赣州赣江公路大桥钢箱梁设计

第 25卷第 2期 2009年 4月
结 构 工 程 师 Structural Engineers
Vol. 25, No. 2 Ap r. 2009
赣州赣江公路大桥钢箱梁设计
郑本辉 王晓佳 孙旭霞
(同济大学建筑设计研究院 ,上海 200092)
摘 要 江西省赣州市赣江公路大桥主跨 408 m,采用单跨地锚式钢箱加劲梁悬索桥结构形式 ,是江西省 赣州市一座重要的公路桥梁。详细介绍了该桥钢箱加劲梁的梁高确定 、材料选用 、横隔板选型、加劲肋设 计、吊杆锚箱设计、钢梁制造、吊装以及排水 、防腐等相关设计要点 。参考了国外最新的钢桥规范 ,吸取了 国内外钢箱梁设计的成功经验和失败教训 ,着力解决钢箱梁桥面铺装和局部疲劳破坏的难题 。 关键词 赣江公路大桥 , 加劲梁 , 钢箱梁 , 悬索桥 , 设计
图 4 EC3 - 2 Steel bridges(2006)中关于过焊孔的规定 Fig. 4 The p rescribe about the cut outs in the web of the crossbeam in EC3 - 2 Steel bridges(2006)
6 顶 、底板纵向槽形加劲肋设计
江阴大桥顶板槽肋的设计为板厚 6 mm ,槽高 280 mm。根据欧洲 2006版新规范和众多新的实 验资料表明 ,槽肋厚度增加到 8 mm 的槽肋对顶 板的第二体系应力和第三体系桥面变形均有较大
7 吊索锚箱设计
吊索锚箱采用欧洲常用的耳板式锚箱 (图 5) 。 这种锚箱的优点是锚箱外露在钢箱梁外面 , 便于安装 、维护及吊索的更换 ,箱梁的宽度亦可减 少些 ,并且因锚头不穿入箱内 ,也可提高钢箱梁的 密封性能 ,对除湿防潮有好处 ;其缺点是焊接质量 要求严格 ,并且横向阻风面积稍大 。 吊索锚箱受力较大 ,局部的传力机理比较复 杂 。因此 ,采用了有限元分析的手段进行辅助设 计 ,力求在结构安全的前提下最省材料 。
D esign of Steel Box G irders for Gan jiang Highway Br idge in Ganzhou
ZHENG B enhui WANG Xiaojia SUN Xuxia
( The A rchitectural Design & Research Institute of Tongji University, Shanghai 200092, China)
(1) 非吊点处隔板过薄 ,仅为 8 mm ,均出现 开裂 。吊点处隔板为 10 mm 厚 ,未出现开裂 。
(2) 横隔板开孔过大 ,截面削弱明显 ,活载应 力幅较大 。
(2) 该桥梁按公路一级荷载等级设计 ,最大 通行车辆载重应为 55 t。但实际由于该桥连接该 市主要码头与市区的干道 ,有大量集装箱车 ,且超 载严重 ,据调查有的车辆经改装后实际载荷超过 150 t,这样对桥梁安全有致命的影响 。
Abstract Ganjiang highway bridge w ith 408m span is an important ground anchor suspension bridge in Ganzhou, J iangxi p rovince. In this paper, design issues such as the height of the girders, the material, the type of the crossbeam , the size of ribs, the anchor box of hangers, the manufacture, the hoisting p rocess, the drainage system , the corrosion p rotection and so on is discussed. Refering to the foreign new code on steel bridges and the successful or fail experiences from other steel bridges, the p roblem about fatigue and breakage of pavement was successfully solved, which may be helpful for other designers. Keywords Ganjiang highway bridge, steel box girder, bridge design, suspension bridge
为了避免横隔板在顶板 U 肋过焊孔处的疲 劳破坏 ,过焊孔则遵照了图 4 所示 EC3 - 2 S teel bridges (2006)规范的过焊孔尺寸规定 。
改善 ,尤其是桥面刚度的增加对解决铺装问题有 很大好处 。所以 ,本桥采用 8 mm 的顶板槽肋 ,槽 肋上口宽 300 mm ,下口宽 170 mm ,高 280 mm。
钢箱梁内的横隔板 ,可采用实腹式和桁架式 两种方式 。两种方法各有优缺点 ,相对于桁架式 横隔板 ,实腹式具有工厂加工简单 、现场安装部件 少 、横隔板整体刚度大等优点 ,缺点是用钢量较
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Study of Design M ethod
图 1 赣州赣江公路大桥 Fig. 1 Ganjing highway bridge in Ganzhou
收稿日期 : 2008 - 08 - 26
图 2 钢箱梁标准横断面 Fig. 2 Cross section of steel box girders
·设计方法研究 ·
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结构工程师第片 Fig. 3 The photo about the crack in the web
of the crossbeam of a bridge
钢箱梁的横隔板起到在横向荷载和扭矩下减 小箱梁横向变形和畸变的效果 。结合以上经验教 训 ,本桥顺桥向每 3. 2 m 设置一道标准横隔板 ,支 座附近间距加密 。除需特殊加厚的部位外 ,标准 横隔板板厚 10 mm ,上设加劲肋和人孔 。
在横隔板处槽内补充增加了一道小隔板 ,下 面三条边与槽肋内侧焊接 ,顶面采用与顶板磨光 顶紧 。这道小隔板的作用也是为了避免顶板在横 隔板处由于截面突变和第二体系应力较高而可能 产生的疲劳破坏 。实践已经证明这样做法具有很 理想的效果 。
底板的纵向加劲 ,以往多采用厚 10 mm、高 160 mm的球扁钢。江阴大桥设计改为板厚 6mm、槽高 250 mm、开口宽 500 mm的槽形肋 。这样的改变使 钢材用量为球扁钢的 97% ,而刚度却成倍增长。 更大的优点是焊缝减少 60%以上 ,这不仅减少了 焊接工作量 ,也减小了焊接变形 。本桥沿用了江阴 桥的做法 。但为保证钢箱梁底板的抗压强度能得 到更好的发挥 , U肋开口宽采用了 400 mm。
桥对超载管理较以往严格得多 ,超过 55 t的载重 车基本在收费站就被禁止通行 ,这也有利于减少 钢桥面铺装的破坏问题 。
底板因不直接承受车辆荷载 ,按常规板厚采 用 10 mm 即可 。
5 横隔板设计
横隔板以及横隔板与顶板的交接处是钢箱梁 问题的多发区域 ,国内某桥梁横隔板就出现了开 裂 ,如图 3所示 。事后经过计算和分析 ,主要原因 是由于疲劳应力产生的 ,其构造上的缺陷主要有 以下几点 :
2 主梁高度的确定
主梁就其受力的要求而言 ,在吊索间距 9 ～ 16 m 情况下 ,一般梁高大于 2 m 以上即可 ,而主 梁高度主要取决于抗风稳定性的要求 ,并考虑加 工制造及横向受力的需要 。与一般刚性桥梁不 同 ,大跨径柔性结构的悬索桥 ,其抗风稳定性往往 是设计的决定因素 。根据现行规范并参考桥位地 形图进行了赣州大桥桥位基本风速的选取 ,最终 确定赣州大桥成桥状态的桥面设计基准风速为 27 m / s,成桥状态的颤振检验风速为 41. 8 m / s。 通过静气动力数值模拟可以得到主梁的静气动力 系数 ,其中 , 0°风攻角下的阻力系数为 0. 730。耦 合颤振稳定性分析表明 :对于该桥成桥状态 ,在 0°来流攻角时桥梁的颤振临界风速为 189 m / s, 对于 + 3°攻角时桥梁的颤振风速为 164 m / s,均 大于颤振检验风速 41. 8 m / s,说明本方案能够满 足抗风稳定性的要求 。
·设计方法研究 ·
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结构工程师第 25卷第 2期
大桥 ; 全焊接的优点是箱梁的密闭性好 、整体性 强 ,缺点是残余应力大 ,部分位置处焊缝质量较难 保证等 ,如润扬长桥 ;也有部分桥梁采用了栓焊结 合 ,即部分构件采用焊接 、部分采用栓接 ,例如苏 通大桥槽肋采用栓接 ,梁段间采用焊接 。本桥采 用全焊方式 。
连接接头焊缝位置 ,若设置在两个横隔板的 中间 ,这样每个梁段在吊杆两侧每边均是 4. 8 m , 起吊时容易平衡 ,并且不需特别设置跨中段 。但 由于桥面板在第二体系受力状态下 ,两横隔板的 跨中弯矩最大 ,顶板槽肋下部应力较大 ,造成较大 的应力幅 ,而使之超过焊缝允许疲劳应力 ,故设计 将接缝位置放在距横隔板 0. 5 m 处 ,此处应力幅 较小 ,能满足疲劳应力要求 。但这样在一个梁段 采用两点吊装时会出现较大的不平衡 ,需配置平 衡重 ,并且在梁段临时连接处会产生较大的剪力 , 需设置较强大的临时连接件 。设计时考虑到这个 情况 ,在设计说明中 ,允许采取两个梁段先在拼装 场拼接好 ,一次吊装两个梁段 (共长 19. 2 m ) 。这 样在吊装时有 4个吊点 ,不需要配置平衡重 ,临时 连接也可简单些 ,并且可提高吊装速度 。由于减 少了现场焊缝 ,也有利于提高焊接质量 。
1 概 述
箱梁标准横断面如图 2所示 。
赣州赣江公路大桥是江西省内一座重要的公 路桥梁 ,如图 1所示。主桥长 408 m,采用单跨悬索 桥结构体系 。主梁高 3 m,全宽 32. 4 m。每侧设 1 m宽风嘴。全桥共分 43 个梁段 ,每个标准段长 9. 6 m,跨中梁段长 7. 4 m ,两个端段长 7. 29 m。钢