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书写自主创新华章——“北京市科学技术奖”获奖项目巡礼(五)
作者:   时间:2014年11月21日 【字号: 】【打印本页】【关闭】
发表时间:2014年11月17日  来源:北京日报专版
【引言】

  近年来,北京市全面实施创新驱动发展战略,进一步深化科技体制改革,优化科技创新社会环境,不断提升本市自主创新能力。一批立足自主创新、服务经济社会发展的优秀科技成果,摘得了北京市科学技术奖,同时也为解决北京可持续发展中的重大、现实、紧迫需求,破解“城市病”,提高人民生活质量,发挥了重要作用。

  本文将带您走进北京市科学技术奖的荣誉殿堂,重点介绍一批城乡建设领域的优秀科技成果。这些成果致力于用科技创新解决城市发展难题,为北京的桥梁、轨道、交通和城市建设做出突出贡献,为建设国际一流的和谐宜居之都提供了有力的技术支撑。希望通过获奖项目的示范引领,在全社会营造良好的创新氛围,激励更多科技英才锐意进取、勇攀高峰,为首都科技创新中心建设贡献更大的力量。

  为桥梁快速做“CT”

  桥梁也逃脱不了“生老病死”的自然规律。在桥梁的服役过程中,需要经常检测评估桥梁的“健康”状况。北京桥梁数量众多,且人流、车流量大,一旦桥梁发生问题时不能及时发现,就有可能造成严重事故。因此,加强桥梁检测与维修水平,确保首都桥梁安全、路网畅通,有着极其重要的现实意义。

  但是,按照传统方法来进行桥梁检测评估,需要花费大量人力物力,而且时间较长,一旦进行维护改造将中断交通,影响正常通行。另外,由于缺少可靠性好、准确性高、远距离测控的桥梁无线检测技术和装备,也加大了桥梁安全检测的难度。

  针对北京市桥梁安全服役需求,北京市道路工程质量监督站通过实施“在役桥梁快速检测评估与维护改造关键技术研发及应用”项目的研究,与有关单位产学研联合攻关,重点攻克桥梁快速检测、不中断交通条件下支座更换、加固工程质量检验与控制等关键技术,开发出了更高效的桥梁快速检测评估与维修加固技术体系,为桥梁工程师检查桥梁安全提供“CT”,并因此获得了2013年北京市科学技术奖二等奖。

  不中断交通快速检测

  工作效率提高30%

  我们每天走的桥是不是安全,需要桥梁检测人员用专门的检测仪器设备,按照检测方法和评定的标准检测。

  历经六年钻研,北京市道路工程质量监督站等单位结合北京市桥梁特点研究了服役桥梁快速检测技术方法,建立了桥梁维修加固质量检验评定体系,研发了具有自主知识产权的桥梁检测系统装置,发明了不中断交通更换桥梁支座及空心板铰缝综合补强加固等新技术。与传统的桥梁检测方法相比,新的技术方法不中断交通、快速检评,提高工作效率30%以上,定量化评定桥梁技术状况,成为国内首创。

  “这项技术方法就如同医院的体检程序一样,会进行分门别类的检测,每个门类的检测都会得出相应的数值和结论,最后会给桥梁形成一个总的体检报告。”北京市道路工程质量监督站站长周绪利打了个形象的比方。只不过,检查的对象是桥梁,检测内容是混凝土表观损伤、混凝土强度、钢筋分布和内部缺陷等项目,每个检测项目都有合格的范围,只要不超出范围,就认为桥梁处于安全状态;如果有一项或几项超出了正常范围,就要进一步分析桥梁的安全状态,评价桥梁技术状况,判定是否需要加固。

  项目主要成果被纳入交通运输部《公路桥梁技术状况评定标准》和住建部《城市桥梁检测与评定技术规范》等行业标准规范,并编制发布了《北京市桥梁检测评估技术指南》和《北京市桥梁维护改造技术指南》。

  俩月普查5657座桥梁

  建立桥梁“健康”档案

  这项方便实用、快捷有效的桥梁检测评估与维修改造技术,使北京市桥梁检测评估与维护工作有标准可依、有方法可循,解决了长期困扰桥梁养护工作者的技术难题,在北京乃至全国得到了重点推广应用。

  2008年,为确保北京奥运会的成功举办,在短短两个月内,通过运用快速检测评估体系,工作人员对全市5657座桥梁进行了普查以确保安全。桥梁检测的工作往往在夜间进行,在站长周绪利的带领下,北京市道路工程质量监督站的工程师们日夜加班,一天24小时工作,以桥梁为家,面包和矿泉水都成了奢侈品,一座桥一座桥地检测下来,按时完成了任务。

  几年来,通过运用这项技术,已及时发现北京市290多座桥梁存在的问题并迅速进行加固改造。据测算,该技术实施后,单桥检测与维护周期平均缩短15天,不中断交通更换桥梁支座等技术更是最大限度减少了桥梁养护的交通影响。

  随着该技术成果的推广应用,北京市桥梁养护水平稳步提升,桥梁运营水平逐步提高,通过近几年桥梁检测评估与维护改造,建立了桥梁“健康”档案,消灭了五类桥(“危桥”)的存在,桥梁总体状况与路网服务水平处于全国前列。

  为高楼设计抗震“骨架”

  林立的高楼大厦,彰显着北京的繁荣与发展,也展现着首都国际化大都市的风采。

  但造型各异的高楼背后也隐藏着安全风险。一旦发生地震,高楼里的人根本不可能在几十秒内跑出来,即便跑出来,也难以逃脱周边林立高楼倒塌的严重威胁。地震时,人们生命安全的保障在于这些高楼遇到强震也不会倒塌。因此,高楼的抗震设计尤为重要,而决定高楼是否抗震的关键,就是高楼的内在结构,也就是高楼的“骨架”。在设计建造高楼时,我们不仅需要造型优美,更需要骨架结实,大震不倒。

  高层建筑的抗震设计,特别是大型复杂超高层建筑的抗震设计,极具挑战性。北京工业大学与同济大学、清华大学、北京市建筑设计研究院等单位合作,在北京市科技计划重大项目和国家自然科学基金重点项目等资助下,历时多年,对大型复杂高层建筑抗震设计进行了深入的研究,构建了多种高性能抗震体系,研发了多种抗震和消能减震构件,发展了抗震理论,为提高高层建筑的抗震能力做出了突出贡献。研究成果获得了2013年北京市科学技术奖二等奖。

  自主创新内藏钢板核心筒 显著提高抗震性能

  办公楼等高层建筑结构,多采用“框架-核心筒”结构,其中电梯间用混凝土剪力墙围成核心筒,既是竖向交通通道又是抵抗地震剪力的主体,而周边的立柱和水平楼板作为框架结构,提供开阔的办公空间。这种结构中,80%以上的抗震作用靠剪力墙核心筒,20%的抗震靠周边框架。因此,提高高层建筑的抗震性能,关键就是要改进核心筒的抗震构造,提高核心筒的抗震能力。

  现代高层建筑,从材料方面讲主要常用两种结构。一种是钢筋混凝土结构,它抗火性能好,造价比较低,但是自重比较大,延性比钢结构差;一种是钢结构,它自重较轻,材料延性好,抗震性能较好,但是防火性能相对较差,且相对较贵。“如果能将这两种结构的优势结合起来,设计出新的组合结构,不就既抗震又防火了吗?”北京工业大学建工学院教授曹万林解释着自己的研究思路。

  顺着这个思路,曹万林教授带领课题组经数年的攻关,研发了新型“型钢-混凝土多重组合核心筒抗震体系”。这种多重组合剪力墙,将混凝土剪力墙、型钢桁架、型钢混凝土组合柱、钢板剪力墙四种体系进行组合,将型钢桁架、钢板内藏在混凝土剪力墙中,实现了型钢-混凝土不同特性材料组合的联合应用。在同样大小的墙体和差不多的用材条件下,这种抗震设计的抗震性能显著提高:承载力最高提高了66%,延性提高了57%。

  400余项抗震试验 300余万平方米应用

  抗震性能好不好,还需要经过实践检验。曹万林教授带领课题组系统进行了403个结构和构件的抗震试验, 每个结构和构件试验需要往复20次至30次才能够完成。和普通人想象中的实验室不一样,抗震试验难度更大,现场大且往往有些“粗暴”,现场不断加压,结构嗡嗡作响,有时还需要特意把辛苦准备的材料震坏,以试验极限性能。试验结构和材料都是按真实情况设计,特别是做一个大型复杂结构的模拟地震振动台试验,可能光准备材料、模型制作就需要三个月。这些抗震试验为成功研制新型抗震结构体系积累了宝贵的经验,也为检验结构的抗震性能提供了坚实的试验支撑。

  项目研究成果在北京、天津、上海、辽宁、福建等省市300余万平方米的大型复杂高层建筑中推广应用,取得了显著的社会经济效益。特别是应用在一些超高层的建筑中,例如北京的财富中心二期,高267米;天津的地标性建筑高银117大厦,高597米。项目创新了高性能抗震结构体系,研发了12种高性能抗震构件,获20项国家发明专利,经专家鉴定综合达到国际先进水平,为提高大型复杂高层建筑抗震能力提供关键理论与技术支撑。

  砂卵石地层建地铁 攻克“世界性难题”

  如今,地铁已经成为人们日常生活、工作、出行不可或缺的一部分。其中,地铁9号线作为经过北京西站的地铁线路,承担了北京西站近半的客流压力,架设起北京西南部交通动脉,为北京西南部提供了商业活力。

  鲜为人知的是,地铁9号线在建设过程中曾遇到了空前的挑战。除了下穿房屋、道路、桥梁、管线等地铁施工常见风险外,9号线还面对一个极其困难的因素——北京西南部复杂的工程地质环境。北京西南部主要是砂卵石及砾岩地层,大粒径卵石含量高且夹杂大块漂石,结构松散、对施工扰动反应灵敏,极易造成坍塌。在这种地层修建地铁,属于“世界性难题”。

  在北京市科委和住建委等部门支持下,由北京市轨道交通建设管理公司牵头组织产学研用紧密结合的9家单位,历经近5年的攻关,在砂卵石砾岩地层施工技术上取得了突破性进展,为9号线工程顺利建设提供了重要技术支撑,并于2013年荣获北京市科学技术奖三等奖。

  四大创新攻坚克难 里应外合破解砂卵石

  第一次盾构穿越超大粒径砂卵石地层、第一次长距离穿越湖泊(玉渊潭)、第一次长距离下穿铁路编组站……地铁9号线在北京地铁建设史上创造了诸多第一次,是世界上工程难度最大的地铁线路之一。大粒径卵石及砾岩地层在北京地铁工程施工中尚属首次,缺少设计与施工的经验,许多关键技术需要解决和突破。

  面对挑战,北京市轨道交通建设管理公司迎难而上,对砂卵石砾岩地层地铁施工的关键技术进行了深入研究,取得一系列创新性技术成果。

  首要突破的就是钻进难度大的问题。砂卵石地层硬度大,且卵石颗粒大小不一,难以掘进,施工效率低。“正常土质掘进几公里,对刀盘、刀具也不会有太大影响,但在砂卵石地层下,大约每160米就要更换一盘刀,普通盾构机在这种地质条件下根本就是不堪一击。”北京市轨道交通建设管理有限公司副总经理潘秀明介绍。经过技术攻关,研发了砂卵石地层土压平衡盾构施工关键技术与成套工艺,量身定制了盾构机,配合使用土体改良剂,使地层变得充分润滑便于开挖,最终实现了砂卵石地层快速施工,每日最大掘进速度43.2米,换刀距离也提高到350米以上。

  第二是创新发展了大粒径卵石地层开挖与支护的浅埋暗挖施工技术。针对卵石地层结构松散,难以控制地表沉降的特点,施工时须格外注意“轻扰动”,尽量利用地层自身的稳定性,不扰乱地层的原始状态。一旦出现扰动,迅速回填注浆,补上空隙,做到“速回填”。9号线施工最大沉降控制在1.66毫米以内,达到国际先进水平。

  第三是创新性地提出并实施了大粒径卵石地层钻孔灌注桩+大直径环形板支撑的半逆作支护结构,实现了复杂环境条件下多元化新型地铁车站的快速建造。

  第四是首次在地铁施工领域采用人工探井、微动探测、声波测试等综合方法,解决了大粒径砂卵石地层勘察技术难题。

  助力9号线提前通车 应用前景广阔

  项目成果获得10项专利,软件著作权1项,发表相关论文30篇,出版专著1部,多项技术经专家鉴定已达到国际先进水平。

  项目成果的应用提高了9号线工程建设效率,加快了施工进度,为9号线北京西站以南的9个车站提前一年通车奠定了重要的基础,大大缓解了西南部的交通压力。

  目前,该技术成果已在北京地铁工程6号线、10号线、16号线、8号线三期、昌平线二期等地铁及其他领域广泛应用。北京未来陆续开工建设近500公里轨道交通线路,位于砂卵石地层分布区至少占30%,9号线的研究成果必将全面提升后期地铁线路的建设水平。

  该技术成果还推广至沈阳、深圳等国内多个城市,环境、社会和经济效益显著。随着城市轨道交通在全国范围内的兴起,成都、石家庄、兰州等城市都面临类似的地质情况,9号线砂卵石砾岩地层研究成果必将发挥更大的作用。

  【展望】创新步伐永不停止

  科研成果获奖不是目的,不是终止,而是一种荣誉、一种激励,是对科研成果自身价值的肯定,也是未来持续创新的动力。获奖者们并未停步,而是沿着科技创新的征途继续前行。

  北京市道路工程质量监督站正在进一步研究桥梁实时监测系统,对桥梁工作参数进行连续、实时分析,为桥梁维护与管理决策、提高桥梁耐久性提供更快捷有效的指导依据。

  继高层建筑之后,北京工业大学抗震课题组将关注度集中在低成本实用型绿色农房抗震结构与隔震结构的研究上,致力于改进我国广大村庄房屋的抗震结构,研发新型生态环保节能材料和结构。

  北京市轨道交通建设管理公司正在进行砂卵石地层盾构新型改良材料研究,以及矿山法超前支护可靠性及功效研究,进一步提高地铁施工的效率与安全性。

  我们相信,在北京市科技奖励的激励下,这些科技工作者一定会继续用创新书写中国梦,谱写出更加绚丽多彩的华章!

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  • · 关于2016年度北京市自然科学基金委员会-北京市教育委员会联合资助项目不予资助项目复审申请的通知(2016-05-31)
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