大跨度钢桥设计典型案例

丹麦厄勒海峡大桥，主跨490m钢桁梁斜拉桥，建于1990’年代
丹麦-德国费马恩跨海大桥，主跨700m钢桁梁斜拉桥
芜湖长江大桥，主跨312m钢桁梁矮塔斜拉桥，2000年建成通车
武汉天兴洲长江大桥，主跨504m钢桁梁斜拉桥，2009年建成通车
安庆长江大桥，主跨560m钢桁梁斜拉桥，2013年建成
广东西部沿海铁路虎门公铁两用大桥
武汉杨泗港长江大桥
主跨1700m双塔双层钢桁梁悬索桥。
淮扬镇五峰山大桥
推荐采用1120m双塔钢桁梁悬索桥方案，横断面布置上层为双向八 车道公路，下层为双线铁路。
泰州长江大桥
主桥采用了主跨2×1080m的三塔双跨钢箱梁悬索桥，系世界首创。中 塔采用纵向人字形、横向门式框架型钢塔，其大节段制造和安装技术的使 用在国内尚属首次。
EN10025-3:2004 EN10025-4:2004 EN10025-6:2004 JIS G 3106-2008
Q345qC、D Q370qC、D、E
50、50W、HPS 50W[HPS345W]
S355N、S355NL S355M、S355ML
SM490A、SM490B SM490YA、YB
Q420qE
可广泛使用
还需要研制并得到验证的钢种 Q460 Q500（沪通桥研制中） Q550 Q620 Q690
桥梁钢的发展方向
•除Q370外，Q420及Q500也会成为桥梁的主力钢种； •近年来，在桥梁上运用高性能钢已经成为研究热点； •美国HPS-70W、 HPS-100W 钢和日本的SMA570W钢已经得到运用； •耐候钢成为了高性能钢的一个发展方向，逐步在桥梁上得到运用。
3--横梁与节点连接
横梁与节点连接实际上是横梁接头与节点连接，横梁 则是直接与它的接头连接。
横梁接头的腹板及翼缘板与节点连接，是整体节点中 的又一个重要的构造。
4--平联与节点的连接
平联与节点的连接，关键是连接的细节处理。 平联内侧节点板两端是疲劳抗力的薄弱环节，必须认真处理。具体做法是， 先将节点板两端加宽约10mm，以便进行角焊缝施工。焊好后，磨除加宽部 分，打磨匀顺，并锤击。
GB1591-2010 GB714-2008 GB5313-2010 GB19879-2005 GB4171-2008 GB16270-2009
低合金高强结构钢
√
桥梁用结构钢结构钢
√
厚度方向性能钢板结构钢
√
建筑结构用钢板结构钢
√
耐候结构钢
高强度结构用调质板
结构钢的四个主要技术标准
铁路桥梁钢设计规范
它的厚度计算分为两部分，一是弦杆需要的厚度：
t = tw [1+ 0.2（7 h )2/3]
1.25
rf
1--节点板
它的厚度计算分为两部分，二是腹杆连接所需要的厚 度：
σ bp AI b d t =
i ×105 (1 +
⋅2
e
a
W⋅
W
1 2+
2)
t = pi ×103 + 1 × m× n× M ⋅b×105
关注一个钢种的哪些性能？
•高的强度：抗拉强度Rm和屈服点Rel比较高； •良好的焊接性能：碳当量Ceq、焊接裂纹敏感性指数Pcm低，P、S含量 低； •优异的防断性能：低温冲击韧性、纤维断面率适应低温及冲击荷载作 用； •足够的变形能力：即塑性和韧性性能好，屈强比低； •抗层状撕裂性能：厚度方向性能好。
5--节点内箱形弦杆的角焊缝应力
箱形弦杆的角焊缝应力在节点范围内和节点范围外显然 是不同的。
在节点内，斜杆的水平分力首先作用于两块节点板，经 由焊缝向上（或下）翼缘传递不平衡力，焊缝承担剪应力
6--设计中的其他细节构造
1-钢桁节点板应力水平高，主要原因是主桁构件内力全部 由节点板传递、平衡
2-平联节点板设置内侧隔板
三个受力体系的划分 1) 第一体系 ：钢桥面板和纵向加劲肋作 为主梁的上翼缘共同参与结构的受力，可 以按照初等梁弯曲理论计算，为第一体系。 2) 第二体系：沿桥纵向弹性支承在钢箱 梁横隔板上的桥面的变形，与该变形对应 的应力为第二体系应力。
3) 第三体系：支承在纵向加 劲肋腹板之间的桥面板的变形， 与该变形对应的应力为第三体 系的应力。
1 ．碳素结构钢：低碳钢强度低，高碳钢焊接性差
2 ．低合金高强度结构钢:添加少量合金元素,提高强度、 细化晶粒、改善性能 3 ．高强钢丝和钢索材料:由优质碳素钢经过多次冷拔而 成，抗拉强度 1670-1960MPa，伸长率较低 4 %
中国、美国、欧洲及日本桥梁用结构钢
GB 714-2008
ASTM A709-11
Q420qE（TMCP或热机械轧制）
超低碳针状铁素体组织 高性能结构钢，良好焊接性能、优异的低温冲击韧性、 高强度 适应大线能量、高湿度与不预热的条件 大桥设计院与武钢联合开发
Q500qE
为沪通桥研制开发 高性能结构钢 期待中
Q345-16Mnq 广泛使用
Q370-14MnNbq 广泛使用
Q420-15MnVNq、15MnVq 已经不再使用
大胜关长江大桥，主跨2x336m双主跨三主桁钢桁拱桥，2011年建成通车
南广铁路西江大桥，主跨450m钢箱拱桥，2013年建成
杭 州 湾 跨 海 大 桥
起于嘉兴市海盐，止于宁波慈溪，全长36km，桥宽33m。
最长跨海桥。
舟山大陆连岛工程金塘大桥
起于舟山金塘，止于宁波镇海，全长约27km。
上 海 东 海 大 桥
黄冈长江大桥，主跨567m钢桁梁斜拉桥，2013年建成
主梁横联处截面
铜陵长江大桥，主跨630m钢桁梁斜拉桥，2013年建成
沪通长江大桥，主跨1092m钢桁梁斜拉桥，已开工建设
蒙华铁路洞庭湖大桥，主跨2x406m钢桁梁三塔斜拉桥，已开工建设
芜湖长江公铁二桥，主跨588m钢桁梁大小矮塔斜拉桥，计划年内开工
14MnNbq钢全面满足了大、中型桥梁建设的需要，在国内的大 跨度桥梁中得到普遍运用。
Q420-15MnVNq、15MnVq（热轧+正火）
15MnVNq强度高σs≥420Mpa，但由于采用加钒提 高强度的方法，导致钢板低温韧性及焊接性能差，仅在 栓接为主的桥梁上运用，且一直未能得到推广应用。
Q420及以上级别桥梁钢，虽然在几个标准中都已 经列入，实际没有对应的钢种，尤其质量等级高的高性 能结构钢。
整体节点技术 将节点散件焊接成整体，是显著的
技术进步，具有实际的经济与社会效 益。
整体节点技术的优势：
• 整体节点节省高强度螺栓，较散拼节点节约30%以上 • 整体节点不需进行预拼，节省工时及拼装场地 • 整体节点安装省时省力 • 整体节点的节点刚度大、整体性好
1--节点板
节点板是重要的部件，竖杆与斜腹杆内力全部传给节 点板，整体节点箱形弦杆内力50％以上传给节点板，所 以节点板起着传递和平衡主桁杆件内力的重要作用
3-横撑隔板在节点板内、外侧对应设置
3-横撑隔板在节点板内、外侧对应设置
4-竖杆在节点板范围隔板，与横梁腹板有一定长度的搭接
4-竖杆在节点板范围隔板，与横梁腹板有一定Hale Waihona Puke Baidu度的搭接
3、钢箱梁及板结构设计
全封闭整体钢箱梁
结构分类
分离式钢箱梁或开口式截面板梁
板－桁组合结构
钢箱－桁组合结构
独立承载的正交异性钢桥面板结构
S460M、S460ML
S460Q、S460QL S460QL1
S500Q、S500QL S500QL1
S550Q、S550QL S550QL1
S620Q、S620QL S620QL1
S690Q、S690QL S690QL1
中国桥梁钢运用及发展 Q345-16Mnq
为建造南京长江大桥，1960年代研制，运用于栓焊钢梁，但厚 板效益严重。
首先，列车安全、舒适运行要求大跨度桥梁具备足够的竖向、横向刚度
铁路桥具有 较为刚性的 主梁
铁路桥除了总体的体系刚度，还需要良好的铁 路桥面局部刚度，因此主梁采用钢桁梁较多
动力性能要求高
其次，应尽可能选用阻尼大的结构并具有一定的参振质量，抑制桥 上列车的振动响应。
第三，桥上列车的振动响应与线路条件（尤其是轨道不平顺）有较 大关系，因此也需要具备足够的桥面整体性。
洞庭湖二桥
虎门二桥
龙江大桥
2、钢桁梁及整体节点设计
铁路钢桥规范-关于钢桁梁规定
公路钢桥规范-关于钢桁梁规定 核心在哪里？ 结构体系、构件设计、连接构造
1960年代，我国钢桁梁开始采用焊接与栓接技术。 起初是少焊多栓，即工厂焊接制造、工地螺栓连接。 1990年代京九线孙口黄河大桥开始采用整体节点技术。
SM520B、SM520C
Q420qC、D、E
S420N、S420NL S420M、S420ML
SM570
Q460qC、D、E Q500qC、D、E
HPS 70W [HPS485W]
Q550qC、D、E
Q620qC、D、E
Q690qC、D、E
HPS 100W [HPS690W]
S460N、S460NL
马鞍山长江大桥
高速公路特大桥，全长11km，其中左汊主桥为2×1080m三塔两跨悬索桥， 右汊主桥为(120＋2×260＋120)m三塔两跨斜拉桥。
武汉鹦鹉洲长江大桥
鹦鹉洲长江大桥主桥为（200+2×850+200）m的三塔四跨悬索桥 中塔采用钢混叠合塔，边塔采用混凝土塔。 大桥设计为双向8车道，为国内首座三塔四跨的结合梁悬索桥，结合 梁主梁在世界同类跨度悬索桥上首次采用。
结构措施3-采用整体正交异性钢板提高了桥面的平顺性
桥面结构采用多横梁与纵梁、纵肋、弦杆结合的整体桥面 结构，能较好地满足高速行车性能要求。
高速铁路大跨度桥梁的关键技术
新材料：高性能的高强度结构钢 新结构：板桁组合结构，钢正交异性板整体桥面结构 新的建造技术：钢桁梁斜拉桥及钢桁拱桥创新技术
桥梁用结构钢
2be ⋅σ a be ⋅σ a
8 ∑ r2
2--箱形杆件的横隔板
隔板是杆件和节点中的重要板件，它的作用有两个： 一是保证杆件形状和板间距离的重要零件； 二是，在有横梁连接的节点内，将横梁端部的竖向剪力向外 侧节点板传递，使内外侧节点板的竖向力达到均衡。
杆件两端和截面变化处须设置横隔板。 杆件横隔板由于制造组装顺序关系，往往不能做到周边焊接 ，这时与竖向腹板或节点板的焊接是必须的。
钢桥面结构关注的设计细节
1 桥面板 2 纵向加劲肋和桥面板 之间的焊缝 3 纵向加劲肋和横梁腹 板之间的焊缝 4 横梁腹板的切口 5 加劲肋的现场接头 6 横梁的现场接头 7 横梁和主梁或横向框 架之间的焊缝 8 横梁腹板和桥面板之 间的焊缝
4.系列高性能结构钢
高速铁路大跨度钢桥的建设，推动了材料与结构新技术发展… …
主要构件 桥面板及其纵向加劲肋 底板及其纵向加劲肋 主梁腹板及其纵向加劲肋 横肋与横梁
结构组成与传力途径
传力途径 先由桥面板传递给纵梁 纵梁传递给横梁 横梁再传递给桁架或主梁
• 独立承载的正交异性钢桥面板结构，不参与主梁的纵向整体 受力，桥面系对桥梁纵向抗弯刚度基本没有贡献。
• 全封闭或开口的钢箱梁结构，包括板-桁、钢箱-桁组合结构， 桥面板和纵肋成为主梁的一部分(上翼缘)，桥面也可以为桥梁提 供足够的横向刚度。
大跨度钢桥 设计及典型案例
主要内容
1.大跨度钢桥工程实例 2.钢桁梁及整体节点设计 3.钢箱梁及板结构设计 4.系列高性能结构钢 5.板桁组合结构新技术 6.钢桁梁斜拉桥的技术创新 7.钢拱桥建造关键技术 8.设计施工中几个值得注意的案例
1.大跨度 钢桥工程 实例
日本岩石岛与柜石岛大桥，主跨420m钢桁梁斜拉桥，建于1980’年代
起于上海芦潮港，止于小城子山小洋山，全长约31km，其中海上 段长约25km。
港 珠 澳 跨 海 大 桥
琼
州
海
峡
公
铁
两
用
通
道
琼州海峡位于广东省雷州半岛与海南省之间；
主跨1000m级公铁两用桥梁。
福州至平潭铁路海坛海峡大桥
铁路等级为两线I级铁路，设计行车速度200 km/h 公路采用双向六车道高速公路标准，设计时速100 km/h
另外，列车运行对轨道匀顺性有较高的要求，梁端转角限值竖向转 角≤2‰、水平转角≤1‰。
结构措施1-采用桁梁或桁拱以获得较好竖向刚度
斜拉桥主梁采用钢桁梁，或主桥采用钢桁拱结构，以获得较好的 竖向刚度。
设置60-100m的端跨，提高体系刚度，以减小梁端转角。
结构措施2-采用板桁组合结构取得良好的横向刚度
1990年代冶炼技术提高后，硫、磷含量可以得到控制，16Mnq 也可用于全焊接结构。但受板条状的铁素体和珠光体组织的约束， 质量等级只能达到D级钢的水平。
Q370-14MnNbq
1995年修建芜湖长江大桥，采用铌合金超纯净的冶金方法，研 发运用了该钢种。具有优异的-40℃低温冲击韧性（Akv≥120J）， 弥补了厚板效应缺陷，保证了50mm厚钢板焊接性能。