“揭榜挂帅”勇担当，聚集众力解难题——科技创新助力G312线清水驿至傅家窑段改建项目桑园子黄河大桥建设“智慧桥梁”

　　数九寒天，G312线清水驿至傅家窑段改建项目桑园子黄河大桥建设工地仍热火朝天，双子桥塔即将全部封顶，已开展主梁安装的准备，大桥迈入了全新的建设阶段。

　　作为甘肃2020年开工的第一个交通项目和第一座“智慧桥梁”，大桥建设者借助全国交通运输行业首个科技创新“揭榜挂帅”项目——高震区分幅联塔钢混组合梁斜拉桥关键技术及产业化应用研究已先后攻克了高地震区大吨位金属消能器的研发、UHPC轻型钢桁组合梁的研究、分幅主梁复杂气动特性和峡谷复杂气象环境下抗风措施等一系列技术难题，交出了一份份优异的答卷。

　　顶层设计高位推动，企校聚力共解难题

　　为支撑甘肃省交通运输产业高质量发展，统筹全省交通运输行业发展过程中出现的重大问题和需求，不断激发创新活力，甘肃省交通运输厅于2021年3月制定出台了《甘肃省交通运输厅科技创新揭榜挂帅制项目管理办法》。甘肃省公路交通建集团针对桑园子黄河大桥技术难点与创新点，从技术提升和产业化两个方面，基于为大桥全生命周期服务并带动相关技术的进步和产业化，作为首个发榜方对所需攻关的技术提出了明确的需求。所有需求都以问题为导向提出，共有：①分幅联塔斜拉桥结构性能及施工技术研究;②大温差条件下钢混组合梁防裂技术研究;③钢桁—UHPC轻型组合梁性能研究;④极端气候环境下耐候钢桥梁建造技术研究;⑤基于健康监测系统的斜拉桥体系可靠性评估与寿命预测研究;⑥基于BIM技术的波形腹板钢—混凝土组合箱梁智能建造应用技术研究;⑦高震区桥梁新型抗震装置研究7个子课题，25个细分内容。

　　甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司作为本桥的设计单位，对本桥的特点、技术难点和发榜方的需求更为了解，积极响应揭榜挂帅制“集众智、解难题、促发展”总体思路，联合了同济、清华、西南交大、长安大学、兰州交通大学、兰州理工大学和桑园子大桥各参建单位共10家单位，充分发挥产学研优势成功揭榜。

　　首个“揭榜挂帅”项目研究经费1000万元，是目前甘肃交通系统单个费用最高的科研项目。为保证顺利实施，发榜方赋予了“挂帅”人技术路线决策权、经费支配权、资源调动权等，真正让其有职有权，名副其实。并建立了相应责任制和约束管理手段，保证技术难题的解决和突破，保证取得的成果能够及时应用。

　　项目总体进度2021年6月～2023年12月，共30个月，目前已完成约70%的工作量，研究内容紧密结合工程进度开展，已有多项成果得到了转化，助力甘肃省首座“智慧桥梁”的建设。

　　双子桥塔珠联璧合，桥梁抗震世界之最

　　桑园子大桥位于8度地震区，罕遇地震下动峰值加速度为0.497g，特征周期0.65s。设计阶段通过多方案的比较和抗震体系的研究，提出了在两塔间设置剪切型金属消能器的方案，最大剪切屈服强度达8140吨，为目前了解的工程应用之最。

　　本桥地震动参数之高，结构特点之鲜明，对在结构抗震研究取得多项国际瞩目领先技术，并为多项重大工程提供抗震技术服务的同济大学来说也是一种挑战。为此开展了基于近断层地震的分幅联塔斜拉桥的地震响应、分幅联塔斜拉桥的地震动空间效应、横向联塔装置(金属消能器)的构造设计与试验、纵桥向不对称的全桥耦合效应下的设防策略、大跨度桥梁的温度变形对地震响应影响等研究。通过这些研究明确了连接构件的力学本构关系，确保其力学性能稳定可靠，全桥抗震性能评价准确。

　　新的抗震设计是一个柔性的观念，提倡顺其自然，要想办法消减震动产生的能量。本桥联塔处设置的金属消能器就是这种理念的最大化实践。以金属消能器预期的有限损伤为代价换取大桥在强震时的安全，是彻底“代人受过”，与“李代桃僵”的中国传统谋略一脉相通。所以，金属消能器型式的选择便是重中之重。研发团队通过对各种金属消能器的比较，无数次的技术研讨、方案论证、适用性分析和试验，最终研发出了一种适用于高地震烈度区的消能减震BRB金属消能器。该金属消能器由多组X形交叉式的BRB组成一个整体的消能系统，在横向地震作用下，交叉布置的BRB，一侧发生拉伸变形，另一侧发生压缩变形，两侧同时发挥耗能能力，将结构剪切需求转换为拉伸需求，提高了材料的利用率，并保证了耗能性能的优良和高韧性，同时与塔肢“结”形新型连接外观保持了一致。联塔结点处超大吨位金属消能器技术的解决，犹如贯通了大桥的“任督二脉”，显著提升了大桥的抗震能力。

　　创新助力项目攻关，成果推动产业发展

　　桑园子黄河大桥左幅第三跨跨越天险文物保护区，最小跨度70m，受主桥限制，只能设计成单跨简支结构。为实现结构的轻型化，采用了钢桁—UHPC轻型组合梁新型结构，需开展新材料研发和新型结构性能的研究。

　　UHPC材料性能的研究由甘肃甘肃省公路交通建集团科创主中心材料研究所承担。该团队已研究该类型材料多年，取得了多项研究成果。针对本项目材料性能要求，开展了UHPC粉体紧密堆积模型的优化、UHPC水化历程和水化产物的探索、高强度低收缩UHPC材料制备技术、搅拌方式、养护制度等的系统化研究。研究出适宜于本项目要求的UHPC超高性能材料抗压强度大于170Mpa，极限拉伸应变大于8917με,极限自收缩率小于84με。

　　钢桁—UHPC轻型组合梁结构性能的研究由清华大学土木工程系工程结构研究所承担。重点对华夫型桥面板的受力性能和钢桁-UHPC轻型组合梁体系的受力性能进行研究。研究证明：①UHPC华夫型桥面板具有较好的力学性能，通过纵横肋传递桥面荷载，相较于传统桥面板极大地降低了桥面自重，并提升了耐久性;华夫型桥面板在钢桁架节点处通过剪力钉槽口进行连接，为四点支承边界条件，通过预制板+湿接缝后浇的形式铺设桥面系，湿接缝位置为关键区域，通过合理设计，可保证结构的安全。②采用4榀主钢桁架与UHPC华夫型桥面板形成组合体系，剪力连接件在钢桁架节点处采用群钉链接的新型结构受力更加明确，有较好的推广前景。

　　这种结构非常适合甘肃高震区和湿陷性黄土地区结构轻型化的需要。该项技术的突破不仅解决了桑园大桥卡脖子技术难题，也构筑了钢桥发展的新方向，推动了钢桁-UHPC产业延伸。目前，甘肃省交通规划勘察设计院已编制了60150m的该类型结构通用图，在永积、兰永临高速等项目开始了推广应用。

　　精细试验合理选择，确保大桥无惧风雨

　　桑园子黄河大桥双幅桥梁气动特性复杂，尾流风影响突出，大桥的风致效应十分敏感，且大桥位于黄河上游河谷地带，气象条件较复杂，必须开展桥址风场环境和结构抗风性能的研究。西南交通大学风工程试验研究中心采用CFD数值模拟、常规尺度主梁节段模型风洞试验、大尺度主梁节段模型涡振试验和全桥气弹模型风洞试验等方法，对桑园子黄河大桥开展了桥址处风场特性和结构抗风性能等方面的研究。

　　在进行主梁节段模型涡激振动试验时，给这个有多座复杂风环境大学桥梁和跨海大桥抗风研究经验的团队也带来了前所未有的困难。几乎将常用的气动措施都试验了一遍，要么找不到解决的办法，要么实现难度太大，造成颠覆性的结果。一次次的挫败，一次次的推倒重来，没有使研发团队气馁，反而增加了探索的动力。通过理论上的不断“充电”和精细的试验终于找到了适宜于该桥的合理气动措施，让大桥在复杂气象环境下无惧风雨。

　　努力不懈，确保圆满成功

　　“揭榜挂帅”团队下一步将结合工程进度需求，加快科研转化，以满足工程建设需要，并加快专利、工法、论文等成果的撰写和申报，充分发挥产学研优势，努力形成丰富科研成果，保证首个“揭榜挂帅”按时圆满成功。