南京長江大橋的全方位性能提升

文/圖 “南京長江大橋性能提升關鍵技術(shù)研究”項目組

1968年建成通車的南京長江大橋是我國第一座完全自主設計建造并基本采用國產(chǎn)材料的特大型橋梁，是唯一獲得國家科技進步獎特等獎（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10萬輛/日）運營，公路正橋橋面鋪裝破損嚴重、屢修屢壞；伸縮裝置（間距32米）歷經(jīng)反復更換維修、功能恢復有限；混凝土橋面板及其砂漿墊層開裂、剝落，嚴重影響橋梁結(jié)構(gòu)及下層電氣化鐵路運營安全，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影響大、文保要求嚴、技術(shù)難度高，在保障下層鐵路安全運營條件下，消除安全隱患，需著力攻克三方面技術(shù)難題：如何實現(xiàn)結(jié)構(gòu)協(xié)同受力、整體性能有效提升，同時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、高頻強擾動條件下的施工質(zhì)量？如何在鐵路窗口期短、空間狹窄的條件下，實施安全防護設施的設計、安裝與拆除？

開展三個課題研究

針對上述難題，建設者們通過廣泛調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)外試驗等手段，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”“強擾動環(huán)境下的材料制備”“保障鐵路運營的防護技術(shù)”在內(nèi)的三個課題的研究工作，經(jīng)包括王景全院士、張喜剛院士等9位業(yè)內(nèi)頂尖專家領銜的評價委員會鑒定，研究成果總體達到國際領先水平。

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。

針對雙層式公鐵鋼桁梁橋公路橋，基于實現(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計理論，創(chuàng)新設計了整體化密肋體系（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(2200個)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

強擾動環(huán)境下的材料制備

列車通過(400列次/天)時，公路正橋橋面振動頻率穩(wěn)定在12赫茲左右，振幅在8毫米至10毫米間波動。通過人工激振力函數(shù)模擬列車隨機振動荷載，基于“鐵-公”響應傳遞的結(jié)構(gòu)多尺度模擬并考慮施工荷載、溫度的多物理場耦合數(shù)值模擬，整體模擬精度與準確率大幅提升，鋼橋面鋪裝層的瞬態(tài)應力最大值提高了122%，平均值提高了107%，為強擾動環(huán)境下的材料制備提供了支撐，明確了列車振動與高溫攤鋪影響下公路橋面板應力場時空分布特性，揭示了強擾動環(huán)境下鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)體系力學行為規(guī)律。

提出了強擾動環(huán)境下保障橋梁高性能的“材料-工藝-裝備”系列技術(shù)，研制了橋梁振動模擬設備：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模擬；多組振動試驗研究表明，列車強擾動影響下，瀝青混合料離析現(xiàn)象嚴重，造成強度與穩(wěn)定性降低，需進行針對性的鋪裝材料設計（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，設計了強擾動環(huán)境下的鋪裝材料，與常規(guī)材料相比，強擾動環(huán)境下抗離析能力提升了35.5%，抗強度損失能力提升了41.6%。

研究成果構(gòu)建了強擾動環(huán)境下鋼橋面鋪裝質(zhì)量控制指標與標準，全面確保非中斷鐵路運營下涉鐵公路橋提升改造的結(jié)構(gòu)安全與建造品質(zhì)。

保障鐵路運營的防護隔離技術(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的雙層公鐵鋼桁梁橋防護棚架設計方法，創(chuàng)新設計了基于上弦桿的吊掛式防護棚架；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”的科學試驗與工藝操作相融合的一體化研究平臺。利用BIM技術(shù)，對施工進行動態(tài)檢驗，優(yōu)化裝備、工藝；實現(xiàn)天窗點內(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，進行防護棚架建造、拆除的試驗訓練，精確到分鐘，大幅度提升操作時效，實現(xiàn)快速化施工操作；3.2萬平方米防護棚架，建造歷時6個月僅用了115個天窗，拆除僅用82個天窗；實現(xiàn)鐵路天窗數(shù)共減少106天，使得防護棚架工期提前了3個月。

申報十五項國家專利

研究成果共申報國家專利授權(quán)15項，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計理論與關鍵技術(shù)方法，保障了非中斷鐵路運營下天窗點內(nèi)涉鐵公路橋快速化改造與施工時效，突破了強擾動環(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個月的南京長江大橋公路橋性能提升改造中全面成功應用，共縮減施工工期10個月，直接節(jié)約工程投入1950萬元，節(jié)約民眾出行成本約1.2億元，減少日后公路橋養(yǎng)護經(jīng)費約每年650萬元，避免了因鐵路中斷而帶來的經(jīng)濟效益損失。