中朝鸭绿江界河公路大桥主桥钢结构设计.pdf

中朝鸭绿江界河公路大桥主桥钢结构设计 马 森， 周超舟 中朝 鸭绿江界河公 路大桥主桥钢 结构设计 马森 ， 周超 舟。 1 ． 辽宁省交通规划设计院， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 6 6 ；2 ． 中铁大桥局集团有限公司设计分公司， 湖北 武汉 4 3 0 0 5 0 摘 要 中朝鸭绿江界河公路大桥 主桥 为 8 6 2 2 9 6 3 6 2 2 9 8 6 m 双塔双索面钢箱 梁斜拉桥 ， 采 用半飘浮 支撑 体系 。扁 平钢箱梁全宽 3 3 ． 5 m、 高 3 ． 5 m， 顶板厚 1 6 mm、 2 0 mm， 底板厚 1 2 mi D _ 、 1 4 mm， 顶 、 底板采用 u肋加劲 ； 箱内横向设置 2道纵 隔板 ， 支撑 区附近采用板式纵 隔板 ， 其余位置采用桁架式纵 隔板 腹 杆采用焊 接 T形杆 件 ； 箱 内横隔板采 用板式横 隔板 。斜 拉索在塔端采用钢锚梁加钢牛腿锚 固系统 ， 在梁 端采用钢锚箱锚固系统 。设计过 程 中针对 正交异性钢桥 面板、 底板 、 横 隔板、 纵隔板、 钢锚梁等多个关键位置， 提出钢结构细节设计的改进措施， 并对焊接工艺以及制造标准提出了要求。 关键 词 斜拉桥 ； 扁平钢箱梁 ； 正 交异性钢桥 面板 ； 帽孔 ； U 肋 ； 纵 隔板 i 钢锚 梁； 钢 牛腿 ； 桥 梁设计 中图分类号 U4 4 8 ． 2 7 ； U 4 4 2 ． 5 文献标 志码 A 文章编 号 1 6 7 1 ～7 7 6 7 2 0 1 6 0 1 0 0 0 1 0 5 1工 程概 况 中朝鸭绿江界河公路大桥及接线工程起点位于 丹东至大连高速公路丹东西互通立交 ， 终点位于朝 鲜三桥川北侧的长西 ， 全长 1 2 ． 7 1 k m， 主桥为 8 6 2 2 9 6 3 6 2 2 9 8 6 m 的双塔双索面钢箱梁斜拉 桥 见图 1 。大桥跨越鸭绿 江处位于感潮河段 ， 在 汛期受洪水影响， 在枯水期近乎纯潮 ， 形成了潮洪混 杂 的特定状态 ， 最高最低通航水位高差达 8 ． 4 1 m。 桥址地处寒冷地区 ， 年平均气温 8 ． 5℃ ， 极端最高气 温 3 4 ． 3℃ ， 极端最低气温一2 8 ． 0℃。桥位 区地震 基本烈度为Ⅶ度 ， 砂土层存在一定程度的液化现象 。 中国 朝鲜 ． 兰 曼 曼 8 6． 2 2 9 ． 6 3 6 ． 2 2 9 ． 8 6 图 1主 桥 桥 型 布 置 主桥主梁采用 扁平 钢箱梁 ， 主梁全宽 3 3 ． 5 m； 桥塔采用 H形混凝 土塔 ， 塔高 1 9 4 ． 6 m； 主桥采用 半飘浮体系 ， 即在过渡墩以及辅助墩设置竖 向拉压 支座 ， 在桥塔与主梁间设置竖 向拉压支座和横 向抗 风支座 ， 在桥塔横梁处设置纵向粘滞阻尼器 ， 在靠近 过渡墩处 的钢箱梁 内部设置铸铁压重块。 斜拉索在梁端采用钢锚箱结 构， 在塔端采用钢 锚梁与钢牛腿配合的锚固体 系。 2 主要 技术标 准 道路等级 一级公路 ； 设计速度 8 0 k m／ h ； 横断 面布置 2 ． 0 m 人行 道 43 ． 7 5 m 车行道 2 ． 0 m 人行道 ， 不含布索区全宽 2 8 ． 5 mi 桥梁设计 荷载 公路一 I级 。 3 钢箱 梁 扁平钢箱梁中心梁高 3 ． 5 I “1 3 ． ， 含风嘴全宽 3 3 ． 5 m， 不含风嘴顶板宽 2 9 ． 0 m、 底板宽 2 3 ． 2 m。桥面 设置双向 2 ． 0 横坡 。图 2所示为 1 ／ 2钢箱梁横截 面 。根据结构受力性能以及桥梁所处地区的温度条 件 ， 考虑桥址处低温、 焊接、 疲劳性能等因素 ， 主梁钢 材采用 Q3 4 5 E低合金高强度结构钢 。 一 单 位 Ⅱ 图 2 1 ／ 2钢箱梁横截面 3 ． 1 钢桥面板 造成钢桥面病害 的原因除构造不 当以外 ， 主要 由焊接缺 陷引起口 q 。对此 ， 部分 国外规 范对钢桥 面板 钢箱梁顶板 的构造以及焊接工艺提出了针对 性的要求 ， 并根据实施结果进行优化 。我 国现行钢 结构桥梁设计规范 的编制年代较早 ， 没有针对正交 收稿 日期 2 0 1 5 0 7 0 2 作者简介 马森 1 9 7 3 一 ， 男 ， 高级工程师， 1 9 9 4年毕业于西南交通大学桥梁工程专业 ， 工学学士 E ma i l q l s 2 0 0 9 1 6 3 ． c o rn 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 世 界 桥 梁 2 0 1 6 ， 4 4 1 异性钢桥面板 的相关规定 。该桥设计过程 中， 主要 参考欧洲规范进行构造设计 ] 。 根据结构受力需要 ， 钢箱梁顶板选用 1 6 mm和 2 0 mm两种厚度的钢板， 采用横桥 向变 厚度、 顺桥 向等厚度的布置方式 ， 即靠近外腹板 2 0 0 0 r n r r l 范 围内采用 2 0 mm厚钢板 ， 其余采用 1 6 mm 厚钢板 。 顶板采用厚 8 mm 的 U形加劲肋加劲 ， U肋上 口宽 3 0 0 mm、 下 口宽 1 7 0 mm、 高 3 0 0 mm、 标准间距 6 0 0 mm。中跨合龙段钢箱梁顶板与 U肋采用焊接方式 连接 。除中跨合龙段 以外， 其余各梁段钢箱梁顶板 与 U肋采用高强度螺栓连接 。 根据 欧洲 规范 以及 国内先进 施工 企业 的施 工经 验 ， 为了保证焊接质量 、 提高结构耐久性能 ， 将组装 间隙由欧洲规范规定的 2 mm 提高到 1 mm。即使 是全 自动焊接 ， 也 同样要 求采用单边 V 形坡 口焊 接 。u肋与钢桥面板焊接要求如图 3所示 。 图 3 U肋 与钢 桥 面 板 焊 接 要 求 由于运输以及 吊装需要 ， 每个梁段的顶板均设 置了较多的临时螺栓孔 。为保证钢箱梁 的密闭性 、 防水性 能 、 平整 度 ， 不 影 响 钢桥 面 铺 装 的施 工 ， 梁 段 安装就位后采用鼓形钢圆柱体填塞 临时螺栓孔 ， 圆 柱体直径最大处 比临时螺栓孔直径大 0 ． 5 1T i m， 安 装时需要 利用 手锤 敲击就 位， 焊接后 将 顶面打 磨 平 整 。 3 ． 2 底板 底板包括水平底板和斜底板两部分 。根据结构 受力需要 ， 水平底板及斜底板在顺桥向不 同区段采 用了 1 2 mr n 、 1 4 mm两种厚度的钢板 ， 桥塔 、 过渡墩 和辅助墩附近底 板采用 较厚钢板 。底 板采用 厚 6 mm的 U形加劲肋加劲 ， U肋上 口宽 2 5 0 mm、 下 口 宽 4 0 0 mm、 高 2 6 0 mm、 标准间距 8 0 0 mm。 通常平底板与斜底板间采用对接焊焊接 ， 焊缝 位于底板折角处。由于横隔板 的支撑作用， 在焊缝 与横隔板相交处的应力集 中现象 比较明显。为减小 应力集中， 通常需要在此处设置角点加劲肋。该桥 在设计 中取消了平底板与斜底板相交接处的对接焊 、 缝 ， 将底板纵 向拼接焊缝设置在与之相邻的 U肋之 间， 平底板与斜底板之 间采用冷弯方式形成折 角。 这种构造措施可 以避免将对接焊缝设置在应力集中 的位置 ， 较大程度地改善 了钢箱梁的受力 。另外在 角点加劲钢板与底板相交处 的外侧设置导圆过渡 ， 减小底板应力集中。底板角点构造细节如图 4所示。 横 断面 辆 誊 } 卜一 劲 单位蛐 图 4底 板 角 点 构 造 细 节 3 ． 3 纵 隔板 钢箱梁 内横 向设置 2道纵隔板， 除支撑 区附近 采用板式纵隔板外 ， 其余位置采用桁架 式纵隔板 。 通常钢箱梁的桁架式纵隔板的腹杆采用钢管， 由于 加工 困难 ， 在钢管切 口根部易产生加工缺陷 ， 可能导 致钢管开裂。为避免发生同类病害 ， 该桥采用焊接 T形杆件代替钢管 ， 在节点板处用 2 根焊接 T形杆 件 见图 5 夹住节点板并与之焊接， 同时在构件端 部设置倒角 ， 通过改进构造细节的方式 ， 减小了施工 制造难度 ， 提高了工程质量。 1 2 o4 0 单位 l llIn 图 5 桁架式纵 隔板焊接 T形腹杆 桁架 式 纵 隔板 上 、 下 弦 杆 为 T 形 截 面 ， 板 厚 为 1 2 mm； 腹杆 由 2 根焊接 T形杆件组合形成， 焊接 T 形杆件厚度为 1 6 r n m， 缀板 以及节点板厚 度为 1 2 mm。标准梁段桁架式纵隔板布置如图 6所 示。板 式纵隔板 板厚为 1 4 r r l n ， 局部支 点区域加厚 至 2 4 mm， 设有竖向加劲肋和人孔 ， 其上下翼板与桁架式 纵隔板的上下弦杆截面相同。 3 ． 4 横隔板 钢箱梁内的横隔板均采用板式横隔板。对应斜 拉索设置的横隔板 ， 在斜拉索附近采用 1 6 mm厚钢 板 ， 跨中位置采用 1 2 mm厚钢板 ； 对应支座设置 的 横隔板板 厚为 2 0 mm； 其余位 置的横 隔板 采用 1 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中朝鸭绿江界河公路大桥主桥钢结构设计 马 森 ， 周超舟 3 向塔侧 1 6 0 0 0 91 6 0 0 单 位m 图 6 标 准梁段 桁架式纵隔板布置 mm厚钢板 。为提高桥面板刚度 ， 改善桥面铺装受 力状态 ， 将横隔板标准间距设置为 3 ． 2 m。 3 ． 4 ． 1 U肋帽孔构造 该桥设计过程 中提出了 3 种 U肋帽孔方案 见 图 7 方案一是参照 B S E N 1 9 9 3中的公路桥推荐 尺寸确定的 ， 这种帽孔形式在 国内钢箱梁斜拉桥 中 比较常用 ； 方案三是参照 B S E N 1 9 9 3中的铁路桥 推荐尺寸确定的 ， 这种构造不仅加大了帽孔尺寸 ， 还 在与 U肋相交处增加了弧形过渡 ； 方案二是在方案 三的基础上在 U肋内部对应横隔板 的位置增加了 1 道内隔板 ， 该内隔板不仅使在 U肋通过处 的横隔板 连续通过 ， 还使桥面钢板在横 隔板处获得横桥 向的 连续支撑 ， 避免了 U肋边缘的桥面板产生应力突变。 由分析结果可知， 在 车轮荷载作用下 ， 方案一、 方案二、 方案三的主拉应力分别为 7 3 ． 3 ， 4 6 ． 7 ， 5 3 ． I MP a ， 有效应力分别 为 7 1 ． 9 ， 8 7 ． 0 ， 1 0 5 ． 1 MP a 。与 方案 一 相 比， 方 案 二 的 有效 应 力 比方 案 一 增 加 2 1 ， 但 主拉应力减少 3 6 。与方案三相 比， 方案 二的主拉应力减少 了 1 2 ， 有效应力减少 了 1 7 9 ／ 6 。 对于主要承受疲劳荷载 的构件 ， 减小主拉应力可显 著增加使用寿命 ， 方案二 的受力状态明显优于其它 2个方案。国内文献[ 5 ] 的研究成果也证 实了增加 U 肋内隔板能够大 幅改善结构受力状态。因此 ， 该桥 U肋帽孑 L 选择方案二 的构造形式。 3 ． 4 ． 2 U 肋 帽孔加 工要 求 帽孔 切割 表 面 的平 整度 对 于横 隔板 的抗疲 劳性 能起着重要作用 。该桥在设计时综合考虑了国内现 有的钢结构桥梁加工制造水平 、 结合 国内与国际规 范提 出了加工后的 U肋帽孔表 面加工质量的要求 采用精密焰切加工， 切 口表面垂直度偏差小于 0 ． 4 mm， 表面粗糙度 R 上限值 2 5 m； 切 口处棱角要求 打磨 ， 打磨后棱角 R≥2 mm； U肋与横隔板间角焊 缝端部围焊 ， 并且要求打磨 。U肋帽孔制造要求如 图 8所 示 。 3 ． 4 ． 3 横隔板上下部连接方式 根据扁平钢箱梁制造工艺要求 ， 在制作过程 中 a 方案 一 小切 口 b 方案二 设置 内隔板 C 方案 三 无内隔板 单位m id 图 7 u肋帽孔方案 单位 f n ln 图 8 U 肋 帽 孔 制 遗 要 求 横 隔板从 上到 下一般 分 为 2或 3块 板 单元 ， 其 顶 部 分块后与顶板及 u肋焊接成桥面板单元 ， 这部分横 隔板一般称为上接板 。为保证横隔板具有较好的受 力性能 ， 当横隔板厚度大于 1 0 mm 时， 上接板 与横 隔板 间采 用对 接连接 方 式 ； 当横 隔板 厚 度 为 1 0 mm 时， 上接板与横隔板之间采用搭接方式 ， 即在上部水 平加劲肋处将横隔板水平分块 ， 加劲肋穿过横隔板 ， 而上接板 、 横隔板均与水平加劲肋焊接。这种构造 既保证了结构受力， 又简化 了施工工艺 。横隔板上 下部连接方式如图 9所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 世 界 桥 梁 2 0 1 6 ， 4 4 1 加劲肋 厂 、横 隔 板 a 对接 焊接 构造 b 搭接焊接构造单位fi lm 图 9横隔板上下部连接方式 4 斜拉索锚固系统 4 ． 1 梁端钢锚箱 斜拉索通过钢锚箱与主梁连接 ， 钢锚箱设置在 外腹板外侧 ， 与外腹板焊接。钢锚箱 承压板为 四边 支撑结 构 ， 锚 固板 厚 度 为 4 0 mm， 主梁 腹 板 内 侧设 置纵向以及斜向加劲肋 。根据索力大小不同承压板 和锚 垫板 采用 不 同厚度 。 4 ． 2 塔端 钢锚 梁及 钢 牛腿 在桥塔 内部设置钢锚梁， 作为斜拉索的塔端锚 固构 造 见 图 1 0 。钢 锚 梁 受拉 锚 板 采用 3 0 mm 厚 钢板 ， 腹板 中心高度采用 7 0 0 mm， 底板 中心宽度采 用 7 5 0 mm。 剪力钉 塔壁预 埋钢 板 图 1 0 斜拉 索塔 端锚 固构造 钢牛腿是钢锚梁的支撑结构 ， 由底板、 托架 、 塔 壁 预埋 钢板 、 剪力 钉 和 与 劲性 骨 架 相 连 的 连 接 钢板 组成。钢牛腿底板和托架厚度 4 0 mm， 塔壁预埋钢 板 采用 3 0 mm 厚 的抗层 状撕 裂钢板 ， 剪 力钉 采 用 直 径 2 2 mm 圆柱头焊钉。塔壁预埋钢板后面对 应钢 牛 腿处 预 埋 抗 拉 型 钢 ， 抵 抗 钢 牛 腿 底 板 产 生 的集 中力 。 钢锚梁与钢牛腿 的接触面之间采用不锈钢和 四 氟板构成滑动摩擦副 ， 以消除钢牛腿接触面之间的 摩阻力对塔 的影 响， 确保平衡水平 分力全部 由钢锚 梁 承受 I 6 ] 。 结构计算结果表 明， 在计算荷载下 ， 钢锚梁和钢 牛腿受力均满足要求 ， 仅局部边角存在应力集 中现 象 ， 其 中钢 锚 梁 中应 力 最 大 为 1 6 O ～ 1 8 0 MP a ， 钢 牛 腿 中应力 最大 约 1 0 0 MP a 。塔 壁预埋 钢板 上 的剪力 钉承受 的剪力较小且分布均匀 ， 剪力钉承受的拉拔 力分布不 均， 且个别剪力 钉承受的拉拔力 较大[ 8 ] 。 这说明钢锚梁锚固体系能够较好地承担斜拉索的水 平分力， 避免了桥塔锚固区的塔壁受拉 ， 仅按断索工 况 布置少 量预应 力 钢束 即可 。 5 结 语 中朝鸭绿江界河公路大桥位于寒冷地区 ， 受气 候以及地理位置等 因素 的影响， 对钢箱梁 的工作性 能要求较高 ] 。在该桥结构设计过程中， 对钢箱梁 的构造细节设计采取 了较多的改进措施 ， 如钢箱梁 底板角点处冷弯成 型； 桁架式纵隔板的腹板采用焊 接 T形杆件 ； 加大了横隔板帽孔尺寸 ， 并在与 U 肋 相交处增加了弧形过渡， 在 U肋 内部对应横隔板位 置增加了 1道内隔板 ； 横隔板上下部采用对接与搭 接相结合连接方式 。设计同时对钢结构加工提出了 适当的工艺要求 ， 保证了钢结构成品的整体质量 ， 提 高了结构的耐久性能 。 参 考 文 献 [ 1 ]张允士 ， 李法雄 ， 熊锋 ， 等．正交异性 钢桥 面板 疲劳 裂 纹成因分析及控制I- J ] ．公路交 通科 技 ， 2 0 1 3 ， 8 7 5 8 O． [ 2 ]邓 扬 ， 刘 扬 ， 李爱群．局部构造对钢箱梁关键焊缝疲 劳性 能的影响分析_ J ] ．桥梁建设 ， 2 0 1 4 ， 4 4 2 4 3 4 9 ． [ 3 ]陈一馨 ， 吕彭 民， 李 大涛．u 肋与 横 隔板焊 接构 造细 节 疲劳强度研究E J ] ．桥梁建设 ， 2 0 1 4 ， 4 4 3 6 3 6 8 ． r- 4 ]B S E N 1 9 9 3 2 2 0 0 6 ， E u r o c o d e 3 - D e s i g n o f S t e e l S t r u c - t u r e s P a r t 2 S t e e l B r i d g e s [ S ] ． [ 5 ]顾萍 ， 裴辉腾 ， 盛博 ， 等．u肋 带内隔板 钢桥 面疲 劳 性能研究 j- j ] ．同济 大学 学 报 自然 科学 版 ， 2 0 1 4 ， 4 2 1 0 1 4 9 9 1 5 0 4 ． [ 6 ]刘士林 ， 王似舜．斜拉桥设计[ M] ．北京 人 民交 通出版 社 ， 2 0 0 6 ． [ 7 ]胡贵琼 ， 郑舟军．荆岳 长江公路 大桥钢锚 梁索塔 锚固 区 单节段模 型有 限元分 析 r J - ] ．世 界桥梁 ， 2 0 1 0 ， 2 4 0 44 ． [ 8 ]吴 冲．中朝鸭绿江公路大桥桥塔钢锚梁仿真分析与静 力模型实验研究报告[ R ] ．上海 同济大学 ， 2 0 1 3 ． J- 9 ]闰大伟．中朝鸭绿江界河公路大桥耐久性技术研究[ J ] ． 世界桥梁 ， 2 0 1 4 ， 4 2 5 5 4 5 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中朝鸭绿江界河公路大桥主桥钢结构设计 马 森 ， 周超舟 De s i g n o f S t e e l S t r u c t u r e s f o r M a i n Br i d g e o f Chi na DPRK Ya l u Bo u n d a r y Ri v e r Hi g h wa y Br i d g e M A Se n 。ZH0U Ch a o z h o u 1 ．Li a o n i n g P r o v i n c i a l Co mmu n i c a t i o n Pl a n n i n g 8 L De s i g n I n s t i t u t e ，S h e n y a n g 1 1 0 1 6 6 ，C h i n a ； 2 ．De s i g n Co mp a n y，Ch i n a Ra i l wa y Ma j o r Br i d g e En g i n e e r i n g Gr o u p，W u h a n 4 3 0 0 5 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Th e ma i n b r i d g e o f Ch i n a DPRK Ya l u Bo u n d a r y Ri v e r Br i d g e i s a t wo p y l o n s t e e l b ox gi r d e r c a bl e s t a ye d b r i dg e o f ha l f f l oa t i ng s u pp o r t i ng s y s t e m．The br i d ge ha s s pa n a r r a n ge m e nt o f 8 6 2 2 9 6 3 6 2 2 9 8 6 m ，wi t h s t a y c a b l e s f a n n e d o u t i n d o u b l e c a b l e p l a n e s ．Th e f l a t s t e e 1 b o x g i r d e r me a s u r e s 3 3 ． 5 m i n f u l l wi d t h a n d 3 ． 5 m i n d e p t h，wi t h 1 6 mm a n d 2 0 mm t h i c k t o p p l a t e s a n d 1 2 mm a nd 1 4 m m t hi c k b ot t o m p l a t e s ． Th e t o p a nd b o t t o m pl a t e s a r e s t i f f e n e d b y U r i bs ． I ns i de t he b ox gi r d e r，t wo l o ng i t u di n a l s e pa r a t i ng pl a t e s a r e i ns t a l l e d a l o ng t he gi r d e r wi d t h， a mo n g wh i c h t h e o n e s n e a r t h e s u p p o r t i n g a r e a a r e t h e p l a t e t y p e l o n g i t u d i n a l s e p a r a t i n g p l a t e s ， a n d t ho s e i n t he r e m a i ni n g pl a c e s a r e t r us s t y pe on e s wi t h we l d e d T we b me mbe r s ． The d i a p hr a g m s i ns i d e t he b ox a r e pl a t e t y pe d i a p hr a g m s ． The s t a y c a bl e s a r e a nc ho r e d t o t he p yl o ns b y t he a n c ho r a g e s ys t e m f o r m e d of s t e e l a n c h or i n g be a m a nd s t e e l b r a c k e t s ， wh i l e a nc ho r e d t o t h e ma i n g i r d e r b y s t e e l b o x a n c h o r i n g s y s t e m．Du r i n g t h e d e s i g n p r o c e s s ，i mp r o v e me n t me a s u r e s t o t h e d e s i g n d e t a i l s o f s t e e l s t r u c t u r e s a t k e y l o c a t i o n s ，l i k e t h e o r t h o t r o p i c s t e e l b r i d g e d e c k，b o t t o m p l a t e ，d i a p h r a g ms ，l o n g i t u d i n a l s e p a r a t i n g p l a t e s a n d s t e e l a n c h o r i n g b e a ms we r e p r o p o s e d ．An d d e ma n d s f o r t h e we l d i n g t e c h n i q u e a n d ma n u f a c t u r i n g c r i t e r i a we r e ma d e ． Ke y wo r d s c a b l e s t a y e d b r i d g e ；f l a t s t e e l b o x g i r d e r ；o r t h o t r o p i c s t e e l b r i d g e d e c k；c u t o u t ； U r i b；l o ng i t u di n a l s e p a r a t i n g pl a t e；s t e e l a nc ho r i ng b e a m ；s t e e l b r a c ke t ；b r i dg e de s i gn 编辑 陈雷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m