《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）—第一部分桥梁工程篇《曲线钢混凝土组合桥梁的高效计算模型、关键设计理论及工程应用》

本期项目简介

完成单位：北京交通大学、中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司、北京工业大学、珠海鹤港高速公路有限公司、山东高速集团基础设施建设有限公司、中交建冀交高速公路投资发展有限公司

主要完成人：朱力、高原、朱尧于、刘越、韩冰、朱润田、雷俊卿、姚庚、安明喆、赵伟、张新宇、汪国贤、徐长春、郭昊霖、刘小川

项目简介

（一）项目背景

　　曲线钢-混凝土组合梁广泛应用于高速公路匝道桥中，具有典型的弯扭耦合受力特性。混凝土的收缩徐变效应和温度荷载作用使得结构表征出显著的长期下挠和爬移、倾覆等病害问题。负弯矩区混凝土开裂也一直是组合结构桥梁的工程难题。

（二）技术概况

　　本项目首先确立了曲线多箱多室组合桥梁梁格杆系模型的建模策略，得到了曲线组合梁不同箱室的内力分布结果，进而针对单梁结构提出了考虑约束扭转、畸变、界面双向滑移、剪力滞、大曲率几何特性和时变效应的高效精确有限梁单元模型，之后基于梁单元模型开展参数分析，提出了曲线组合梁考虑各种复杂受力效应的基于有效宽度的简化分析方法，最后研发了曲线组合梁负弯矩混凝土抗裂新技术。项目成果在太行山高速京蔚段、韩庄运河特大桥等多项工程中得到应用，节约成本总计2620万元，为同类工程的设计与施工分析提供了高效精确的数值工具和关键设计理论，应用前景广阔。

（三）适用范围

　　本项目适用于组合结构桥梁设计与施工分析技术领域。

（四）获奖情况

　　科技查新报告显示本研究成果在国内外具有新颖性，经中国公路学会组织的专家鉴定，本项目成果总体达到国际先进水平，其中曲线组合梁的梁格模型和有限元模型的构建方法达到国际领先水平。已授权发明专利5项，实用新型专利6项，软件著作权13项，发表学术论文35篇，撰写专著1本。

项目创新点

　　（1）确立曲线多箱多室组合梁的梁格杆系模型的建模策略，具体包括确立截面切分方式、截面几何特性计算公式等，模型适用于成桥阶段和施工过程的分析。梁格杆系模型计算效率是精细模型的7倍左右。通过梁格杆系模型的计算得到曲线组合梁不同箱室的内力分配结果。

　　（2）提出曲线组合梁考虑约束扭转、畸变、剪力滞、界面双向滑移、大曲率几何特性影响和时变效应的有限梁单元模型。通过与曲线组合梁的长期加载试验结果的对比，证明了有限梁单元模型的准确性和适用性。梁单元模型计算效率是精细模型的15倍左右。通过有限梁单元的计算得到结构关键截面的应力分布特征。

　　（3）提出曲线组合梁考虑约束扭转、畸变、剪力滞的基于有效宽度的简化分析方法。该方法可考虑竖向和轴压荷载两种工况，给出了相应工况下等效跨径的确定方法和特征有效宽度的计算公式，最终实现曲线组合梁应力和位移的简化计算。采用截面纤维离散化的策略开发了与曲线梁轴压、扭转和畸变效应相关的截面几何特性的计算程序。

　　（4）研发曲线组合梁负弯矩混凝土的抗裂新技术。提出了ECC和抗拔不抗剪连接件组合使用的抗裂方法，通过模型试验探究了该组合抗裂方法的工作机理。该抗裂方法应用于多项实桥工程中，目前这些工程中最长通车时间为2年半，所有工程的桥面状况都运营良好，未发现开裂病害问题。

应用案例

　　基于本项目所提出曲线组合梁综合考虑约束扭转、畸变、剪力滞和界面双向滑移的一维模型计算理论和相应的杆系数值模型和简化设计方法，对鹤岗高速一期工程大林互通立交E、F匝道桥、太行山高速卧佛寺枢纽C匝道桥、新泰至台儿庄公路韩庄运河特大桥以及峄城枢纽互通C匝道桥进行了设计分析。经过计算结果与施工监控结果的对比表明该数值模型具有良好的精度和高效的计算能力。

　　基于本项目所提出的曲线组合桥梁的梁格杆系模型建模策略，对新泰至台儿庄公路峄城枢纽互通C匝道桥进行了杆系单元模拟，并开展了数值分析。经过计算结果与施工监控结果的对比表明该数值模型具有良好的精度和高效的计算能力。为该类桥梁的分析提供了有力的数值计算工具。

　　本项目所提出的曲线组合梁负弯矩混凝土抗裂技术应用于太行山高速卧佛寺枢纽C匝道桥和建个元高速乍甸1号桥的实际工程中，这些工程中的曲线组合梁负弯矩采用了ECC+抗拔不抗剪连接件抗裂方案，有效地控制了组合梁负弯矩区混凝土开裂的发展趋势和发展程度，目前这些项目已经通车运营时间均超过1年以上，ECC混凝土区段桥面质量完好，使用状况良好。项目研究过程及成果的推广应用，将大力推动曲线钢-混凝土组合结构在公路桥梁中的建设和应用。

社会效益与经济效益

（一）社会效益

　　本项目所提出的计算模型、简化分析方法和新型混凝土抗裂技术，应用于鹤岗高速一期工程大林互通立交E、F匝道桥等多座桥梁的设计分析中，保证了施工的安全高效，优化了资源配置，对确保曲线组合梁的全生命周期受力可靠性与结构方案优化具有很好的指导作用。

（二）经济效益

　　本项目研究成果节约鹤岗高速一期工程大林互通立交E、F匝道桥的建设成本约500万元，节约新泰至台儿庄公路韩庄运河特大桥的设计和建设等成本730万元，节约新泰至台儿庄公路峄城枢纽互通C匝道桥的建设成本880万元，节约太行山高速卧佛寺枢纽C匝道桥的建设成本300万元，节约建个元高速乍甸1号桥的建设成本210万元。所有工程共计节约成本2620万元，经济效益显著。