小跨矮梁钢桥设计与建造

摘要:大铲湾疏港通道跨明渠桥为5.8+15.24+5.8米简支焊接拼装钢箱梁桥。梁高700mm,设计荷载为6轴120T重载车辆。单片焊接钢箱梁采用单箱双室结构,内外腹板和底板间采用不同的焊缝型式,避免了矮梁的焊接操作困难。取消了顶底板及腹板加劲肋,减少了焊接工作量。本文通过此桥的设计及施工总结,对重载、小跨、矮梁钢桥的设计及施工具有一定的参考价值。

关键词:小跨;矮梁;钢桥;重载;横向联系;设计 施工

1 项目背景

深圳港大铲湾港区疏港通道工程位于深圳市宝安区西乡街道内。本桥跨越B标段路边明渠和疏港通道平交。是连接三围码头和周边区域的唯一交通通道。

2 桥位、桥长、跨径组合及结构型式的确定

桥位和桥长被两侧连接道路及规划明渠断面限制,跨径组合为5.8+15.24+5.8m。疏港通道现状道路及设计洪水位限制了桥梁的结构高度在700mm之内。由于为临时桥梁,运营时间并不确定,业主为将来拆除的方便性要求采用钢结构型式。

3 主要技术标准

引道道路等级:临时道路;

设计荷载:三围码头运输车辆特殊荷载(由业主提供),经计算比较,控制设计的为6轴120T车辆荷载,横向轮距2.5m:

地震作用:地震动峰值加速度0.1g;

横断面布置:0.15m(栏杆)+2.6m(人行道)+0.5m(护栏)+8.5m(车行道)+0.5m(护栏)+2.6m(人行道)+0.15m(栏杆);

桥面横坡:车行道双向1.5%,人行道1.0%。

4 设计概要

4.1结构型式的选择:由于受结构高度的限制,结构型式的选择成为加工制作及运输吊装的关键。选择合适的结构型式成为本桥设计的关键。适合于小跨径的常见结构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较为困难,板梁式成为较为合适的结构型式。

工厂化制作现场焊接拼装的方式已经成为钢结构桥梁主要的建造方式,采用自动化焊接工艺的工厂焊接质量容易控制,加工精度高,残余应力和残余应变较小,钢梁运营过程受力状态较好,且焊缝探伤检测也较为容易。鉴于上述原因,本桥设计选择工厂焊接,现场焊接拼装的结构型式。

4.2 加工梁的确定:运输体积和吊装重量的控制是工厂制作的重要指标。既要尽量减少现场焊接又要方便运输和吊装。综合考虑加工方便性、运输体积、吊装重量及总体建造成本,桥梁横断面共划分为5片吊装梁,每片吊装梁由两片加工梁组成,两片加工梁之间采用型钢横向联系焊接连接。吊装完成后吊装梁之间亦通过横向联系焊接在一起。考虑设计及施工的方便性,边跨和中跨采用相同的结构。中跨吊装重量约24.5T。运输、吊装和现场横向联系的拼装焊接工艺均较为方便,在此不再赘述。

4.3 加工梁构造:加工梁采用Q345C桥梁结构钢焊接,为单箱双室结构。梁高700mm,总宽900mm,顶底板厚25mm,腹板厚14mm,腹板间距300mm。顶底板两边各悬挑150mm。考虑底板受力较大,设计中采用在中跨跨中底板上焊接加强钢板的方法,以减小底板应力。加强钢板采用160×14mm钢板,长5.25~6米,端部500mm范围内宽度由160mm按照1:5的斜率变化到60mm,以减小局部应力集中。底板加强钢板仅少量增加了钢材用量,但有效的降低了底板应力,增加了底板的安全储备。由于梁高较小且腹板间距不大,再加上后面所述的剪刀撑缀板的存在,顶底板和腹板均未专门设置加劲肋,大大降低了焊接工作量。

4.4 箱梁焊接加工工艺:首先焊接中腹板和底板间的角焊缝,然后翻转焊接中腹板和顶板间的角焊缝,再焊接边腹板和顶板间的坡口焊缝,最后再翻转焊接边腹板和底板间的坡口焊缝。

4.5 横向联系:横向联系是连接各焊接梁,传递荷载的构件。横向联系的设计应能将单片焊接梁的受力最大程度的传递到其他焊接梁,平均分配各梁受力。鉴于焊接横向联系的空间狭小,选用合适的横向联系结构型式显得非常重要。设计中横向联系为:顶板下面和底板上面每隔1米均水平焊接一道I20b工字钢联系横梁;在两个横梁间再水平焊接L100×10角钢斜撑;在顶底板间通过缀板在立面焊接L100×10角钢剪刀撑。

4.6 伸缩缝:本桥不设专门伸缩装置,仅在梁间和梁与背墙顶设置钢盖板,钢盖板一边和主梁间用螺栓固定连接,另一端自由,桥面沥青砼铺装连续过渡。从路面上看不到伸缩缝,也没有常规伸缩装置的柔性路面和刚性路面的过渡。这样既能满足桥梁结构的变形,又不会产生常规伸缩装置的跳车问题,施工简单方便。

4.7 桥面铺装:改性沥青混凝土、沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)以及浇注式沥青混凝土是钢桥通常采用的桥面铺装方式。虽然各国不断的研究改进,但钢桥桥面铺装早期破坏的通病一直未能得到有效的解决。鉴于本次桥面铺装工程量较小,本次设计结合道路面层的设计方式,采用9cm厚SMA。为了防止桥面铺装出现滑移的通病,先在桥面板上每隔100mm横向焊接一根φ12抗滑螺纹钢筋。选择这样的桥面铺装方式,既增强了抗滑移性能,又保证了路面和桥面铺装的一次铺筑。

4.8 结构分析计算:通常采用的桥梁结构分析包括空间有限元分析以及通过横向分布系数简化了的平面杆系分析方法。对于有限元分析而言,横向联系的模拟是结构分析的重点,不同的模拟方法其结果也会比较大大。而通常采用的平面杆系把空间受力通过横向分布系数简化为平面受力分析,避免了横向联系的模拟。计算相对简单明了,其结果也是比较可靠的,但在横向分布系数的计算上同样也存在着不同的模拟方法。

设计中分别对中跨按不同的方法计算横向分布系数,结果介于0.30和0.20之间。取横向分布系数0.25,计算冲击系数0.45,在计算中未考虑主梁底板加强钢板的作用,计算结果为:主梁跨中底板最大应力98Mpa,最小应力为23Mpa;采用MIDAS分析结果为:主梁跨中底板最大应力82Mpa,最小应力为21Mpa,均满足规范规定。

5 成果的验证

桥梁建成后,业主委托有关单位对桥梁进行了动静荷载试验。报告表明:推算设计荷载作用下,底板应力最大值为54.5MPa,桥面板最大应力50.2Mpa,横梁和斜撑受力均较小,应力满足规范;跨中挠度12.28mm,刚度满足规范;桥梁竖向自振频率为10.44HZ,动荷载对结构局部构件影响较大。荷载试验的结果说明,主梁的设计和施工是成功的。主梁整体受力状况良好,但震动对桥梁局部构件影响较大,应确保桥面铺装的平整度,减小桥梁震动对结构的影响。

6 经验与总结

6.1 加工梁的设计较为合理,由于梁高和腹板间距较小,没有设置加劲肋,钢梁加工方便且焊缝较少,箱梁整体受力状况良好。梁底加强钢板的设置降低了底板应力,在少量增加钢材用量的情况下有效的增加了桥梁的安全储备。

6.2 伸缩缝的设置方式较好,造价低廉,安装简单方便。路桥无缝过渡,不存在跳车隐患。

7 设计的改进意见

7.1 横向联系:从动静载试验的实测结果来看,箱梁的应力状况良好,箱梁底板应力比设计计算的要小,说明实际横向分布系比设计采用值。这也验证了横向联系在箱梁受力分配上的重要性。此桥横向联系的设计较为强大,工厂和现场焊接略显繁琐。同时,由于水平面横梁、斜撑和立面剪刀撑在空间上的交叉无法布置在同一个截面上,只能错开交替布置,这样的布置方式实际上降低了各构件的共同受力作用。可以对此适当的加以改进,取消剪刀撑,采用工字钢横梁加钢板作为横向联系。这样增强了各构件间的联合受力,也减小了现场焊缝工作量。

7.2 桥面板:设计采用在两个加工梁的顶板间焊接16mm钢板作为桥面板,从受力角度来看,16mm的钢板已能满足要求,但由于箱梁顶板和桥面板厚度不同,之间的焊接需增加顶板的厚度过渡切角,再加上加工和安装精度的限制,实际施工中箱梁顶板和桥面板间很难对齐,不同位置相差较大。虽然设计考虑节省了少量材料,但增加了施工难度和对加工精度的要求。鉴于上述原因,桥面板和箱梁顶板采用等厚连接较为合适。

7.3 伸缩缝:本桥的伸缩缝设计较为简单,有待进一步的改进。可以在钢板下加垫一层橡胶条以调节钢梁加工误差,并同时在两侧均设置长圆形螺栓孔栓接以适应钢梁的变形。这样既方便钢板的安装,避免各梁安装高差引起的钢板翘曲,同时也可以避免桥面雨水从钢梁接口处下渗,延长梁端的结构防腐耐久性。

7.4 桥面铺装:由于近年来钢结构桥梁在国内的迅速发展,钢结构梁的桥面铺装研究应用也有不断的发展,请参考这方面相关专著1。本桥虽设置了抗滑移钢筋,但由于主要行驶的为超重车辆,其长期运营效果有待观察。

8 注意事项

由于箱梁腹板较薄,剪力较大,必须严格控制焊缝质量,确保焊缝均匀饱满,焊缝高度满足设计要求,同时由于腹板较薄且间距较小,焊接工艺对结构残余应力和残余变形影响较大,应采取可靠的焊接工艺和质量控制措施,最大程度的降低结构的残余应力和残余变形。

9 结语

大铲湾疏港通道跨明渠桥设计克服了重载和梁高的限制,采用不设加劲肋的单箱双室焊接梁结构,简化了钢梁的焊接,方便了运输和吊装作业。成桥荷载试验也进一步验证了设计成果。最后通过施工过程中遇到的问题提出来了改进意见。文章对小跨矮梁钢桥的设计和施工具有一定的参考价值。

参考文献

[1]黄卫,大跨径桥梁钢桥面铺装设计理论与方法,中国建筑工业出版社,2006年10月

[2]吴冲,现代钢桥,人民交通出版社,2006年4月

作者简介:刘晓伟(1975),1997年毕业于郑州工业大学水利及环境工程系,工学学士。工程师。