畅谈高性价比的钢结构桥梁的制作1.doc

畅谈高性价比的钢结构桥梁的制作摘要: 桥梁设计的前期工作应包括：与制造商、承办商或顾问的合作。在这里，本文作者施拉格先生讨论了钢结构桥梁的设计与约150英尺以内跨度的一般准则。全文: 高性能钢材，让设计师和工程师在建立钢桥时有了新的选择。不久前，桥梁设计者通过降低用钢量或用低级别钢来减少桥梁的成本。但今天，钢的主要的成本因素通常不会是劳动量的多少。所以，往往是因为简化的制造和安装使得现在的桥梁设计达到了较低的成本 桥梁设计前期工作应包括：与制造商和承办商或顾问的合作。例如，在美国钢桥联盟，匹兹堡，就提供了设计审查服务，并会给出一定的建议来降低成本。在许多情况下，设计人员可以通过使用较厚，高性能，或耐腐蚀钢来最大限度地减少劳动力。想要做到显著的节省，可以简化横撑架的细节，或是设计无缝的桥梁，使用整体基，都可以起到这样的效果。此外，在设计上应该给制造商提供一定的选择。图示的这些降低成本提高效益的样品框架的设计是由张量工程公司开发的。加强筋（具有相同的布局和标记）显示出顶部良好的跨框架设计。我们可以看到底部一个廉价的横撑架仅有4块。这里,只在一侧焊接而且增加了水平支撑的规模。可以用装配架和流水线生产相同的横向框架的方式来降低制造成本。 本文介绍了钢桥梁的设计与150英尺及150英尺以下的一般跨度准则。这一类桥梁要占到整体的约90。为了避免道路交叉口或穿越水道，大多数为立交桥。制作者如何运作 这一类的钢桥设计通常采用板梁，箱梁，或轧制梁。板梁由一个垂直的钢板，所谓的网格，具有水平凸缘焊接顶部和底部。箱梁一般有两个垂直腹板，每一个都有焊接上凸缘，一个大常见的下翼缘连接两个网。主要用于短跨度时，将钢轧辊的腹板和凸缘作为一体的整体件轧制型钢。 其他制造业务包括跨帧（隔膜）的装配，焊接加强筋的网络，为连接加强筋穿过框架或钢梁拼接现场打钻孔，涂料和喷漆。网络关键位置由加强筋加强。在施工期间，它们也可以作为横向将连接到梁的横撑架的连接点。制造者通常在喷漆之前，对钢材进行喷砂氧化皮处理。这一点也同样适用于镇静钢，这样自然涂层呈现出一种统一的外观。 要凸缘牢记的长度和宽度，制作者要求钢板在焊接和切割之前，必须满足是凸缘宽度的倍数。例如，如果一个桥有五个板梁顶部凸缘，每个是1英寸厚和14英寸宽，加工商就要求板的尺寸至少是514英寸，甚至再多一些，这其中包括一定的棱角和削减浪费。 腹板，最高达5英寸厚，也必须为矩形，并且切割成一定的尺寸，包括轻微的隆起或曲线，称为外倾角，以抵消由于桥的自重和活荷载引起的偏转。最大弧可能只有几英寸以上的范围的长度。如果网格是60英寸深,制造师通常会将其做成是66英寸宽，因为要包含一些外倾角和浪费。然后,他将想方设法至少在两个网中做出一块板。因此，制造商常常会要求板块长度超过100英尺。法兰板厚,必须要求在较短的长度。 制造商通常会通过铁路或船舶成品收到钢铁，之后在用卡车将钢材运送到工地现场。经过双方认可的和护送所需的任何费用都将由货运公司自己进行处理。（一些大型加工厂拥有自己的货运业务。）如运送超过125英尺特别长梁，卡车可能会需要在原有的基础上加一个可操纵的平台车。权衡所有的变量若想使劳动量最少、劳动最密集的方法就是，使每一块保持翼缘宽度不变。若想满足强度的要求，凸缘的厚度或钢材的级别可以做适当的改变。如果制造者想制作三个的板块，但它们的宽度相等，那么他只需要将两个板对焊做一个长板。举个例子，假设有一个5跨的梁桥，那么他就可以从其中的某一个板上削减5个凸缘即可。在另一方面，在五个凸缘中可能有两个或三个的宽度是可变的，这就需要制作者来处理，并准备多达15个单独的板块，包括燃烧，以及在燃烧过程中逐渐变细。加工商将不得不临时制作了五个独立的凸缘组件，附加20个径流片，将这些焊接和磨碎在任意10个部位，并取出再磨碎20径流片。整体转让桥墩连续梁扩张运动的基础，是消除昂贵的轴承。在可能的情况下，一定宽度范围内的凸缘是最经济的，因为它需要最少的劳动力。可变宽度凸缘会导致凸缘组件的劳动力增加35以上。大多数国家规范要求在每个码头和主梁的最小区间之间至少要有横撑架。从施工性的角度来说，一些研究表明，桥面很到位的情况下，跨框架是不必要的。相对薄的梁腹板有时需要通过横向加强筋和纵向加强筋来起到加强的作用。为了充分利用所使用的材料，横撑架通常附着在横向加强筋。然而,横撑架非常昂贵,售价从600美元到1200美元不等。但是，横撑架只占结构重量的10左右，以至于设计师对他们经常不够重视。根据在佛罗里达州的印度港沙滩的张量工程有限公司的总裁沃尔特加蒂先生的说法，一些精细的材料，如需要很大量的工作才能制作完成的横撑架的每磅的制造成本是大梁的每磅的制造成本的6倍甚至还多。而且，对于一些更为复杂的设计，这些成本还要远远高的多。例如,非矩形件需要手动布局。这是非常必要的，为了确保每一片的孔和另一块的洞相匹配。设计者可以通过保持平行来大大简化中间横撑架的制作，从而避免主梁倾斜或主梁耀斑。制作者可以使用流水线生产的工装方式，来达到做出相同的框架设计的效果。以这种方式生产横撑架是不太可能产生错误的。另外，制作者不必跟踪并标记各个部分对应的具体的某个梁的特殊位点。简而言之,最经济的横撑架很少有几个组件、几个洞或是有相同的设置。设计者应给制造者提供定位范围，而不是指定的加强筋与横撑架的确切位置一旦出现意外，横撑架在一个位置的接头或其它物体的位置下降，制作者也可以重新安装横撑架。此外，最好将现场拼接的数量和位置直接交给制造商自己决定。以方便制造商基于具体交通情况作出合理的安排。对于短跨，减少横向加强筋的网格厚度也是设计人员可以提供制造者的建议。当然，每个网格加强筋都会带来一定的劳动力增加。并且，不可以消除用于连接到横撑架的加强筋。需要的制造车间的数量和相应的工地现场的处理也是会对钢桥的生产成本产生重大的影响。也可以通过增加它们之间的间距或减小主梁的数量，来达到降低整体制造和安装成本的目的。除了之外，减少了一个梁不仅可以降低材料成本，还可减少一排横撑架和一组顶部和底部凸缘的焊接。伯利恒钢铁公司在1994年发表的一份技术公告中，进行了一项研究，为梁比较不同跨度五梁桥和四梁桥的相对成本。研究了两个案例：一个是1个梁跨度是120英尺的跨度和4个梁间距是225英尺的五孔桥，另外一个是5个梁间距都是275的五孔桥的桥梁结构。这项研究表明，在所研究的每一份案例中，较宽的梁间距会节约约10的成本。技术革新玻璃钢复合材料改造钢结构桥构件。传统的改造方法是将这些构件通过螺栓或焊接钢板来修复腐蚀的钢构件。但是,这个方法存在许多缺点，例如：(1)整个的过程需要很大的劳动量而且非常费时；(2)它需要钻井和大量的拼接重叠部分；(3)不可避免的中断交通，而且时间还不能确定长短；（4)焊缝的疲劳可能会导致盖板端部开裂；（5）增加了部件的重量，这可能会导致更多的缺陷的部件和变形量的增加。用于改装腐蚀的钢构件与FRP材料的主要的思路，是加强这些部件与附着在钢表面的环氧膏层压板。这种方法有许多优点，如：（1）它操作相当容易和现场实施起来也非常简单；（2）最低限制的交通中断；（3）结构耐用（ Nouredine ， 1996）；（4）它可以让刚度和腐蚀的构件负载能力不显著超过初始重量的全面复苏（ Nouredine ， 1996）。这些优点通常可以抵消FRP材料相关的初始成本。整体式桥台桥梁因为整体式桥台桥梁可以很好的节约成本，越来越多的桥梁业主选择这种结构从而取代传统的桥梁连接。他们降低了初始建设成本和长期维护费用，提高抗震性，并延长长期可维护性。自20世纪70年代中后期开始，纽约开始出现这种结构变化十分多样的整体式桥台桥梁，其表现良好。北美开展了一项专项调查，为进一步改善纽约的设计实践，对比两个子结构的设计和上部结构施工的不同。在所有39个州和加拿大各省，其中包括8个从来没有接触过这种桥梁结构的实验单位。总而言之，因没有统一的国家标准要求桥梁的设计，就整体式桥台桥梁较之传统的桥梁来说，几乎一样甚至于更好。对于热运动，土压力和桩的设计值这三项的极限的假设和实践在不同响应机构之间有很大的不同。这些取值主要基于过去的经验。为了确保有效和可靠的设计，这些假设的有效性需要调查测试和分析。 由于热应变，桥梁结构会产生膨胀和收缩。此外，徐变和收缩也会产生结构的变化。传统上，设置伸缩缝、滚动支座以及伸胀轴承等构件来消除这些膨胀和收缩。桥梁开发者从过去的经验中发现，伸胀轴承不仅有着昂贵的安装费用，并且需要定期的维护。并且，这些作为桥梁黄金地段的上部结构和下部之间的连接部位，也会因为桥面板泄漏的除冰化学品造成的污染，从而恶化。在经过广泛的文献综述和调查，沃尔德 - Tinsae和克林格（1987）发现，在公路桥梁使用寿命范围内的各个阶段，即：设计、建造和维护过程，伸缩缝都具有负面经济影响。这些在很大程度上地缩短了结构的使用寿命的问题，尽管花费人力、物力和财力也没能解决。整体式桥台桥梁或整体式桥梁，作为一个具有降低成本提高效益的替代方案，越来越受到桥梁业主的欢迎，这种结构一般指的是单跨或封顶桩桩式桥台（1990伯克）连续无缝的结构续无缝的多跨结构。这些桥与常规的结构相比具有很多优点，目前，美国有30多个各州、加拿大各省和欧洲大陆都在使用（布罗姆斯和Ingelson 1972；伯克1990）。整体式桥的好处主要包括：减少初始成本和长期维护费用；不需要昂贵的伸缩缝和轴承；减少除冰化学产品带来恶化；减少冲击负荷；改善乘车质量；施工简单程序；减少下部结构成本；以及增大结构抵抗地震能力和过载的连续性。很多州已经开始加大在这一领域的研究力度，当然，州和州之间的研究结果略有不同。镇静钢和高性能不锈钢 使用镇静钢，会在一定程度上降低桥梁的初始和生命周期成本。镇静钢成本比同强度的非镇静钢稍微高出一些。但是，非镇静钢在使用中需要粉刷，而这一项费用则超过镇静钢的成本与非镇静钢的成本差价。在此基础上，镇静钢并不需要日后的重新喷漆，能有效的减少日后的维护费用。 自1964年以来建成的桥梁，就可以看到镇静钢的身影了。全美国的条条马路中，有超过3000镇静钢桥梁闪烁着光芒。在美国和波多黎各，美国钢铁协会（AISI）从1963年起到1995年止，对这些钢桥的研究从未间断过。AISI通过研究镇静钢的性能，并得出结论：“除了大都市底特律以外，无涂层镇静钢桥梁在美国和波多黎各，都表现出了良好的性能。” AISI猜测，密歇根之所以会出现这样的结果，是因为频繁的使用盐和除冰的化学物质的混合物。除此之外，美国钢铁协会（AISI）也声明过对不良桥面或不受控制的桥面排水，特别是靠近桥梁接缝处的不良排水的一些担忧。然而，AISI在1995年的报告中指出，无接缝的桥和制作质量精细的桥，可以不必担心排水方面的问题。许多桥梁设计者已经欣然接受了无缝桥梁与整体无缝线路的概念，从而取代了昂贵的轴承设计细节。然而与几年前的初次登台的桥梁的高性能钢70 KSI（千磅每平方英寸）的等级评定相比，高性能钢100 KSI等级评定则是走在了申请的风口浪尖上。这些钢不仅在具有更高的强度和韧性的同时，还更加兼具了经过改进后的耐用性和可焊性。截至2003年4月，在美国不同的31个州内，共有超过约180高性能钢桥梁处长设计和建设的各个阶段上。马萨诸塞州就正在规划建设33座高性能钢桥梁。内布拉斯加州正在建设一个由100 KSI钢主要构成的试验性桥梁。在全国范围内，大约已经有45座高性能钢的桥梁开始发挥重要作用。总体来看，高性能钢已经证明了其降低成本并且提高生产力建设钢结构桥梁的能力。相比于传统的桥梁设计材料，70 KSI级更是节约了高达18的成本和减轻了28的重量。然而，通常，在材料的节省上也是较为温和的。这种钢具有很高的强度，较高的重量比，再加上的焊接性优良，非常有利于在混合梁中使用。即高性能钢可以在部分为高应力区域，而其他地方为低强度区域的混合梁中使用。桥梁钢结构重量的减轻，使得设备更加便于处理，这一点使得招标的大门向更多的建造者和制造商敞开了。这种结构重量的减轻已经在众多桥梁的建设中得以实现，如田纳西州的马丁的溪桥，在内布拉斯加州南部的Springview桥，在匹兹堡附近福特城桥。 国家公路和运输官员的美国协会已经做出了行之有效的钢结构设计规范，并使得调整代码以适应高强度钢。新的形状通过优化,旨在取代常规的箱型和工字型梁的形状,将进一步实现这些钢的高强度和焊接性所带来的全部利益。附注： 施拉格先生是在国家钢桥联盟一个区域总监，其总部设在林肯，内布拉斯加州的NSBA总部设在芝加哥。你可以访问他们的网站。主题：指引；钢；桥梁；设计;；标题：畅谈高性价比的钢结构桥梁的制作作者：施拉格，卡尔文 出版物名称：公共工程 卷：134 期：13 页：44-47 页数：4 出版年份：2003年 出版日期：2003年12月 年份：2003 章节：桥梁设