超大跨CFST拱桥整体性能设计理论与施工控制方法

Concrete-filled steel tube (CFST) arch bridge recently shows a rapid development in construction of super long-span bridge. However, some key problems for super long-span CFST arch bridge are still unsolved. This study focus on the key problems in design of global performance and construction for long-span CFST arch bridge. The main objective of this proposal is to develop the two-level (element-structural) method for bearing capacity design and optimization as well as the construction control theory for super long-span CFST arch bridge. The efficient elastic iterative method for global bearing capacity analysis of super long-span CFST arch bridge which involves the construction error will be developed based on elastic modulus reduction method. The adaptive threshold for branch-and-bound algorithm will be presented to investigate the probabilistic safety of CFST arch bridge. Based on which, the generation mechanism and control method for construction error and initial stress as well as damage evolution process of two-level (component and structure) bearing capacity will be explored. Meanwhile, the influence of debonding and separation between steel tube and core concrete on correlation equation for CFST member will be investigated. Furthermore, design and optimization methods for super long-span CFST arch bridge will also be proposed in terms of two-level design theory. The influence of temperature sensitivity on global performance of super long-span CFST arch bridge will be investigated. Based on the cantilever assembly approach with prestressed inclined cable and approach of vacuum-aided casting concrete, the construction method for multi-segment and long cantilever rib and the intelligent control method for core concrete will be investigated. The above research achievements will provide theoretical and technical support for construction of super long-span CFST arch bridge.

钢管混凝土（CFST）拱桥近年呈加速建设趋势，并向超大跨方向发展。本项目围绕超大跨CFST拱桥设计和施工中存在的关键问题，重点对CFST拱桥在施工成型态下的整体性能及其设计和施工控制理论开展研究。基于弹性模量调整策略研究CFST拱桥施工成型态下的整体承载力，利用自适应约界阈值法研究CFST拱桥的概率整体安全性。提出超大跨CFST拱桥施工成型态下钢管初应力和线形偏差的限值要求。开展钢管初应力和混凝土体积变化对CFST构件承载力的影响研究，揭示多因素下CFST构件的多重内力相关规律，探索超大跨CFST拱桥的施工误差和初应力形成规律、CFST构件和结构整体两层面承载力的损伤演化机理，研究超大跨CFST拱桥整体变形的日温差敏感性控制和施工初应力控制，建立CFST拱桥施工成型态下的整体性能优化设计理论，提出超大跨CFST拱桥的施工过程的智能控制方法，为建设超大跨CFST拱桥提供理论和技术支持。

本项目基本按照既定计划执行，同时根据理论分析和工程实践中的具体问题，及时微调方向和方案，圆满完成各项研究目标，取得多项创新成果，且工程应用效益显著。. 围绕超大跨CFST拱桥的整体承载力分析、设计与优化、施工智能控制等方面开展研究。首先在整体承载力分析方面，建立了CFST构件通用材料本构关系、自适应失效判据和齐次广义屈服函数，在此基础上提出了施工成型态下超大跨CFST拱桥整体承载力分析的线弹性迭代方法，解决了当前增量非线性分析方法计算效率低、计算稳定性差的不足，以及其在试验模型分析中遇到的困难，可以高效高精度地分析钢管初应力和脱粘脱空等对拱桥跨越能力的影响，为建立拱桥的合理设计方案，提升拱桥跨越能力奠定基础。其次在设计与优化方面，建立了超大跨CFST拱桥整体承载力设计与优化的两层面方法，基于高效高精度线弹性迭代方法实现了CFST拱桥在构件和体系两个层面上的承载力设计，且能够合理考虑最不利工况、组合内力、位移或挠度约束、动力荷载、频率约束等条件的限制和影响，对保证拱桥整体安全性和降低工程造价具有重要意义，是CFST拱桥设计理论的一次变革。再次，在施工智能控制方面，提出了斜拉扣挂施工的线形控制方法、塔架偏位主动控制方法、真空辅助灌注方法，提出了核心高强混凝土分阶段收缩定量补偿控制方法，并制备出无收缩核心高强混凝土，系统性解决了拱桥线形控制难、塔架偏位控制成本高、管内混凝土脱空脱粘等难题，为世界最大跨度CFST拱桥——广西平南三桥、世界最大跨度铁路CFST拱桥——藏木雅鲁藏布江特大桥等一批重大工程提供技术支撑，有效助推了600米世界最大跨度拱桥龙滩天峨特大桥的落地实施。研究成果获得国家科学技术进步二等奖、全国创新争先奖、茅以升科学技术奖—桥梁大奖、国际桥梁大会乔治理查德森奖、李国豪原创桥梁技术奖和中国专利优秀奖等多项重要奖项，研究成果达到国内领先水平。