大跨度铁路钢桥

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
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
钢桁结构的斜拉桥与拱桥，均是大跨度高速铁路桥梁合理的桥式方案
2.高速铁路大跨度桥梁技术特点
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。 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‰。
Q370qE
断裂力学安全判据：结构材料所具有的断裂抗力必须高于结构物所 承受的最高断裂驱动力KC≥KI
断裂驱动力，以裂纹尖端应力场的应力强度因子KI来表达
K I y a
断裂抗力，用系列温度大板拉伸及冲击特征值表达
K
W c
1 1 0.1928Rel exp 733 W T T I K
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
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。
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 Q420qE 可广泛使用
长大跨桥梁特点
1、箱型弦杆，不能设臵焊缝过渡孔 2、散件悬臂拼装，板桁在工地连接，隐 蔽对接精度不能保证
节点板与桥面板两者垂直相交， 要解决好桥面板在节点板相交位置 的连续过渡。 四种解决方案.
1）竖向拼接：板桁分别制造，然后在下弦杆内侧竖腹板两边对焊 工地散件拼装时，十字焊承载板难于对齐。
全熔透十字焊
R2 70% 65% Idx=2.34 60% Idx=3.37 55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 I下/d （×10 m ）
-2 3
路径2占65%，与桥面板连接的主桁弦杆承受节间荷载，为压弯或拉弯构件
南广铁路西江大桥，主跨450m钢箱拱桥，2013年建成
印度Chenab Br.，主跨480m钢桁组合拱铁路桥，计划2009年完工，后担心结构 的稳定与安全，计划有所推迟
成贵铁路鸭池河大桥，主跨436m钢桁组合铁路拱桥，施工中
成贵铁路金沙江大桥，主跨336m，施工中 • 公铁两用桥梁 • 五跨连续拱 • 固端钢箱拱
SM490A、SM490B SM490YA、YB SM520B、SM520C
Q370qC、D、E
Q420qC、D、E
S420N、S420NL
S420M、S420ML
SM570
Q460qC、D、E
HPS 70W [HPS485W]
S460N、S460NL
S460M、S460ML
S460Q、S460QL S460QL1 S500Q、S500QL S500QL1 S550Q、S550QL S550QL1 S620Q、S620QL S620QL1
Q500qC、D、E
Q550qC、D、E
Q620qC、D、E
Q690qC、D、E
HPS 100W [HPS690W]
S690Q、S690QL S690QL1
Biblioteka Baidu
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。 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。
40 80
部分熔透十字焊
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2）板桁分别制造，竖向拼接，拼缝位于下弦杆的接头板处 工地散件拼装时，桥面板与下弦杆接头板对接焊的位置易于保证，桥梁全长对
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
3.材料与结构方面的关键技术 3.1 高性能的高强度结构钢
桥梁用结构钢
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 %
注：为改善钢的性能，允许添加其它微量元素，但须保证 Pcm 值小于等于 0.20。 Q420qE 钢板力学性能及冷弯性能要求 结果或测定值 牌号 检测项目 Rel Rm A 纵向-40℃Akv 0 180 弯曲试验 结果描述 最小 MPa MPa % J b=2a 420 570 18 120 d=3a 完好 12～60mm 最大 ---------
板桁组合结构研究国内七十年代于北江大桥开始，展开了板桁组合 结构第一体系作用下桥面板有效翼缘宽度取值的研究，对受力特性的认 识是清晰的。板桁结构为空间受力结构，空间作用效应明显，因此： 1）结构整体性要求板桁连接采用焊接；
2）纵横向的刚性连接，要求主桁、横梁等用材应具备良好的焊接性
能与厚度方向性能； 3）与桥面板连接的弦杆，由承受轴向力为主的构件变为承受压弯或
大跨度铁路钢桥
设计及关键建造技术
主要内容
1.大跨度铁路钢桥工程实例 2.大跨度铁路钢桥技术特点
3.材料与结构的关键技术
4.钢桁梁斜拉桥的技术创新
5.钢拱桥建造关键技术
6.设计施工中几个值得注意的案例
1.大跨度铁路桥梁工程实例
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
丹麦厄勒海峡大桥，主跨490m钢桁梁斜拉桥，建于1990’年代
√
√ √ √
结构钢的四个主要技术标准
铁路桥梁钢设计规范
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；
•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。
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
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
丹麦-德国费马恩跨海大桥，主跨700m钢桁梁斜拉桥
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
•抗层状撕裂性能：厚度方向性能好。
Q420qE 钢主要化学成分(熔炼分析,%) 牌号 Q420q(WNQ570) C ≤ 0.08 Si ≤ 0.50 Mn ≤ 1.65 P ≤ S ≤ Cu ≤ 0.50
TMCP
Mo Nb B
0.020 0.010
≤ 0.015～ ≤ 0.30 0.050 0.0030

W W T 0 . 372645 T .8 I K V rE 4.361663 t 114
材料的韧性决定于三个条件：1工作应力；2环境温度；3构件板厚
3.2
板-桁结构结构
板桁组合结构中桥面板作为主桁弦 杆翼缘的一部分参与第一体系受力（ 结构的整体作用）
桥面板参与主桁第一体系作用，提高承载能力、增大体系刚度
中国、美国、欧洲及日本桥梁用结构钢
GB 714-2008 ASTM A709-11 EN10025-3:2004 EN10025-4:2004 EN10025-6:2004 JIS G 3106-2008
Q345qC、D
50、50W、HPS 50W[HPS345W]
S355N、S355NL
S355M、S355ML
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。
拉弯，应按压弯或拉弯构件设计；
多年来限于材料与制造技术，板桁组合结构进展不大。现在材料进 步、制造水平提高，条件具备，主要需要解决板桁组合结构构造问题。
组合结构板－桁节点构造
德国高速铁路ICE下承式钢 桁-钢桥面板结合桥 节间长度5.2m，采用了开口 截面弦杆，节点板穿过桥面 板，焊缝过渡处设臵圆孔， 构造简单
德国高速铁路ICE下承式钢 桁-钢桥面板结合桥
丹麦厄勒海峡大桥
桥面钢箱梁、钢桁分别制造 因整节段吊装，板桁可在工厂固定台 座上组拼，组装精度可得到保障 桥面板与下弦杆上翼缘对接 横梁腹板与下弦杆横隔板对接
日本新干线下弦杆和钢桥面板结合的 低高度下承式钢桁桥 下弦杆采用箱型杆件 采用了节点板穿过下弦杆翼缘的方式
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 下弦杆与桥面系的面积比RA
桥面系参与主桁下弦杆第一体系作用的有效面积比在0.53至0.80（ 与下 弦杆和桥面系的面积比RA有关）。
桥面系的有效面积比α
在多横梁的整体桥面结构中，传力途径： 路径1（ R1）：先纵向，后横向，即：桥面板-纵梁-节点大横梁-节点 路径2（ R2）：先横向，后纵向，即：桥面板-节间横梁-弦杆-节点
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；
Q420q (WNQ570)
Q370qE 钢主要化学成分(熔炼分析,%) 牌号 C Si Mn P S Ti
TMCP
N Nb CEV
≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 0.015～ ≤ Q370qE 0.05-0.12 0.50 1.0-1.5 0.020 0.005 0.008-0.018 0.006 0.050 0.36 注：为改善钢的性能，允许添加其它微量元素，但须保证 Pcm 值小于等于 0.20。 Q370qE 钢板力学性能及冷弯性能要求 结果或测定值 牌号 检测项目 Rel Rm A 纵向-40℃Akv 0 180 弯曲试验 结果描述 最小 MPa MPa % J b=2a 370 510 20 120 d=3a 完好 12～60mm 最大 ---------