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大吨位T形刚构桥转体施工控制与稳定性研究
二、拟推荐单位
内蒙古高等级公路开发建设有限公司
三、主要完成单位
内蒙古高等级公路开发建设有限公司第八分公司
武汉理工大学
柳州泰姆预应力机械有限公司
四、项目简介
（一）所属技术领域
本项目属于土木工程桥梁工程技术领域。
（二）简要背景
桥梁平转法施工技术以其材料省、稳定性高和对现行交通影响小等特点而得到越来越多的应用，但其理论研究相对落后于工程实践，了解决桥梁转体施工过程中的技术难题，本项目以京新高速公路（G7）集呼段的一座重要的大跨径桥梁——京包铁路分离式立交桥建设项目为依托工程，针对该桥跨度大、转体吨位重、施工难度与控制精度要求高等特点，并且跨越客货运输均十分繁忙的京包铁路，开展了大吨位T形刚构桥转体施工控制与稳定性研究。并于2012年1月以“大吨位T形刚构桥转体施工控制与稳定性研究”为题，作为内蒙古自治区交通运输科研项目予以立项。
项目研究选取桥梁平转施工最关键受力部件——转动球铰机构、平转施工最关键状态——T构大悬臂状态和平转施工最关键的施工过程——转体过程等作为项目研究的重点进行了系统研究，取得了一批具有理论与实用价值的研究成果。项目研究成果直接应用于内蒙古G7高速公路京包铁路分离式立交桥的建设，有效缩短了工期，确保了施工质量、精度、安全和京包铁路的畅通，全面实现了桥梁施工控制目标，包括：主梁合拢口最大相对高差为10mm，满足≤20mm目标要求；控制断面砼应力实测值与理论计算值比较偏差控制在5%以内，满足≤15%要求；对称断面砼应力实测值相互之间比较偏差控制在3%，满足≤10%要求；成桥线形与应力均满足设计要求。验证了项目研究成果的先进性、针对性和实用性。同时节省工程费用约1000余万元。研究成果用于指导同类的桥梁设计和施工，具有广阔的应用前景，并且将产生很好的经济效益和社会效益。
项目于2015年7月8日通过了由内蒙古自治区科技厅组织的成果鉴定，成果总体达到国际先进水平。
（三）主要技术内容及发明要点
1. 基于弹性赫兹理论对桥梁平转施工关键受力部位——转动球铰的受力进行了精细
化分析，通过精细化数值仿真分析，研究揭示了桥梁转体过程中在竖向荷载、偏心荷载及转体过程中支墩半接触状态三种工况下球铰应力分布规律，提出了球铰接触面应力简化计算方法，为桥梁转体施工的关键受力部件球铰的设计及其优化提供了依据。
2. 运用随机概率模型研究，提出了满足桥梁转体过程中抗倾覆稳定性要求的球铰转盘
设计最小尺寸和最大偏心距控制指标。
3. 提出了基于桥梁墩柱截面应力估算不平衡力矩的测试原理及桥梁平衡重量测试方法，并在依托工程桥梁现场称重试验中成功应用和得到验证。
4. 提出了基于声监测原理的桥梁转体过程中球铰工作状态识别与监测方法，实现了对转体过程中球铰工作状态的有效监测，确保了桥梁转体的平顺进行。
5. 对转体桥梁大悬臂T构进行了抖振时域分析，从静风响应分析和抖振分析两个层面研究了京包铁路分离式立交桥转体T构的抗风稳定性，确保了桥梁转体的稳定性与安全。
（四）知识产权
本项目授权发明专利2项，实用新型专利3项，软件著作权1项。
（五）推广应用及效益情况
研究成果直接应用于内蒙古G7高速公路京包铁路分离式立交桥的建设，有效缩短了工期，确保了施工质量、精度、安全和京包铁路的畅通，验证了项目研究成果的先进性、针对性和实用性。研究成果还先后应用于沪昆高铁云南张家田特大桥转体施工、天津京秦高速跨大秦铁路转体桥、郑徐客专民权特大桥转体施工等项目，取得了显著的社会和经济效益，累计经济效益超过6000万元。
随着大量立体交叉公路、铁路的涌现，跨有高速铁路、繁忙既有线的桥梁建设不可避免，转体施工技术将发挥其独特优势，成为跨越既有铁路和繁忙公路桥梁施工技术的首选，本课题的研究成果也具有广阔的应用前景。
五、项目知识产权情况（不超过10件）
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知识产权类别 |
知识产权具体名称 |
国家 （地区） |
授权号 |
授权日期 |
证书编号 |
权利人 |
发明人 |
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发明 专利 |
转体施工过程中球铰内部异常状态在线监测装置与方法 |
中国 |
ZL201410237715.9 |
2017.01.25 |
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武汉理工大学 |
陈小佳；张谢东；刘世清；范振华；车晓军；周庆华； 郑舒月 |
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实用新型专利 |
一种用于转体施工的同步转动辅助装置 |
中国 |
ZL2021420487260.1 |
2014.08.27 |
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武汉理工大学 |
车晓军；张谢东 |
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实用新型专利 |
智能连续转体球铰 |
中国 |
ZL202620044014.8 |
2016.01.18 |
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柳州泰姆预应力机械有限公司 |
李建强；杨 帆 韦 飞； 车晓军 |
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发明 专利 |
一种用于桥墩的抗水下爆炸冲击的装置 |
中国 |
ZL201310275855.0 |
2016.07.06 |
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武汉理工大学 |
张谢东； 朱海清李 营； 于建华 |
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实用新型专利 |
一种能折叠的精密水准尺 |
中国 |
ZL201520970571.82 |
2015.11.27 |
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武汉理工大学 |
张谢东；刘英棨； 李佳莉；崔太雷 |
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计算机软件 著作权 |
桥梁平衡转体同步性监测及预警系统V1.0 |
中国 |
2015SR002690 |
2014.09.20 |
软著登字第0832692号 |
武汉理工大学 |
武汉理工大学 |
六、公开发表的论文专著（不超过20篇）
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序号 |
论文专著名称/刊名/作者 |
杂志名称 |
发表时间（ 年 月） |
通讯作者 |
第一作者 |
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1 |
转体施工大悬臂T构的抗风性能研究 |
武汉理工大学学报 （交通科学与工程版） |
2015年02月 |
张谢东 |
张谢东 |
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2 |
不同桥墩形式对转体桥承台关键受力部位的影响 |
公路 |
2015年03月 |
张谢东 |
张谢东 |
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3 |
大吨位T形刚构桥转体过程抗倾覆性能 |
中国公路学报
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2014年08月 |
张谢东 |
车晓军 |
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4 |
基于球铰应力差法的T构转体桥不平衡力矩预估 |
桥梁建设 |
2014年04月 |
张谢东 |
车晓军 |
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5 |
转体施工桥梁大吨位球铰径向应力计算方法优化研究 |
武汉理工大学学报 （交通科学与工程版） |
2014年02月 |
张谢东 |
车晓军 |
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6 |
转体施工转动体系不平衡力矩测试方法研究 |
公路工程 |
2014年03月 |
陈小佳 |
郭子仪 |
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7 |
地震作用下高墩刚构桥倒塌分析 |
世界桥梁 |
2014年01月 |
张谢东 |
张行 |
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8 |
内蒙古京包铁路分离式立交转体桥设计优化研究 |
交通科技 |
2014年02月 |
车晓军 |
郭子仪 |
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9 |
大吨位T形刚构桥转体施工风险评估与对策研究 |
交通科技 |
2014年02月 |
张谢东 |
黄伟文 |
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10 |
脉动风的数值模拟 |
交通科技 |
2014年04月 |
张谢东 |
黄伟文 |
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11 |
武汉理工大学学报 （交通科学与工程版） |
2013年02月 |
张谢东 |
马素芬 |
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12 |
Stability Impact Analysis of Random Dead Load Distribution to T-rigid Frame Bridge Swivel Construction |
CEABM2012国际学术 会议论文集 |
2013年10月 |
车晓军 |
车晓军 |
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13 |
Fine Force Analysis of Large Tonnage Ball Jointfor Swivel Construction Bridge |
ICTR2013国际学术 会议论文集 |
2013年12月 |
车晓军 |
车晓军 |
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14 |
Study on seismic failure mode of a rigid frame bridge with super high-rise piers |
Applied Mechanics and Materials （Advances in Civil Engineering II）, |
2013年10月 |
车晓军 |
车晓军 |
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15 |
Analysis of the synergetic effects of blast wave and fragment on concrete bridges |
13th International Conference on Fracture 2013, ICF 2013 |
2013年12月 |
张谢东 |
朱海清 |
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16 |
Parametric Analysis on Shear Lag Effects of Box-Girder Beam |
2013, Applied Mechanics and Materials, 351-352, 152 |
2013年04月 |
张谢东 |
马素芬 |
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17 |
Behavior Response Analysis of Long Span Rigid-Frame Bridge Considering Construction Error |
2013, Applied Mechanics and Materials, 361-363, 1370 |
2013年04月 |
张谢东 |
朱海清 |
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18 |
大跨PC连续梁桥施工监控评价研究 |
武汉理工大学学报 （交通科学与工程版） |
2013年04月 |
张谢东 |
马彪 |
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19 |
基于声发射技术的转体球铰内部异常监测 |
交通科技 |
2016年02月 |
张谢东 |
张谢东 |
七、经济效益
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1．项目完成单位取得的直接经济效益 单位：万元（人民币） |
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项目总投资额 |
2300 |
回收期（年） |
1 |
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年 份 |
新增销售额 |
新增利润 |
新增税收 |
创收外汇 （万美元） |
节支总额 |
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2014 |
－ |
－ |
－ |
－ |
200 |
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2015 |
－ |
－ |
－ |
－ |
1500 |
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2016 |
－ |
－ |
－ |
－ |
4300 |
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累计 |
－ |
－ |
－ |
－ |
6000 |
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直接经济效益的有关说明及各栏目的计算依据： 1．通过研究，保证了施工过程中结构的安全性，工程项目提前2个月完成转体，200余万元，节约了大量资金。 2．通过研究，确定的合理节段长度划分、牵引系统优化等施工改进措施，有效减小了结构的工程量。经测算用这两项措施减少结构工程费用产生的直接经济效益为200万元。 3．通过研究，提出了不平衡力矩预估，以及球铰转动法称重测试方法，确保转体平衡、安全和稳定，节约了大量工期，产生效益约200余万元。 4．通过本项目的研究与实践，为京包铁路分离立交转体施工提供了全面的技术支持，特别是施工过程的监测与预警，确保了该桥施工的安全、顺利进行，节节约开支约400万元。 5．研究成果在类似工程项目应用，产生间接经济效益5000余万元。
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2．其他单位应用项目技术产生的经济效益 单位：万元（人民币） |
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年 份 |
新增销售额 |
新增利润 |
新增税收 |
创收外汇（万美元） |
节支总额 |
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2014 |
－ |
－ |
－ |
－ |
40 |
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2015 |
－ |
－ |
－ |
－ |
40 |
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2016 |
- |
- |
- |
- |
10 |
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累计 |
－ |
－ |
－ |
－ |
90 |
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计算依据及说明： 2014年度：柳州泰姆预应力有限公司 球铰利润 40万 2015年度：柳州泰姆预应力有限公司 球铰利润 10万 2016年度：柳州泰姆预应力有限公司 球铰利润 40万
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3.其他应用单位及经济效益列表 |
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应用单位名称 |
应用技术 |
应用的起止时间 |
应用单位 联系人/电话 |
应用范围规模 |
新增利税（万元） |
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内蒙古高等级公路开发建设有限公司 |
转体施工控制技术 |
2014.01.01 →2016.04.30 |
范振华/15947411777 |
长期应用 |
－ |
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北京港通路桥工程监理有限公司 |
转体施工控制技术 |
2014.01.01 →2016.04.30 |
梁钟月/13407898286 |
长期应用 |
－ |
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四川路桥集团有限公司 |
转体施工控制技术 |
2014.01.01 →2016.04.30 |
刘刚/18677732773 |
长期应用 |
－ |
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八、主要完成单位、主要完成人及贡献
第一完成单位： 内蒙古高等级公路开发建设有限公司
作为项目的支持单位，参与相关子课题的研究，完成了依托工程现场数据采集、数据分析处理、以及不平衡力矩测试工作的组织、协调和管理工作；积极协助项目主持单位开展科研工作，同时将课题组提出的研究成果和技术建议应用到依托工程中。
第二完成单位：武汉理工大学
作为本项目的主要完成单位，参与了项目的全过程，负责整个项目的实施、协调、组织、管理以及研究成果的整理。主持编写了项目的研究大纲，根据项目特点，组织开展了大吨位T形刚构转体桥转动球铰精细化分析、不平衡力矩测试技术、以及转体过程安全监测及预警系统等内容的研究，取得了一批创新性研究成果，并直接应用于依托工程。积极履行主持单位职责，协调、控制各个子课题的质量和进度情况，保证了项目的顺利进行。
第三完成单位：柳州泰姆预应力机械有限公司
作为项目参与单位，完成了依托工程的监测监控工作；同时协助主持单位完成数据采集和处理工作；并将研究成果应用到依托工程的球铰应力监测、不平衡力矩测试，开展基于声发射技术的转动球铰内部异常监测研究。
主要完成人及贡献：
1、闫玉湛（内蒙古高等级公路开发建设有限公司第八分公司）
项目总负责人，负责项目总体技术路线，总体技术方案，负责项目组织实施，负责协调项目总体进展。主要负责项目的组织与协调，并且负责京包铁路分离式立交转体桥监控数据整理及研究成果的提炼与总结工作。
2、刘世清（内蒙古高等级公路开发建设有限公司第八分公司）
负责项目整体技术方案实施，主要负责京包铁路分离式立交转体桥监控数据整理及研究成果提炼、总结工作。
3、范振华（内蒙古高等级公路开发建设有限公司第八分公司）
主要负责京包铁路分离式立交转体桥监控数据整理及研究成果提炼、总结工作。
4、张谢东（武汉理工大学）
全面主持课题的策划、研究方案制定和理论与试验研究工作的实施，组织协调研究团队人员分工，负责研究成果的整理。针对依托工程，全面负责依托工程现场的各项研究工作及施工指导。
5、陈小佳（武汉理工大学）
参与了项目总体策划，负责完成了T型钢构不平衡重测控、球铰转体过程声监控等关键技术研究和其他研究内容的指导工作。负责部分研究报告的撰写和成果的整理。
6、车晓军（武汉理工大学）
主要负责依托工程的现场数据测试、监控报告的撰写；同时负责课题鉴定、验收报告的撰写工作。
九、完成人合作关系说明
内蒙古高等级公路开发建设有限公司第八分公司与武汉理工大学、柳州泰姆预应力机械有限公司申报2017年度内蒙古自治区科学技术奖、中国公路学会科学技术奖，项目名称拟为：大吨位T形刚构桥转体施工控制技术及稳定性研究。主要完成人及具体排序如下：01、闫玉湛（内蒙古高等级公路开发建设有限公司第八分公司）；02、刘世清（内蒙古高等级公路开发建设有限公司第八分公司）；03、范振华（内蒙古高等级公路开发建设有限公司第八分公司）；04、张谢东（武汉理工大学）；05、陈小佳（武汉理工大学）；06、车晓军（武汉理工大学）。现对完成人合作关系说明如下：
自2013年起，内蒙古高等级公路开发建设有限公司第八分公司与武汉理工大学、柳州泰姆预应力机械有限公司进行产学研合作，共同进行了大吨位T形刚构桥转体施工控制技术与稳定性研究。该项目提首次提出了满足桥梁整体抗倾覆性能要求的球铰转盘设计最小尺寸和球铰最大偏心距控制指标，并在依托工程施工中作为控制指标，取得了很好的效果，为球铰的设计尺寸和最大偏心距控制标准的制定提供了依据；对转体桥关键受力部件球铰受力状态进行精细化分析与计算，首次揭示了在竖向荷载、偏心荷载及转体过程支墩半接触状态三种不同工况下大吨位 T 形刚构桥球铰应力分布规律，为球铰构造的设计优化和球铰设计标准的建立提供了参考；深入开展了传统称重、挠度估算、悬臂梁应力检测等多种不平衡重检测方法的对比研究，利用T形刚构的结构特点首次提出了基于墩身应力检测不平衡重的新方法并成功应用于依托工程。对比传统称重方法，本方法具有安装与操作简便、投入少以及可以准确、实时、动态地监测等优点，值得推广；首次提出了基于声监测原理的桥梁转体过程球铰状态异常情况识别与监测方法，并在依托工程中成功开展了试验研究，改变了转体过程中球铰局部受力复杂却无法有效监测的现状，使桥梁转体过程监控内容更加完善和全面，为桥梁转体施工的安全和质量提供了更加可靠地保障。内蒙古高等级公路开发建设有限公司第八分公司与武汉理工大学、柳州泰姆预应力机械有限公司均有相关的发明专利、实用新型专利及计算机软件著作权等知识产权授权（可参见知识产权证明、公开发表的论文专著）。内蒙古高等级公路开发建设有限公司第八分公司与武汉理工大学、柳州泰姆预应力机械有限公司在本项目中互助合作，对本项目的顺利完成均起到了重要作用，三者都是本项目的主要完成单位，特此说明。
内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司
二O一七年四月七日
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