文/圖 “南京長(zhǎng)江大橋性能提升關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目組

1968年建成通車的南京長(zhǎng)江大橋是我國(guó)第一座完全自主設(shè)計(jì)建造并基本采用國(guó)產(chǎn)材料的特大型橋梁，是唯一獲得國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)（1985年）的單體橋梁。經(jīng)近50多年的鐵路（約400列次/日）、公路（高峰期約10萬(wàn)輛/日）運(yùn)營(yíng)，公路正橋橋面鋪裝破損嚴(yán)重、屢修屢壞；伸縮裝置（間距32米）歷經(jīng)反復(fù)更換維修、功能恢復(fù)有限；混凝土橋面板及其砂漿墊層開裂、剝落，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)及下層電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)安全，亟需全方位的性能提升。

攻克三方面技術(shù)難題

大橋整體性能提升的社會(huì)影響大、文保要求嚴(yán)、技術(shù)難度高，在保障下層鐵路安全運(yùn)營(yíng)條件下，消除安全隱患，需著力攻克三方面技術(shù)難題：如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)協(xié)同受力、整體性能有效提升，同時(shí)保證鐵路和公路行車的安全性、舒適性？如何保證列車頻繁通過(guò)、高頻強(qiáng)擾動(dòng)條件下的施工質(zhì)量？如何在鐵路窗口期短、空間狹窄的條件下，實(shí)施安全防護(hù)設(shè)施的設(shè)計(jì)、安裝與拆除？

開展三個(gè)課題研究

針對(duì)上述難題，建設(shè)者們通過(guò)廣泛調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)外試驗(yàn)等手段，歷經(jīng)近十年的研究，開展了包括“重構(gòu)高性能的結(jié)構(gòu)體系”“強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境下的材料制備”“保障鐵路運(yùn)營(yíng)的防護(hù)技術(shù)”在內(nèi)的三個(gè)課題的研究工作，經(jīng)包括王景全院士、張喜剛院士等9位業(yè)內(nèi)頂尖專家領(lǐng)銜的評(píng)價(jià)委員會(huì)鑒定，研究成果總體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

重構(gòu)高性能的結(jié)構(gòu)體系

原有公路橋體系由鋼縱梁與輕質(zhì)陶?；炷涟褰M成，每32米一道伸縮裝置，公路橋僅是恒載，不參與主體結(jié)構(gòu)受力。

針對(duì)雙層式公鐵鋼桁梁橋公路橋，基于實(shí)現(xiàn)消除安全隱患，提升結(jié)構(gòu)耐久性、適用性，且要滿足既有結(jié)構(gòu)邊界、安全可靠等條件，提出了一種新舊橋面結(jié)構(gòu)體系協(xié)同共生的提升改造設(shè)計(jì)理論，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了整體化密肋體系（縱肋1.9米/橫隔板2.6米）的正交異性板鋼結(jié)構(gòu)主梁，替換原鋼縱梁及混凝土板，使得總體恒載重量減輕8%，對(duì)主體結(jié)構(gòu)鋼桁梁受力更為有利；優(yōu)化了主桁結(jié)構(gòu)的受力，提升了整體剛度；取消了聯(lián)內(nèi)的全部45道伸縮縫，實(shí)現(xiàn)了公路橋結(jié)構(gòu)連續(xù)，提高了行車安全性和舒適性；創(chuàng)新發(fā)明了一種拉壓支座，適配于主體結(jié)構(gòu)鋼桁梁與上層鋼主梁連接，避免公路橋因列車行駛出現(xiàn)支點(diǎn)(2200個(gè))脫空，全面重構(gòu)橋面-支撐系統(tǒng)，保障了“公、鐵”“新、舊”協(xié)調(diào)受力。

組圖：重構(gòu)高性能結(jié)構(gòu)體系

強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境下的材料制備

列車通過(guò)(400列次/天)時(shí)，公路正橋橋面振動(dòng)頻率穩(wěn)定在12赫茲左右，振幅在8毫米至10毫米間波動(dòng)。通過(guò)人工激振力函數(shù)模擬列車隨機(jī)振動(dòng)荷載，基于“鐵-公”響應(yīng)傳遞的結(jié)構(gòu)多尺度模擬并考慮施工荷載、溫度的多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬，整體模擬精度與準(zhǔn)確率大幅提升，鋼橋面鋪裝層的瞬態(tài)應(yīng)力最大值提高了122%，平均值提高了107%，為強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境下的材料制備提供了支撐，明確了列車振動(dòng)與高溫?cái)備佊绊懴鹿窐蛎姘鍛?yīng)力場(chǎng)時(shí)空分布特性，揭示了強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境下鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)體系力學(xué)行為規(guī)律。

提出了強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境下保障橋梁高性能的“材料-工藝-裝備”系列技術(shù)，研制了橋梁振動(dòng)模擬設(shè)備：可控振幅1毫米至20毫米、精度0.1毫米，頻率5.0赫茲至18.6赫茲、精度0.1赫茲，適配公鐵兩用大橋列車擾動(dòng)模擬；多組振動(dòng)試驗(yàn)研究表明，列車強(qiáng)擾動(dòng)影響下，瀝青混合料離析現(xiàn)象嚴(yán)重，造成強(qiáng)度與穩(wěn)定性降低，需進(jìn)行針對(duì)性的鋪裝材料設(shè)計(jì)（澆筑式瀝青+改性AC）；采用集料體系權(quán)重維數(shù)描述不同擾動(dòng)條件下瀝青混合料的孔隙分布狀態(tài)，綜合考慮集料顆粒形貌與截面損傷率，設(shè)計(jì)了強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境下的鋪裝材料，與常規(guī)材料相比，強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境下抗離析能力提升了35.5%，抗強(qiáng)度損失能力提升了41.6%。

研究成果構(gòu)建了強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境下鋼橋面鋪裝質(zhì)量控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)，全面確保非中斷鐵路運(yùn)營(yíng)下涉鐵公路橋提升改造的結(jié)構(gòu)安全與建造品質(zhì)。

保障鐵路運(yùn)營(yíng)的防護(hù)隔離技術(shù)與裝備

公路橋在電氣化鐵路上方，鐵路不可中斷，施工期間必須確保公路和鐵路之間的完全有效隔離。首次提出了一種兼顧改造工作平臺(tái)的雙層公鐵鋼桁梁橋防護(hù)棚架設(shè)計(jì)方法，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了基于上弦桿的吊掛式防護(hù)棚架；解決了抱箍桁架豎桿豎向支撐式棚架存在的適用范圍局限、使用過(guò)程滑移等弊端。

構(gòu)建了“有限元仿真-BIM模型-足尺物理模型”的科學(xué)試驗(yàn)與工藝操作相融合的一體化研究平臺(tái)。利用BIM技術(shù)，對(duì)施工進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)，優(yōu)化裝備、工藝；實(shí)現(xiàn)天窗點(diǎn)內(nèi)高效地完成棚架安裝、拆除，節(jié)段棚架在40(桁內(nèi))分鐘/100(桁外)內(nèi)完成。構(gòu)建足尺全比例物理模型，進(jìn)行防護(hù)棚架建造、拆除的試驗(yàn)訓(xùn)練，精確到分鐘，大幅度提升操作時(shí)效，實(shí)現(xiàn)快速化施工操作；3.2萬(wàn)平方米防護(hù)棚架，建造歷時(shí)6個(gè)月僅用了115個(gè)天窗，拆除僅用82個(gè)天窗；實(shí)現(xiàn)鐵路天窗數(shù)共減少106天，使得防護(hù)棚架工期提前了3個(gè)月。

申報(bào)十五項(xiàng)國(guó)家專利

研究成果共申報(bào)國(guó)家專利授權(quán)15項(xiàng)，發(fā)表SCI/SSCI檢索論文16篇，形成了一套雙層式公鐵鋼桁梁橋公路橋性能提升改造的核心設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)方法，保障了非中斷鐵路運(yùn)營(yíng)下天窗點(diǎn)內(nèi)涉鐵公路橋快速化改造與施工時(shí)效，突破了強(qiáng)擾動(dòng)環(huán)境下涉鐵公路橋改造安全與材料制備的技術(shù)難題。該成果在歷經(jīng)26個(gè)月的南京長(zhǎng)江大橋公路橋性能提升改造中全面成功應(yīng)用，共縮減施工工期10個(gè)月，直接節(jié)約工程投入1950萬(wàn)元，節(jié)約民眾出行成本約1.2億元，減少日后公路橋養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)約每年650萬(wàn)元，避免了因鐵路中斷而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益損失。