现代钢管桁架桥.pdf

文章编号 1671 2579 2006 04 0138 04 现代钢管桁架桥 王俊华 陈宝春 黄文金 编译 福州大学 福建 福州 350002 摘 要 出于轻型化的考虑 桥梁结构中越来越多地采用圆钢管 CHS 结构 该文介绍 了3座钢管桁架桥的设计 并简要介绍了CHS焊接节点的疲劳设计方法 在钢管桁架桥的 设计中 焊接管节点的疲劳设计是控制设计 现行的欧洲钢管节点疲劳设计规范已不适用于 桥梁中典型的管节点 为了研究桥梁结构中节点的疲劳性能以及疲劳设计方法中的不足之 处 对焊接CHS的K形节点进行了试验研究 关键词 桥梁 钢管 圆管截面 桁架 焊接 节点 疲劳 收稿日期 2006 05 06 1 引言 圆钢管各向同性 截面封闭 由于管薄 回转半径 大 对受压受扭均有利 钢管的端部封闭后 内部不易 锈蚀 表面也不易积灰尘和水 具有较好的防腐性能 正因为它具有以上优点 因此被广泛应用于梁式桥 拱 桥和悬索桥等各种桥梁结构中 1883 1890年修建 的苏格兰的Firth of Forth铁路桥就是一座大跨径的 钢管悬臂梁式桥 两主跨为521 m 钢管拱桥中比较 著名的有瑞典的阿斯克劳水道 Askerofjord 桥 1960 年建成 主跨278 036 m 1980年毁于船撞 日本的 松岛大桥 1966年建成 主跨126 m 德国的Kaiserlei 桥 主跨220 m 葡萄牙银桥 主跨190 m 荷兰的 Dintel港桥 主跨170 m 等 我国于2000年建成的 四川忠县长江公路大桥是钢管桁架加劲梁悬索桥 主 跨560 m 近年来 应用圆钢管 Circular Hollow Sections 简称CHS 构件作为主要承载构件的钢 混凝土组合 桥梁建成比较多 与开口截面杆件或箱形梁相比 钢 管桁架外形美观 轻巧 特别适用于对透视要求较高的 高架桥以及城市桥梁中 钢管结构中管节点是结构设计的关键 对于管节 点已有许多学者作了大量的研究 但钢管桥梁的管节 点有其特殊之处 本文以文献 1 为主要参考资料 简 要介绍了欧洲建成的3座钢管桁架桥梁 通过对这3 座桥梁的CHS焊接节点的试验研究 分析了欧洲现 行CHS节点疲劳设计规范的不足之处 提出对其进 行修订以适应CHS桥梁节点设计的方法 2 焊接CHS桁架桥实例简介 Lully高架桥 1997年 为全长1 km的公路桥 由 两幅完全相同的空间桁架组成 每幅各支撑着单向双 车道的混凝土桥面板 桥梁标准跨径为43 m 桁架 横断面为三角形 具有2根上弦杆和1根下弦杆 桁高 约3 m 宽4 m 见图1 上 下弦杆分别采用搭接K形 焊接节点和间隙K形焊接节点与腹杆相联组成空间 桁架 桥面板通过均布于上弦杆上的抗剪栓钉与空间 钢管桁架直接连接在一起 Lully高架桥主要经过乡 村地区 选用CHS桁架的目的主要是得到轻巧和视 野通透的外观 D ttwil桥 2001年 与Lully桥类似 全长只有 200 m 标准跨径38 m 钢管空间桁架横断面也是三 角形 由于该桥工期紧 必须在8个月内完工 因而采 用了预制混凝土桥面板加焊接CHS桁架的结构 1997年 Aarwangen州际公路上的一座桥需要重 建 旁边有一座铁路桁架桥 新建桥梁既要求有现代 感 又要与铁路桥相协调 最终方案选择了两平行平面 CHS桁架 新建桥梁是两跨桁架桥 跨径48 m 桁高 138 中 外 公 路 第26卷 第4期 2 0 0 6年8月 1 8 m 拆除旧桥后 从河岸边浮运桁架就位 预制 桥面板通过抗剪栓钉组与桁架连接在一起 图1 Lully高架桥横断面图 单位 cm 在上述3座桥梁的设计过程中 桥梁静力设计的 节点尺寸超出现行的疲劳规范的适用范围 桥梁和管 结构的疲劳规范已不适用于桥梁的节点设计 而有限 元分析方法既耗时又昂贵 不适合大多数桥梁设计 D ttwil桥的节点疲劳设计参考了Lully桥的经验和 设计规范的要求 由于缺少详细资料和处于安全的考 虑 在设计D ttwil桥时桥梁工程师为了降低下弦杆 钢管应力 加大了按照静力设计的下弦杆壁厚 结果导 致桥梁自重增加了大约15 3 欧洲现行焊接钢管节点疲劳设计规 范 3 1 细节分类法 桥梁工程师使用的疲劳设计方法基于疲劳强度或 者S N曲线以及细节分类表 S N曲线是名义应 力幅与容许循环次数的曲线 与细节分类表配合使用 图2是K形节点的细节分类表的实例 从图中可知 随着壁厚比 t T 的变化 循环次数2 106的疲劳应 力强度在45 90 MPa之间变化 节点的抗疲劳性能 取决于弦杆和腹杆 图2中箭头表示 的计算名义应力 幅及相应的名义S N曲线 名义应力考虑了由节点 偏心及节点刚度引起的二阶弯矩的影响 名义应力既 可以通过对节点的精确分析来计算 又可以用简化桁 架分析得出的应力乘以增大系数来计算 分类法使用上虽然简单明了 但是这是一种经验 方法 依赖于试验结果 而且有几何形状和尺寸的限 制 图2中K形节点细节分类表规定最大弦杆直径 为300 mm 最大腹杆和弦杆壁厚12 5 mm 而这些 尺寸远远小于Lully桥 D ttwil桥和Aarwangen桥杆 件所用的尺寸 弦杆直径为508 mm 壁厚最大的达到 50 mm 图2 间隙K形节点的细节分类 文献 2 3 2 热点应力法 热点应力是指最大结构应力或结构中危险截面上 危险点应力 结构应力 或几何应力 指根据外载荷用 线弹性力学公式或有限元计算求得的结构中的工作应 力 同时不包括焊缝形状 裂纹 切口等引起的局部应 力集中 它只依赖于构件连接部位的几何尺寸和荷载 焊接钢管节点的热点应力法起源于海上平台结 构 通过节点处热点应力幅而不是名义应力幅来考虑 节点疲劳寿命 热点应力理论直接考虑了节点周边的 应力不均匀分布 疲劳裂纹通常发生在节点最大热点 应力处 同细节分类法类似 使用Shs N曲线 热点应力 幅 应力循环次数曲线 来确定疲劳强度 热点应力 已考虑了几何尺寸和荷载的影响 因而一条Shs N曲 线就可用于所有类型的钢管节点 这条曲线对应于壁 厚为16 mm钢管 使用时可以根据实际的壁厚修正 钢管节点的热点应力非常复杂 无法得出解析解 可以 用有限元分析得到数值解 或者通过对测量试验模型 的应变得到 对钢管节点热点应力的计算 前人已经做过大量 工作 得出了一些有用的结论 节点处热点应力可通 过应力集中系数 S CF 乘以杆件名义应力 即总体受 力分析求得的杆件平均应力 来计算 其中无量纲参数 SCF是 和 等的函数 下面用一个K形节点来说明热点应力法 K形 节点冠点和鞍点上的4个测点最为危险 见图3 图中 测点1 2位于弦杆上 测点3 4位于腹杆上 弦杆和腹 杆端部断面上的箭头代表荷载形式 测点x x 1 4 在某单一荷载loadi i 1 2 n 作用下的热点应力Shsx loadi等于应力集中系数 S CFloadi乘以名义应力Snom loadi 即 Shsx loadi S CFloadi Snom loadi 1 931 4期 现代钢管桁架桥 图3 热点应力法 K形节点 多种荷载作用下 测点x的总的热点应力可由各 种单一荷载形式引起的热点应力叠加而得 即 Shsx n i 1 SCFloadi Snom loadi 2 由式 2 可以分别计算出弦杆上的2个热点应力 Shs1和Shs2 以及腹杆上的2个热点应力Shs3和Shs4 Shs1和Shs2中的最大值即为弦杆上最危险处的热点应 力Shs弦 Shs3和Shs4中的最大值即为腹杆上最危险处的 热点应力Shs腹 将Shs弦和Shs腹分别应用于弦杆和腹杆 的Shs N曲线 从而计算出它们的节点疲劳寿命 尽管热点应力计算公式是通过对大量钢管节点数 据进行有限元分析而得 然而它还是有适用范围的 例如 对K形节点来说 弦杆的径厚比 就不包括桥 梁中的常用值 5 7 故热点应力法很难应用在桥 梁设计中 3 3 小结 细节分类法应力计算简单 计算精度取决于S N曲线的选择 需要的S N曲线很多 S N曲线对 应于给定节点形式 而热点应力法计算量较多 需要 的Shs N曲线较少 Shs N曲线对应于给定焊接方 式 热点附近的应力并不总是线性分布 4 焊接CHS节点疲劳试验 4 1 试验过程 图4为疲劳试验的K形节点试件 试验时将K形 节点作为桁架的组成部分 这种方法比单独对K形 节点试验符合实际情况 试验试件 阴影部分 含2个 K形节点 通过端面板螺栓连接到加载框架 加载框 架包括上弦杆工字梁和阴影外的2个K形节点 无阴 影部分 通过选择合适的几何尺寸 可使跨中荷载作 用下的2个中间节点 节点1和 2 在疲劳加载时处于 危险位置 试验结束后 更换下一组试件进行下面的 试验 图4 疲劳试验试件和加载框架 单位 mm 按照EN10210 1994规范 桁架杆件选用S355 钢 K形节点的制造工艺 坡口加工 焊接过程 垫条 等 与CHS桥梁相同 对所有焊接部位进行了超声 波探伤检测 为了避免腹杆搭接和方便焊接 腹杆与 下弦杆的轴线存在偏心 e 38 mm 总共进行了4组试验 每组均有4个K形节点 见表1 试验参数为 试件尺寸 制作方法和焊后处 理 第1 2和4组的桁架尺寸为桥梁尺寸的1 2 2 3 表1还列出了试件的无量纲参数 这些 参数反映了实际CHS桁架桥的参数 为了研究衬环 对疲劳状态的影响 第1 3和4组试件使用衬环焊 而 第2组试件采用标准全熔透焊 不使用衬环 为了研 究尺寸对节点抗疲劳性能的影响 第3组试件尺寸比 其他组的小 第4组试件主要是研究焊后处理 焊缝 锤击 对CHS节点疲劳寿命的影响 为测定产生疲劳裂纹及节点失效时的循环次数 对CHS桁架试件采用等幅疲劳加载 R 0 1 当疲 表1 桥梁与试件尺寸 试件组号 及桥梁 尺寸 直径 臂厚 mm 腹杆弦杆 焊接 类型 焊后 处理 参数 d D D 2 T t T S1139 7 12 5273 20FP BR否0 516 830 6360 S2139 7 12 5273 20FP否0 516 830 6360 S388 9 8168 12 5FP BR否0 536 730 6460 S4139 7 12 5273 20FP BR是0 516 830 6360 Lully267 25508 36FP BR否0 537 060 6960 D ttwil267 25508 50FP BR否0 535 080 5060 Aarwangen194 28406 36FP否0 485 640 7845 注 FP表示全熔透焊 BR表示衬环焊 041 中 外 公 路 26卷 劳裂纹贯穿弦杆臂时 可判定为节点失效 贯穿裂缝可 以通过空气向下弦杆适当地增压 12 5 mm 50 图6 1 4组试件的名义应力S N曲线 1 3组节点的疲劳寿命大致在同一数量级 在 3 1节曾提到 对于疲劳强度而言 基于名义S N曲 线的设计规范需要确定腹杆和弦杆的名义应力幅 这 是因为即使疲劳裂纹出现在弦杆臂 图2 弦杆和腹 杆的应力都会影响到节点疲劳性能 从图6可以看出 腹杆实测的名义应力略低于细 节分类71的曲线 弦杆名义应力表明试验节点的疲 劳强度非常低 也就是说 通过分析弦杆实测的名义 应力幅 第1组和第2组的节点分类位于细节分类极 低的位置 第3组疲劳强度较高 而第4组没有破坏 实际上 分别验算弦杆和腹杆的应力不能反映两 者之间的内在联系 它忽略了腹杆和弦杆的应力相互 影响 而这种影响正是节点疲劳产生的原因 对于节 点疲劳而言 热点应力法的本质就是应力相互影响 4 2 2 热点Shs N曲线 4组试件的Shs N曲线见图7 热点应力通过对 节点开裂处 测点 1 的应变外插得到 应变外插按文 献 2 所规定的方法进行 在试件荷载的基础上 图7 还绘制了第1 2 4组和第3组的热点应力的计算值 由3 2节可知 测点1的热点应力由不同荷载引起的 热点应力叠加而得 即 图7 1 4组试件的热点应力Shs N曲线 Shs1 n i 1 SCFloadi Snom loadi 3 试件节点的无量纲参数 超出了设计规范 文献 2 的适用范围 出于对比的考虑 忽略了这种因素 图7的试验节点的Shs N曲线绘制了对应于弦杆臂 厚为12 5 mm和20 mm时的曲线 从疲劳寿命来看 4组热点应力结果与相应的疲 劳强度曲线吻合良好 特别是第3组 由于理论计算 比较保守 从而导致试件节点的疲劳强度偏小 说明实 测热点应力与理论计算值之间有明显差距 从而导致 理论与实测的节点疲劳寿命相差了10倍 对比分析可以看出 当节点超出设计规范适用范 围时 即使采用外推公式推算 计算的节点疲劳应力和 疲劳寿命值也是不正确的 一般来说 计算值比实测 值保守 偏安全 然而 在推广创新的桥梁结构时 太 保守会导致结构不经济 没有竞争力 在满足安全要 求的条件下 应尽量采用符合实际的疲劳强度和疲劳 寿命 141 4期 现代钢管桁架桥 文章编号 1671 2579 2006 04 0142 05 整体式挂孔钢箱梁安装施工技术 刘吉明 厦门中建东北建设监理事务所 福建 厦门 361012 摘 要 厦门集美大道与鹰厦铁路立交工程采用预应力混凝土悬臂箱梁与挂孔钢箱梁 方式跨越 由于跨铁路净空受限 且单幅整体钢梁重达1 010 kN 运输及安装条件受制约 不 能采用常规吊装方法或支架施工 实施过程采取工厂分段制造 桥面上整体拼装 梁底设轨 道滑板 导梁前跨 卷扬机牵引过孔 升降装置落梁 施工方法简易可行 为大体积构件安装积 累了经验 关键词 钢箱梁 牵引 三角架 升降装置 安装 1 工程概况 厦门集美大道立交工程从北往南依次采取苜蓿叶 形互通立交跨越319国道 采取分离式立交桥跨越鹰 厦铁路 立交桥按城市快速干道进行设计 双向六车 道 左右两幅桥梁平行分离 被跨越的电气化铁路既有2条线路 近期规划实 施4条线路 要求净高9 m 净宽38 m 立交桥跨越铁 路的桥跨位于30 31 墩之间 跨径40 m 净空高 9 4 m 跨越形式采用预应力混凝土悬臂箱梁与钢箱 组合梁挂孔方案 上部结构中部为跨长21 60 m挂孔 钢箱梁 两侧各10 m预应力混凝土悬臂箱梁 其中北 侧自26 30 墩为第七联 四孔连续箱梁加10 m悬 臂梁 南侧自31 墩 36 墩为第九联 五孔连续箱 梁加10 m悬臂梁 悬臂梁端部设置下牛腿 钢箱梁 两端分别支承于悬臂梁牛腿支座上 桥梁立面布置见 图1 收稿日期 2005 10 11 作者简介 刘吉明 男 大学本科 工程师