由建造到“智”造——南京五桥钢-混组合结构桥梁建设技术创新

南京长江第五大桥工程依托跨江主桥建设，在钢-混凝土组合结构桥梁结构、材料、工艺、管理手段等方面开展了多项创新研究，研究成果填补了领域内的技术空白，推动了钢-混凝土组合结构桥梁整体建设技术水平的提升。

特点与难点

南京长江第五大桥工程位于南京长江三桥下游约5km、南京长江大桥上游约13 km处，距离长江入海口约330 km，是205国道和312国道的过江通道，同时也是南京“高快速路系统”中绕城公路的重要组成部分。工程路线起于浦口五里桥，向东南方向跨越长江，经梅子洲下穿夹江后顺接南岸已经建成的青奥轴线地下工程，路线全长约10.3 km。其中跨江大桥长4134m，跨径1796m，为纵向钻石形索塔中央双索面三塔组合梁斜拉桥，索塔为钢-混凝土组合索塔，主梁为粗骨料活性粉末混凝土为桥面板的流线型扁平整体箱型组合梁，斜拉索为钢绞线斜拉索；夹江隧道采用隧道方式下穿夹江，顺接南岸青奥轴线地下工程，隧道全长1.755km，两岸接线长4446m；主体结构采用盾构施工，盾构段长1160m。工程核批概算62亿元、核批工期54个月。

图1 合龙后的南京长江第五大桥工程跨江主桥

在世界上首次创新采用了钢-混凝土组合索塔结构。跨江主桥索塔纵向为钻石形索塔，横向为独柱塔，钢壳部分为双壁异形箱型附筋钢结构。南、北边塔高167.7m、中塔高175.4m，下塔柱为纵向双肢，每肢为单箱三室的外侧带凹槽的六边形断面，向上逐步分离，至下塔柱顶部纵向21m（边塔17.6m）；中塔柱为纵向双肢，每肢为单箱单室的外侧带凹槽的四边形断面；上塔柱合并为单箱单室，设置钢牛腿和钢锚梁，索塔采用钻孔灌注桩基础。

跨江主桥是世界上首次采用粗骨料活性粉末混凝土桥面板结构的大跨径斜拉桥。主梁采用粗骨料活性粉末混凝土为桥面板的流线型扁平整体箱型组合梁，钢与混凝土通过剪力钉连接形成组合截面，斜拉索采用钢绞线斜拉索。钢混组合梁结构包含钢主梁、粗骨料活性粉末混凝土预制桥面板、现浇桥面三部分。钢主梁为单箱三室结构，中间箱内设置斜拉索锚箱。钢混组合梁桥面采用粗骨料活性粉末混凝土预制板结构，预制板设置燕尾榫构造，中央拉索区及两侧悬臂区为粗骨料活性粉末混凝土现浇段。粗骨料活性粉末混凝土桥面板分为预制板、工厂湿接缝、工地横向湿接缝三部分制作。标准梁段长14.6m，桥面板全宽35.6 m，分为4块预制板，3道纵向、1道工厂横向湿接缝和1道工地横向湿接缝。

跨大堤及滨江大道桥为主跨78m的三跨波形钢腹板PC连续梁桥，在国内首次采用波形钢腹板预应力混凝土箱梁节段预制拼装法施工，接线桥梁中立新路跨线桥、丰子河路跨线桥亦采用节段预制拼装法施工的波形钢腹板预应力混凝土箱梁。

创新一：钢壳-混凝土组合索塔关键技术

通过钢壳-混凝土组合索塔关键技术研究，研发了结构性能优、工业化程度高、建造速度快的钢壳-混凝土组合索塔，在组合索塔受力机理、设计技术、施工技术等方面取得了重要突破，研究成果达到国际领先水平。

1．以纵横双向钢筋混凝土榫群为剪力连接件、钢壳与混凝土协同受力、共同工作的钢壳-混凝土组合索塔，继承了钢结构索塔工厂化制造、模块化拼装的优点，发挥了钢混组合结构刚度大、承载力强、延性好的优势，有效提高了索塔工厂化制造率，降低了原材料的投入，显著缩短了索塔建造周期、减少了人工投入和设备占用周期。

钢壳-混凝土组合索塔由双层附筋钢壳与填充于钢壳之间的混凝土组合成协同受力的整体结构，钢壳通过纵横双向钢筋混凝土榫群与混凝土组成协同受力整体。钢壳及附筋在工厂制造、组装，在现场只需吊装和机械式连接。双层钢壳设置纵横加劲体系，纵横加劲体系既是钢筋混凝土榫剪力连接件的开孔钢板，又是钢壳的加劲肋，提高了钢壳的刚度，使之能够承受混凝土浇筑的侧压力，成为混凝土浇筑的模板，省去了混凝土索塔的立模工序。同时，附筋的工厂化定位、组装和现场的机械式连接，省去混凝土索塔钢筋绑扎工序，实现了快速施工。施工速度由混凝土索塔的0.7m/天提高到1.2m/天，现场人工投入减少70%。

2．探明了薄钢板钢筋混凝土榫剪力连接件的力学性能和破坏机理、纵横双向钢筋混凝土榫在钢壳-混凝土组合索塔协同受力性能中的作用机理，构建了钢壳-混凝土索塔结构的功能模块，提出了构造设计原则，建立了保证钢壳-混凝土组合索塔整体协同受力性能的设计理论和方法。

钢壳-混凝土组合桥塔采用在钢壳的薄钢板加劲肋上开孔、内插钢筋形成双向薄钢板钢筋混凝土榫剪力连接件，明显加强了钢壳与混凝土连接。足尺模型试验表明，钢壳-混凝土组合结构试件的刚度、承载能力、延性等较相同含钢率钢筋混凝土结构试件分别提高了33%，49%和50%，显著提高了结构的综合性能；纵横双向剪力连接件为大宽厚比薄板钢壳提供了面外约束，避免钢壳弹性屈曲，通过对钢壳壁板厚度与混凝土强度的合理匹配，有效提高索塔结构延性；钢壳-混凝土组合截面在工作全过程满足平截面假定，钢壳、钢筋、混凝土共同工作，协同受力。

3．基于制造安装一体化理念，研发了附筋钢壳先进控制技术及工艺流程，实现了附筋钢壳工厂化、标准化的制造；发明了竖向附筋精确匹配定位工艺、轻型液压整体自爬升施工平台、适应不同重心位置的可调节压杆式吊具，确保了附筋钢壳在桥位处的精确定位和快速连接。

针对附筋钢壳的制造要求,提出了密肋附筋板单元制作工艺及附筋精确定位、组装技术；针对钢壳双层箱形截面抗畸变能力弱的特点,提出了附筋钢壳立式总拼技术,研制了立式总拼胎架,提出了基于中央基线的短线法匹配方式。

根据竖向钢筋间距不同，制作不同孔距钢筋定位样板，采用定位样板卡固在钢筋端头螺纹丝扣处，实施对竖向钢筋的精确定位，再使用槽形定位工装搭配定制螺母，固定钢筋水平位置，竖向位置可调节。

轻型液压整体自爬升施工平台主要由预埋件系统、爬升装置、承载桁架、走道及安全围护、液压及智能控制系统等部分组成。平台工作时，在钢壳预留孔位置安装锚锥和埋件，并保证其安装紧固，在上一节钢壳上安装附墙挂，插入导轨，依次过二层附墙挂座，操作动力装置控制器爬升架体。

图2 钢壳-混凝土组合索塔节段

图3 轻型液压整体自爬升施工平台

创新二：粗骨料活性粉末混凝土及钢混组合结构的研究与应用

开展了粗骨料活性粉末混凝土研发，材料性能、粗骨料活性粉末混凝土构件性能、粗骨料活性粉末混凝土施工工艺、粗骨料活性粉末混凝土-钢组合梁桥面板静力和疲劳性能研究，系统分析粗骨料活性粉末混凝土桥面板的材料特性和力学性能，形成了整套粗骨料活性粉末混凝土的制备和桥面板自动化流水预制生产线的研究成果，解决了施工工艺和施工设备等关键技术性问题。

1．通过立方体抗压、弹性模量、弯曲初裂、抗折、弯曲韧性、泊松比、抗渗、抗氯离子渗透、碳化、收缩、徐变等试验，较系统探明了粗骨料活性粉末混凝土的主要工程性能及控制指标。

2．探明了粗骨料活性混凝土构件受弯、剪破坏模式，以及裂缝开展、刚度退化规律，受弯构件在高应力水平下的疲劳行为等，为跨江主桥主梁粗骨料活性混凝土桥面板结构设计提供了技术支撑。

3．研发了具有高强度、高弹模、高延性、高耐久性、低收缩等特点的粗骨料活性粉末混凝土材料，并应用在大跨径钢-混凝土组合梁桥中。大幅减轻结构自重，桥面板厚度由传统的27cm降低至17cm，单位重量由37.3t/m降低至27.7t/m，显著改善结构整体受力性能，提高了结构的耐久性。

4．研发了高精度、多片桥面板几何关联的模具系统，研究提出了粗骨料活性混凝土标准化的投料方法、拌和、振捣、整平工艺，研发了自动布料机、数字化阵列式插入振捣机、自动化平板振捣机等系列设备，建立了自动化桥面板制造生产线。标准化施工工艺和自动化生产设备已经过南京五桥400余块桥面板制造的应用验证，有效控制了桥面板预制质量，提高了工作效率。

5．探明了粗骨料活性混凝土构件受弯、剪破坏模式，及裂缝开展、刚度退化规律，以及其在高应力水平下的疲劳行为，完成了两个试件共1200万次变幅疲劳加载。试验结果表明，在正常使用荷载作用下，桥面板疲劳寿命长、性能好，为结构推广使用提供了技术支撑。

图4 粗骨料活性粉末混凝土桥面板预制流水线

图5 工厂纵缝搅拌机

创新三：预制节段拼装波形钢腹板连续梁桥建造关键技术研究

开展了波形钢腹板PC组合箱梁短线匹配法节段预制和现场对称悬拼架设施工技术的研究，解决了从节段绑扎胎架与钢模板设计、波形钢腹板适配性安装及匹配精度控制、波形钢腹板组合箱梁节段混凝土浇筑工艺到施工现场组合箱梁节段吊装与悬臂拼装精度控制等一系列关键技术难题。

1．设计了单箱多室波形钢腹板组合箱梁节段，研发了相应的建造装备与技术。箱梁节段由混凝土顶底板和波形钢腹板构成，二者由钢筋混凝土榫剪力连接件连接为整体，实现了钢腹板与混凝土协同受力、共同工作。该结构继承了节段梁工厂化制造和模块化安装的优势，并具有波形钢腹板抗剪能力强、自重轻的优点，为我国桥梁的装配化和工业化建造提供了一种新的箱梁节段型式。

2．研发了一套变截面波形钢腹板-混凝土节段梁预制模板系统、波形钢腹板安装定位控制技术、波形钢腹板-混凝土节段梁顶底板混凝土浇筑新工艺和能有效控制波形钢腹板-混凝土节段梁吊装、运输阶段变形的技术。以现有成熟的大型施工装备为基础进行改造，形成了能够满足波形钢腹板-混凝土节段梁悬臂拼装时结构受力及精度控制要求的施工装备。波形钢腹板-混凝土节段梁工厂预制构件尺寸合格率达到100%，拼装完成后桥梁轴线偏差小于10mm，高程偏差小于20mm，节段间波形钢腹板拼缝错台小于3mm，整体线形平顺，对接缝错台小。波形钢腹板-混凝土节段梁现场悬臂拼装速度达到两节段/天，较悬臂现浇速度提升5倍以上。

图6 波形钢腹板节段拼装施工

图7 合龙段底模安装

创新四：信息化、数字化BIM平台研发与应用

开展了基于BIM的建设管理信息化、数字化平台关键技术及基于BIM建设养护一体化技术研究，打造了信息高效共享的工程全过程、全要素数字化平台并在工程建设中进行了应用，包括建设、设计、施工、监理、第三方中心、咨询等35家单位应用了该平台。

1．提出服务于工程全周期数字化的BIM应用实施纲要和标准，通过统一编码体系、模型标准和数据格式，使信息数据便于集成、管理、更新、维护、扩展，并可快速检索、调用、传输、分析。

2．利用互联网、二维码、GIS、GPS等手段，研发了BIM 4D动态推演、重要隐患BIM模型一键展示，基于BIM的质量检验与报验、品质工程及平安工地等信息化，管理标准自定义的班组管理信息化、领导带班管理信息化、基于大数据的隐患统计分析、智慧工地看板等多项创新技术，提升了工程建设标准化、规范化、精细化管理水平。

实现了重要隐患BIM模型一键展示，地理信息访问视角追踪、查询、统计、分析，提升项目隐患闭环控制监管效率。利用工序验收自动获取实际工程进度节点信息，通过对SuperMap和webGl的二次封装开发，实现了工程进度BIM 4D动态推演。将质量三检与工序报检协同，质量三检作为工序报验的前提，在BIM模型平台可关联查看检验与报验结果。

实现了品质工程、平安工地等工程考核信息化，创新性地将信息系统中与考核项相关的业务信息，通过编码和BIM模型自动关联到对应考核项下。实现了管理标准自定义的班组管理信息化，灵活设置班组各阶段的检查内容和评分标准，班组管理记录、评分通过编码与施工部位BIM模型挂接。实现了施工单位领导带班信息化管理。

通过BIM模型关联不同类型的数据，实现数据自动清洗、多维隐患统计分析，定期生成隐患月报，提供支持决策的智慧化统计分析报表。

开发了基于品质工程、智慧工地建设要求的信息化、数字化看板，通过与过程管理系统的数据关联，集中展示智慧工地的主要指标情况。

3．研发了全过程全要素可视化工程建设管理平台，首次利用BIM技术的数据协同性，基于统一的全生命周期编码体系，实现了工程建设进度、质量、安全、环保等的全过程数字化管理。通过BIM集成人员、材料、设施设备、监控监测等生产资源，体现优化组织和资源优化配置，改变了传统的工程管理方式，工程各环节反应速度和生产效率都得到了提升。

4．以BIM为数据载体，统一规划，提出了服务于工程全生命数字化的建养一体化技术，为建养数字移交及数字交通发展奠定了坚实的数字基础平台。

图8 南京长江第五大桥建设管理信息化、数字化BIM平台及手机APP

南京长江第五大桥已于2020年12月24日通车运营。

本文刊载 / 《桥梁》杂志

2020年 第6期 总第98期

作者 / 武焕陵

作者单位 / 南京市公共工程建设中心

编辑 / 裴小吟

美编 / 赵雯

责编 / 王硕

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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