小跨矮梁鋼橋設計與建造

摘要:大鏟灣疏港通道跨明渠橋為5.8+15.24+5.8米簡支焊接拼裝鋼箱梁橋。梁高700mm,設計荷載為6軸120T重載車輛。單片焊接鋼箱梁采用單箱雙室結構,內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。取消了頂底板及腹板加勁肋,減少了焊接工作量。本文通過此橋的設計及施工總結,對重載、小跨、矮梁鋼橋的設計及施工具有一定的參考價值。

關鍵詞:小跨;矮梁;鋼橋;重載;橫向聯系;設計 施工

1 項目背景

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

2 橋位、橋長、跨徑組合及結構型式的確定

橋位和橋長被兩側連接道路及規劃明渠斷面限制,跨徑組合為5.8+15.24+5.8m。疏港通道現狀道路及設計洪水位限制了橋梁的結構高度在700mm之內。由于為臨時橋梁,運營時間并不確定,業主為將來拆除的方便性要求采用鋼結構型式。

3 主要技術標準

引道道路等級:臨時道路;

設計荷載:三圍碼頭運輸車輛特殊荷載(由業主提供),經計算比較,控制設計的為6軸120T車輛荷載,橫向輪距2.5m:

地震作用:地震動峰值加速度0.1g;

橫斷面布置:0.15m(欄桿)+2.6m(人行道)+0.5m(護欄)+8.5m(車行道)+0.5m(護欄)+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 設計概要

4.1結構型式的選擇:由于受結構高度的限制,結構型式的選擇成為加工制作及運輸吊裝的關鍵。選擇合適的結構型式成為本橋設計的關鍵。適合于小跨徑的常見結構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構型式。

工廠化制作現場焊接拼裝的方式已經成為鋼結構橋梁主要的建造方式,采用自動化焊接工藝的工廠焊接質量容易控制,加工精度高,殘余應力和殘余應變較小,鋼梁運營過程受力狀態較好,且焊縫探傷檢測也較為容易。鑒于上述原因,本橋設計選擇工廠焊接,現場焊接拼裝的結構型式。

4.2 加工梁的確定:運輸體積和吊裝重量的控制是工廠制作的重要指標。既要盡量減少現場焊接又要方便運輸和吊裝。綜合考慮加工方便性、運輸體積、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系焊接連接。吊裝完成后吊裝梁之間亦通過橫向聯系焊接在一起?？紤]設計及施工的方便性,邊跨和中跨采用相同的結構。中跨吊裝重量約24.5T。運輸、吊裝和現場橫向聯系的拼裝焊接工藝均較為方便,在此不再贅述。

4.3 加工梁構造:加工梁采用Q345C橋梁結構鋼焊接,為單箱雙室結構。梁高700mm,總寬900mm,頂底板厚25mm,腹板厚14mm,腹板間距300mm。頂底板兩邊各懸挑150mm?？紤]底板受力較大,設計中采用在中跨跨中底板上焊接加強鋼板的方法,以減小底板應力。加強鋼板采用160×14mm鋼板,長5.25~6米,端部500mm范圍內寬度由160mm按照1:5的斜率變化到60mm,以減小局部應力集中。底板加強鋼板僅少量增加了鋼材用量,但有效的降低了底板應力,增加了底板的安全儲備。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,頂底板和腹板均未專門設置加勁肋,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,最后再翻轉焊接邊腹板和底板間的坡口焊縫。

4.5 橫向聯系:橫向聯系是連接各焊接梁,傳遞荷載的構件。橫向聯系的設計應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。鑒于焊接橫向聯系的空間狹小,選用合適的橫向聯系結構型式顯得非常重要。設計中橫向聯系為:頂板下面和底板上面每隔1米均水平焊接一道I20b工字鋼聯系橫梁;在兩個橫梁間再水平焊接L100×10角鋼斜撐;在頂底板間通過綴板在立面焊接L100×10角鋼剪刀撐。

4.6 伸縮縫:本橋不設專門伸縮裝置,僅在梁間和梁與背墻頂設置鋼蓋板,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過渡。從路面上看不到伸縮縫,也沒有常規伸縮裝置的柔性路面和剛性路面的過渡。這樣既能滿足橋梁結構的變形,又不會產生常規伸縮裝置的跳車問題,施工簡單方便。

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。雖然各國不斷的研究改進,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,本次設計結合道路面層的設計方式,采用9cm厚SMA。為了防止橋面鋪裝出現滑移的通病,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 結構分析計算:通常采用的橋梁結構分析包括空間有限元分析以及通過橫向分布系數簡化了的平面桿系分析方法。對于有限元分析而言,橫向聯系的模擬是結構分析的重點,不同的模擬方法其結果也會比較大大。而通常采用的平面桿系把空間受力通過橫向分布系數簡化為平面受力分析,避免了橫向聯系的模擬。計算相對簡單明了,其結果也是比較可靠的,但在橫向分布系數的計算上同樣也存在著不同的模擬方法。

設計中分別對中跨按不同的方法計算橫向分布系數,結果介于0.30和0.20之間。取橫向分布系數0.25,計算沖擊系數0.45,在計算中未考慮主梁底板加強鋼板的作用,計算結果為:主梁跨中底板最大應力98Mpa,最小應力為23Mpa;采用MIDAS分析結果為:主梁跨中底板最大應力82Mpa,最小應力為21Mpa,均滿足規范規定。

5 成果的驗證

橋梁建成后,業主委托有關單位對橋梁進行了動靜荷載試驗。報告表明:推算設計荷載作用下,底板應力最大值為54.5MPa,橋面板最大應力50.2Mpa,橫梁和斜撐受力均較小,應力滿足規范;跨中撓度12.28mm,剛度滿足規范;橋梁豎向自振頻率為10.44HZ,動荷載對結構局部構件影響較大。荷載試驗的結果說明,主梁的設計和施工是成功的。主梁整體受力狀況良好,但震動對橋梁局部構件影響較大,應確保橋面鋪裝的平整度,減小橋梁震動對結構的影響。

6 經驗與總結

6.1 加工梁的設計較為合理,由于梁高和腹板間距較小,沒有設置加勁肋,鋼梁加工方便且焊縫較少,箱梁整體受力狀況良好。梁底加強鋼板的設置降低了底板應力,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備。

6.2 伸縮縫的設置方式較好,造價低廉,安裝簡單方便。路橋無縫過渡,不存在跳車隱患。

7 設計的改進意見

7.1 橫向聯系:從動靜載試驗的實測結果來看,箱梁的應力狀況良好,箱梁底板應力比設計計算的要小,說明實際橫向分布系比設計采用值。這也驗證了橫向聯系在箱梁受力分配上的重要性。此橋橫向聯系的設計較為強大,工廠和現場焊接略顯繁瑣。同時,由于水平面橫梁、斜撐和立面剪刀撐在空間上的交叉無法布置在同一個截面上,只能錯開交替布置,這樣的布置方式實際上降低了各構件的共同受力作用。可以對此適當的加以改進,取消剪刀撐,采用工字鋼橫梁加鋼板作為橫向聯系。這樣增強了各構件間的聯合受力,也減小了現場焊縫工作量。

7.2 橋面板:設計采用在兩個加工梁的頂板間焊接16mm鋼板作為橋面板,從受力角度來看,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渡切角,再加上加工和安裝精度的限制,實際施工中箱梁頂板和橋面板間很難對齊,不同位置相差較大。雖然設計考慮節省了少量材料,但增加了施工難度和對加工精度的要求。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:本橋的伸縮縫設計較為簡單,有待進一步的改進。可以在鋼板下加墊一層橡膠條以調節鋼梁加工誤差,并同時在兩側均設置長圓形螺栓孔栓接以適應鋼梁的變形。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,同時也可以避免橋面雨水從鋼梁接口處下滲,延長梁端的結構防腐耐久性。

7.4 橋面鋪裝:由于近年來鋼結構橋梁在國內的迅速發展,鋼結構梁的橋面鋪裝研究應用也有不斷的發展,請參考這方面相關專著1。本橋雖設置了抗滑移鋼筋,但由于主要行駛的為超重車輛,其長期運營效果有待觀察。

8 注意事項

由于箱梁腹板較薄,剪力較大,必須嚴格控制焊縫質量,確保焊縫均勻飽滿,焊縫高度滿足設計要求,同時由于腹板較薄且間距較小,焊接工藝對結構殘余應力和殘余變形影響較大,應采取可靠的焊接工藝和質量控制措施,最大程度的降低結構的殘余應力和殘余變形。

9 結語

大鏟灣疏港通道跨明渠橋設計克服了重載和梁高的限制,采用不設加勁肋的單箱雙室焊接梁結構,簡化了鋼梁的焊接,方便了運輸和吊裝作業。成橋荷載試驗也進一步驗證了設計成果。最后通過施工過程中遇到的問題提出來了改進意見。文章對小跨矮梁鋼橋的設計和施工具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]黃衛,大跨徑橋梁鋼橋面鋪裝設計理論與方法,中國建筑工業出版社,2006年10月

[2]吳沖,現代鋼橋,人民交通出版社,2006年4月

作者簡介:劉曉偉(1975),1997年畢業于鄭州工業大學水利及環境工程系,工學學士。工程師。