【桥隧创新周周探】佛山市富龙西江特大桥工程

  ：项目全长5.81km，主要建设内容为两座枢纽互通立交+主桥。主桥为主跨580m钢-UHPC组合梁双塔双索面斜拉桥，主梁采用的钢-UHPC组合桥面板将UHPC作为大跨径斜拉桥主要承担重量的构件，为世界首创。以其代替正交异性钢桥面板，可以有效解决长期困扰工程界的桥面板开裂及耐久性难题

  富龙西江特大桥主塔创新性地采用了组合钢锚箱作为拉索塔端锚固构造，即在拉索张拉前钢锚箱一端与混凝土塔壁连接，另外一端自由，拉索张拉完成且施加二期恒载后，自由端通过预埋钢件与混凝土塔壁相连。在拉索张拉锚固及施加二期恒载阶段，锚箱的侧面拉板可以自由伸长，斜拉索的水平分力完成由钢锚箱承担，水平受力状态接近于钢锚箱，同时竖向分力也由钢锚箱向混凝土塔壁传递；成桥后荷载产生的索力增量，由混凝土塔与钢锚箱共同承受，因此能明显降低混凝土塔壁的拉应力水平，降低混凝土塔壁的开裂风险。

  通过联合西南交通大学，建立上塔柱整体空间存在限制元及局部分析模型和足尺模型试验，经过反复的计算和模型测试，探明了这种新型组合索塔锚固结构的受力特征及传力路径，得出了一系列的结论：

  1. 提出了一种适用于可滑移钢锚箱的新型滑动副—镜面不锈钢-冷喷涂双组份石墨烯改性氟碳漆涂层；

  2. 钢锚箱滑动端锁定前，可滑动钢锚箱组合索塔的受力形式接近于传统的钢锚梁组合索塔，即拉索的水平分力基本由钢锚箱承担，混凝土塔柱不承担拉索的水平分力；

  3. 通过足尺寸模型试验获得了可滑动钢锚箱组合索塔的开裂荷载及裂缝发展规律。在索力达到1.7倍荷载标准组合时混凝土才慢慢的出现裂缝，在2.5倍标准组合索力作用下裂缝最大宽度仅为0.2mm，结构仍然能稳定承载。可滑动钢锚箱组合索塔承载力具有较大的安全储备。

  应用先滑动后锚固的组合钢锚箱技术，通过高精度制造安装保证钢锚箱线形及安装精度，避免塔壁在施工全套工艺流程中受力开裂，提高了大跨径斜拉桥的安全性和耐久性。

  通过大量调查、分析国内外钢-混凝土组合板轻型结构使用及研究情况，富龙西江特大桥主桥创新采用了钢箱梁+（8mm）薄钢板顶板+（15cm）UHPC轻型组合桥面结构作为斜拉桥主要承担重量的构件，以解决桥面板开裂及耐久性难题。

  针对这一创新设计，联合清华大学、湖南大学、武汉理工大学、长沙理工大学及佛山市交通科技有限公司一同承担《富龙西江特大桥UHPC成套关键技术探讨研究》工作。

  为解决桥面结构病害、突破经济跨径限制，同时考虑工期和施工用地紧张的问题，提出由钢箱梁+钢-UHPC组合桥面板构成的钢-UHPC轻型组合桥面系，可采用工厂化、装配式的实施工程的方案。为推广该高性能轻型桥面系的应用，研发了稳定性很高且经济适用的UHPC材料，并针对新型桥面结构的受力机理和性能设计方法开展了系统的研究。考虑到主跨、边跨的经济性，提出主跨采用钢-UHPC轻型组合桥面系、边跨采用预应力混凝土的混合梁方案。针对组合梁-混凝土梁结合段的受力性能，开展了深入研究，确保有效的连接和刚度的平滑过渡。

  针对超高性能混凝土（UHPC）桥面板及湿接缝高强度与低收缩抗裂性无法同时兼顾的问题，本项目基于原材料性能指标及其配合比关键性影响因素开展了超高性能混凝土配合比设计及试验验证研究。根据试验结果，进一步研究与之匹配的桥面板及湿接缝体积稳定性技术，实现兼顾高性能与补偿收缩特性的超高性能混凝土制备。探明了活性矿物掺合料组合比例（硅灰、微珠、矿渣粉等）及配合比关键影响因素（水胶比、砂胶比等）对超高性能混凝土工作力学性能的影响规律，提出C150强度级别超高性能混凝土基础配合比；通过膨胀剂（氧化钙型、氧化镁型、复合型）与减缩剂（聚醚类）补偿收缩协同提升机理研究，提出减缩型超高性能补偿收缩能混凝土配制技术；通过内养护材料与复合型膨胀剂=补偿收缩协同机理研究，提出了内养护型超高性补偿收缩能混凝土配制技术。通过反反复复的材料配比试验及性能验证试验，最终提出了基于本土化材料同时满足于本项目的配合比、外加剂以及养生方式。

  该新型的轻薄桥面板可大幅度降低桥面系的自重，可使组合梁斜拉桥的经济跨径突破600m。本项目针对该新型桥面板及接缝的力学性能开展了深入研究，主要做了如下研究：

  （1）简支/连续钢-UHPC组合桥面板的足尺模型试验。开展了一组简支钢-UHPC组合桥面板和一组连续钢-UHPC组合桥面板的足尺模型试验，重点研究其承载力、刚度和抗裂性等静力性能。试验揭示了钢-UHPC组合桥面板的破坏模式和受力全过程行为，为建立相关的理论计算方式奠定了基础。

  （2）钢-UHPC组合桥面板的承载力和刚度计算方式。基于截面分析方法和塑性计算理论，推导了钢-UHPC组合桥面板的抗弯承载力计算公式，可考虑多种不同的中性轴位置分布情况。考虑钢纤维的作用，提出了钢-UHPC组合桥面板的抗弯刚度计算方式，可服务于正常使用界限状态的设计验算。采用足尺模型试验的数据，对上述理论计算方式进行了验证。

  （3）钢-UHPC组合桥面板的数值模拟方法。基于大量材性试验数据，提出了UHPC的精细本构模型。从文献中选取合适的本构模型，考虑PBL剪力键和栓钉的荷载-滑移行为。采用ABAQUS建立精细有限元模型，实现了对钢-UHPC组合桥面板全过程静力行为的准确模拟，且对简支和连续边界条件均适用。

  （4）钢-UHPC组合桥面板接缝的足尺模型试验。开展了一组钢-UHPC组合桥面板湿接缝的足尺模型试验，研究了燕尾榫湿接缝和矩形湿接缝这两种构造的静力性能。试验揭示了不同接缝构造的抗裂性、承载力和破坏模式等，为建立相关的理论计算方法提供了数据支撑。

  （5）钢-UHPC组合桥面板接缝的承载力和抗裂性计算方法。基于截面分析方法和塑性计算理论，考虑足尺试件的破坏模式，推导了钢-UHPC组合桥面板湿接缝的抗弯承载力计算方法。对现行国家标准裂缝宽度计算模型进行修正，得到了钢-UHPC组合板湿接缝裂缝宽度的预测模型。采用足尺模型试验的数据，对上述理论计算办法来进行了验证。

  （6）钢-UHPC组合桥面板及接缝的疲劳性能研究。开展了钢-UHPC组合桥面板及湿接缝的足尺模型疲劳试验。基于疲劳试验结果，进一步地探究了负弯矩区组合桥面板及湿接缝在疲劳荷载作用下的损伤机理。基于钢-UHPC组合桥面板及湿接缝的疲劳性能与疲劳损伤机理，提出组合桥面板及湿接缝的疲劳设计要点。

  针对钢-UHPC组合梁与混凝土梁形成的新型组合混合梁的结合段，本项目开展了有限元计算分析及模型试验，探明了这种新型组合-混合结构结合段的受力特征及传力路径，提出了一种宽幅箱型截面组合-混合梁斜拉桥结合段局部截面缩尺试验模型的设计方法；获得了钢-UHPC组合梁-混凝土梁结合段传力路径、剪力键群的轴向荷载分配规律及滑移规律以及钢-UHPC组合梁-混凝土梁结合段抗裂性及裂缝开展规律。

  富龙西江特大桥在以上科研成果的基础上，设计阶段采用了组合桥面板新型结构，解决了正交异性钢桥面板疲劳开裂和桥面铺装易损的世界难题，避免了普通组合梁在湿接缝、斜拉索锚固区附近桥面板以及预应力锚固区附近桥面板开裂问题；在施工阶段，采用了UHPC摊铺振捣一体机实现整个节段在工厂一次浇筑，减少了现场施工作业面。在营运阶段，将会减少了因桥面板开裂或铺装损坏的维修养护次数，减少了索塔锚固区的维修养护次数，提升了人民群众出行品质。

  1. 开展普通钢筋混凝土盖梁和预应力盖梁设计比较，引桥盖梁全面使用预应力，避免开裂。

  2. 开展常规预应力混凝土小箱梁、空心板梁和T梁综合比选，预制小箱梁结构相对比较简单，设计经验成熟，结构刚度较大，抗扭性能较好，对于变宽段有一定的适应性，景观效果较好，在项目全线. 桥头软基处理开展针对性设计（复合地基+轻质土），减轻自重，减少工后沉降，提高行车舒适性。项目运用科学技术创新成果，一是使用了土壤固化生态胶结技术，提升软基固化工程建设质量，强度快速达标、成桩率超90%。经工程建设项目实际应用综合评估，土壤固化生态胶结技术应用于搅拌桩、旋喷桩等各类软土加固处理工程，提升品质基础上实现工程建设价格降低约8%。二是应用轻质泡沫土实施工程技术，其具有物理力学稳定和施工性能好等特点，用自流平浇筑硬化而成，施工不需机械碾压和振捣，有效解决桥台等结构物侧面填土的压实难题。

  佛山市委市政府于2016年启动“一环西拓”建设战略， 富龙项目是西拓工程的重要组成部分，纳入省重点项目，是推动大湾区建设交通先行的重要项目。

  2020年，富龙项目荣获交通运输部“重点科技项目”、首批“平安百年品质工程”创建示范项目清单。荣获2020年度广东省“平安工地”称号。富龙项目创新争先，促进了佛山市交通建设行业良好的发展积累了经验，也营造和带动了区域项目参建人员“人人讲安全，个个讲品质”，使平安百年品质工程入心入脑、常态化、机制化。

  项目的建成通车，有利于广佛西部片区对接广佛中心，有利于佛山东西部片区城市经济的加速发展，有利于广佛西部片区尽快融入广佛快速路网，对加速沿线片区的“交通融合、产业融合、城市融合”具有重大战略意义。