揭秘南京五橋粗骨料活性粉末混凝土鋼-混組合梁技術

文/中交公路規劃設計院有限公司

獲獎等級：一等獎

項目名稱：粗骨料活性粉末混凝土鋼-混組合梁及快速組拼建造技術

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“粗骨料活性粉末混凝土鋼-混組合梁及快速組拼建造技術”項目的依托工程——南京長江第五大橋，位于江蘇省南京市城市中心地帶，是連接主城和江北新區的重要紐帶，全線按一級公路標準設計，工程南岸順接已通車的青奧軸線地下工程，北止于寧合高速五里橋互通，路線全長10.33公里。

南京長江第五大橋的跨江主橋為縱向鉆石型索塔中央雙索面三塔組合梁斜拉橋，總造價11.44億元，綜合單價每平方米1.7875萬元，橋跨布置為80+218+600+600+218+80=1796米，是近10年來長江中下游已建跨江大橋單價最優的經典工程。

在“粗骨料活性粉末混凝土鋼-混組合梁及快速組拼建造技術”項目的支撐下，南京長江第五大橋建成的輕量化高性能鋼-混組合結構與橋梁建筑美學相結合，孕育出了結構挺拔、優雅、簡潔的大橋。其與周圍環境融為一體，相互襯托，成為當地最具標志性的建筑。

高性能組合結構的創新性應用

近年來，環境保護越來越受到人們的關注，低碳環保成為社會焦點；原材料的限制性開采及其生產過程中對環境的影響制約了大批量合格建筑材料的獲??；有效勞動力的不足和勞動力成本增加使勞動密集型施工工藝逐漸失去市場。集約高效、安全耐久、經濟適用、綠色低碳，適合工業化建造的輕量化高性能結構成為大跨度斜拉橋的首選。

大跨徑斜拉橋主梁以鋼筋混凝土板替代正交異性鋼橋面板形成的鋼-混組合梁，可提高橋面板結構剛度，規避鋼橋面系的疲勞開裂、有效降低建造和維養投入。但鋼、混材料性能的巨大差距，導致鋼-混組合梁中鋼材性能無法有效發揮、厚重的橋面板使結構自重相對較大、長期荷載下鋼混間內力重分配存在不確定性、結構形式與工業化建造契合度有待提升等問題，成為制約橋梁向更大跨度發展的技術瓶頸。

在南京長江第五大橋項目實施過程中，項目團隊通過研發新型超高性能水泥基材料，并應用于組合梁橋面板，可有效提高組合梁中鋼、混兩種材料性能匹配度，提升主梁結構整體性能、降低結構自重，使鋼混組合梁能更好地適應工廠化、自動化制造。

此外，項目團隊還在南京長江第五大橋上首次研發并采用了鋼殼-混凝土組合索塔，該項研究成果不僅擁有優良的承載能力和結構延性，而且具有現場施工便捷、外觀質量好、耐久性出色等優點。

兩種高性能組合結構的研發和應用，將南京長江第五大橋打造成為了輕量化高性能、環境友好、適應工業化建造要求的首座全鋼混組合結構斜拉橋，同時使其具備挺拔、簡潔、流暢的美感，達到了結構力學與美學的和諧統一。

鋼-粗骨料活性粉末混凝土組合梁的研發

CA-RPC研發

要降低鋼-混組合梁結構自重、提高結構綜合性能，必須設法提升混凝土的材料性能，使鋼和混凝土兩種材料具有更好的匹配度。項目團隊依據活性粉末混凝土設計理論，通過對極低水膠比條件下復雜膠凝體系競爭水化機制和界面微結構調控機理的研究，以及納米增強、多尺度增韌、多元減縮等系列功能材料的研發，突破了超高性能混凝土不含粗骨料和必須熱養護的技術瓶頸，發明了高彈性模量（大于54GPa）、高初裂強度（大于等于13兆帕）、低總收縮（小于300微應變）、低徐變（徐變系數小于0.35）的粗骨料活性粉末混凝土（CA-RPC）。與常規RPC需要在蒸汽等條件下養護才可獲得高性能不同，CA-RPC通過常規養護即可獲得優異材料性能，使其在橋梁領域具備大規模應用條件的同時，材料成本和應用成本均得到降低。

鋼與CA-RPC組合結構性能

項目團隊利用粗骨料活性粉末混凝土優異的材料性能，首創了高性能、輕型化鋼-混組合梁體結構，有效提升了組合結構中鋼和混凝土兩種材料的匹配度，降低結構自重35%；研發鋼、混構件間的組合連接構造，減少組合結構中混凝土濕接縫的存在，提高鋼混組合梁的整體性能。優越的結構性能，使鋼與CARPC組合結構擁有了更廣泛的適用性，具備了適應千米級跨越的能力。

此外，項目團隊還系統性地開展了粗骨料活性粉末混凝土橋面板正截面抗彎、斜截面抗剪、縱向抗剪、鋼筋拔出、剪力釘抗剪、彎曲疲勞試驗研究，提出了裂縫寬度、剛度、抗彎、抗剪承載力、縱向抗剪承載力及鋼筋粘結錨固，以及鋼-混組合梁鋼-混界面抗剪、抗彎承載力設計方法，系統建立了鋼-粗骨料活性粉末組合梁及橋面板設計理論和方法，為結構進一步推廣使用打下了堅實的基礎。

數控自動化CA-RPC橋面板生產線

為使CA-RPC橋面板充分發揮材料應有性能，項目團隊基于材料特性，研發了均勻布料、陣列振搗、排氣整平覆膜等系列智能化設備，建立了多設備交叉作業的拓撲關系，制造出世界首條數控自動化CA-RPC橋面板生產線。發明了高精度模臺控制技術，實現了混凝土板件與鋼結構同精度的閉環控制，鋼、混構件間可同精度便捷組裝，構建了工廠制造、拼裝架設的工業化建造技術。以上智能建造技術有效保障了11856立方米CA-RPC橋面板的制造質量和產品均質性，板件制造效率提高70%，減少人工投入80%，實現了橋面板生產、鋼-混疊合作業的自動化、智能化。

表1 粗骨料活性粉末混凝土材料主要性能指標及對比

多項研究成果達到國際領先水平

目前，該項目的研究成果榮獲中國發明專利16項、美國專利1項，發表論文36篇（SCI/EI29篇），主編標準2部。中國公路學會的科技成果評價意見認為其成果總體達到國際領先水平。

南京長江第五大橋于2020年12月建成通車，“粗骨料活性粉末混凝土鋼-混組合梁及快速組拼建造技術”項目研究成果成功應用于大橋的設計、施工中，系統性地降低了全橋工程投入，提高了結構耐久性，有效提高了主梁工廠化制造率，縮短了建造周期。

未來，提高結構性能，推動橋梁工程與數字化技術的深度融合，提升橋梁工程的工業化、智能化水平，將成為世界橋梁工程的發展趨勢，也是國家倡導的產業政策。該項目在新材料、新結構、新工藝等方面取得的多項原創性技術突破，為現代斜拉橋發展提供了技術支撐。