《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第二部分桥梁《钢箱梁正交异性板结构分析方法与关键制造技术的工程应用推广大纲》​

本期项目简介

完成单位: 华南理工大学、 中铁山桥集团运输公司、 宁波舟山港主通道项目工程建设指挥部、 中铁大桥勘察设计院集团有限公司

主要完成人: 方明山、 马牛静、 朴龙、 张兴志、 陈朝军、 石立鹏、 曹海清、 徐伟、 郑清刚、曹东威、 王荣辉、 胡广瑞、 苑仁安、 李林挺、 谷利雄

项目简介

　　本项目属于土木工程领域,针对大跨度桥梁钢箱梁正交异性板,进行结构分析方法与关键制造技术研究,主要科技内容包括:对钢箱梁制造全过程的关键工艺和精度控制措施进行研究;对梯形肋加劲板的焊接过程进行分析,并用分段多项式拟合出焊接残余应力的简化分布模式;提出正交异性钢桥面板的结构分析方法,对其固有振动特性进行详细的参数分析,并对加劲板的非线性振动机理及内共振特性进行深入研究。

　　(二)技术概况

　　(1)提出钢箱梁板单元自动化制造关键技术,解决焊接控制及检测的技术难题。

　　(2)提出钢箱梁大节段制造关键技术,进而缩短工期,提高经济效益,并降低水上施工风险。

　　(3)提出准确、高效的梯形肋加劲板焊接残余应力分布模式,节省结构分析与评估费用,社会经济效益显著。

　　(4)提出准确、高效的正交异性钢桥面板的结构计算方法,并对结构特性进行参数分析,社会经济效益显著。

　　(5)提出正交异性钢桥面板的局部动力设计理念,为规范的进一步完善提供指导。

　　(三)适用范围

　　研究成果可应用于钢箱梁设计、制造过程,提高了结构分析与制造水平,该成果可推广应用于其他钢箱梁正交异性板的设计、制造及后期维护,对行业科技进步起推动作用。

　　(四)获奖情况

　　项目获得“2020年中国交通运输协会科学技术奖一等奖冶。

项目创新点

　　(一)研制出钢箱梁正交异性板制造过程的关键技术

　　(1)使用焊接机器人配合反变形翻转胎,实现多条加劲肋同步焊接,焊缝质量好且焊接效率高。

　　(2)实现大批量钢箱梁车间化拼装制造,从根本上解决日照温差对钢桥制造精度的不利影响,降低不良气候对钢梁耐久性的影响。

　　(3)提出梯形肋焊缝双面焊技术,发明角焊缝双面焊接方法及相应专用设备,与传统梯形肋单面角焊缝焊接工艺相比,双侧角焊缝形式,大幅降低焊根处及桥面板焊趾处的拉应力值,从而避免从焊缝焊根处萌生的疲劳裂纹问题,大幅提高桥面板抗疲劳性能。

　　(4)采用无马装配取代传统的马板定位工艺,使焊后的焊缝周边没有马脚,大幅度提高工效。

　　(二)提出一套钢箱梁正交异性板的实用分析方法

　　(1)对常见梯形肋加劲板的焊接过程进行有限元数值模拟,利用多段三次多项式对梯形肋加劲板的残余应力分布进行拟合,统计出焊接残余应力的简化分布模式,便于工程应用。

　　(2)提出一种能综合考虑桥面顶板与梯形肋的组合板梁单元,顶板用平板壳单元分析,梯形肋各板件视为板梁子单元,梯形肋的位移模式则根据板与肋的变形协调关系建立,桥面铺装则构造8节点实体板单元进行模拟,考虑竖向位移的线性变化,组合单元自由度少且计算精度高,因此特别适用于梯形肋正交异性板的结构分析;此外,以截面残余应力自相平衡原理考虑初始应力,利用能量原理推导出具有初始应力加劲板的非线性动力方程,以此分析加劲板的非线性振动特性。

同类项目比较

应用案例

　　(1)将钢箱梁板单元自动化制造与大节段制造关键技术应用于南沙大桥大桥板单元的生产,得到业主的高度评价,已在国内外得到推广应用,提升了我国钢桥梁制造的国际竞争力。

　　(2)依据宁波舟山港主通道钢箱梁制造项目,提出新型开口肋从零件下料、板单元加工到钢箱梁制造全过程的关键工艺,该项技术促进了钢箱梁的精确、快速制造,进而缩短工期,提高经济效益,该成果为开口肋加工制造的推广应用提供很好的借鉴。

　　(3)提出梯形肋角焊缝双面焊技术,研发了板单元梯形肋内侧角焊缝焊接专用装备,填补了钢桥制造领域技术空白;在宁波舟山港主通道项目钢箱梁施工中采用特殊设计的小型焊接机构送入梯形肋内部进行内侧角焊缝的焊接,可以同时对6根梯形肋内部双侧的角焊缝进行焊接,自动化程度较高,达到国际领先水平。

　　(4)采用多段三次多项式拟合出梯形肋加劲板的焊接残余应力简化分布模式,该公式准确、高效地应用于宁波舟山港主通道等项目,可进一步推广。

　　(5)提出一种能综合考虑桥面顶板与梯形肋的组合板梁单元,并构造8节点实体板单元模拟铺装层,该方法的总体自由度少且计算精度高,应用于宁波舟山港主通道等项目钢箱梁正交异性板的结构分析,计算效率显著提高,该方法具有广阔的应用前景。

社会效益与经济效益

　　(一)社会效益

　　(1)完善钢箱梁正交异性板的结构分析理论,对钢桥设计规范,尤其是动力设计的进一步完善提供理论与数据指导,并为结构的安全评估与运营维护提供技术依据。

　　(2)提高钢箱梁正交异性板的制造水平,为行业的科技进步起到推进作用。

　　(二)经济效益

　　(1)对宁波舟山港主通道钢箱梁正交异性板的加工制造工艺及控制措施进行技术研究并予以应用,节省建设资金与结构分析费用2240万元。

　　(2)将钢箱梁正交异性桥面板制造技术结构分析方法应用于南沙大桥,为钢箱梁的结构分析与评估节省500万元元的费用。

　　(3)将钢箱梁正交异性板的结构分析方法应用于青山长江公路大桥与沪通长江大桥,分别为两桥的结构分析与检测评估节省600万元及500万元的费用。