金沙江特大桥钢桁加劲梁设计关键技术.pdf
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1、桥梁建设2023年第53卷第S1期(总第283期)Bridg e Co nst ruc t io n,Vo l.53,No.SI,2023(To t al l y No.283)69文章编号:1003-4722(2023)Sl-0069-07DOI:10.20051/j.issn.1003-4722.2023.SI.010金沙江特大桥钢桁加劲梁设计关键技术丁德豪,刘新华(中交第二公胳勘察设计研究院有限公司,湖北武汉430056)摘要:四川沿江高速金沙江特大桥设计采用单跨1 060 m简支钢桁加劲梁悬索桥,主缆中心 距27.5 m,垂跨比1/9,吊索标准间距15 m。针对钢桁梁的立面布置、主横桁
2、平联形式、桁架各杆 件截面形式等,从结构受力、施工便利性及经济性等方面进行对比分析,最终确定大桥采用7.5 m 桁高带竖杆华伦式K形平联钢桁架结构,栓焊结合连接方式,主孩杆及平联采用箱形截面,其他杆 件采用H形截面;桥面系采用带小纵梁的密横梁体系正交异性钢桥面板,密横梁间距2.5 m.静、动力计算结果表明,钢桁梁强度、刚度均满足规范要求。设计采用的钢桁梁解决了桥址区运输、安 装困难的问题,用钢量小,经济性突出。关键词:悬索桥;钢桁梁;带竖杆华伦式桁架;K形平联;正交异性钢桥面板;小纵梁密横梁体 系;结构设计中图分类号:U44&25;U44&211 文献标志码:AKey Design Techn
3、iques for Steel-Truss Stiffening Girder of Jinshajiang River BridgeDING De-hao,LIU Xin-hua(CCCC Sec o nd Hig h way Co nsul t ant s Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina)Abstract:Th e Jinsh aj iang River Bridg e o f Yanj iang Ex p ressway in Sic h uan Pro vinc e,is a simp l y-sup p o rt ed susp ensio n brid
4、g e wit h a main sp an o f 1 060 m.Th e st iffening g irder c o nsist s o f st eel t russes and h ang er c abl es are arrang ed o nl y in t h e main sp an,wit h a st andard sp ac ing o f 15 m.Th e t wo main c abl es are c ent er-t o-c ent er sp ac ed at 27.5 m and t h e sag-t o-sp an rat io reac h e
5、s 1/9.St udies were c o nduc t ed t o find o ut t h e mo st e任ec t ive el evat io n c o nfig urat io n o f t h e st eel-t russ st iffening g irder,fo rms o f main t ransverse t russ and bo t t o m l at eral brac ing,and t h e c ro sssec t io ns o f c o nst it uent members o f t h e t russes.Th e p r
6、o p o sed so l ut io ns were c o mp ared fro m p ersp ec t ives o f mec h anic al p ro p ert y,c o nst ruc t abil it y and ec o no my.Final l y,t h e 7.5 m-deep Warren t russ wit h vert ic al st rut s and K-sh ap ed bo t t o m l at eral brac ing s was sel ec t ed.Th e main c h o rds and members o f
7、bo t t o m l at eral brac ing s are al l o f bo x c ro ss-sec t io n,and t h e remaining members are o f H-sh ap ed c ro ss-sec t io n.Th e members o f t h e t russes were bo l t ed and wel t ed t o g et h er.Th e dec k sy st em c o nsist s o o rt h o t ro p ic st eel dec k p l at es sup p o rt ed o
8、 n st ring ers and dense fl o o r beams(sp ac ed at 2.5 m)Th e st at ic and dy namic c al c ul at io ns demo nst rat e t h at t h e st reng t h and rig idit y o f t h e st eel-t russ st iffening g irder meet t h e c o de req uirement s.Th e st eelt russ st iffening g irder suit s t h e bridg e sit e
9、 wel l,wh ic h fac il it at es t h e t ransp o rt at io n and erec t io n o f mat erial s and c o mp o nent s at bridg e sit e and c reat es a bal anc e o f st eel c o nsump t io n and ec o no my.Key words:susp ensio n bridg e;st eel t russ g irder;Warren t russ wit h vert ic al st rut s;K-sh ap ed
10、l at eral brac ing;o rt h o t ro p ic st eel dec k p l at e;st ring ers and dense fl o o r beams sy st em;st ruc t ural desig n收稿日期收稿日期=2022-08-18基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB057701)Pro j ec t o f Nat io nal Key Fundament al Researc h Devel o p ment Pro g ram(Pro g ram 973)(2O15CBO577O1)作者简介:丁德豪
11、,高级工程师,E-mail:1194817323q q.c o mo研究方向:大跨与新型桥梁结构设计。70桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)1概述金沙江特大桥为四川金阳至宁南段高速公路(沿江高速)巧家支线控制性工程,为跨越金沙江而 设。桥位处为典型的山间V形河谷,两岸地势陡 峭、地形复杂,桥面距离常水位线约150 m,峡谷风 效应明显询。大桥按双向4车道高速公路标准建 设,采用单跨1 060 m简支钢桁加劲梁悬索桥,主缆 跨度布置为(172+1 060+260)m(图1),主缆中心 距27.5 m,垂跨比1/9,吊索标准间距15 m。桥塔 为门形
12、框架结构,采用分离式承台+群桩基础,宁南 岸采用隧道锚,巧家岸采用重力式嵌岩锚。1 060 260图1金沙江特大桥立面布置Fig.1 Elevation View of Jinshajiang River Bridge桥位处河段为典型山区河流,不具备通航条件、且两岸道路也不具备大件运输条件,因此加劲梁推 荐采用钢桁梁。钢桁梁由钢桁架和桥面系组成。钢 桁架杆件类型多、空间关系复杂,杆件尺寸及空间关 系既相互制约又相互影响34,桥面系形式、传力体 系复杂多变,确定合理设计参数对保证钢桁梁的安 全性及经济性具有重要的作用。2钢桁架设计钢桁架由主桁、横联及平联组成。为使结构内 力合理分布,对钢桁架立面
13、布置、主横桁形式、平联 形式、杆件截面形式及连接方式等进行研究。2.1立面布置钢桁架的立面布置应重点考虑桁架形式、桁高 和吊索间距旳。2.1.1桁架形式常用的钢桁架形式包括带竖杆华伦式、N形、K 形和菱形等(图2),带竖杆华伦式桁架与其他3种 桁架布置形式相比,其主要优点为:主弦杆和腹板相 交的大节点数量少,加工制造简单;竖腹杆受力小,斜腹杆抗剪能力相当,对钢桁架承受吊索间局部荷 载的悬索桥适应性好。此外,国内外设计的千米级 悬索桥钢桁架基本以带竖杆华伦式桁架为主因图2常用的钢桁架立面布置形式Fig.2 Conventional Layouts of Steel Truss(Elevation
14、 View)此,金沙江特大桥钢桁架推荐采用带竖杆华伦式,吊 索锚固于三腹杆交汇部位上弦杆节点处。2.1.2桁高为确定合理的桁高,对国内外钢桁梁悬索桥桁 高进行调研。近年来国内建成的类似跨径钢桁梁悬 索桥桁高及相关设计参数见表1。国外大跨度钢桁 梁悬索桥桁高与主跨跨径关系见图3。由表1和图 3可知:桁高随主跨跨径的增加而增加,但跨径达到 千米级后,桁高较离散。of Suspension Bridge表1悬索桥钢桁梁桁高及相关设计参数Tab.1 Truss Depth and Other Related Design Parameters桥名桥跨布置/m垂跨比桁高An古习高速赤水河红军大桥单跨简支
15、1 2001/9.67.0贵瓮高速清水河大桥单跨简支1 1301/10.07.0杭瑞高速洞庭湖二桥单跨简支1 4801/10.09.0大董高速大河特大桥3 跨连续 450+1 250+3501/9.57.5呼北高速白洋长江大桥单跨简支1 0001/9.07.514 r 11-10-9-s 8-a 7-定 6-5-彳-3-2 I I I I I I I400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000主跨跨径/m图3国外大跨度钢桁梁悬索桥桁高与主跨跨径关系 Fig.3 Relationship between Truss Depth and Main
16、Span Length of Representative Long-Span Steel Truss Stiffening Girder Suspension Bridge基于调研成果,选择6.0,7.5,&0 m三种桁高 进行试算,结果见表2。由表2可知:随着桁高的增 加钢桁架竖向抗弯能力大幅提升,但材料用量也随 之增加;而桁高较小时,钢桁架抗弯能力有限,需要 金沙江特大桥钢桁加劲梁设计关键技术 丁德豪,刘新华71增加杆件的板厚以满足应力要求,经济性差。在综 合材料用量和竖向抗弯能力,以及保证钢桁架杆件 应力相当的前提下,最终确定该桥桁高采用较为合 理的7.5 m7 o表2不同桁高钢桁架抗
17、弯惯性矩和用钢量 Tab.2 Moment of Inertia and Steel Consumption versus Varying Truss Depths桁高/m 抗弯惯性矩/X105 m4 用钢量/kg6.0 1.10 4567.5 2.404878.0 2.505022.1.3吊索间距吊索间距需要与桁高相匹配,又与节间长度存 在一定关系,实际桥梁中吊索间距一般取节间长度 的1或2倍聞。对国内外在建、已建钢桁梁悬索桥 进行统计分析,桁高与节间长度比值为0.771.66,大多集中在1.0左右,即斜腹杆的水平倾角为 37.658.9,考虑斜腹杆安装便利性和杆件利用 效率,金沙江特大桥推
18、荐斜腹杆水平倾角采用45。,节间长度取7.5 m,吊索间距取15 m。2.2主横桁形式主横桁形式决定了横联的剪切刚度,而横联剪 切刚度对钢桁架的抗扭刚度又有很大的影响。由相 关学者的研究成果可知:当横联剪切刚度大于 105 N/mm时,截面的畸变效应可以忽略卩讪。常用的主横桁形式包括竖杆式、桁架式和带竖 杆华伦式等(图4)。竖杆式主横桁剪切刚度较小,可用于小跨度、桥面较窄的低等级公路桥;桁架式主 横桁剪切刚度最大,杆件连接复杂,往往用于受荷较 大的双层交通桥;对于山区单层公路悬索桥,主横桁 形式优先选择杆件利用效率高的带竖杆华伦式,该 形式构造简单,杆件标准化程度高,具有良好的剪切 刚度。考虑
19、金沙江特大桥结构特点,最终推荐主横 桁采用剪切刚度适中的带竖杆华伦式。(a)竖杆式(b)桁架式(c)带竖杆华伦式图4常用主横桁密式Fig.4 Commonly-Used Forms of Main Transverse Truss2.3平联形式钢桁架的平联是抵抗扭转的重要构件,有助于 形成扭转性能良好的闭合截面。调研以往设计成 果,发现常用的钢桁架平联形式主要包括K形、X 形和菱形等(图5),实际以K形平联应用最多。菱 形平联相当于跨单个节间的X形平联,由于单个节 点尺寸相比主桁横向间距较小,因此菱形平联的杆 件利用效率不高,且杆件数量繁杂,施工便利性明显 不如X形平联。(a)K形(b)X形(
20、c)菱形图5常用平联形式Fig.5 Commonly-Used Forms of Lateral Bracing在平联杆件尺寸相同的情况下,采用X形平联 的钢桁架扭转刚度较采用K形平联时大幅提升,二 者平面内的抗剪刚度则相差不大;X形平联对截面 翘曲变形的约束更大,因为其能约束两侧弦杆的相 对纵向位移,而K形平联则几乎无此效果对于 钢桁架竖向抗弯能力,X形平联较K形平联大10%左右。实际工程中,并不需要平联杆件提供竖向抗 弯刚度。经综合比选,最终推荐金沙江特大桥钢桁 架采用布置形式简单、便于安装的K形平联。2.4杆件截面形式钢桁架由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组 成。上、下弦杆为主要受力杆件
21、,承受弯扭耦合共同 作用,采用抗扭刚度较大的闭口箱形截面,且箱形截 面与腹杆、上(下)横梁及主横桁腹杆连接方便。钢桁架腹杆、下横梁、主横桁腹杆及平联等杆件 截面形式,主要从H形和箱形截面(图6)中选取。以压杆强轴稳定折减系数为评价指标,分析H形 和箱形截面的截面特性,结合钢桁架各构件受力特 点及杆件加工便利性、焊接工作量、后期维护等因 素,比选确定杆件截面形式。为保证2种截面的可 比性,假定:只针对H形截面强轴(即丫轴)作对 比,因H形截面弱轴方向仅1道腹板且位于截面对 称轴,而箱形截面为双腹板且分离对称轴,二者抗弯 惯性矩不具有可比性;保证2种截面形式的高度 以宽度&及腹板板厚g致;边界条件
22、一致,即 二者绕丫轴杆件计算长度相同。依据材料力学截 面特性及稳定计算公式,杆件翼缘板厚度取12 40 mm,步长2 mm,计算杆件的截面面积和稳定折 减系数X。杆件稳定折减系数见图7。由图7可知:同等材料用量下,H形截面杆件 比箱形截面杆件稳定折减系数大,具有更好的稳定 性,这主要是由杆件类型及焊接工艺造成的杆件初72桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)hH形图6杆件截面形式Fig.6 Cross-Section of Truss Members12r10-H形截面杆件 亠箱形截面杆件614 16 18 20 22 24 26 28 3()32
23、34 36 38 川)42 翼缘板序度/mm图7杆件稳定折减系数Fig.7 Stability Reduction Coefficient of Truss Members始缺陷不一致导致的。此外,通过增加翼缘板厚度 提高杆件稳定折减系数效果有限,2种截面杆件稳 定折减系数规律一致。基于上述分析结果,确定金 沙江特大桥主桁杆件截面形式选择基本原则:对面 外抗弯、抗扭刚度要求不高的杆件,以及交叉多、连 接复杂及后期检修困难的杆件优先选择H形截面;翼缘板宽厚比均应控制在合理范围之内卫。2.5杆件截面连接方式钢结构间可靠的连接方式主要包括焊接和高强 度螺栓连接两种,可结合钢桁梁具体构件、加工工 艺、
24、安装条件等外部环境合理选择。焊接不需要额外的连接板,也不需要专门开孔,构造简单,节省钢材,容易实现工厂的自动化作业,生产效率高。此外,焊接截面无削弱,刚度较大,密 封性好。但是焊接容易致使焊接区域材质变脆,并 存在焊接残余应力,最终影响结构承载力、刚度及使 用性能。工地现场焊接容易受外部工作环境影响,施工质量不易控制。栓接是通过摩擦型高强度螺栓的预紧力使构件 板件之间产生很大的摩擦力,用于传递杆件间的内 力,由于采用较大的面积来传递力,有效缓解了螺栓 孔周边的应力集中,因而抗疲劳性能和接头刚度都 有保证,但是需要投入大量的拼接板,增加了钢材用 量和结构自重塚。金沙江特大桥为典型的山区桥梁,考虑
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