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2020混凝土科学技术奖
【科技进步类】二等奖:道路工程装配式混凝土桩板结构设计与建造成套技术
时间:2021-01-07    来源:中国混凝土与水泥制品协会    分享:
本项目创新了道路工程装配式混凝土桩板结构,该结构是由工厂化预制的板梁、管桩连接组成的框架结构体系。




2021年度中国混凝土与水泥制品协会混凝土科学技术奖已经启动,欢迎业内企事业单位及从业人员,持续关注协会官方公众号【混凝土科技奖】的相关信息。


2020年度中国混凝土与水泥制品协会

混凝土科学技术奖•科技进步类

获奖项目展示





2020年度中国混凝土与水泥制品协会混凝土科学技术奖工作于2020年6月启动,至12月圆满完成。报名期间共收到有效申报项目61项。经过专家评审委员会的初评及终评,共计39个项目获奖,包括一等奖2项、二等奖15项、三等奖22项,其中“科技进步类”13项、“基础理论类”2项、“技术革新类”24项。



二等奖项目:道路工程装配式混凝土桩板结构设计与建造成套技术



主要完成单安徽省交通控股集团有限公司、安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司、同济大学



主要完成人:胡可、吴平平、徐宏光、郑建中、曹光伦、席进、于春江、吴建民、朱俊、杨大海、朱玉、雷进


项目概况

国家交通运输部2017年开始陆续还提出了关于实施绿色公路建设的指导意见,但是,当前公路建设逐渐进入瓶颈,具体表现在:①无地可占,无土可用形势严峻;②占地、取土代价加大;③土质处理、土地复垦成本提升。传统以地和土为主体建造公路的经济性和适用性受到严重冲击。国家绿色公路建设需要更多的具体方法的问题,采用结构化的观点、工业化的模式,在规模化、系列化的水平上,实施公路的少土、无土、高效、低价建设,是应对现实挑战,实现绿色发展的途径之一。

项目立足于安徽省内十三五期间新建及改扩建高速公路特点,依靠科技创新,以“施工速度快,少征地不征地,少填土不填土”为特征,完成单位设计完成“装配式混凝土桩板结构”来解决上述难题。

桩板式道路结构,是由工厂化预制的板梁、管桩组成的框架结构体系。作为一种创新结构,相对于传统的填土道路结构,具有刚度大,工后沉降小的特点,可用于代替3~8m高的填土道路结构拼宽。桩板式道路结构相对于传统道路结构取消了放坡宽度,较大节省了征地面积;预制板梁、管桩可在工厂完成,现场组装,施工速度快;在改扩建项目中桩板道路结构可取消涵洞等结构物接长,水沟等附属设施也可继续利用,在加快施工进度同时,充分利用既有结构,节约工程造价。

框架式装配式混凝土桩板结构体系

主要创新点

1.提出了应用于道路桥梁工程的装配式混凝土桩板结构体系,建立了考虑结构耐久性的设计方法和成套技术。

道路工程装配式混凝土桩板式结构是由工厂化预制的桥面板、管桩通过合理的连接形成的一种考虑桩板联合作用、板板联合作用、新老路基联合作用和桩基-土联合作用的框架结构体系。通过对公路装配化桩板式结构进行研究与设计计算,本项目创新构建出成套且成熟可靠的公路装配化桩板式结构体系,已成功应用于改扩建道路工程和新建道路工程。耐久性是结构设计最基本的要求之一,耐久性直接影响结构的安全性和适用性,也关系到结构的实际寿命能否达到其设计使用年限要求。本项目建立了结构静力性能、疲劳性能、抗震性能分析模型和计算方法,开展了沉降性能、构件专项养护和可更换性及桥面铺装新体系的专题研究,全面形成了基于耐久性的桩板式道路结构设计和成套技术。

新建公路装配化桩板式结构体系

2.开发了适用于装配化施工的板板连接、板桩连接构造,以及新型板式橡胶支座和型钢伸缩缝

研发了一种适用于桩板式结构预制板连接的新型带底托环形钢筋连接方式。环形钢筋搭接连接施工方便,构造要求低,施工质量易保证,相比焊接连接,更适于在本类结构中推广应用。带底托预制板底部弧形外伸,预制板底托作为湿接缝的底模,无需吊模,施工方便。结合新建和改扩建桩板式结构的不同特点,先后研发了弹性连接、半刚性连接、刚性连接三种桩板连接型式,并通过有限元模拟与试验测试等方法,验证了连接构造的安全性、耐久性。

制造研发了适用于桩板式道路结构的新型板式橡胶支座和型钢伸缩缝,增强了附属构造的耐久性。提出了一种预制板与老路之间的连接构造的设计,该种连接方式在老路一侧将混凝土板通过垫块搭接在老路上,垫块下设透水混凝土和不透水素混凝土垫层,横向通过一段现浇段与老路相连,能够有效解决新老路基不均匀沉降、结构排水等难题,为桩板式结构推广提供了有利保障。

新型板板连接构造和桩板连接构造

3.探明了桩板式结构桩板接头的疲劳性能特征,建立了相应的抗疲劳评价方法。

桩板式路结构轻盈,活载所占比重较大,桩板连接接头在往复车辆荷载作用下,可能会出现疲劳破坏问题,威胁到结构安全性。本项目采用数值模拟和试验分析相结合的方法,建立了桩板式道路结构桩板接头抗疲劳性能的评价方法。首先进行疲劳性能数值模拟计算,然后通过1:1足尺模型试件进行200万次疲劳荷载加载,对数值分析结果进行验证,能够较为客观的评价桩板接头抗疲劳性能。

桩板接头疲劳加载试验装置

4.研发了密实型沥青砂与SMA组合的桩板式结构桥面铺装新体系。

桩板式结构桥面板湿接缝密集、平整度较差、不设置防渗调平层,对于铺装层粘结、防水、抗剪、防裂的要求高,本研究提出了密实型沥青砂与SMA组合铺装结构,充分考虑结构的功能、受力需要以及施工便利性,提出一种密实防水、功能持久的复合结构。基于铺装结构设计以及材料指标研究,形成了桩板式结构铺装层设计方案,从材料要求、施工工艺、验收标准等方面,整合出桩板式结构铺装层成套应用方案。

应用效果

道路工程桩板式结构为创新结构,安徽省交通控股集团和安徽省交通规划设计研究总院于2015年~2016年选择合肥绕城高速公路陇西至路口段桩板式结构试验段进行了技术研发工作。本试验段的工程实践创造了一种全新的公路桩板式结构,填补了全国高速公路桩板式结构设计和实践的空白。试验段线路中心里程为K7+066.009K7+435.266左右幅加宽部分。该试验段工程自2016年年底通车以来,运营情况良好。

安徽省合肥绕城高速陇西至路口段改扩建工程桩板式结构实景图

2017年,在总结合肥绕城高速公路陇西至路口段应急工程桩板式结构试验段经验的基础上,集团公司继续在京台高速公路方兴大道至马堰段改扩建工程中开展桩板结构推广段研究。推广试验段里程桩号为合安高速2标段K1070+703K1072+722段,推广试验段共长约2019m。目前该推广段已建成通车,使用情况良好。

安徽省合安高速公路改扩建工程桩板式结构实景图

2018年,合芜高速公路改扩建工程所用的路基类型为新型公路拼宽桩板式结构,我公司对预制桩板式结构进行升级改进,以更加适应工业化建造的要求。2018~2019年,G3W德州至上饶高速公路合肥至枞阳路段首次在新建高速中应用桩板式结构,合纵高速共布设桩板式结构12.986公里,为目前全国采用桩板式结构里程最长的一条新建高速公路。新建高速公路桩板式结构以打入式预制管桩直接支撑钢筋混凝土面板,形成一种简洁透空的承载结构。结构为柔性体系,工作类似桥梁,但损伤可控,有望成为解决发展公路交通与保护土地资源之间矛盾的理想方案。

安徽省合芜绕城高速陇西至路口段改扩建工程桩板式结构实景图

公路装配化桩板式结构除了在安徽省得到应用以外,在外省市高速公路项目中也已得到应用。目前,本项目提出的公路桩板式结构体系已成功应用于江西省、广东省、河南省、河北省、湖北省等多个省份的新建及及改扩建公路和城市道路工程,产生了显著的示范效应以及良好的经济和社会效益,其他省院如浙江院、河北院等也在积极研究、设计应用桩板式结构,这说明桩板式结构在全国范围内已得到较多业主和设计单位的认可。

企业介绍

安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司始建于1960年,2014年整体变更为股份公司,2017年登陆资本市场,成为安徽省内第100家上市公司。公司是一家为公路、水运、市政、水利行业的建设工程提供专业技术服务的工程咨询公司和高新技术企业。公司历来重视科研基础设施和人力队伍建设,持续加大科技研发的投入,共独自设立10个研发机构,共建3个研发机构,拥有2个科研基地。公司现有专职研发人员260左右,科研人员培训投入每年300万元左右,每年研发投入资金2000万元以上。

设计总院基于交通领域标准化、装配化建造需要,近年来在交通领域新型装配式结构技术研究与应用方面率先开展研究,在工程设计中结合工程特点进行创新研发,先后在“体系与结构创新、构件标准化设计、工艺研究与流程再造、标准体系建立、信息管理与技术综合”等方面,形成了系列关键技术,包括常规跨径桥涵的快速化装配技术体系、整体结构的模块化装配技术体系等,已成功开发装配式钢筋混凝土通道、装配式T型桥墩、桩板式结构体系、钢-混组合梁、全预制拼装节段梁、公路高强预制墩等30余项新型装配式结构技术,经多个权威专家或机构鉴定,总体处于国际领先或先进水平。在大力开发新技术的同时,加快新技术工程转化和产业化运用,先后将桩板式结构体系、钢-混组合梁等30项新型装配式结构技术成功运用到芜湖长江公路二桥、济祁高速、巢无高速、合宁改扩建等重点公路工程项目中,节约投资十几亿元,引领当下交通基础设施建设的新变革、新方向,形成安徽省特有桥梁装配工业化建造优势。众多科研成果在行业内外已引起广泛影响,吉林、湖北、青海、浙江等二十多个兄弟省份的交通主管部门和公路投资公司赴我公司考察、学习装配工业化建造技术。

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