《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第二部分桥梁《复杂空间曲线钢塔节段制造关键技术研究》​

本期项目简介

完成单位: 中铁宝桥集团有限公司

主要完成人: 李军平、 王晓辉、 田刚毅、 刘志刚、 雷 云、 曹江涛、 杨亮、 车平、 吴小兵、 朱新华、 白兴海、 张宏伟、 裴雪峰、 李艳停、 张岚军

项目简介

　　(一)项目背景

　　近年来,国内先后建成了南三桥、泰州桥、马鞍山等大型栓接桥梁钢塔,以及大榭二桥、南京青奥桥、港珠澳大桥等多座焊接钢塔。以往桥梁钢塔以直线、二维曲线线形为主,新首钢大桥钢塔采用三维空间曲线结构设计(设计采用国际招标),为钢塔制造、安装带来很大难度。新首钢大桥(原永定河大桥)是北京京西地标性建筑,也是建国70周年的献礼工程。主桥为高矮拱形钢塔、横梁连接钢箱斜拉刚构组合桥,主桥全长639m,南北侧跨径为50+158.1(133)+280+94.9(120)+56m。高矮塔为非一致倾斜拱形结构,高塔桥面以上垂直高度112.195m,矮塔桥面以上垂直高度65.915m,两塔柱顺桥向间距25.1m,高矮塔南北侧塔柱倾角均不相同。

　　设计理念与特点:新首钢大桥采用“和力之门冶寓意设计,将历史、文化、自然有机结合;桥梁钢塔为空间扭曲结构,在国内首次应用CATIA建模设计;为实现京西之门景观效果,钢塔严格按照设计线形制造。钢塔曲线线形复杂,轴线为虚拟空间曲线;钢塔为变截面,结构复杂,高度高;钢塔采用3D模型+2D图纸传递设计信息。

　　(二)技术概况

　　通过复杂空间曲线钢塔制造关键技术研究,形成了一整套针对空间曲线钢塔制造的相关技术成果,主要包括:空间曲线板单元成型与制作技术、空间曲线钢塔节段制造技术、大尺寸超厚承压板焊接变形控制技术、复杂结构三维扫描测量检测技术与BIM模型数据施工应用与管理技术等。通过应用复杂空间曲线钢塔节段制造关键技术,在国内首次建成完全实现设计空间曲线线形的钢塔产品,实现了钢塔施工技术的新突破。

　　(三)适用范围

　　空间曲线板单元成型与制作技术适用于桥梁复杂曲线板单元的制作;空间曲线钢塔节段制造技术适用于空间曲线结构的组拼、焊接、预拼装等施工;大尺寸超厚承压板焊接变形控制技术适用于超厚板焊接变形的过程控制;三维扫描检测技术适用于复杂桥梁的质量检测,为产品质量把关;BIM模型施工应用与管理技术能够推动钢桥梁施工朝高质量、智能化、高效化方向发展。

　　(四)获奖情况

　　新首钢大桥于2019年9月29日建成通车,2020年先后获得“ENR奖冶“国际桥梁大会尤金菲戈奖冶“中国钢结构金奖冶。

　　新首钢大桥施工质量控制获得“2019年度全国铁道行业优秀质量管理小组冶,其技术成果获得“2020年度中国交通运输协会科学技术进步一等奖冶。

项目创新点

　　1.复杂空间曲线钢塔制造与检测技术

　　实现空间曲线零件的放样、加工与基线布设,有效控制了空间曲线板单元制作精度;实现空间曲线钢塔节段组拼、焊接、预拼装等施工过程精度控制,达到线形控制目标;实现了钢塔大尺寸超厚承压板焊接变形控制,有利于产品质量精度控制;应用三维扫描检测技术对复杂曲线钢塔进行整体检测,实现了质量精度把控。

　　2.BIM模型数据施工应用与管理技术

　　通过应用模型,可直观地进行施工工艺性审查,有利于尽早发现设计问题,避免施工过程返工;利用模型,可转化工程图进行加工制造,也可实现施工方案演示,提前查找薄弱环节;通过模型在物料、质量文件、进度、安全管理方面的应用,提升了钢桥梁施工管理水平。

　　通过对复杂空间曲线钢塔制造技术研究,先后申报了8项发明专利,现已授权3项;申报了3项实用新型专利,现均已授权。

同类项目比较

　　本项目主要研究了复杂海域栈桥设计及施工技术,通过理论计算、数值模拟、现场试验以及施工动态分析相结合的方式,对复杂海域环境下栈桥的设计和施工进行了深入的研究,取得的主要创新性成果及与同类技术对比见表1。

　　本项目钢塔与国内以往项目钢塔相比,其项目特点明显,施工难度大、技术创新含量高,具有巨大的推广意义和作为类似桥梁钢塔制造的借鉴意义。本项目与国内桥梁钢塔项目对比分析见表1。

应用案例

　　曲线钢塔制造技术成果成功应用于淮安运河大桥钢塔制造项目(见图4),钢塔产品质量优良,受到桥梁专业人士的一致认可,取得了较好的经济、社会效益。BIM模型与工程图转化技术成果应用于泾河大桥钢拱桥项目(见图5),有效提升了复杂结构工程图转化速度和质量,加快钢桥梁的建设速度。所研发的焊接工艺与变形控制技术均已列入公司钢桥梁制造工艺,在公司内部推广应用。三维扫描测量技术已经在公司诸多钢桥梁建设项目中推广,对钢桥梁质量控制具有重大意义。该项技术成果具有巨大的市场应用前景。

社会效益与经济效益

　　(一)社会效益

　　应用复杂空间曲线钢塔制造技术,实现新首钢大桥钢塔高精度合龙,其产品质量优于设计标准,得到业主、同行的一致好评。大桥于2020年9月29日顺利通车,成为门头沟与石景山城区重要交通枢纽,促进两区经济的繁荣与发展。大桥的优美造型成为京西地标性建筑,彰显首都地域文化。

　　(二)经济效益

　　BIM图纸转化技术与施工指导,提高材料套裁率,有效降低材料消耗1郾5%,节约人工约1200工日,节约费用206万元;通过合同谈判,空间曲线板单元制作技术减少了委外加工费150万元;空间曲线钢塔节段组拼技术,减少了现场大型工装、设备的投入量,节约费用280万元;单面焊双面成型技术减少了现场大型工装、设备的投入量和翻身作业,节约费用105万元;承压板、空间曲板焊接变形控制技术减少了后期修整工作用材料、人工费用160万元;三维扫描测量技术高产品合格控制率,减少返工成本120万元;项目累计节约1021万元,经济效果显著。