《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《波纹钢在青藏高原道路建养中的应用研究与产业化》
1 项目名称: 波纹钢在青藏高原道路建养中的应用研究与产业化
2 完成单位: 正平路桥建设股份有限公司、青海路拓工程设施制造集团有限公司、 海东正平管廊设施制造有限公司、 青海省交通职业技术学院
3 主要完成人: 甘迎新、 李元庆、 韩丽娟、梁俊伟、 宋方华、 李捷、 韩馨、 许江波
1项目背景
青藏高原地区预制混凝土运输困难,现浇混凝土质量则难以保证,冻融循环更会使混凝土的应用效果大打折扣;盐渍土地区腐蚀性极高,尤其是极端气候与腐蚀的耦合作用,对于传统的混凝土结构则是毁灭性打击。波纹钢构件由冷轧成型的波形钢连续拼接组成,为一种新型高效型材。经过波折的钢板具有独特的受力特点,其沿着波折方向具有极小的抗压刚度,而垂直于波折方向则具有比相同厚度的平钢板高得多的抗弯刚度,在青藏高原地区具有很好的适用性。
2技术概况
波纹钢是冷弯型钢的一种,通过对钢板压波增大钢材的刚度,是高寒地区替代混凝土材料的产品。通过本项目的实施,建立系统、完善的波纹钢结构应用理论体系,形成波纹钢管(板)的设计、施工规范体系、质量监控和验收标准。本项目的研究,对波纹钢结构在高寒区的应用提供技术指导,丰富了波纹钢产品线,对促进波纹钢管(板)推广应用具有重要作用。
项目以波纹钢结构及其应用为研究重点,从波纹钢结构的材料特性、连接部位与构造机理、结构优化、建造全过程试验数据观测、施工技术优化等作了系列化研究。开展了个八个课题的研究。
3适用范围
本课题研究设计的波纹钢板桥、波纹钢管涵、波纹钢综合管廊等研究技术主要在青海、西藏、四川、云南等青藏高原地区应用。
4获奖情况
获省部级科技进步奖5项。
(1)采用解析法、数值模拟及构件试验系统地研究了波纹钢材料的基本特性,优化了钢板厚度、波距、波高等参数,并对其等效刚度折减系数与几何外形系数进行了修正。
(2)针对波纹钢结构装配节点连接,通过模型及实际工程试验,精细化有限元数值模拟等方法,研究并优化了波纹钢板(管)之间及波纹钢与混凝土之间的连接构造,提出了不同部位的标准化连接方法。
(3)针对覆土波纹钢板(管)形结构,研究了波纹钢-土耦合作用承载与变形机理,分析不同拱轴曲线、不同覆土条件下,通过局部衬板、应力扩散板、刚性路面等措施对结构刚度的改进与提升效果及应用条件。
(4)首次在国内建成了4座13m跨径的波纹钢板桥,从设计、构件加工制造、安装、施工全过程试验及运营期监测收集结构应力、应变等数据,并编制了波纹钢板桥设计、施工、质量检验的地方标准。
专题一:高寒区浅埋管、拱形波纹钢结构受力机理与变形控制方法研究(青海省科技厅2019-ZJ-7050)
高寒区浅埋地段,在浅埋松动土压力和冻胀作用下,波纹钢管、拱形结构的承载条件势必会发生一定的变化。本课题在理论分析、现场测试、室内试验和数值模拟的基础上,研究高寒区浅埋波纹钢管、拱形结构受力机理与变形特性,提出一套有效的波纹钢管、拱形结构的变形控制方法。
专题二:装配式波纹钢结构连接部位损伤机理与构造优化(青海省科技厅2018-ZJ-742)
本研究通过对螺栓连接损伤类型分析,从孔壁承压破坏、螺杆剪切破坏和螺栓松动三个方面,研究了通过摩擦型高强螺栓及承压型高强度螺栓连接特定厚度波纹钢板的连接部位承载力。并通过螺栓群的计算分析了摩擦型高强度螺栓抗剪承载力设计值、摩擦型高强螺栓群在力矩和轴力共同作用下的设计值及高强螺栓群压弯作用下中和轴位置的强度,分析了中和轴的位置对螺栓群承载力计算的影响。
专题三:青海省中小跨径(10m、13m)钢波纹板桥梁关键技术研究(自立课题)
本课题基于数值计算分析,在填土高度、板材型号、拱形形状、交角、跨度等不同因素下对波纹钢板桥梁的受力和变形影响,设计波纹钢板桥梁通用图;通过参数敏感性的分析,以有限分析方法,研究不同设计参数对波纹钢板桥梁受力贡献,重点解决了较大荷载作用下波纹钢板桥梁变形大的问题,通过薄板钢结构的构造补强方法,对主要受力构件进行加强,试验表明补强措施具有明显的效果。
专题四:全装配式波纹钢板桥结构优化与施工关键技术研究(青海省科技厅重点研发与转化项目2020-SF-C35)
全装配式波纹钢结构是一种新型全装配式钢结构形式,旨在研究采用工厂预制、现场装配替代混凝土现场浇筑工艺;研究采用预制混凝土扩大基础、预制沉入桩基础对下部结构进行优化;研究上部结构的受力特点,通过预制加工、现场拼装工艺的研究,对上部结构和连接部位进行优化,进而实现结构整体结构的最优化。
专题五:波纹钢结构地下综合管廊成套技术研究(青海省工信厅-青海省重点企业技术创新项目JC-2017-11)
本项目是国内首次将波纹钢板这种新型建筑材料实际应用于大直径(4郾0m)的城市地下综合管廊,并从管廊的结构设计、波纹钢产品设计优化、管廊装配化安装工艺、波纹钢防腐防火材料涂装、施工期应力应变监测、质量检验标准等多方面展开系列研究,形成波纹钢结构地下综合管廊建设的成套技术。
专题六:高寒区大直径波纹钢管涵施工技术、专题七:现场原位拼装波纹钢板拱桥施工技术、专题八:波纹钢挡土墙、挡雪墙快速建造工艺
研究青藏高原地区大直径波纹钢管涵、波纹钢板拱桥、挡土墙、挡雪墙在施工过程中的技术优化。
本课题研究设计的波纹钢板桥、波纹钢管涵、波纹钢综合管廊等研究技术已在青海、西藏、四川、云南等十余个省份进行了应用。近5年波纹钢结构已累计完成产值逾8亿元,依托企业研发并推广了以波纹钢结构为主要建材的波纹钢板桥、地下综合管廊、装配式涵洞、隧道明洞、路基挡土墙等,引进并推广了钢结构、组合结构桥梁等装配式结构。在青海、西藏等地推广建成40余座波纹钢板桥梁,其中在青海建成4座13米跨径的波纹钢板桥梁,是国内同类跨径最大的桥梁;推广4m以上直径装配式大直径波纹钢管涵60余道。
研发并推广的波纹钢结构工程项目平均节约工期70%,建设成本平均降低15%。
项目开展促进波纹钢结构产品在青海地区的发展,将提供更多就业机会,每年新增税收400万元。开展波纹钢结构成套技术研究有利于促进钢结构工程的发展,有效解决部分钢产能过剩问题,是对国家“供给侧结构改革冶的积极响应。
通过本项目的实施,建立系统、完善的波纹钢结构的理论研究、设计、施工规范体系、质量监控和验收标准,因此本项目的研究,对波纹钢结构在高寒区的应用提供技术指导,对促进波纹钢管(板)推广应用具有重要作用。
