贾存兴

河北省高速公路京雄临时筹建处

摘 要： 高速公路的建设促进经济发展的一面,也不能忽略建设与人文环境的和谐关系。本文以京雄高速公路河北段白沟河特大桥为例,对钢结构连续拱景观桥的计算模型、结构演算、钢梁制造拼接以及运输安装进行解析,介绍在高速公路连拱钢箱梁景观桥设计与施工的经验以供借鉴。

关键词： 高速公路;设计;施工技术;景观;桥梁;

我国从上世纪80年代末开始建设高速公路,在过去30年里随着我国改革开放经济的高速发展,高速公路建设也取得了惊人的成绩总里程已成为全球第一,社会对高速公路的桥梁要求越来越高,高速公路桥梁不仅应满足其自身的功能性使用,还应该使周围人文环境与景观美学相融汇协调。

作为跨越江河、峡谷的通济利涉结构物——桥梁,不但要满足其必要的通行功能需求,同时也要适应人们的审美日益提高的需求,景观桥就是以通过结构造型与人文环境形成和谐的统一的艺术作品,因而成为标志性建筑,融入区域文化、周边自然景观、蕴含寓意是景观美学与桥梁设计的完美结合。由于造型奇特、结构特殊势必会使用新材料新技术,这就给桥梁设计演算和施工提出新的挑战。对比不同时期、不同民族、不同文化的中外古今景观桥梁,均即是在满足了其结构需求,又是使其与区域文化、周边自然景观有机结合并突显特定的寓意。景观桥梁既结合环境特点,又有明确寓意,还可功能多样性必然成为未来发展的趋势,故而景观桥梁设计和施工成为行业发展的热点,由于其采用的新材料、新工艺和其结构特殊性结构受力演算、科学加工制造、拼接安装成为重点。

1 工程概况

白沟河特大桥(又名复兴桥)为京雄高速河北段主线上跨越白沟河的一座特大景观桥,为满足桥梁人行和观光功能,行车道桥面外侧悬臂下方设置了慢行系统,将高速公路行车道和人行道上下分层设置,既同时保障了行车和行人的安全,也丰富了拱桥的造型详见图1。

图1 整体效果图 *载下**原图

白沟河特大桥主要跨越白沟河两岸防洪大堤及整个河床,桥梁全长1763m,主桥总长1547m,设计采用上承式钢箱连拱,两侧引桥分别采用40m及30.67m预应力混凝土T梁。主拱圈、桥面系简支钢箱梁,人行道挑臂等主体结构均采用桥梁用结构钢。上部结构为17孔空腹式钢箱连拱,拱圈计算跨径均为91m。其中第9孔桥跨中心为整个连拱对称中心空腹区拱圈横向分为3片拱肋,拱肋采用箱型截面,横向中心间距6.5m。墩顶空腹区桥面系采用简支钢箱梁,三箱单室截面。拱顶实腹区由桥面系箱梁和拱圈结合形成三箱的整体断面。

2 设计演算

2.1计算模型

总体静力采用空间有限元进行计算,空腹区简支钢箱梁、空腹区拱肋、实腹区拱梁结合段等部位均离散为空间梁单元,桩基采用土弹模模拟桩土共同作用。考虑局部稳定影响,构件受压应力的劲板和受剪力带影响的受弯构件在拉应力或压应力作用下应按有效截面宽度及面积进行计算。选用对应的有效截面进行验算,结构离散图详见图2。

图2 结构离散图 *载下**原图

2.2施工阶段结构验算

本桥钢梁采用落地支架施工,全桥共划分为三联分别合拢,取最不利施工工况进行验算,即第1～6(12～17)孔主拱圈全部合龙的状态,计算模型详见图3。

图3 施工阶段计算模型 *载下**原图

下部结构主墩采用三柱式圆柱墩,对应拱肋位置,横向中心间距6.5m。桥墩上部为直径5m的圆形变截面,渐变至桥墩中下部直径4m的圆形等截面,渐变段长度为2.5m。承台为矩形。根据防洪要求,主墩承台顶面应埋置在最大冲刷线以下0.5m的深度。选用钻孔灌注桩为基础,均按摩擦桩设计,桩径为2.4m,除在9号、14号主墩处设置3排共9根桩基外,其余主墩每柱对应2根桩基,共计6根桩。

主墩及过渡墩内均设置钢混结合段,为保证钢混接头的有效性,并使结合面处于受压状态,于拱脚底座承压钢板范围内的墩身内部布置了竖向预应力钢绞线,预应力钢绞线在拱脚钢箱一侧锚固在钢承压板上。同时伸入混凝土桥墩的连接钢板设置了PBL连接键和剪力钉,保证结合段钢箱与混凝土共同受力。

2.3运营阶段结构验算

对结构主体构件进行承载能力验算,考虑局部稳定影响的构件受压加劲板以及考虑剪力滞影响的受弯构件的受拉或受压翼缘应力应按有效截面宽度及面积进行计算,按照规范选用对应的有效截面进行验算。

2.4结构稳定演算

运营过程中,恒载和汽车活载组合下的第一阶失稳模态为中孔拱圈对称横向失稳,临界稳定系数为65,运营阶段结构的一阶失稳模态图详见图4。

图4 运营阶段第一阶失稳模态 *载下**原图

3 施工要点

钢结构均采用分节段工厂预制,在现场局部搭支架进行焊接拼装施工。钢箱节段在工厂制造完成后,经特殊的运输车辆运至现场,通过起吊设备按相应节段顺序架设至临时支架上。调整各节段高程、平面线形及节段间距,直至完好无误再进行现场焊接使各阶段连成一个整体,其后作外涂装防护处理,随后将临时支架拆除,再后在钢梁面层铺筑钢筋混凝土桥面铺装层,最后是包括伸缩缝在内的附属结构的安装。

3.1钢梁制造

钢梁制定适宜本桥的厂内制作,研究优化焊接工艺、组拼工艺技术要求,细化工艺流程,并严格执行。

3.1.1一般要求

为确保钢梁制造加工的质量,钢梁制造应对设计施工图进行工艺性复核、编制钢结构施工工艺文件、进行工艺试验、绘制加工图纸、制定作业指导书。

钢梁制造前准备一下工作:①焊接工艺评定②制造工艺方案③涂装工艺方案评定④抗滑移系数试验。工艺评定、试验通过后,根据工艺评定结果制定焊接、制造和涂装施工工艺规程。

钢板如需对接时,接缝应距离其它焊缝、圆弧起点等部位100mm 以上。

3.1.2拱肋、钢箱梁焊接

本桥主拱肋采用全焊连接,桥面系采用栓-焊结合连接,焊接工作繁琐量大,型号种类多,易变形等特点。焊接质量与钢箱梁组装精度要求高是保证工程质量的关键因素。

(1)焊接选用的焊接材料,结构中接头形式的焊接工艺应先工艺评定后施工。钢板焊接接头的力学性能:其屈服强度不小于原材的标准值,延伸率、低温冲击功不小于基材的标准值。

(2)为了控制焊接变形,焊接的板件应留有足够的焊接收缩量,并应严格控制线能量的输入。

(3)杆件隔板、加劲肋的角焊缝不得在主要板件上咬边。所有的对接焊缝均应顺应力方向打磨匀顺,角接焊缝在不均匀处须打磨匀顺。对厚度不同的钢板进行对接焊时应进行斜坡过渡加工要求小于1∶8,应将钢板圆弧端部先打磨匀顺再焊接。

(4)应对20mm以上钢在焊前应先预热,焊缝两侧预热范围一般不小于100mm,在焊缝内测30～50mm范围温度控制在130℃左右。为防止T形接头出现层状撕裂,在焊接前预热时,应格外注意厚板单侧的预热效果。

(5)工地焊接时,选择天气合适,需采取措施防风,焊接处均需在全部遮盖条件下进行,焊接环境下的相对湿度应小于80%,下雨天由于湿度无法控制不得焊接,低合金钢的焊接环境温度应大于5℃,低碳钢的焊接环境温度应大于0℃。

(6)拱脚钢混结合段预埋钢板上剪力钉应采用专用焊接设备在工厂焊接好,不允许在工地焊接。在剪力钉的焊接工艺试验时,一要选择焊接的电流、时间,二要控制焊钉的外伸长度、提升高度,三要对接头宏观断面进行检验、硬度进行试验。

3.1.3节段组拼、堆放及运输

(1)主拱因线形复杂,全部构件需进行平面辗转试拼装,以确保结构的空间尺寸能够吻合。

(2)钢箱梁节段需单层放置,支点必须设置在隔板或腹板下,应使各点受力尽量均匀,不允许出现支点脱空的情况。堆放场地应坚固可靠,不允许堆放地基出现不均匀沉降;梁体与支撑间应设置厚度不小于150mm的木块。

(3)梁段的运输包括场内运输、场外陆地运输,所有运输过程起吊时只能利用临时吊点。

(4)梁段场内堆放、运输过程的支点、临时吊点等需结合梁段运输和现场安装方案共同设计,并对梁体相应部位进行必要的加强。

(5)在堆放与运输过程中,采用有效措施,将端部封住,以防雨水侵入。

3.2架设方案

钢结构均采用分节段加工且在工厂预制完成,分阶段构建运输到现场采用局部搭支架再进行焊接拼装。

钢箱梁需沿纵、横桥向划分节段施工,各节段均应在工厂制造,节段长度可根据制梁工厂的道路运输条件、吊装能力、施工场地布置等条件进行划分,一般最大宽度不应超过4.2m,但钢箱梁各节段划分位置需满足结构受力条件。

根据节段划分情况和施工工序,确定施工钢箱梁用的临时进人孔位置和尺寸,临时进人孔加工制造使用完毕后,应按等强度原则采取补强措施。

钢箱梁节段在工厂制造完成后,用特殊的运输车辆运至现场,现场需预留钢梁二次拼装做需要的施工场地,将运输钢箱梁节段进行先吊装再拼装。主桥两侧需各提供2000m2以上的拼装场地进行拼装焊接工作。考虑到本桥梁结构形式及现场施工环境,建议现场采用龙门吊进行吊装施工。

吊装钢箱梁节段通过起吊设备按相应节段顺序架设至临时支架上(临时吊点和临时支点的位置必须设在纵向腹板和横隔板的交叉处)。调整各节段高程、平面线形及节段间距,并进行复测确认无误后,进行现场焊接连成整体,然后进行外层涂装防护,拆除临时支架。随后完成包括伸缩缝在内的等附属结构工程施工,最后在钢梁顶面铺设桥面铺装层。

4 结语

白沟河特大桥目前正在钢箱梁加工制造,预计2020年6月建成交付使用。本文通过对白沟河特大桥的计算模型、结构演算、钢梁制造拼接以及运输安装施工进行解析得出以下结论:

(1)利用有限元建立总体静力模型,对箱梁、拱肋、实腹剪力带影响的受压、受拉进行演算;

(2)对分段施工三联合拢采用最不利施工工况进行演算分析,保证结合段钢箱与混凝土共同受力;

(3)对钢梁的加工制造、焊接、运输、拼接的施工制定了质量安全保障措施,并提出了钢梁的架设方案;

参考文献

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