嘉魚長江公路大橋鋼箱梁設(shè)計(jì)

趙金霞， 白凱， 廖原

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

1 工程概況

嘉魚長江公路大橋位于湖北省南部,是武漢城市圈環(huán)線高速公路西環(huán)南段(咸寧至洪湖段)跨江工程。工程包括北岸引橋、主橋、南岸灘橋、南岸跨堤橋，全長4 660 m。主橋長1 650 m，主跨采用920 m單側(cè)混合梁斜拉橋(圖1)，跨徑布置為(70+85+72+73+920+330+100) m，采用半漂浮體系，北邊跨采用混凝土梁段，主跨及南邊跨采用鋼箱梁段，鋼-混凝土結(jié)合面設(shè)置在中跨距北塔中心線12.5 m處。斜拉索為空間雙索面，鋼箱梁段標(biāo)準(zhǔn)索距為15 m，混凝土梁段標(biāo)準(zhǔn)索距為9 m和14 m。橋塔采用鉆石形混凝土橋塔。主梁在各墩及索塔處設(shè)置豎向活動(dòng)支座，在交界墩及索塔處設(shè)置橫向支承；索塔處塔梁之間設(shè)有縱向液壓限位裝置，避免交界墩、輔助墩出現(xiàn)支座上拔力，在南邊跨輔助墩墩頂至交界墩122 m范圍內(nèi)鋼箱梁設(shè)置混凝土壓重。

主橋鋼梁全寬38.5 m(含風(fēng)嘴)，雙向六車道，設(shè)計(jì)行車速度為100 km/h；設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。

2 主梁鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 鋼箱梁結(jié)構(gòu)

鋼箱梁為單箱三室扁平流線形斷面(圖2)，底板水平，頂板設(shè)2%的雙向橫坡。箱梁全寬38.5 m，至索塔區(qū)縮小為36.5 m，鋼箱梁頂板頂緣至底板頂緣的高度為3.8 m，鋼混結(jié)合段箱梁外輪廓梁高3.825 m，鋼梁全長1 337.5 m。根據(jù)制造及架設(shè)需要，鋼梁共劃分為97個(gè)梁段15種類型，標(biāo)準(zhǔn)梁段長度為15 m，梁段最大吊裝質(zhì)量約為316.8 t。

圖1 嘉魚長江公路大橋主橋橋型布置圖(除標(biāo)高為m外,其余單位：m)

圖2 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：mm)

鋼箱梁主要由頂板、底板、斜底板、內(nèi)腹板、外腹板、橫隔板、索梁錨固構(gòu)造及風(fēng)嘴等組成，鋼梁采用全焊結(jié)構(gòu)。節(jié)段間現(xiàn)場(chǎng)連接方案為：鋼梁頂?shù)装搴透拱宀捎萌弁负高B接，底板及腹板上的縱肋通過設(shè)置嵌補(bǔ)段焊連；頂板縱肋采用M24高強(qiáng)度螺栓連接副等強(qiáng)栓接。斜拉索錨固于風(fēng)嘴處的外縱腹板上。鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)采用橋梁用結(jié)構(gòu)鋼Q345qD鋼，風(fēng)嘴等附屬結(jié)構(gòu)采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q235C鋼，鋼箱梁吊點(diǎn)、后錨點(diǎn)、臨時(shí)匹配件等采用Q345D鋼材；鋼箱梁外腹板(不含加勁板)采用抗層狀撕裂鋼材，即Z向鋼，符合GB/T 5313-2010《厚度方向性能鋼板》中的Z25級(jí)要求，并應(yīng)作超聲波探傷和Z向拉伸試驗(yàn)。

鋼箱梁頂板為正交異性板，頂板厚16～24 mm，塔根部和鋼混結(jié)合段處梁段板厚最大，不同厚度頂板拼接時(shí)應(yīng)保證板件上緣(箱外)齊平；頂板采用U肋和板肋加勁，U形加勁肋上口寬300 mm，下口寬180 mm，肋厚8～10 mm，肋中心間距為600 mm；為增加橋面板的剛度和抗疲勞性，為鋼橋面鋪裝創(chuàng)造較好的使用條件，順橋向頂板頂緣、U肋底緣應(yīng)齊平，U肋高度隨頂板厚度而變化，高度為292～300 mm。

底板分為斜底板和水平底板?？紤]主梁的受力特點(diǎn)，水平底板厚14～24 mm(鋼混結(jié)合段水平底板厚24 mm)；斜底板厚16～24 mm，塔根部梁段板厚22 mm，鋼混結(jié)合段處梁段板厚24 mm。不同板厚底板拼接應(yīng)保證板件上緣(箱內(nèi))齊平。底板U形加勁肋上口寬250 mm，下口寬400 mm，肋厚6～10 mm，肋高260 mm，U肋中心間距為800～830 mm。

內(nèi)腹板厚度根據(jù)受力大小而不同，除支座區(qū)、鋼混結(jié)合段處板厚為20 mm以上外，其余板厚為14～18 mm。內(nèi)腹板采用平板肋加勁。普通梁段，內(nèi)腹板及加勁于橫隔板處斷開并與之焊連，而在支座與阻尼器安裝處，內(nèi)腹板保持連續(xù)，橫隔板斷開。為便于梁內(nèi)檢修人員橫向通行，內(nèi)腹板設(shè)有橫向通行孔。

外腹板為斜拉索錨固結(jié)構(gòu)傳力構(gòu)件，根據(jù)索力傳遞及整體受力需要，近塔區(qū)梁段板厚采用36 mm，跨中區(qū)梁段板厚采用30 mm。外腹板內(nèi)側(cè)采用兩道板肋加勁，縱肋在拉索隔板處斷開并與隔板焊連，在其余隔板處開孔穿過。

鋼箱梁橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為3 m和2.75 m；非拉索處橫隔板一般厚12 mm，拉索吊點(diǎn)處一般為(20+14) mm，為改善橋面板疲勞性能，橫隔板上拼接板統(tǒng)一加厚為18 mm。根據(jù)受力和構(gòu)造要求，其他梁段的橫隔板在支座、臨時(shí)墩及阻尼器安裝處采用了不同板厚。橫隔板中間開設(shè)人孔，隔板采用板式縱橫向加勁肋。梁端隔板上設(shè)密封門，實(shí)現(xiàn)鋼箱梁內(nèi)部氣密防腐。

主橋鋼箱梁橋面鋪裝采用7 cm厚的雙層環(huán)氧瀝青混合料。橋面檢修道采用3 mm厚MMA(彩色甲基丙烯酸樹脂材料)。

鋼箱梁采用4點(diǎn)起吊、橋塔兩側(cè)懸臂拼裝的施工方案。

2.2 鋼-混凝土結(jié)合段構(gòu)造

鋼混結(jié)合段為斜拉橋主梁的關(guān)鍵構(gòu)造，采用帶格室的部分連接填充混凝土方案。鋼混結(jié)合段主要構(gòu)造如下：結(jié)合面深入主跨12.5 m，鋼混結(jié)合段總長5.3 m，其中鋼格室長度2.0 m，格室端部設(shè)置承壓鋼板，厚度為30 mm，鋼箱梁加強(qiáng)段長2.5 m。鋼箱梁加強(qiáng)段通過頂?shù)装錟肋中間設(shè)置T形縱肋的方式增大剛度，減小剛度突變，使力的傳遞更加勻順；鋼箱梁端部設(shè)置多格室結(jié)構(gòu)，綜合考慮應(yīng)力擴(kuò)散所需面積、格室內(nèi)焊接空間、預(yù)應(yīng)力筋施工空間、填充混凝土施工的方便性及構(gòu)件加工制作可行性等因素，鋼格室高度取0.8 m，標(biāo)準(zhǔn)寬度取1.2 m，格室內(nèi)填充C60微膨脹鋼纖維自密實(shí)混凝土，并通過設(shè)置于頂?shù)装宓暮羔敿案袷腋拱迳系拈_孔PBL剪力鍵傳遞內(nèi)力?；炷亮褐蓄A(yù)應(yīng)力延伸至鋼梁一側(cè)錨固于承壓板上，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，鋼混結(jié)合段主要構(gòu)造見圖3。

鋼混結(jié)合段施工需與之相接的混凝土梁段施工完成達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%并養(yǎng)生7 d后方可進(jìn)行，先將鋼混結(jié)合段吊上支架，準(zhǔn)確定位，然后澆筑結(jié)合段混凝土。

圖3 鋼混結(jié)合段主要構(gòu)造(單位：mm)

2.3 壓重構(gòu)造

在南邊跨輔助墩墩頂至交界墩122 m范圍內(nèi)鋼箱梁設(shè)置混凝土壓重，以避免交界墩、輔助墩出現(xiàn)支座上拔力。壓重材料為現(xiàn)澆C20混凝土，密度要求達(dá)到2.45 t/m3，現(xiàn)澆于箱梁底板的壓重槽內(nèi)，壓重槽由縱橫擋板圍焊而成，縱向擋板設(shè)置于底板兩道縱肋之間，為保證箱梁內(nèi)部的涂裝及焊接要求，橫向擋板距橫隔板0.5 m。壓重混凝土分為兩層現(xiàn)澆,底層高度100 mm，底層現(xiàn)澆混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的70%后再澆筑第2層。

2.4 鋼結(jié)構(gòu)防腐

鋼箱梁采用多種防腐措施以提高結(jié)構(gòu)的耐久性。鋼箱梁外表面(不含鋼橋面)噴砂處理后，依次進(jìn)行電弧噴鋁(總膜厚不小于200 μm)，環(huán)氧封閉漆1道、環(huán)氧云鐵中間漆1道、聚氨酯面漆2道，總膜厚360 μm。鋼箱梁內(nèi)部涂層方案是在箱梁內(nèi)部安裝除濕系統(tǒng)的前提下確定的，內(nèi)表面噴砂處理后，依次噴涂環(huán)氧富鋅底漆2道、環(huán)氧厚漿漆2道，總膜厚240 μm。鋼橋面應(yīng)在節(jié)段焊接工作完成后，對(duì)工序間防銹的車間底漆進(jìn)行拉毛處理，銹蝕部位進(jìn)行除銹補(bǔ)涂車間底漆，再涂裝臨時(shí)性防護(hù)漆(環(huán)氧鐵紅防銹漆)。進(jìn)行橋面鋪裝前，對(duì)鋼橋面采用自動(dòng)無塵拋丸機(jī)拋丸處理，再噴涂環(huán)氧富鋅底漆2道，總膜厚80 μm。高強(qiáng)螺栓拼接摩擦面：表面處理Sa3.0級(jí)后火焰噴鋁160 μm，其表面抗滑移系數(shù)應(yīng)不小于0.55，工地施擰前還應(yīng)復(fù)驗(yàn)，不小于0.45。高強(qiáng)度螺栓施擰完畢，噴鋁面應(yīng)及時(shí)封孔，剩余防腐蝕涂層按鋼箱梁外表面涂裝方案執(zhí)行。

3 鋼箱梁正交異性橋面板構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

鋼箱梁正交異性橋面板主要由面板、縱肋(開口肋或閉口肋)、橫肋或橫梁等構(gòu)件焊接而成，焊接就不可避免存在焊接缺陷，成為結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，焊接缺陷在長期的汽車荷載反復(fù)作用下，容易導(dǎo)致疲勞開裂。到目前為止，鋼箱梁梁體產(chǎn)生的病害主要是由焊縫導(dǎo)致的疲勞開裂，主要集中在U肋與橫隔板連接部位、U肋與頂板連接部位、橫隔板與頂板連接部位以及橫隔板上下拼接板對(duì)接焊縫處。鋼橋面板的疲勞問題已成為影響大跨徑正交異性鋼橋面板耐久性的重要因素，因此有必要重視正交異性鋼橋面板的構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)以及制造裝配技術(shù)，以提高焊縫的抗疲勞性能。為此，該文主要介紹正交異性鋼橋面板U肋與頂板、橫隔板之間的組裝、焊接及細(xì)部處理等。

3.1 鋼橋面板與U肋焊縫改進(jìn)

橋面頂板厚度由傳統(tǒng)的14 mm及以下提高到16 mm以上，頂板U肋厚度提高到8、10 mm，板件厚度的提高可以有效改善橋面板的剛度及連接焊縫的抗疲勞性能。改變U肋與頂板焊縫的熔深或者連接焊縫由單面焊改為雙面焊，都可以有效改善焊縫的抗疲勞性能。研究表明：頂板與U肋焊縫熔透率由60%增加到100%(全熔透)，肋板焊趾、焊根熱點(diǎn)應(yīng)力降低約10%；若U肋與頂板由傳統(tǒng)的單面焊改為雙面焊，則焊縫斷面的最大應(yīng)力幅可減少19.1%，焊縫的最不利疲勞易開裂部位由單面焊時(shí)的焊根變?yōu)殡p面焊時(shí)的外側(cè)焊趾。目前，沌口長江公路大橋及福建沙埕灣跨海大橋主橋鋼箱梁頂板U肋焊縫在傳統(tǒng)單側(cè)坡口焊縫的基礎(chǔ)上增加內(nèi)側(cè)貼角焊縫；武穴長江公路大橋頂板U肋焊縫采用全自動(dòng)內(nèi)焊系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要求焊縫全熔透。經(jīng)綜合比較，為提高U肋和鋼橋面板連接部位的抗疲勞性能，U肋與頂板組裝間隙全長范圍內(nèi)不得大于0.5 mm， U肋與頂板焊縫采用全熔透、雙面自動(dòng)焊接成型工藝(U肋與頂板焊接接頭示意見圖4)。相比傳統(tǒng)焊接方式，采取先內(nèi)焊再外焊的焊接工藝，頂板抗疲勞性能大幅提高。

圖4 U肋與頂板焊接接頭示意(單位：mm)

在橋面板制造加工中，廣泛應(yīng)用多頭門式焊機(jī)+雙向反變形胎架、全自動(dòng)U肋內(nèi)焊系統(tǒng)等先進(jìn)設(shè)備，研發(fā)應(yīng)用了U肋與正交異性鋼橋面板之間的熔透型、雙面成型的T形焊接工藝，顯著提高了正交異性鋼橋面板的焊接質(zhì)量和疲勞性能，大幅提升了鋼箱梁整體焊接工藝水平。設(shè)計(jì)采用基于U肋內(nèi)焊技術(shù)的U肋免定位焊、裝配內(nèi)焊一體技術(shù)，取消了傳統(tǒng)的定位焊工序，一步完成現(xiàn)有的裝配、內(nèi)焊兩道工序，提高了生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量，降低了U肋板單元制造綜合成本。

U肋雙面焊制造工藝流程：U肋下料→U肋成型加工→U肋與面板在裝配機(jī)上進(jìn)行無馬裝配→裝配報(bào)檢→面板單元上U肋內(nèi)焊施工平臺(tái)定位裝夾固定→6臺(tái)U肋內(nèi)部角焊縫全自動(dòng)焊接機(jī)器人進(jìn)入板單元件U肋內(nèi)部，并行走至U肋另一端端部；完成對(duì)U肋內(nèi)焊槍軌跡及姿態(tài)的系統(tǒng)掃描→每臺(tái)焊接機(jī)器人有兩把焊槍；啟動(dòng)U肋內(nèi)焊系統(tǒng)，設(shè)備一次焊接完成全部U肋內(nèi)部雙側(cè)的角焊縫1→焊接過程中，通過焊接視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)反饋焊接過程質(zhì)量→通過監(jiān)控診斷系統(tǒng)了解運(yùn)行狀況和焊接質(zhì)量并記錄→U肋面板單元件轉(zhuǎn)船型焊工位完成U肋外側(cè)焊縫清理和施焊1′2′→板單元轉(zhuǎn)至待檢驗(yàn)區(qū)，焊后24 h對(duì)角焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)→根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)有缺陷區(qū)域進(jìn)行修補(bǔ)→U肋外部焊縫檢驗(yàn)→矯正→安裝K板→完工報(bào)檢→轉(zhuǎn)序。

U肋焊縫檢測(cè)：U肋內(nèi)側(cè)焊縫進(jìn)行100%視頻檢測(cè)和磁粉探傷，GB/T 26952-2011 2X級(jí)為合格；外側(cè)焊縫在焊后24 h按照焊縫條數(shù)的20%進(jìn)行相控陣檢測(cè)，檢測(cè)范圍為被抽檢焊縫兩側(cè)各1 000 mm，Ⅱ級(jí)為合格，并按照焊縫條數(shù)的100%進(jìn)行磁粉探傷，探傷范圍為焊縫兩端各1 000 mm，2X為合格。

3.2 U肋與橫隔板交叉部位構(gòu)造細(xì)節(jié)

為改善橋面板抗疲勞性能，橫隔板與頂板及U形加勁肋間的裝配間隙應(yīng)當(dāng)小于1.0 mm，橫隔板與頂板以及U肋之間采用雙面坡口角焊縫連接，焊縫應(yīng)從頂板連續(xù)施焊到U肋直至弧形缺口端部，在頂板與U肋的交接處80 mm范圍內(nèi)不得斷弧；橫隔板與U肋間的焊縫距離弧形缺口70 mm范圍在橫隔板上開5 mm的雙面坡口，并以1∶8平順過渡(即40 mm)，弧形缺口端部需圍焊，并打磨勻順，同時(shí)，橫隔板弧形缺口棱邊應(yīng)打磨成倒圓角，半徑大于2.0 mm，確?；⌒稳笨谶吘墑蝽?，不得出現(xiàn)凹凸不平(隔板弧形缺口構(gòu)造細(xì)節(jié)見圖5)，實(shí)際應(yīng)用表明，該弧形缺口構(gòu)造合理，使用可靠。

3.3 鋼橋面板節(jié)段間工地連接方式

為提高橋面板的抗疲勞性能，減少活載作用下梁段接頭處焊縫的彎矩，一般將鋼梁節(jié)段劃分線置于橫肋間距的L/4處；為避免仰焊，提高施工效率，節(jié)段間工地連接面板采用帶襯墊的單面焊雙面成型熔透焊接，縱向加勁肋采用M24高強(qiáng)度螺栓連接副栓接(鋼橋面板節(jié)段間工地連接構(gòu)造見圖6)。

為改善橋面板的抗疲勞性能，為橋面鋪裝創(chuàng)造良好的使用條件，設(shè)計(jì)規(guī)定橋面頂板縱橫向?qū)雍缚p需鏟除余高，修磨勻順。

圖5 隔板弧形缺口構(gòu)造細(xì)節(jié)(單位：mm)

圖6 鋼橋面板節(jié)段間工地連接構(gòu)造(單位：mm)

4 結(jié)語

嘉魚長江公路大橋主橋鋼箱梁設(shè)計(jì)充分考慮結(jié)構(gòu)耐久性及正交異性鋼橋面板的抗疲勞性能，對(duì)鋼箱梁構(gòu)造細(xì)節(jié)采取了較多的改進(jìn)措施，頂板厚度≥16 mm,橫隔板間距≤3 m,橫隔板上連接板厚度采用18 mm，橫隔板采用實(shí)腹式結(jié)構(gòu)，面板與U肋采用全熔透、雙面成型焊接工藝，對(duì)橫隔板與U肋交叉部位的弧形缺口構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，鋼橋面板現(xiàn)場(chǎng)拼接采用栓焊結(jié)合的連接方式，鋼箱梁采用長效防腐涂裝方案等，同時(shí)對(duì)鋼箱梁頂板縱橫向拼接焊縫提出了合理的焊接工藝要求，保證了鋼箱梁加工質(zhì)量，結(jié)構(gòu)耐久性得以提高。鋼箱梁節(jié)段采用4點(diǎn)起吊、橋塔兩側(cè)懸臂拼裝的施工方案。大橋于2019年12月順利建成通車，驗(yàn)收質(zhì)量優(yōu)良。