摘要:大鏟灣疏港通道跨明渠橋?yàn)?.8+15.24+5.8米簡(jiǎn)支焊接拼裝鋼箱梁橋。梁高700mm,設(shè)計(jì)荷載為6軸120T重載車輛。單片焊接鋼箱梁采用單箱雙室結(jié)構(gòu),內(nèi)外腹板和底板間采用不同的焊縫型式,避免了矮梁的焊接操作困難。取消了頂?shù)装寮案拱寮觿爬?減少了焊接工作量。本文通過(guò)此橋的設(shè)計(jì)及施工總結(jié),對(duì)重載、小跨、矮梁鋼橋的設(shè)計(jì)及施工具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞:小跨;矮梁;鋼橋;重載;橫向聯(lián)系;設(shè)計(jì) 施工

1 項(xiàng)目背景

深圳港大鏟灣港區(qū)疏港通道工程位于深圳市寶安區(qū)西鄉(xiāng)街道內(nèi)。本橋跨越B標(biāo)段路邊明渠和疏港通道平交。是連接三圍碼頭和周邊區(qū)域的唯一交通通道。

2 橋位、橋長(zhǎng)、跨徑組合及結(jié)構(gòu)型式的確定

橋位和橋長(zhǎng)被兩側(cè)連接道路及規(guī)劃明渠斷面限制,跨徑組合為5.8+15.24+5.8m。疏港通道現(xiàn)狀道路及設(shè)計(jì)洪水位限制了橋梁的結(jié)構(gòu)高度在700mm之內(nèi)。由于為臨時(shí)橋梁,運(yùn)營(yíng)時(shí)間并不確定,業(yè)主為將來(lái)拆除的方便性要求采用鋼結(jié)構(gòu)型式。

3 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

引道道路等級(jí):臨時(shí)道路;

設(shè)計(jì)荷載:三圍碼頭運(yùn)輸車輛特殊荷載(由業(yè)主提供),經(jīng)計(jì)算比較,控制設(shè)計(jì)的為6軸120T車輛荷載,橫向輪距2.5m:

地震作用:地震動(dòng)峰值加速度0.1g;

橫斷面布置:0.15m(欄桿)+2.6m(人行道)+0.5m(護(hù)欄)+8.5m(車行道)+0.5m(護(hù)欄)+2.6m(人行道)+0.15m(欄桿);

橋面橫坡:車行道雙向1.5%,人行道1.0%。

4 設(shè)計(jì)概要

4.1結(jié)構(gòu)型式的選擇:由于受結(jié)構(gòu)高度的限制,結(jié)構(gòu)型式的選擇成為加工制作及運(yùn)輸?shù)跹b的關(guān)鍵。選擇合適的結(jié)構(gòu)型式成為本橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。適合于小跨徑的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)型式包括板梁式和桁架式。由于受到梁高的限制,桁架式梁的加工制作較為困難,板梁式成為較為合適的結(jié)構(gòu)型式。

工廠化制作現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝的方式已經(jīng)成為鋼結(jié)構(gòu)橋梁主要的建造方式,采用自動(dòng)化焊接工藝的工廠焊接質(zhì)量容易控制,加工精度高,殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變較小,鋼梁運(yùn)營(yíng)過(guò)程受力狀態(tài)較好,且焊縫探傷檢測(cè)也較為容易。鑒于上述原因,本橋設(shè)計(jì)選擇工廠焊接,現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝的結(jié)構(gòu)型式。

4.2 加工梁的確定:運(yùn)輸體積和吊裝重量的控制是工廠制作的重要指標(biāo)。既要盡量減少現(xiàn)場(chǎng)焊接又要方便運(yùn)輸和吊裝。綜合考慮加工方便性、運(yùn)輸體積、吊裝重量及總體建造成本,橋梁橫斷面共劃分為5片吊裝梁,每片吊裝梁由兩片加工梁組成,兩片加工梁之間采用型鋼橫向聯(lián)系焊接連接。吊裝完成后吊裝梁之間亦通過(guò)橫向聯(lián)系焊接在一起?？紤]設(shè)計(jì)及施工的方便性,邊跨和中跨采用相同的結(jié)構(gòu)。中跨吊裝重量約24.5T。運(yùn)輸、吊裝和現(xiàn)場(chǎng)橫向聯(lián)系的拼裝焊接工藝均較為方便,在此不再贅述。

4.3 加工梁構(gòu)造:加工梁采用Q345C橋梁結(jié)構(gòu)鋼焊接,為單箱雙室結(jié)構(gòu)。梁高700mm,總寬900mm,頂?shù)装搴?5mm,腹板厚14mm,腹板間距300mm。頂?shù)装鍍蛇吀鲬姨?50mm?？紤]底板受力較大,設(shè)計(jì)中采用在中跨跨中底板上焊接加強(qiáng)鋼板的方法,以減小底板應(yīng)力。加強(qiáng)鋼板采用160×14mm鋼板,長(zhǎng)5.25~6米,端部500mm范圍內(nèi)寬度由160mm按照1:5的斜率變化到60mm,以減小局部應(yīng)力集中。底板加強(qiáng)鋼板僅少量增加了鋼材用量,但有效的降低了底板應(yīng)力,增加了底板的安全儲(chǔ)備。由于梁高較小且腹板間距不大,再加上后面所述的剪刀撐綴板的存在,頂?shù)装搴透拱寰磳ｉT(mén)設(shè)置加勁肋,大大降低了焊接工作量。

4.4 箱梁焊接加工工藝:首先焊接中腹板和底板間的角焊縫,然后翻轉(zhuǎn)焊接中腹板和頂板間的角焊縫,再焊接邊腹板和頂板間的坡口焊縫,最后再翻轉(zhuǎn)焊接邊腹板和底板間的坡口焊縫。

4.5 橫向聯(lián)系:橫向聯(lián)系是連接各焊接梁,傳遞荷載的構(gòu)件。橫向聯(lián)系的設(shè)計(jì)應(yīng)能將單片焊接梁的受力最大程度的傳遞到其他焊接梁,平均分配各梁受力。鑒于焊接橫向聯(lián)系的空間狹小,選用合適的橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu)型式顯得非常重要。設(shè)計(jì)中橫向聯(lián)系為:頂板下面和底板上面每隔1米均水平焊接一道I20b工字鋼聯(lián)系橫梁;在兩個(gè)橫梁間再水平焊接L100×10角鋼斜撐;在頂?shù)装彘g通過(guò)綴板在立面焊接L100×10角鋼剪刀撐。

4.6 伸縮縫:本橋不設(shè)專門(mén)伸縮裝置,僅在梁間和梁與背墻頂設(shè)置鋼蓋板,鋼蓋板一邊和主梁間用螺栓固定連接,另一端自由,橋面瀝青砼鋪裝連續(xù)過(guò)渡。從路面上看不到伸縮縫,也沒(méi)有常規(guī)伸縮裝置的柔性路面和剛性路面的過(guò)渡。這樣既能滿足橋梁結(jié)構(gòu)的變形,又不會(huì)產(chǎn)生常規(guī)伸縮裝置的跳車問(wèn)題,施工簡(jiǎn)單方便。

4.7 橋面鋪裝:改性瀝青混凝土、瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)以及澆注式瀝青混凝土是鋼橋通常采用的橋面鋪裝方式。雖然各國(guó)不斷的研究改進(jìn),但鋼橋橋面鋪裝早期破壞的通病一直未能得到有效的解決。鑒于本次橋面鋪裝工程量較小,本次設(shè)計(jì)結(jié)合道路面層的設(shè)計(jì)方式,采用9cm厚SMA。為了防止橋面鋪裝出現(xiàn)滑移的通病,先在橋面板上每隔100mm橫向焊接一根φ12抗滑螺紋鋼筋。選擇這樣的橋面鋪裝方式,既增強(qiáng)了抗滑移性能,又保證了路面和橋面鋪裝的一次鋪筑。

4.8 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算:通常采用的橋梁結(jié)構(gòu)分析包括空間有限元分析以及通過(guò)橫向分布系數(shù)簡(jiǎn)化了的平面桿系分析方法。對(duì)于有限元分析而言,橫向聯(lián)系的模擬是結(jié)構(gòu)分析的重點(diǎn),不同的模擬方法其結(jié)果也會(huì)比較大大。而通常采用的平面桿系把空間受力通過(guò)橫向分布系數(shù)簡(jiǎn)化為平面受力分析,避免了橫向聯(lián)系的模擬。計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單明了,其結(jié)果也是比較可靠的,但在橫向分布系數(shù)的計(jì)算上同樣也存在著不同的模擬方法。

設(shè)計(jì)中分別對(duì)中跨按不同的方法計(jì)算橫向分布系數(shù),結(jié)果介于0.30和0.20之間。取橫向分布系數(shù)0.25,計(jì)算沖擊系數(shù)0.45,在計(jì)算中未考慮主梁底板加強(qiáng)鋼板的作用,計(jì)算結(jié)果為:主梁跨中底板最大應(yīng)力98Mpa,最小應(yīng)力為23Mpa;采用MIDAS分析結(jié)果為:主梁跨中底板最大應(yīng)力82Mpa,最小應(yīng)力為21Mpa,均滿足規(guī)范規(guī)定。

5 成果的驗(yàn)證

橋梁建成后,業(yè)主委托有關(guān)單位對(duì)橋梁進(jìn)行了動(dòng)靜荷載試驗(yàn)。報(bào)告表明:推算設(shè)計(jì)荷載作用下,底板應(yīng)力最大值為54.5MPa,橋面板最大應(yīng)力50.2Mpa,橫梁和斜撐受力均較小,應(yīng)力滿足規(guī)范;跨中撓度12.28mm,剛度滿足規(guī)范;橋梁豎向自振頻率為10.44HZ,動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件影響較大。荷載試驗(yàn)的結(jié)果說(shuō)明,主梁的設(shè)計(jì)和施工是成功的。主梁整體受力狀況良好,但震動(dòng)對(duì)橋梁局部構(gòu)件影響較大,應(yīng)確保橋面鋪裝的平整度,減小橋梁震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

6 經(jīng)驗(yàn)與總結(jié)

6.1 加工梁的設(shè)計(jì)較為合理,由于梁高和腹板間距較小,沒(méi)有設(shè)置加勁肋,鋼梁加工方便且焊縫較少,箱梁整體受力狀況良好。梁底加強(qiáng)鋼板的設(shè)置降低了底板應(yīng)力,在少量增加鋼材用量的情況下有效的增加了橋梁的安全儲(chǔ)備。

6.2 伸縮縫的設(shè)置方式較好,造價(jià)低廉,安裝簡(jiǎn)單方便。路橋無(wú)縫過(guò)渡,不存在跳車隱患。

7 設(shè)計(jì)的改進(jìn)意見(jiàn)

7.1 橫向聯(lián)系:從動(dòng)靜載試驗(yàn)的實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)看,箱梁的應(yīng)力狀況良好,箱梁底板應(yīng)力比設(shè)計(jì)計(jì)算的要小,說(shuō)明實(shí)際橫向分布系比設(shè)計(jì)采用值。這也驗(yàn)證了橫向聯(lián)系在箱梁受力分配上的重要性。此橋橫向聯(lián)系的設(shè)計(jì)較為強(qiáng)大,工廠和現(xiàn)場(chǎng)焊接略顯繁瑣。同時(shí),由于水平面橫梁、斜撐和立面剪刀撐在空間上的交叉無(wú)法布置在同一個(gè)截面上,只能錯(cuò)開(kāi)交替布置,這樣的布置方式實(shí)際上降低了各構(gòu)件的共同受力作用?？梢詫?duì)此適當(dāng)?shù)募右愿倪M(jìn),取消剪刀撐,采用工字鋼橫梁加鋼板作為橫向聯(lián)系。這樣增強(qiáng)了各構(gòu)件間的聯(lián)合受力,也減小了現(xiàn)場(chǎng)焊縫工作量。

7.2 橋面板:設(shè)計(jì)采用在兩個(gè)加工梁的頂板間焊接16mm鋼板作為橋面板,從受力角度來(lái)看,16mm的鋼板已能滿足要求,但由于箱梁頂板和橋面板厚度不同,之間的焊接需增加頂板的厚度過(guò)渡切角,再加上加工和安裝精度的限制,實(shí)際施工中箱梁頂板和橋面板間很難對(duì)齊,不同位置相差較大。雖然設(shè)計(jì)考慮節(jié)省了少量材料,但增加了施工難度和對(duì)加工精度的要求。鑒于上述原因,橋面板和箱梁頂板采用等厚連接較為合適。

7.3 伸縮縫:本橋的伸縮縫設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單,有待進(jìn)一步的改進(jìn)?？梢栽阡摪逑录訅|一層橡膠條以調(diào)節(jié)鋼梁加工誤差,并同時(shí)在兩側(cè)均設(shè)置長(zhǎng)圓形螺栓孔栓接以適應(yīng)鋼梁的變形。這樣既方便鋼板的安裝,避免各梁安裝高差引起的鋼板翹曲,同時(shí)也可以避免橋面雨水從鋼梁接口處下滲,延長(zhǎng)梁端的結(jié)構(gòu)防腐耐久性。

7.4 橋面鋪裝:由于近年來(lái)鋼結(jié)構(gòu)橋梁在國(guó)內(nèi)的迅速發(fā)展,鋼結(jié)構(gòu)梁的橋面鋪裝研究應(yīng)用也有不斷的發(fā)展,請(qǐng)參考這方面相關(guān)專著1。本橋雖設(shè)置了抗滑移鋼筋,但由于主要行駛的為超重車輛,其長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)效果有待觀察。

8 注意事項(xiàng)

由于箱梁腹板較薄,剪力較大,必須嚴(yán)格控制焊縫質(zhì)量,確保焊縫均勻飽滿,焊縫高度滿足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)由于腹板較薄且間距較小,焊接工藝對(duì)結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力和殘余變形影響較大,應(yīng)采取可靠的焊接工藝和質(zhì)量控制措施,最大程度的降低結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和殘余變形。

9 結(jié)語(yǔ)

大鏟灣疏港通道跨明渠橋設(shè)計(jì)克服了重載和梁高的限制,采用不設(shè)加勁肋的單箱雙室焊接梁結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化了鋼梁的焊接,方便了運(yùn)輸和吊裝作業(yè)。成橋荷載試驗(yàn)也進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)成果。最后通過(guò)施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題提出來(lái)了改進(jìn)意見(jiàn)。文章對(duì)小跨矮梁鋼橋的設(shè)計(jì)和施工具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]黃衛(wèi),大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)理論與方法,中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006年10月

[2]吳沖,現(xiàn)代鋼橋,人民交通出版社,2006年4月

作者簡(jiǎn)介:劉曉偉(1975),1997年畢業(yè)于鄭州工業(yè)大學(xué)水利及環(huán)境工程系,工學(xué)學(xué)士。工程師。