团队成果

钢管混凝土桥梁的结构理论与技术创新

钢管混凝土结构由于其突出的技术经济性，在拱桥中取得了举世瞩目的成就，跨径逐渐向600m级突破。近年来，在梁桥和缆索承重桥梁中也取得了不俗的表现。相比工程应用而言，钢管混凝土桥梁的基础理论研究相对滞后，其中以大截面尺寸钢管混凝土壁板局部屈曲、钢管混凝土节点性能、温度作用等基础理论问题尤为突出。为此，团队联合重庆大学、中交第二公路工程局有限公司、中建科工集团有限公司和中交第一公路勘察设计研究院有限公司，以钢管混凝土在大跨复杂缆索承重桥梁、中等跨径装配式梁桥、高原大温差地区拱桥的应用等三大需求为牵引，在国家重点研发计划、国家自然科学基金、交通部西部建设科技项目和陕西省交通运输厅交通科研项目等20个项目资助下，历时20余年，创新钢管混凝土桥梁结构构造和应用形式，凝练矩形钢管混凝土组合桁梁桥、薄壁钢箱混凝土桥墩、缆索承重桥梁桥塔，以及高原大温差地区钢管混凝土拱桥等应用中的基础理论和关键技术问题，取得如下创新成果：1、研发了PBL加劲型钢管混凝土桥梁等系列新结构，建立了矩形钢管（钢箱）混凝土桥梁结构体系，创新了钢管混凝土在梁桥、拱桥和缆索承重桥梁中的结构构造和应用形式；2、系统地研究了钢管混凝土壁板屈曲性能、节点静力和疲劳性能、温度作用、界面性能和套箍作用，夯实了钢管混凝土桥梁结构理论基础，解决了钢管混凝土桥梁结构创新、装配化建造和西北高原大温差地区建设带来的新的科学问题；3、提出了PBL加劲型薄壁钢箱混凝土桥塔（墩）、装配式矩形钢管混凝土组合桁梁桥和PBL加劲型钢管混凝土拱桥设计方法，形成了相应的规范、通用图集、专利和工法，实现了钢管混凝土桥梁创新技术的工程应用。研究成果已在国内外100余座桥梁中得到应用，经济社会效益显著，推广应用前景广阔。获2022年度陕西省科学技术进步一等奖和2022年度中国公路学会科学技术一等奖。

1.项目背景

随着“西部大开发”、“一带一路”和“交通强国”战略的持续推进，西部出疆、入藏通道，中、东部大型过江、跨海通道等超级桥梁工程不断涌现，面对更加恶劣的环境、更加复杂的结构体系，桥梁结构理论研究亟待新的突破，技术创新极为迫切。钢管混凝桥梁具有高承载、高承灾、施工高效、经济性好等突出优势，在拱桥应用中跨径不断突破世界纪录，在梁桥、斜拉桥、悬索桥中也展示出巨大的发展潜力，是我国自主研发、引领世界桥梁工程技术发展的一种桥型。项目组在周绪红院士带领下，历时20余年，在国家自然科学基金、国家重点研发项目等20余项课题资助下，开展系统的基础理论研究，以实桥工程应用为牵引，校企联合攻关，进行结构形式创新，破解了大尺寸钢壁板局部屈曲及后屈曲性能、钢管混凝土节点疲劳性能和钢管混凝土温度计算理论等关键科学问题，完善了钢管混凝土桥梁结构设计方法，推动了钢管混凝土桥梁结构的创新应用。

2.创新成果

创新点1：研发了PBL加劲型钢管混凝土桥梁等系列新结构，建立了矩形钢管（钢箱）混凝土桥梁结构体系，创新了钢管混凝土在梁桥、拱桥和缆索承重桥梁中的结构构造和应用形式

提出了PBL加劲型钢管混凝土桥梁结构，确保了界面工作性能和节点性能的可靠性，提高了壁板局部稳定和构件套箍作用，防止了日照温差引起的界面脱空；研发的矩形钢管混凝土桥梁结构体系，适应了中等跨径钢管混凝土组合桁梁桥装配化建设需求，拓展了钢管混凝土桥塔在大跨斜拉、悬索桥中的应用空间，适应了超大截面尺寸、复杂建筑造型的需求；发明的系列新型节点，解决了钢管混凝土桥梁节点传力效率低、疲劳性能差和承载能力不足等问题。

创新点2：系统地研究了钢管混凝土壁板屈曲性能、节点静力和疲劳性能、温度作用、界面性能和套箍作用，夯实了钢管混凝土桥梁结构理论基础，解决了钢管混凝土桥梁结构创新、装配化建造和高原大温差地区建设带来的新的科学问题

构建了钢管混凝土单侧约束加劲平板屈曲的泛函化构造通用公式，给出初始屈曲和后屈曲解析解，提出了超大截面钢管混凝土桥塔壁板局部稳定计算方法；揭示了各类节点的破坏模式和承载机理，提出了钢管混凝土桥梁节点设计方法，采用热点应力法统一了圆形、矩形、PBL加劲型钢管混凝土节点疲劳S-N曲线，提出了钢管混凝土桥梁节点疲劳评估的热点应力法；通过高原大温差地区钢管混凝土温度场野外长期实测研究，建立了钢管混凝土桥梁温度作用的气象相关性计算理论；提出了钢管混凝土界面本构关系及PBL连接件防脱空构造，为钢管混凝土界面构造设计提供了理论依据；揭示了钢管与混凝土相互作用机理，实现了受力全过程钢管应力的实时描绘，为钢管混凝土拱肋各阶段应力计算提供了理论依据，完善了钢管混凝土套箍作用理论。

创新点3：提出了PBL加劲型薄壁钢箱混凝土桥塔（墩）、装配式矩形钢管混凝土组合桁梁桥和PBL加劲型钢管混凝土拱桥设计方法，形成了相应的通用图集、专利、工法、规范，实现了钢管混凝土桥梁创新技术的工程应用

明确了钢壁板、加劲肋、横隔板和管内混凝土协同承载的构造要求，提出了钢管混凝土桥塔设计方法；基于钢管混凝土组合桁梁桥的破坏模式和双重组合作用机理研究，提出了钢管混凝土组合桁梁桥效率系数设计方法；研发的公路装配式矩形钢管混凝土组合桁梁桥通用图，填补了50~80m中等跨径梁桥标准图的空白；提出了基于组合线膨胀系数的钢管混凝土拱桥温度效应计算方法，解决了钢管混凝土拱肋脱粘应力、合龙应力等计算难题。

项目研究过程中多个子课题先后鉴定，成果获得了“填补空白”或“国际领先水平”的评价。以张喜刚院士、岳清瑞院士、高宗余院士等组成的专家组一致认为：“项目总体研究成果总体达到国际领先水平。”

3.推广应用情况

项目出版国家出版基金资助丛书《钢管混凝土桥梁结构理论与创新技术》、“十三五”国家重点图书出版规划项目交通运输科技丛书《矩形钢管混凝土组合桁梁桥》等著作3部，主参编国家、行业和地方标准12部，研发公路装配式矩形钢管混凝土组合桁梁桥（6车道3~8×50~80m）通用图集，形成省级工法8项。研究成果在国内外100余座桥梁中得到应用，共实现节约成本约11.6亿元，社会经济效益显著。

成果第一完成人：刘永健

长安大学首批二级教授、博士生导师、加拿大不列颠哥伦比亚大学和女王大学访问教授，现任公路大型结构安全教育部工程研究中心主任、陕西省“四主体一联合”桥梁工程智能建造技术校企联合研究中心长安大学负责人。入选“国家百千万人才工程”第一层次、教育部新世纪优秀人才支持计划，获国家有突出贡献中青年专家称号，享受国务院政府特殊津贴。兼任中国钢结构协会专家委员会委员、结构稳定与疲劳分会常务理事、组合结构分会理事、钢结构教学委员会委员、中国建筑金属结构协会专家等，同时担任《建筑科学与工程学报》副主编、《建筑结构学报》编委、《中国公路学报》编委和《土木与环境工程学报（中英文）》编委。主持国家自然科学基金面上项目4项、十三五国家重点研发计划项目子课题1项、交通运输部建设科技项目等国家和省部级科研项目30余项，大型桥梁工程科研与技术咨询项目40余项。研究成果获国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖8项、二等奖6项。获授权国家专利50余项，先后在国内外重要刊物发表论文200余篇，出版教材、专著5部，主、参编国家、行业和地方标准8部。