失去市場(chǎng)。集約高效、安全耐久、經(jīng)濟(jì)適用、綠色低碳，適合工業(yè)化建造的輕量化高性能結(jié)構(gòu)成為大跨度斜拉橋的首選。

大跨徑斜拉橋主梁以鋼筋混凝土板替代正交異性鋼橋面板形成的鋼-混組合梁，可提高橋面板結(jié)構(gòu)剛度，規(guī)避鋼橋面系的疲勞開(kāi)裂、有效降低建造和維養(yǎng)投入。但鋼、混材料性能的巨大差距，導(dǎo)致鋼-混組合梁中鋼材性能無(wú)法有效發(fā)揮、厚重的橋面板使結(jié)構(gòu)自重相對(duì)較大、長(zhǎng)期荷載下鋼混間內(nèi)力重分配存在不確定性、結(jié)構(gòu)形式與工業(yè)化建造契合度有待提升等問(wèn)題，成為制約橋梁向更大跨度發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

在南京長(zhǎng)江第五大橋項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過(guò)研發(fā)新型超高性能水泥基材料，并應(yīng)用于組合梁橋面板，可有效提高組合梁中鋼、混兩種材料性能匹配度，提升主梁結(jié)構(gòu)整體性能、降低結(jié)構(gòu)自重，使鋼混組合梁能更好地適應(yīng)工廠化、自動(dòng)化制造。

此外，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還在南京長(zhǎng)江第五大橋上首次研發(fā)并采用了鋼殼-混凝土組合索塔，該項(xiàng)研究成果不僅擁有優(yōu)良的承載能力和結(jié)構(gòu)延性，而且具有現(xiàn)場(chǎng)施工便捷、外觀質(zhì)量好、耐久性出色等優(yōu)點(diǎn)。

兩種高性能組合結(jié)構(gòu)的研發(fā)和應(yīng)用，將南京長(zhǎng)江第五大橋打造成為了輕量化高性能、環(huán)境友好、適應(yīng)工業(yè)化建造要求的首座全鋼混組合結(jié)構(gòu)斜拉橋，同時(shí)使其具備挺拔、簡(jiǎn)潔、流暢的美感，達(dá)到了結(jié)構(gòu)力學(xué)與美學(xué)的和諧統(tǒng)一。

鋼-粗骨料活性粉末混凝土組合梁的研發(fā)

CA-RPC研發(fā)

要降低鋼-混組合梁結(jié)構(gòu)自重、提高結(jié)構(gòu)綜合性能，必須設(shè)法提升混凝土的材料性能，使鋼和混凝土兩種材料具有更好的匹配度。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)依據(jù)活性粉末混凝土設(shè)計(jì)理論，通過(guò)對(duì)極低水膠比條件下復(fù)雜膠凝體系競(jìng)爭(zhēng)水化機(jī)制和界面微結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)理的研究，以及納米增強(qiáng)、多尺度增韌、多元減縮等系列功能材料的研發(fā)，突破了超高性能混凝土不含粗骨料和必須熱養(yǎng)護(hù)的技術(shù)瓶頸，發(fā)明了高彈性模量（大于54GPa）、高初裂強(qiáng)度（大于等于13兆帕）、低總收縮（小于300微應(yīng)變）、低徐變（徐變系數(shù)小于0.35）的粗骨料活性粉末混凝土（CA-RPC）。與常規(guī)RPC需要在蒸汽等條件下養(yǎng)護(hù)才可獲得高性能不同，CA-RPC通過(guò)常規(guī)養(yǎng)護(hù)即可獲得優(yōu)異材料性能，使其在橋梁領(lǐng)域具備大規(guī)模應(yīng)用條件的同時(shí)，材料成本和應(yīng)用成本均得到降低。

鋼與CA-RPC組合結(jié)構(gòu)性能

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用粗骨料活性粉末混凝土優(yōu)異的材料性能，首創(chuàng)了高性能、輕型化鋼-混組合梁體結(jié)構(gòu)，有效提升了組合結(jié)構(gòu)中鋼和混凝土兩種材料的匹配度，降低結(jié)構(gòu)自重35%；研發(fā)鋼、混構(gòu)件間的組合連接構(gòu)造，減少組合結(jié)構(gòu)中混凝土濕接縫的存在，提高鋼混組合梁的整體性能。優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能，使鋼與CARPC組合結(jié)構(gòu)擁有了更廣泛的適用性，具備了適應(yīng)千米級(jí)跨越的能力。

此外，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還系統(tǒng)性地開(kāi)展了粗骨料活性粉末混凝土橋面板正截面抗彎、斜截面抗剪、縱向抗剪、鋼筋拔出、剪力釘抗剪、彎曲疲勞試驗(yàn)研究，提出了裂縫寬度、剛度、抗彎、抗剪承載力、縱向抗剪承載力及鋼筋粘結(jié)錨固，以及鋼-混組合梁鋼-混界面抗剪、抗彎承載力設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)建立了鋼-粗骨料活性粉末組合梁及橋面板設(shè)計(jì)理論和方法，為結(jié)構(gòu)進(jìn)一步推廣使用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

數(shù)控自動(dòng)化CA-RPC橋面板生產(chǎn)線

為使CA-RPC橋面板充分發(fā)揮材料應(yīng)有性能，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于材料特性，研發(fā)了均勻布料、陣列振搗、排氣整平覆膜等系列智能化設(shè)備，建立了多設(shè)備交叉作業(yè)的拓?fù)潢P(guān)系，制造出世界首條數(shù)控自動(dòng)化CA-RPC橋面板生產(chǎn)線。發(fā)明了高精度模臺(tái)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了混凝土板件與鋼結(jié)構(gòu)同精度的閉環(huán)控制，鋼、混構(gòu)件間可同精度便捷組裝，構(gòu)建了工廠制造、拼裝架設(shè)的工業(yè)化建造技術(shù)。以上智能建造技術(shù)有效保障了11856立方米CA-RPC橋面板的制造質(zhì)量和產(chǎn)品均質(zhì)性，板件制造效率提高70%，減少人工投入80%，實(shí)現(xiàn)了橋面板生產(chǎn)、鋼-混疊合作業(yè)的自動(dòng)化、智能化。

表1 粗骨料活性粉末混凝土材料主要性能指標(biāo)及對(duì)比

多項(xiàng)研究成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平

目前，該項(xiàng)目的研究成果榮獲中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利16項(xiàng)、美國(guó)專(zhuān)利1項(xiàng)，發(fā)表論文36篇（SCI/EI29篇），主編標(biāo)準(zhǔn)2部。中國(guó)公路學(xué)會(huì)的科技成果評(píng)價(jià)意見(jiàn)認(rèn)為其成果總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

南京長(zhǎng)江第五大橋于2020年12月建成通車(chē)，“粗骨料活性粉末混凝土鋼-混組合梁及快速組拼建造技術(shù)”項(xiàng)目研究成果成功應(yīng)用于大橋的設(shè)計(jì)、施工中，系統(tǒng)性地降低了全橋工程投入，提高了結(jié)構(gòu)耐久性，有效提高了主梁工廠化制造率，縮短了建造周期。

未來(lái)，提高結(jié)構(gòu)性能，推動(dòng)橋梁工程與數(shù)字化技術(shù)的深度融合，提升橋梁工程的工業(yè)化、智能化水平，將成為世界橋梁工程的發(fā)展趨勢(shì)，也是國(guó)家倡導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)政策。該項(xiàng)目在新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝等方面取得的多項(xiàng)原創(chuàng)性技術(shù)突破，為現(xiàn)代斜拉橋發(fā)展提供了技術(shù)支撐。