合同编号 2010G004-A 非密 密 级
铁道部科技研究开发计划
课 题 合 同
课题名称： 新线建设关键技术研究─准朔铁路黄河上承式钢管拱特大桥施工技术研究
课题类别： 重大课题□ 重点课题 引导课题□ 承担单位： 中铁六局集团有限公司 *****： *** 起止年限： 2010年 至 2012年
中华人民共和国铁道部制
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填 写 说 明
1、本合同由铁道部科学技术司与课题承担单位签订,甲方为铁道部科学技
术司，乙方为课题承担单位。
2、本合同一式六份，铁道部科学技术司2份；财务司1份；课题承担单位
1份；课题承担单位的上级单位1份；课题负责人1份。 3、合同应用A4纸打印填报，宋体小4号字体。 4、合同编号由铁道部科学技术司统一规定。
5、合同密级由课题承担单位提出建议，铁道部科学技术司审查后，按规定
程序报批。
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一、 国内外现状及简要说明
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世界上最早修建的钢管混凝土拱桥在前苏联地区。1937年，在苏联列宁格勒（现俄罗斯圣彼得堡）用集束的小直径钢管混凝土作为拱肋，建造了横跨涅瓦河101m的下承式拱桥，1939年，又在西伯利亚依谢季河建成了跨度140m的上承式钢管混凝土铁路拱桥。分析认为与钢拱桥相比，钢管混凝土拱桥可节约钢材52%，降低造价20%。然而，前苏联这两座桥的施工方法是在现场将钢管拱架分段预浇混凝土以后，在满堂支架上拼装成桥，因而钢管混凝土在施工安装方面的优越性能并未得到发展。这两座桥中只有第二座才算真正意义上的钢管混凝土拱桥。 在我国，20世纪60年代南昌有色冶金设计研究院在山西省中条山铜矿尾矿输送线的27m跨桁架桥中，应用了钢管混凝土材料，其桁架压杆为外径140mm的钢管混凝土，这是我国在桥梁上部结构中首次应用钢管混凝土材料。 尽管钢管混凝土拱桥在20世纪30年代的前苏联就已出现，但其大量的应用与快速的发展是在90年代的中国，其原因主要有以下几点： 第一，改革开放以来，我国大力加强交通基础设施建设，需修建大量的桥梁，对我国桥梁设计、施工、科研工作提出了新的要求，也提供了极好的发展条件，使得我国桥梁技术迅速接近，甚至有些方面已达到国际先进水平。拱桥作为桥梁的基本桥型之一，在我国过去的公路、铁路以及市政工程中得到广泛的应用，为我国的主桥型。如上节所述，除钢拱外，我国的拱桥技术已达到或接近世界先进水平。由于我国的国情，拱桥桥型中主要是钢筋混凝土拱和圬工拱，直到现在也还无法大量应用钢结构，而材料强度低以及施工方面的困难一直困扰著拱桥跨径的发展。钢管混凝土拱桥的应用，无疑给拱桥的发展注入了新的活力，在众多适合修建拱桥的地方得到大量应用。 第二，我国从20世纪50年代开始钢管混凝土结构的研究，虽然起步较晚，但进展很快，仅十几年来，我国钢管混凝土基础理论研究已处于世界前列。钢管混凝土在厂房、高层建筑、输变电工程中的应用不断发展，为钢管混凝土应用于拱桥奠定了坚实的理论基础和工程实践基础。 第三，随着我国经济建设的发展，社会劳动生产率不断提高，人工费用上涨幅度较大。另一方面，冶金业发展，钢产量不断上升，虽然大量使用钢结构还不适应国情，但适当增加钢材用量，减少人工费用，提高机械化，装配化水平，加快施工进度，可能求得较佳的综合效益。此外，钢管混凝土结构虽然结构用钢量增加，但施工用钢量减少，所以工程实际用钢量并没有急剧上升。这是钢管混凝土拱桥得以- 5 -
迅速发展的经济原因。 第四，桥梁美学日益受到重视，拱桥是一种极具美学价值的桥梁形式，在我国又有深厚的文化基础，钢管混凝土结构的应用，使拱桥更加轻巧，表现力也更强，中承式、下承式等形式在城市桥梁中受到青睐。 我国钢管混凝土拱桥的应用与发展已引起国外的关注。目前我国已修建了大量钢管（箱）混凝土拱桥，其中重庆菜园坝公路大桥跨度达420m（中承式钢箱拱），贵州水柏铁路北盘江大桥跨度236米（上承式钢管拱）。 准朔铁路黄河特大桥主桥为跨度360 m上承式钢管混凝土提篮拱桥，在山西河曲县一跨跨越黄河两岸，该桥跨度在目前已建成及在建铁路桥梁同类结构中居世界第一。桥梁结构复杂、技术难度大，对其开展大跨度大吨位缆索吊装系统、大直径厚管壁钢管拱加工工艺及安装精度控制、钢管拱施工过程监测及变形控制等关键技术研究非常必要，可以为今后类似工程提供借鉴。 - 6 -
二、主要研究内容、关键技术及研究方法
（课题研究的创新点和内容，要解决的主要技术难点以及采用的研究试验方法等）
1.主要研究内容 （1）缆索起重机单肢吊装和节段吊装空间定位技术研究； （2）拱座大体积混凝土施工技术研究； （3）超厚钢板拱管卷制、焊接技术研究； （4）拱脚活动铰支座加工安装技术研究； （5）大跨度钢管拱斜拉扣挂法原位拼装技术研究； （6）开展大跨度钢管拱施工过程的监测监控； （7）钢管混凝土配合比设计方法及无损检测工艺研究； （8）拱上空心混凝土薄壁墩施工技术研究。 2.关键技术 （1）钢管拱架设方案 参照目前国内同类结构常用的钢管拱架设技术，提出竖转、平转、缆索吊机架设三种方案，并进行技术、经济、工期方案比选确定最优方案。 （2）超厚钢板拱管卷制、焊接技术 利用“JCO”法进行钢管卷制，通过试验确定压圆遍数；制定焊接工艺并进行工艺评定。 （3）大跨度、大吨位缆索吊机设计及应用 根据现场地形条件及使用要求，合理确定缆塔位置，最大限度减小缆索吊机跨度；通过与科研院校合作，运用ANSYS、MIDAS等有限元计算软件建立有限元模型，对各系统进行施工仿真模拟计算进行设计；研究拱节段、单肢吊装空间定位技术。 （4）拱座大体积混凝土施工技术 通过与科研院校合作，优化混凝土配合比设计，并据此进行混凝土施工过程中内部水化热分析计算，确定大体积混凝土温度控制措施。 （5）钢管拱线型监控技术 采用桥梁结构分析软件MIDAS/Civil和成熟的大型通用有限元软件ANSYS进行监控计算并与设计计算结果进行比较分析，优化施工技术方案，提供现场施工控制数据。在施工现场设立的实时监测体系，对施工过程中结构的内力、位移（线形）- 7 -
和温度进行现场实时跟踪测量、对出现的误差及时进行调整。 （6）大直径钢管混凝土顶升技术 选用合适的原材料及外加剂进行混凝土试配，选取塌落度、初凝时间等各项指标能符合要求的配合比；对混凝土搅拌能力、运输能力、顶升能力充分分析，计算各环节作业时间，从而确定单根拱管一次顶升完成时间，并与混凝土工作性能相适应。 3.研究方法 1、大跨度钢管拱斜拉扣挂法原位拼装技术研究 （1）制定施工监控方案，对其施工全过程进行严格监控； （2）运用ANSYS通用软件建立拱肋吊装阶段三维有限元模型，进行节段吊装施工仿真模拟计算； （3）将优化理论引入钢管混凝土拱桥吊装施工过程，建立优化目标函数进行施工迭代计算，求得各拱段在吊装施工阶段的扣索索力值和拱肋控制点预抬高值，为扣索一次性张拉的拱桥施工方法提供理论控制依据； （4）考虑施工拱肋为弹性体，建立了拱肋各吊装节段控制点的预抬高值和扣索索力值计算的简化工程算法，该法将拱段控制点的预抬高值分为两部分进行力学分析：拱段刚体位移引起的控制点预抬高值和拱段弹性变形产生的控制点预抬高值。 （5）刚体位移引起的拱肋控制点预抬高值计算通过编制简单的MATLAB程序实现，而拱肋弹性变形引起的拱肋控制点预抬高值通过结构力学求解程序进行实现，最终的拱段控制点预抬高值为这两部分之和； （6）将简化工程算法计算的拱肋控制点预抬高值和三维有限元优化理论计算所得的拱肋控制点预抬高值进行了比较和讨论，表明这两种方法是可行的； （7）简化工程算法和三维有限元优化算法可互为补充：可先用简化工程算法进行拱段控制点预抬高值和索力的初步计算，条件许可时，再用三维有限元优化算法进行详细分析计算，互为验证，确保拱段控制点预抬高值和索力的计算的正确性。 2、拱座大体积混凝土施工技术研究 （1）大体积混凝土温度监测及控制： 合理布置测温线、测点，能够准确的反映出锚碇内部温度发生的变化，为如何- 8 -
控制内外温差提供有力依据。 （2）锚碇致裂原因分析及加固措施研究 锚碇致裂原因分析 a水泥水化热。 b外界气温变化。 c混凝土的收缩。 加固措施研究 a大体积混凝土的配制，配合比能从根本上改善混凝土的抗裂性能。 b大体积混凝土的浇筑，采用分段分层，先从底层开始，浇筑至一定距离后浇筑第二层，如此依次向前浇。 （3）混凝土的温度控制。 3、钢管混凝土配合比设计方法及无损检测工艺研究 （1）无损检测技术方案比选： 本科研的各种无损检测方法中，超声波CT 具有广阔的应用前景，但检测精度也不够高，仅能得到某些测线上而非全断面的混凝土质量信息 。红外成像法是一种检测精度较高、使用较方便的无损检测方法，并具有快速、直观、适合大面积扫测的特点，但缺乏实践的经验，可实施性一般。冲击回波法采用单面测试，仅适合于只有一个测试面。雷达法受钢筋低阻屏蔽作用影响较大，且仪器本身价格昂贵，故实际工程上应用的并不多。超声波法可以根据合理布设的检测点,对钢管混凝土的密实程度和均匀性进行全面而细致的检测,它可以检测出钢管混凝土是否存在缺陷,找出缺陷位置,圈出缺陷范围,特别是对钢管内壁与内部混凝土之间的胶结脱离或完全脱空可以定量地进行检测，尤其是实践经验丰富，可实施性比较高。 （2）无损检测实施及缺陷定量分析： 超声波法检测混凝土常用的频率为20～250kHz，超声波在混凝土中的传播速度与混凝土的弹性性质密切相关，而混凝土的弹性性质又可以反映其强度大小，从- 9 -
而可以在混凝土超声波传播速度与其强度之间建立起一种相关关系，这种关系通常为非线性关系，可用经验公式或专用测强曲线来表示。由于混凝土本身是一种复合材料，其内部超声波传播速度受许多因素影响，如钢筋的配置方向、不同骨料及粒径的大小、各组分的比例变化、龄期、养护条件及混凝土的强度等级等，这些影响因素在建立测强关系时均应进行修正。再结合超声信号自身的特点，应用具有多分辨率分析能力的小波方法对超声信号进行处理，提出了超声信号小波分析基函数的选择以及分解最大尺度的确定方法。对超声信号进行小波压缩，发现处理后的信号比原始波形更能体现出缺陷波的时域特征，提出了缺陷小波特征峰的概念，根据该特征峰所对应的时域位置建立了缺陷深度的物理测算方法。 （3）钢管混凝土质量评定及缺陷修补技术： 混凝土不密实的部位，应采用钻孔压浆法进行补强，当缺陷较小时，压环氧树脂，当缺陷较大时可压高标号砂浆，压浆后将钻孔补焊牢固。 4、开展大跨度钢管拱施工过程的监测监控 桥梁施工控制是一个预告—量测—识别—修正—预告的循环过程。施工控制的重要目的是在桥梁建成时尽量达到设计成桥状态，同时确保施工中结构的安全，具体表现为：通过施工中拱肋的空间定位位置的控制，将成桥后的误差控制在允许范围内，通过施工过程中关键构件的受力的跟踪监测，监测全桥结构在施工过程中的受力情况是否符合设计预计状态。 施工控制的原则是保证结构安全的前提下，尽量达到设计成桥状态。本桥采用临时扣塔悬臂拼装施工架设工艺，由于拱脚设有临时铰，拱肋在悬臂拼装阶段的自身强度不是控制因素，主要关注的是拱肋在合拢时的线形达到计算控制线形。结构安全主要体现大型临时结构的监控上，本桥采用万能杆件拼装的门形桁架扣塔，扣索采用钢绞线，是全桥施工安全的薄弱点，因此在施工中必需根据计算的最不利位置进行监测。 本桥的施工分为五个主要过程：施工准备阶段，拱肋节段预制阶段，拱肋拼装- 10 -
阶段，钢管内混凝土浇筑阶段，拱上建筑桥面系安装阶段。后两个阶段由于没有调整的手段，因此基本上没有控制的问题，只要按预定的程序进行即可。控制工作主要集中在前期、和拱肋拼装阶段。 施工准备阶段的控制工作是确定拱肋节段的无应力长度，确定安装时的扣索力，制定合适的拱肋节段预制误差标准。无应力长度可以通过施工过程仿真计算结果反加构件的变形得到。拱肋制造误差标准可以参照国内其它类似桥梁确定，标准确定后进行误差累计模拟分析，以确认误差标准的可行。扣索力则通过使拱轴在成桥后的弯矩最小的原则，通过优化方法求得。拱肋预制完成后检查实际误差，从而修正施工阶段的扣索力。 主拱钢管合拢后，在形成钢管混凝土拱、安装桥面的施工过程中循环性的工序相当少，且对已施工结构进行调整的措施不多。因此，在施工前确定合理的施工步骤、现场严格按预定的施工步骤进行施工、及时发现和纠正已经存在的误差是本桥后期施工控制的关键。 - 11 -
三、课题预期目标、技术经济指标和成果形式
（主要包括①主要技术指标：如形成的专利、新技术、新产品、新装置、新标准、论文专著等数量、指标及其水平等；②主要经济指标：如技术及产品应用所形成的市场规模、效益等；③项目实施中形成的示范基地、中试线、生产线及其规模等；④成果形式。）
1.要达到的目标 （1）在确保结构安全的前提下设计一种可实施性强的，施工成本相对经济的钢管拱架设方案，制定一套完整的钢管拱制造规程，掌握提篮拱单肢、双肢吊装定位技术，形成一套成熟的钢管混凝土拱顶升工艺。 （2）通过对施工过程进行模拟计算并在过程中收集各种技术参数，分析施工中产生的误差，通过理论计算和实测结果的比较分析、误差调整，采取必要的施工工艺和技术方案，使成桥后结构内力和线型处于有效的控制之内，并最大限度地符合设计状态，确保施工质量和安全性。 2.技术经济指标 （1）通过对钢管拱架设方案的研究使架设方案合理，工期满足要求，经济效益最优。 （2）3项工法：钢管拱加工、钢管拱安装、缆索吊安装；3项专利： （3）编写5篇专业论文。 3.成果形式 研究报告。 - 12 -
四、课题的年度计划及年度目标 年度 课题的年度计划及年度目标 1. 完成钢管拱架设方案比选； 2. 大吨位、大跨度缆索起重机设计与使用； 3. 研究拱座大体积混凝土施工技术； 2010年 4. 大直径、大壁厚钢管拱制造工艺研究； 5. 拱脚支座加工安装工艺研究； 6. 研究大跨度钢管拱斜拉扣挂法拼装技术。 1. 钢管拱合龙及体系转换技术。 2011年 2. 研究钢管混凝土顶升配合比及工艺设计； 3.研究拱上薄壁混凝土刚架墩、П型梁施工技术。 1. 总结提炼工法、论文； 2. 分析试验研究数据，编写研究报告； 2012年 3. 课题结题验收及技术审查。 - 13 -
五、课题参加单位及主要研究人员 参 加 单 位 名 称 中铁六局集团有限公司 太原铁路局 铁三院 北京交通大学 课 题 性年职 务 职 称 局副总经理/教高 研 究 任 务 及 分 工 钢管拱桥综合施工技术研究 方案研究 缆索吊设计与调试 大体积混凝土水化热研究及监控 研究任务及分工 所 在 单 位 中铁六局集团有限公司 部拨经费分配 40万元 负责人 别 龄 赵剑发 男 46 总体协调部署 主要研究人员 李勇 男 38 公司总工/高工 总体方案策划、审定 总体方案审定 总体方案审定 中铁六局 中铁六局 中铁六局 太原铁路局 太原铁路局 中铁六局 中铁六局 铁三院 北京交大 同济大学 太原铁路局 中铁六局 李小和 男 42 局副总工程师/教高 戴焕文 男 52 局副总工程师/教高 梁志荣 男 43 太原铁路局/ 工程师 方案研究 袁文顺 男 44 太原铁路局/ 工程师 方案研究 赵增琪 男 37 公司工程部/工程师 任亚杰 男 43 项目经理/工程师 混凝土顶升工艺设计 总体组织协调 大跨度拱桥设计 大体积混凝土研究 缆扣设计优化 方案审批 缆索吊机设计安装方案设计 - 14 -
李凤琴 女 43 教授级高工 卢文良 男 41 教授 石雪飞 男 40 教授 梁志荣 男 50 太原铁路局/高工 姚予东 男 42 项目总工/高工 高茂林 男 38 项目副经理/高工 王民焕 男 55 公司科技部/高工 赵海龙 男 40 副指挥长/高工 杨文哲 男 王振 程戈 男 男 28 工程部长/工程师 26 主管工程师/工程师 26 主管工程师/助工 30 试验主任/工程师 27 主管工程师/助工程 37 副经理/工程师 方案实施 方案可行性研究 现场总体负责 拱座开挖及混凝土工艺设计 线性控制及施工测量技术 拱上结构施工设计 混凝土配合比设计 钢管拱制作工艺设计 钢管拱拼装工艺设计 中铁六局 中铁六局 中铁六局 中铁六局 中铁六局 中铁六局 中铁六局 中铁六局 中铁六局
王坤林 男 张秀智 男 孟俊杰 男 - 15 -
六、总经费预算 单位：万元
经费来源预算 经费支出预算 预算数 科 目 预算数 科 目 部拨款 其他拨款 来源预算合计 500 支出预算合计 一、人员费 二、设备费 三、材料费 四、测试化验 加工费 五、燃料动力费 2 六、差旅费 七、会议费 八、国际合作 与交流费 6 5 10 30 20 6 12 36 25 6 40 3 6 8 5 460 37 81 175 65 合计 500 40 87 183 70 一、部科研计划拨款 40 二、国家其他拨款 三、地方政府拨款 四、上级单位拨款 五、单位自筹款 六、银行贷款 七、其它来源 460 九、出版/文献/ 信息传播/知识产权事务费 十、专家咨询费 4 十一、管理费 1
31 5 35 6 七、铁道部分年度部拨款计划 单位：万元 部拨款总额 2010 年 2011 年 - 16 -
2012年 年 40 30 5 5 - 17 -
八、各承担单位经费预算
其中同济大学、北京交通大学作为我方的合作单位，其预算合计已计入中铁六局的单位自筹款中，这里仅是列出明细。
经费预算（中铁六局） 单位：万元
经费来源预算 经费支出预算 预算数 科 目 预算数 科 目 部拨款 其他拨款 来源预算合计 500 支出预算合计 一、人员费 二、设备费 三、材料费 四、测试化验 加工费 五、燃料动力费 2 六、差旅费 七、会议费 八、国际合作 与交流费 6 5 10 30 20 6 12 36 25 6 40 3 6 8 5 460 37 81 175 65 合计 500 40 87 183 70 一、部科研计划拨款 40 二、国家其他拨款 三、地方政府拨款 四、上级单位拨款 五、单位自筹款 六、银行贷款 七、其它来源 460 九、出版/文献/ 信息传播/知识产权事务费 十、专家咨询费 4 十一、管理费 1 31 5 35 6 承担单位财务部门审核意见 承担单位审核意见 - 18 -
财务专用章 年 月 日 单位公章 年 月 日 - 19 -
各承担单位经费预算（同济大学） 单位：万元
经费来源预算 经费支出预算 预算数 科 目 预算数 科 目 部拨款 其他拨款 来源预算合计 30 支出预算合计 一、人员费 二、设备费 三、材料费 四、测试化验 加工费 五、燃料动力费 0 六、差旅费 七、会议费 八、国际合作 与交流费 0 0 0 1 3 2 0 0 1 3 2 0 0 0 0 0 0 0 30 6 5 4 3 合计 30 6 5 4 3 一、部科研计划拨款 二、国家其他拨款 三、地方政府拨款 四、上级单位拨款 五、单位自筹款 六、银行贷款 七、其它来源 30 九、出版/文献/ 0 信息传播/知识产权事务费 十、专家咨询费 0 十一、管理费 0 3 3 3 3 承担单位财务部门审核意见 承担单位审核意见 - 20 -
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