張明軍

/中交第四公路工程局有限公司

溫州市某大橋鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

張明軍

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橋梁設(shè)計(jì)和施工中，鋼梁結(jié)構(gòu)具有舉足輕重的地位。以溫州市某大橋鋼梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)討論了鋼縱梁、橋面錨拉板、鋼橫梁、小縱梁、懸臂梁和風(fēng)嘴等構(gòu)造的布設(shè)，并提出相關(guān)的設(shè)計(jì)要求。

橋梁；鋼梁；設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)

引言

在前期設(shè)計(jì)及工程施工過程中，鋼梁的穩(wěn)定性及節(jié)點(diǎn)、支架問題尤為重要[1-3]。本文以溫州某大橋鋼梁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)鋼縱梁、橋面錨拉板、鋼橫梁、小縱梁、懸臂梁和風(fēng)嘴等構(gòu)造進(jìn)行了布設(shè)，以期達(dá)到橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和外觀的優(yōu)美性的完美結(jié)合。

擬施工大橋位于溫州市鰲江鎮(zhèn)，橫跨鰲江，與龍港鎮(zhèn)彩虹大道連接。大橋全長(zhǎng)1400m，其中跨江大橋長(zhǎng)1105m，主橋長(zhǎng)280m，為130+150m獨(dú)塔雙索面斜拉橋。引橋結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁。鰲江寬550m，河底最低標(biāo)高-4.5m，常水位2.5m，水深處約6～7m。

橋塔采用鉆石形塔，塔高99.4m，為獨(dú)塔、空間雙索面密索體系。主跨跨徑為150m，下方為主通航孔；邊跨跨徑為130m，下方為輔助通航孔。主橋標(biāo)準(zhǔn)段橋?qū)?.25m，人行道+3.5m，非機(jī)動(dòng)車道+2m，掛索區(qū)+11.5m，索塔處橋面寬度為47.5m。

1.工程地質(zhì)背景

工程區(qū)地處亞熱帶季風(fēng)區(qū)，氣候溫暖濕潤(rùn)，四季分明，雨量充沛。每年夏秋之交常受臺(tái)風(fēng)侵襲。年平均氣溫18℃，最高氣溫在7月份，平均氣溫28.3℃。多年平均降水量1668.1mm，年最大降雨量2341.1mm，降雨集中在4～9月份。年平均無霜期為343.6天，年平均結(jié)凍期為14.1天。10月至豎年4月為多霧日，每月多則5至6天，少則1至2天。

工程沿線表層沉積第四紀(jì)堆積物，厚度巨大，鉆探揭露厚度約130m，下伏基巖為花崗巖，風(fēng)化層厚度大。主墩橋墩位置淤泥層層厚約33m，根據(jù)地質(zhì)資料分析需穿越3次卵石層；其余水上橋墩位置淤泥層約30m，需穿越兩次卵石層。

2.工程概況

主橋全長(zhǎng)280m，主橋孔跨布置為130+150m獨(dú)塔組合梁斜拉橋，整體結(jié)構(gòu)為塔梁固結(jié)體系，橋塔采用鉆石形塔，塔高99.4m，為獨(dú)塔、空間雙索面密索體系（圖1）。主橋鋼結(jié)構(gòu)加工制作工程量約4890t，現(xiàn)場(chǎng)安裝工程量為4658t。主橋組合梁體系除風(fēng)嘴外鋼材材質(zhì)均為Q345qD，風(fēng)嘴材質(zhì)為Q235C。橋塔鋼牛腿與鋼錨梁材質(zhì)均為Q345qD。

圖1 橋塔塔梁固結(jié)示意圖

橋塔采用鉆石形塔，塔高99.4m，從上至下分別為塔冠、上塔柱和下塔柱。上、下塔柱通過承臺(tái)、橫梁與塔冠相連。橋塔包括32個(gè)鋼錨梁和與之對(duì)應(yīng)的64個(gè)鋼牛腿。全橋共有64根斜拉索，沿橋塔對(duì)稱布置。橋塔內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)主要包含用于索張拉的鋼錨梁和支撐鋼錨梁的鋼牛腿。此外，主橋ZL0#號(hào)段中間橫梁為半勁性結(jié)構(gòu)，與橋塔橫梁固結(jié)。

橋塔鋼錨梁與其支撐結(jié)構(gòu)鋼牛腿通過M22高強(qiáng)螺栓連接，鋼錨梁用于拉索張拉，鋼牛腿是鋼錨梁的支撐結(jié)構(gòu)，由座板、托架、塔壁預(yù)埋鋼板、剪力釘和勁性骨架相連的連接鋼板組成。橋塔共包含16個(gè)鋼錨梁和32個(gè)鋼牛腿。鋼錨梁最大板厚為50mm，鋼牛腿最大板厚為65mm。

3.鋼梁結(jié)構(gòu)

主橋斷面采用鋼主梁結(jié)合橋面板的整體斷面形式，主橋由鋼縱梁、鋼橫梁、小縱梁、懸臂梁以及風(fēng)嘴連接形成鋼構(gòu)架，并在其上部鋪設(shè)預(yù)制橋面板，現(xiàn)澆混凝土濕接縫，與鋼梁上的剪力釘形成整體，組成鋼-混組合梁體系。主橋總長(zhǎng)280m，共包含37個(gè)梁段，其中分為橋塔、邊跨和主跨節(jié)段。主橋鋼縱梁、小縱梁、鋼橫梁懸臂梁均采用“工”字形鋼梁，頂板設(shè)置2%的雙向橫坡。組合梁標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)8m，合攏段長(zhǎng)3m。

（1）鋼縱梁構(gòu)造

鋼縱梁采用“工”字形截面，沿橋梁中心線對(duì)稱布置，其底板水平，頂板設(shè)置2%的單向橫坡，腹板采用直腹板。單側(cè)鋼縱梁公劃分為37個(gè)梁段，其中邊跨17個(gè)梁段，主跨19個(gè)梁段和一個(gè)0號(hào)梁段。鋼縱梁梁高包含3200mm3200～2800mm過渡段、2800mm三種，頂板寬度均為800mm，底板寬度包含1600mm、1600～1250mm過渡段、1250mm三種。頂板與腹板厚度均為35mm，底板厚度均為80mm。鋼縱梁邊跨17號(hào)梁段為鋼混銜接段，梁高漸變至4300mm。鋼縱梁在腹板外側(cè)設(shè)兩道縱向加勁肋，加勁肋寬382.5m，厚度為30mm。鋼縱梁分別間隔1200mm、800mm在腹板兩側(cè)設(shè)置豎向橫隔板，與鋼橫梁相連處橫隔板板厚為30mm，其他處橫隔板板厚為20mm。

（2）橋面錨拉板構(gòu)造

錨拉板焊接于邊主梁上翼緣板頂面，錨管嵌于錨拉板上部中間位置，兩側(cè)與錨拉板焊接。錨拉板厚度有60mm、55mm和50mm三種。錨管截面尺寸有Φ432×36、Φ407×36、Φ352×36。

（3）鋼橫梁構(gòu)造

鋼橫梁采用“工”字形截面，沿橋軸線每4m設(shè)置一道，位置與鋼縱梁30mm厚橫隔板位置相對(duì)應(yīng)。梁底板水平，頂板采用雙向2.0%的橫坡，橫梁跨中梁高2545mm，底板與頂板寬度均為600mm。其中，鋼橫梁頂板厚度為24mm，底板厚度為45mm（斜拉索處）和35mm（非斜拉索處），腹板厚度為30mm（斜拉索處）和20mm（非斜拉索處）。鋼橫梁對(duì)稱于腹板各設(shè)置一道水平加勁肋，水平加勁肋寬150mm，厚20mm。垂直于水平加勁肋每隔1800mm設(shè)置一道豎向加勁肋，豎向加勁肋與頂板相連，下端距離底板上緣80mm。豎向加勁肋寬度為150mm，厚度為20mm（斜拉索處）和16mm（非斜拉索處）。在豎向加勁肋間設(shè)置較短的豎肋支撐板，板厚16mm，用來支撐橫梁頂板和混凝土橋面板。

（4）小縱梁構(gòu)造

小縱梁位于橫梁中部，采用“工”字形截面，梁高1000mm，上翼緣寬600mm，下翼緣寬300mm。其中上翼緣厚度為30mm，下翼緣厚度為35mm（橋塔處）和30mm（橋塔外），腹板厚度為25mm。小縱梁每間隔1000mm設(shè)置一道豎向加勁肋，厚度為12mm。小縱梁與鋼橫梁通過焊接相連。

（5）懸臂梁構(gòu)造

懸臂梁位于鋼縱梁外側(cè)，沿橋面對(duì)稱布置。懸臂梁為人行道及非機(jī)動(dòng)車道挑臂鋼梁，標(biāo)準(zhǔn)段懸臂梁長(zhǎng)度為6350mm，橋塔處懸臂梁長(zhǎng)度為11242mm。懸臂梁頂板、底板寬度均為600mm，腹板高度由所在位置鋼縱梁高度過渡至800mm。懸臂梁頂板、底板和腹板板厚均為20mm。懸臂梁對(duì)稱腹板設(shè)置一道水平加勁肋，板寬155mm，板厚12mm，并每隔1500設(shè)置豎向加勁肋，板寬155mm，板厚12mm。

（6）風(fēng)嘴構(gòu)造

風(fēng)嘴對(duì)稱布置于懸臂梁外側(cè)，用于改善橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性（圖2）。風(fēng)嘴各板件厚度均為8mm，各板件內(nèi)側(cè)均設(shè)置縱向100mm×10mm的加勁肋，并每隔一段距離設(shè)置8mm厚橫向隔板。風(fēng)嘴通過橫向隔板與懸臂梁使用M24普通螺栓連接，風(fēng)嘴節(jié)段間隙使用氯丁橡膠密封。

圖2 風(fēng)嘴栓接構(gòu)造圖

鋼梁縱向分段分為0號(hào)段、1號(hào)段、標(biāo)準(zhǔn)段、鋼混結(jié)合段和合攏段五類。其中0號(hào)段寬8m，包含三根鋼橫梁；1號(hào)段寬5m；標(biāo)準(zhǔn)段寬8m；鋼混結(jié)合段長(zhǎng)度為9.34m，合攏段寬度為3m。

4.設(shè)計(jì)要求

4.1 材料要求

橋面鋼組合梁、錨拉板和鋼錨梁采用Q345qD材質(zhì)，風(fēng)嘴采用Q235C材質(zhì)，特殊節(jié)段鋼縱梁頂板還須符合相關(guān)要求，厚度方向性能級(jí)別為Z25，硫含量應(yīng)小于0.005%。鋼材除必須有生產(chǎn)鋼廠的出廠質(zhì)量證明書外，并按合同和TB10212－2009標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，做好復(fù)驗(yàn)檢查記錄。制造使用的鋼板或型鋼，在材質(zhì) 或規(guī)格方面，原則上不允許制造廠家自行更換鋼材型號(hào)，如有意外變化，對(duì)原設(shè)計(jì)需做任何改變時(shí)，必須事先報(bào)承包商，并征得設(shè)計(jì)單位同意，辦理相應(yīng)的設(shè)計(jì)變更文件，方可實(shí)施。鋼材的化學(xué)成份、力學(xué)性能應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。對(duì)于鋼板的表面缺陷，應(yīng)根據(jù)《鐵路鋼橋制造規(guī)范》（TB10212-2009）[4]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行修補(bǔ)和處理。鋼板厚度a的偏差應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定。

4.2 焊材要求

焊接材料應(yīng)根據(jù)焊接評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果確定。選用焊接材料應(yīng)保證焊縫金屬與母材相匹配，并應(yīng)符合相應(yīng)的國(guó)標(biāo)要求。焊接工藝設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少由于焊接引起的變形。使用的焊絲、焊劑，焊接鋼板后，其熔敷金屬的屈服強(qiáng)度（σ），極限強(qiáng)度（σb），延伸率（δa）及沖擊韌性應(yīng)與母材匹配相當(dāng)，并不低于母材的各項(xiàng)機(jī)械性能，保證焊接接頭（包括熱影響區(qū)、融合區(qū)）的各項(xiàng)性能與母材匹配并不低于母材；焊接材料應(yīng)有鋼結(jié)構(gòu)加工單位根據(jù)母材鋼板的技術(shù)要求和性能來選用焊絲和焊劑，并事先經(jīng)過工藝評(píng)定試驗(yàn)和有關(guān)的專項(xiàng)試驗(yàn)評(píng)定后方能確定；對(duì)采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的部位，其中CO2氣體純度應(yīng)≧99.5%。其相應(yīng)的焊接材料亦應(yīng)由焊接加工單位事先做好工藝試驗(yàn)和評(píng)定,相關(guān)方案報(bào)批監(jiān)理同意后實(shí)施。

[1]張永浩，趙寶利，劉晶，等.多層帶懸挑大跨鋼連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016，20：104-107.

[2]陳春暉，丁生根,，花更生，等.中國(guó)平安金融大廈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007，5：38-41.

[3]童根樹，張磊.薄壁鋼梁穩(wěn)定性計(jì)算的爭(zhēng)議及其解決[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002，23(3)：44-51.

[4]中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路鋼橋制造規(guī)范（TB10212-2009）[S].中國(guó)鐵道出版社，2010.

作者：張明軍，男，1981.11，漢，河南，本科畢業(yè)，工程師，路橋工程。

通訊地址：浙江省溫州市平陽(yáng)縣鰲江鎮(zhèn)江口路198號(hào)，郵編：325400。

Steel beam plays an important role in bridge design and construction.Taking the steel beam structure design of a bridge in Wenzhou as an example, we focus on the layout of steel longitudinal beam, bridge deck anchor tensile plate, steel beam, small longitudinal beam, cantilever beam and wind, etc, and put forward the relevant design requirements.

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