设计说明-典尚设计

设 计 说 明一、设计范围本册图纸为安庆长江公路大桥施工图第二册主桥设计的第四分册钢箱梁设计，内容包括钢箱梁梁段划分、钢箱梁梁体构造、钢箱梁腹板及纵横隔板构造、钢箱梁竖向支座框架构造、斜拉索锚箱构造、临时吊点及支点构造、检修道及风嘴构造等。本册图纸替代原二OO二年七月版对应施工图，原施工图同时废止。二、设计依据1. 安庆长江公路大桥有限责任公司安庆长江公路大桥勘测、设计合同。2. 交通部交办发2079号文（2001年9月11日）关于安徽省安庆长江公路大桥初步设计的批复。3安徽省交通厅皖交基发200198号关于安庆长江公路大桥施工图设计的批复。4安徽省交通厅皖交基发200245号关于安庆长江公路大桥钢箱梁技术设计的批复。5安徽省交通厅皖交基发200285号关于安庆长江公路大桥钢箱梁施工图设计的批复6. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室2000年10月提交的安庆长江公路大桥主桥抗风性能研究报告。7. 同济大学土木工程防灾国家重点实验室2000年10月提交的安庆长江公路大桥主桥抗震性能研究报告。三、设计标准及规范1. 设计标准（1）桥梁设计等级：四车道高速公路特大桥（2）设计行车车速：100Km/h。（3）桥面宽度：四车道桥面标准宽度26m，中间设2.0m宽中央分隔带，两边各设0.5m防撞护栏。主桥斜拉桥两边增设，桥面总宽度为30m。（4）桥面纵坡：3%（5）桥面横坡： 2%（6）荷载标准a.车辆荷载等级：汽车-超20级，挂车-120b.设计风速：桥位区常年主导风向NE方向。距地面10m高度处100年一遇10分钟平均最大风速为23.65m/s。按安庆长江公路大桥主桥抗风性能研究报告，桥面高度处横桥向设计基准风速取为33.58m/s，顺桥向设计基准风速取为29.80 m/s。参与汽车荷载组合的横桥向设计基准风速取为28.10 m/s，纵桥向设计基准风速取为24.93 m/s。 c.船舶撞击荷载：主墩按顺水流方向为27000KN，横水流方向为13500KN。辅助墩按主墩的一半考虑。 d.地震烈度：场地地震基本烈度6度，由于大桥属沉陷敏感的乙类建筑，应按7度考虑。并实测地震动参数计算地震力。（7）设计洪水频率：1/300，相应水位见下表。（8）通航水位a.最高通航水位，采用重现期20年一遇的相应水位。b.最低通航水位，采用保证率为99%的相应水位。各桥位的设计洪水位及最高、最低通航水位（黄海高程：m）桥 位东门汽渡推荐桥位设计洪水水位（300年一遇）18.970最高通航水位（ 20年一遇）16.930最低通航水位（保证率99%）2.480 （9）通航净空：最小净高24m，主通航孔双向航宽不小于460m，边通航孔单向航宽不小于204m。 2.设计规范 （主要规范）（1）公路工程技术标准（JTJ 001-97）（2）公路桥涵设计通用规范（JTJ 21-89）（3）公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTJ 023-85）（4）公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ 025-86）（5）公路工程抗震设计规范（JTJ 004-89）（6）公路斜拉桥设计规范（JTJ 027-96（试行）（7）公路桥涵施工技术规范（JTJ 041-2000）（8）公路桥梁抗风设计指南（1996年10月）（9）建筑钢结构焊接规程（JGJ 081-91） （参考规范） （1）铁路桥涵设计规范(TB100021-99) （2）英国标准学会：钢桥混凝土桥及结合桥（BS5400） （3）日本本四联络桥公团：上部结构设计基准。同解说.1989 （4）美国公路桥梁标准规范(AASHTO)，1997四、主要材料1.钢材 （1）钢箱主体结构及临时匹配件均采用Q345-D钢，应符合GB/T1591-94的要求。考虑到主梁为全焊结构，为保证材料的焊接性能及冲击韧性，对其化学成分要求如下： 钢材碳含量0.18%、磷含量0.025%、硫含量0.015%。碳当量应小于等于0.44%。对其机械性能要求如下：30mm(含30mm)厚度以下钢板屈服强度340Mpa，抗拉强度500Mpa。全部钢板均须做冲击韧性试验，要求-20冲击功不小于34J。对于板厚30mm的钢板要做断面检查，按GB168-70要求180冷弯试验d(弯心直径)=1.5a(a板厚)，要求不裂。 同时钢箱梁腹板因锚箱受力要求，应采用抗层状撕裂钢材，Q345-D-Z25，且应作Z向超声波探伤。磷、硫含力量均应小于0.01%，其它力学及化学成分符合GB5315-85的要求。 （2）检修道栏杆、行车道路缘石、防撞护拦及路灯底座、排水设施等均采用Q235-C钢，应符合GB700-88的要求。 （3）钢箱梁连接用高强螺栓应符合GB1228-91的要求，螺母应符合GB1229-91的要求，垫圈应符合GB1230-91的要求。 2.焊接材料 （1）焊接材料应结合焊接工艺，通过焊接工艺评定试验进行选择，保证焊缝性能不低于母材，工艺简单，焊接变形小；焊条应采用低氢型焊条，焊丝应采用药性焊丝；相关材料均应符合相应的国标要求。 （2）CO2气体保护焊的气体纯度应大于99.5%。 3.桥面铺装材料 钢桥面板上铺设厚度为7.5cm的优质沥青混凝土。铺设时在钢桥面板上涂装防护剂及粘结剂，保证铺装层与桥面板牢固粘结，在车轮作用不搓动，不滚包。沥青混凝土在60高温下应不翻油，不软化，在-15低温下应不脆裂。桥面铺装的材料及施工工艺有待专题研究确定。五、设计要点1.主桥上部结构概况 安庆长江公路大桥主桥为50+215+510+215+50m五跨连续钢箱梁斜拉桥。桥面纵坡为2.75%，其中主跨处于R=20000m的圆弧竖曲线上。主梁为全焊扁平流线形闭口钢箱梁，其上翼缘为正交异性板结构。斜拉索采用钢绞线拉索，标准索距为15m。最大索长269.37m，重17.2吨。斜拉索锚固于钢箱梁腹板侧的斜拉索锚箱上。斜拉索的减振采用液压阻尼器与减振橡胶块共同作用的方式。全桥共设有六对竖向支座，其中主塔处竖向支座兼有纵向限位功能，过渡墩及辅助墩处竖向支座兼有及抵抗部分横向力功能；横向抗风抗震支座2对，设于桥塔处。2.钢箱梁断面选择安庆长江公路大桥桥址处风力处于内陆地区一般水平，但风况复杂。大桥在施工期及运营期间的抗风稳定性仍是设计关注的重点问题。安庆长江公路大桥有限责任公司委托同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行主桥抗风性能研究，对桥梁风致振动进行了全面的分析研究。根据第一阶段数值风试验结果，计算得出：不论是在施工期间还是运营期间，颤振临界风速均大于颤振检验风速；涡激共振检验表明在常遇低风速下不会发生明显的涡激共振现象。结果表明，本设计所选用的扁平钢箱梁截面是恰当的。3.钢箱梁各部主要尺寸 梁高(中心线处，内轮廓) 3.00m 双向横坡 2% 顶板宽 26.4m 底板宽 4.1586m+18.8m+4.1586m 检修道宽 1.0m 风嘴宽 0.8m 总宽 30.0m 顶板厚 14mm(20mm) 底板厚 12mm(14mm)，16mm 腹板厚 28mm 顶板U形加劲肋厚 8mm 上口宽 300mm 下口宽 170mm 高 280mm 间距 600mm 底板U形加劲肋厚 6mm 上口宽 250mm 下口宽 400mm 高 260mm 间距 800mm 加劲扁钢厚 10mm 高 200mm 横隔板间距 3.75m(3.35m，3.125m，2.5m，0.835) 横隔板厚 10mm、12mm(有拉索处)、20mm(支座处) 实体式纵隔板 10mm(有支座处为30mm、20mm) 桁架式纵隔板上弦杆板厚 12mm 下弦杆板厚 12mm 节点板厚 12mm 斜杆 1946.54.设计要点 （1)主梁自重及其所承受的各种荷载均由斜拉索传至主塔。为保证斜拉索具有足够的安全性、耐久性，本桥选用钢绞线拉索体系。 （2）锚固斜拉索锚箱与钢箱梁的腹板焊为一体，此处为本桥承力关键区，要求各焊缝均按图纸要求进行，并确保质量。要求按工厂批量生产的条件制做1：1节段模型，进行静载及疲劳试验，以验证结构的可靠性。 （3）钢箱梁的腹板及其附近的构件为主要传力构件，腹板横向的所有连接焊缝均需按设计要求溶透，并应采用焊缝金属量少、焊后变形小的坡口，要求对焊缝表面进行处理，以减少应力集中，腹板与顶底板及横隔板的连接焊均需按设计要求溶透，要求对焊缝表面进行处理。 （4）为保证钢箱梁在大桥运营期间的有效性及桥面铺装层的长久性，要求顶、底板的纵横焊缝均需溶透，并应用焊缝金属量少、焊后变形小的坡口。顶板U形纵向加劲肋与顶板间的焊缝采用开单面V形坡口焊的形式，要求其熔透深不小于0.8倍的板厚；底板U形纵向加劲肋与底板要有良好的焊接，以确保底板在较大压力下不屈曲。U形加劲肋采用冷加工制作前，应进行工艺试验，要求圆角外边缘不得有裂纹，否则应采用热煨。 （5）钢箱梁的横隔板标准间距采为3.75m，该间距能充分保证钢箱梁的横向刚度、抗扭刚度，支承其上的正交异性板的局部变形亦满足要求，横隔板由上接板、下接板与中间板组成(支座处横隔板除外)，上、下接板与顶、底板相焊，其间挖空，U形纵向加劲肋直接通过。除支座处横隔板板厚为20mm外，其余横隔板板厚为10mm(有斜拉索处局部加厚至16mm)。 （6）钢箱梁的纵隔板除辅助跨及有竖向支承区段为实体式外，其余均为桁架式。实体式纵隔板板厚为10mm(支座处A、J、N梁段纵隔板板厚为30mm、20mm)；桁架式纵隔板上下弦杆为T形截面，斜杆为194圆钢管。由实体式纵隔板变为桁架式纵隔板的过渡段构造详见ZG4构造。 （7）检修道及风嘴与主梁同时加工、架设，但不参与主梁受力，仅承受其自身重量、检修人员及工具荷载。这样可减小该部分尺寸，节省钢材用量。检修道板采用10mm厚钢板式加劲，风嘴采用8mm厚钢板加板式加劲。 （8）为确保在正常运营荷载下，过渡墩及辅助墩不出现上拔力，在辅助跨及边跨合拢段处钢箱梁内施加压重。压重分两次施加，第一次是在第十一号斜拉索张拉完成后，第二次与桥面铺装同时进行。压重采用铸铁件及铁矿砂混凝土，每侧铸铁块件不少于750吨，容重要求达到75KN/m3，铁矿砂混凝土不少于210吨，容重要求达到35KN/m3。压重块平铺于底缘U形纵向加劲肋之上的压重槽中。压重槽与U形纵向加劲肋之间铺有槽钢，压重槽与槽钢通过塞焊连为整体，并放于U形纵向加劲肋之上。为了防止压重体与梁体间的相对滑动，U形纵向加劲肋上设有剪力键。 （9）根据构造及施工架设的需要，主梁划分为AN共14种梁段。其中A、B、C、D为零号段梁段；JN为辅助跨梁段；E为标准梁段；F为跨中合拢段；E为边跨合拢段。图中给出了除F梁段外的其它所有梁段的计算长度，该长度均为基准温度15下的尺寸，未计入焊缝的收缩。F梁段长度需根据合拢时的实际情况定出。 （10）主梁南北两端各设有伸缩缝，其不受约束的伸缩总量为1.44m。 （11）主桥所有竖向支承均采用静刚度大，压力及横向力的球型钢支座，这样可省去众多的限位牛腿,简化支座处钢箱梁构造。主塔处的横向抗风抗震支座仍采用通常的板式橡胶支座。过渡墩处将根据抗震专题研究，确定是否采用横向限位消能块，以减小地震对墩柱的冲击。 （12）高强螺栓材料20MnTiB，10.9S级。螺母材料采用45#钢。摩擦面应采用喷铝处理，要求出厂前抗滑系数0.55，工地0.45。5.上部结构计算 (1)计算荷载 a.竖向荷载：恒载、汽车超20级、挂车120。 b.横向荷载：设计基准风速取桥位处距地面10m高度处100年一遇的10min平均最大风速23.65m/s计算； c.温度荷载：体系升温25，体系降温27.5，温差效应按BS5400第5.4.5条执行。 d.地震荷载：按地震烈度7度及桥位实测地震动参数进行地震力计算。 (2)计算分析体系 钢箱梁计算分析主要按如下三个作用体系进行： a.总体作用体系 总体作用体系的纵向分析是将钢箱梁作为斜拉桥的组成部分参与全桥共同作用。该体系由竖向荷载、横向荷载、温度荷载作用产生的弯矩、轴力和剪力采用平面有限元杆系程序计算分析；由竖向荷载作用产生的扭矩采用空间有限元程序计算分析。总体作用体系的横向分析主要是对横隔梁在竖向荷载作用产生的应力进行分析，截取节段模型，采用空间有限元程序计算分析。 b.桥面体系 桥面体系是正交异性板桥面结构承受桥面车轮荷载作用。其计算分析是采用“正交异性板桥面设计分析系统（OTCAS）”进行桥面体系的受力分析，并按空间有限元程序进行了复核。 c.盖板体系盖板体系是桥面板支承于横梁和纵肋之上的连续各向同性板，直接承受轴荷载作用，此体系的应力可以略去不计。 d.结构验算钢箱梁主体结构的强度验算，是根据前述的分析结果，计算在竖向荷载、横向荷载和温度荷载的分别作用和组合作用下，结构可能产生的弯矩作用正应力，剪力作用剪应力，扭矩作用剪力和畸变正应力，按照公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ 02586)的要求进行正应力、剪应力、换算应力验算。钢材容许应力提高系数按(JTJ02586)第1.2.10条的规定取值。六、钢箱梁的制造1.钢箱梁焊接 钢箱梁制造工艺是保证焊接质量的关键，所以钢箱梁的焊接应严格遵照本桥招标文件的技术规范及国内有关规程、规范实施。钢箱梁制造分AN共14种类型87个梁段，具体梁段见设计图。设计图中所标注的钢箱梁全部尺寸，均为15基准温度下的尺寸。钢箱梁梁段原则上按矩形制造，即梁段断面与盖板垂直。 由于钢箱梁为全焊结构，结构焊缝较多，所产生的焊接变形和残余应力较大，制造过程中，在保证焊缝质量的前提下，应尽量采用焊接变形小焊缝收缩小的工艺，所有类型的焊缝在施焊前，应做焊接工艺评定试验。焊缝在焊接前的预热温度由箱梁制作单位通过焊接性能试验和焊接工艺评定确定。对接焊缝除要求焊透外，还应要求焊后对焊缝进行打磨，以保证有较高的抗疲劳性能。全部焊缝均应作超声波探伤，并抽取全部焊缝长度的10%15%进行X射线检查，对角焊缝也应作100%的超声波探伤。对X射线检查的焊缝要求达道一级标准，对超声波探伤的角焊缝要求达道二级标准。2.钢箱梁梁段组拼、堆放及运输 板件组成梁段的步骤：底板腹板横隔板(包括人行道板横隔板)顶板。组装必须在胎架上进行，胎架长度不得小于五个梁段的长度。预拼装必须不少于五个梁段，按设计线形及梁段间预留的间隙(还需记入焊接收缩量)使相邻梁段连接面相匹配，然后施焊组装焊缝。施焊完毕，标记梁段号，将前三个梁段运出堆放，留下最后两个梁段，与下三个梁段进行预拼装。梁段拼装顺序与吊装顺序相同，吊装时不允许调换梁段号。梁段宜单层堆放，堆放支点必须位于纵隔板下，应尽量使各点受力均匀，不允许出现翘板的情况。梁段的运输包括场内运输及装船运输，所有运输过程，在起吊时只能利用临时吊点。在堆放与运输过程中，在梁端部均应用特制块体(如橡胶体)将U形加劲肋口封住，以防雨水侵入。该块体在梁对接时取掉。3.钢箱梁防腐涂装 由于钢箱梁各部位所处环境不同，故各部位采用的防腐涂装也不尽相同。 (1)钢箱梁外表面 钢箱梁外表面系指除桥面车行道铺装部分及检修道铺装部分以外的所有直接暴露于大气中的钢箱梁外表面部分，包括腹板外表面，其涂装要求耐久性为30年。 (2)钢箱梁内表面钢箱梁内表面系指除箱内所有部分，该部分处于封闭环境中，由于采用抽湿系统，箱内相对湿度小于45%。因此，防腐涂装要求可低于钢箱梁外表面。U形加劲肋在与桥面焊接前，其内侧应完成涂装。压重区段钢箱梁底板及U型加劲肋附近区域干空气流动不顺畅，相对湿度如难以保证在50%以下，则该区段底板及U型加劲肋外表面采用与外表面相同的漆，但不涂面漆。 (3)钢箱梁桥面车行道及检修道铺装部分的涂装 该部分涂装应根据桥面铺装专题研究结果而定。 (4)护栏、栏杆、路缘石与路灯灯柱 栏杆包括行车道系防撞护拦和检修道护栏，涂装的耐久性要求为25年。七、钢箱梁的架设1.钢箱梁划分及吊重根据桥位自然条件、架设时间安排、运输设备、起吊设备等因素，将钢箱梁划分为AN共14种类型87段。其中标准梁段分为1种类型共52段，梁段长15m，吊装重量约为206吨；零号块分为4种类型共14段，其长度为7m、7.25m、7.5m，吊装重量A梁段约为147吨、B梁段约为106吨、C梁段约为118吨；辅助跨梁段分为4种类型共12段，其长度为7.5m，吊装重量分别为132吨、124吨、105吨；边跨合拢段长度15.0米，吊装重量约为206吨；端梁段1种类型共2段，其长度为6.0m ，吊装重量约为111吨；边跨在排架上拼装的梁段分为3种类型共6段，吊装重量分别为113吨、129吨、116吨。中跨合拢梁段1种类型共1段，共长度视合拢时的具体情况确定，吊装重量约为121吨。2.钢箱梁架设顺序(1) 辅助跨施工 a钢箱梁架设：在辅助墩及主、引桥过渡墩间架设支承钢箱梁用支架。 边跨压重铺设：一侧边跨压重重量为960吨，分两次铺设。A11、J11号斜拉索架设张拉完成后进行第一次压重铺设，重量约为750吨。剩余210吨压重与桥面铺装同时铺设。 b.主跨及边跨上部构造施工 索塔中塔柱施工的同时，于索塔下横梁处拼装零号块主梁施工用托架；利用浮吊起吊已在工厂完成的零号块A、B、C、D各梁段并在托架上焊接梁间接头，焊接完成后张拉第一对斜拉索，张拉到位后利用浮吊起吊主梁吊机散件并在梁上拼装完成。此后开始对称吊装15m的标准梁段，其标准施工工序见上图：重复以上施工工序，直至第十一号索对应梁段吊装。 (2)主梁合拢段施工 a.边跨合拢：待J11号斜拉索第一次张拉完后，将主梁吊机前移就位，起吊边跨合拢段，精确定位后，将已焊接为一体的辅助跨向江侧顶推适当距离(不大于550mm)，焊接合拢。 b.主跨跨中合拢：待J16号斜拉索第一次张拉完后，将主梁吊机前移，就位后，对梁端位移进行24或48小时测量，根据测量结果确定驳船就位、合拢段吊装及连接时间，以顺利合拢。3.钢箱梁梁段间连接钢箱梁梁段间工地连接除顶板U肋采用栓接外，其余部分采用焊接，主梁线型主要采用调节梁上、下盖板张口大小来实现。当该调节方法不能满足要求时，需对梁端面进行必要的处理。主梁腹板及纵隔板工地连续均为立焊，要求有经验的高级焊工施焊，以确保焊缝质量。特别是主梁腹板焊缝质量，要求与车间焊缝相同。4.钢箱梁架设注意事项 (1)施工中各梁段端部标高的确定必段在日出之前进行。梁端部标高确定之后，应迅速将临时匹配件连接起来。然后进行接缝施焊工作。原则上要求所有焊缝质量检查合格后，方可第一次张拉斜拉索，张拉到位后可放松吊机，并前移之。 (2)施工控制的原则是以标高和斜拉索索力双控。各施工控制节段的标高误差纵向不宜大于10mm；横向相对误差不宜大于5mm。各施工控制节段的斜拉索索力误差纵向不宜大于张拉值的2.5%；横向相对误差不宜大于2%。当实测值与设计值相差较大时，应查明原因，再确定补救办法。 (3)所有张拉斜