金沙江特大桥钢桁加劲梁设计关键技术.pdf

桥梁建设2023年第53卷第S1期(总第283期)Bridg e Co nst ruc t io n,Vo l.53,No.SI,2023(To t al l y No.283)69文章编号：1003-4722(2023)Sl-0069-07DOI：10.20051/j.issn.1003-4722.2023.SI.010金沙江特大桥钢桁加劲梁设计关键技术丁德豪，刘新华(中交第二公胳勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056)摘要：四川沿江高速金沙江特大桥设计采用单跨1 060 m简支钢桁加劲梁悬索桥，主缆中心 距27.5 m,垂跨比1/9,吊索标准间距15 m。针对钢桁梁的立面布置、主横桁平联形式、桁架各杆 件截面形式等，从结构受力、施工便利性及经济性等方面进行对比分析，最终确定大桥采用7.5 m 桁高带竖杆华伦式K形平联钢桁架结构，栓焊结合连接方式，主孩杆及平联采用箱形截面，其他杆 件采用H形截面；桥面系采用带小纵梁的密横梁体系正交异性钢桥面板，密横梁间距2.5 m.静、动力计算结果表明，钢桁梁强度、刚度均满足规范要求。设计采用的钢桁梁解决了桥址区运输、安 装困难的问题，用钢量小，经济性突出。关键词：悬索桥；钢桁梁；带竖杆华伦式桁架；K形平联；正交异性钢桥面板；小纵梁密横梁体 系；结构设计中图分类号：U44&25；U44&211 文献标志码：AKey Design Techniques for Steel-Truss Stiffening Girder of Jinshajiang River BridgeDING De-hao,LIU Xin-hua(CCCC Sec o nd Hig h way Co nsul t ant s Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina)Abstract:Th e Jinsh aj iang River Bridg e o f Yanj iang Ex p ressway in Sic h uan Pro vinc e,is a simp l y-sup p o rt ed susp ensio n bridg e wit h a main sp an o f 1 060 m.Th e st iffening g irder c o nsist s o f st eel t russes and h ang er c abl es are arrang ed o nl y in t h e main sp an,wit h a st andard sp ac ing o f 15 m.Th e t wo main c abl es are c ent er-t o-c ent er sp ac ed at 27.5 m and t h e sag-t o-sp an rat io reac h es 1/9.St udies were c o nduc t ed t o find o ut t h e mo st e任ec t ive el evat io n c o nfig urat io n o f t h e st eel-t russ st iffening g irder,fo rms o f main t ransverse t russ and bo t t o m l at eral brac ing,and t h e c ro sssec t io ns o f c o nst it uent members o f t h e t russes.Th e p ro p o sed so l ut io ns were c o mp ared fro m p ersp ec t ives o f mec h anic al p ro p ert y,c o nst ruc t abil it y and ec o no my.Final l y,t h e 7.5 m-deep Warren t russ wit h vert ic al st rut s and K-sh ap ed bo t t o m l at eral brac ing s was sel ec t ed.Th e main c h o rds and members o f bo t t o m l at eral brac ing s are al l o f bo x c ro ss-sec t io n,and t h e remaining members are o f H-sh ap ed c ro ss-sec t io n.Th e members o f t h e t russes were bo l t ed and wel t ed t o g et h er.Th e dec k sy st em c o nsist s o o rt h o t ro p ic st eel dec k p l at es sup p o rt ed o n st ring ers and dense fl o o r beams(sp ac ed at 2.5 m)Th e st at ic and dy namic c al c ul at io ns demo nst rat e t h at t h e st reng t h and rig idit y o f t h e st eel-t russ st iffening g irder meet t h e c o de req uirement s.Th e st eelt russ st iffening g irder suit s t h e bridg e sit e wel l,wh ic h fac il it at es t h e t ransp o rt at io n and erec t io n o f mat erial s and c o mp o nent s at bridg e sit e and c reat es a bal anc e o f st eel c o nsump t io n and ec o no my.Key words:susp ensio n bridg e;st eel t russ g irder;Warren t russ wit h vert ic al st rut s;K-sh ap ed l at eral brac ing；o rt h o t ro p ic st eel dec k p l at e;st ring ers and dense fl o o r beams sy st em；st ruc t ural desig n收稿日期收稿日期=2022-08-18基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB057701)Pro j ec t o f Nat io nal Key Fundament al Researc h Devel o p ment Pro g ram(Pro g ram 973)(2O15CBO577O1)作者简介：丁德豪，高级工程师,E-mail:1194817323q q.c o mo研究方向：大跨与新型桥梁结构设计。70桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)1概述金沙江特大桥为四川金阳至宁南段高速公路（沿江高速）巧家支线控制性工程，为跨越金沙江而 设。桥位处为典型的山间V形河谷，两岸地势陡 峭、地形复杂,桥面距离常水位线约150 m,峡谷风 效应明显询。大桥按双向4车道高速公路标准建 设，采用单跨1 060 m简支钢桁加劲梁悬索桥，主缆 跨度布置为（172+1 060+260）m（图1）,主缆中心 距27.5 m,垂跨比1/9,吊索标准间距15 m。桥塔 为门形框架结构，采用分离式承台+群桩基础，宁南 岸采用隧道锚，巧家岸采用重力式嵌岩锚。1 060 260图1金沙江特大桥立面布置Fig.1 Elevation View of Jinshajiang River Bridge桥位处河段为典型山区河流，不具备通航条件、且两岸道路也不具备大件运输条件，因此加劲梁推 荐采用钢桁梁。钢桁梁由钢桁架和桥面系组成。钢 桁架杆件类型多、空间关系复杂，杆件尺寸及空间关 系既相互制约又相互影响34,桥面系形式、传力体 系复杂多变，确定合理设计参数对保证钢桁梁的安 全性及经济性具有重要的作用。2钢桁架设计钢桁架由主桁、横联及平联组成。为使结构内 力合理分布，对钢桁架立面布置、主横桁形式、平联 形式、杆件截面形式及连接方式等进行研究。2.1立面布置钢桁架的立面布置应重点考虑桁架形式、桁高 和吊索间距旳。2.1.1桁架形式常用的钢桁架形式包括带竖杆华伦式、N形、K 形和菱形等（图2）,带竖杆华伦式桁架与其他3种 桁架布置形式相比,其主要优点为：主弦杆和腹板相 交的大节点数量少，加工制造简单;竖腹杆受力小，斜腹杆抗剪能力相当，对钢桁架承受吊索间局部荷 载的悬索桥适应性好。此外，国内外设计的千米级 悬索桥钢桁架基本以带竖杆华伦式桁架为主因图2常用的钢桁架立面布置形式Fig.2 Conventional Layouts of Steel Truss(Elevation View)此,金沙江特大桥钢桁架推荐采用带竖杆华伦式，吊 索锚固于三腹杆交汇部位上弦杆节点处。2.1.2桁高为确定合理的桁高，对国内外钢桁梁悬索桥桁 高进行调研。近年来国内建成的类似跨径钢桁梁悬 索桥桁高及相关设计参数见表1。国外大跨度钢桁 梁悬索桥桁高与主跨跨径关系见图3。由表1和图 3可知:桁高随主跨跨径的增加而增加，但跨径达到 千米级后,桁高较离散。of Suspension Bridge表1悬索桥钢桁梁桁高及相关设计参数Tab.1 Truss Depth and Other Related Design Parameters桥名桥跨布置/m垂跨比桁高An古习高速赤水河红军大桥单跨简支1 2001/9.67.0贵瓮高速清水河大桥单跨简支1 1301/10.07.0杭瑞高速洞庭湖二桥单跨简支1 4801/10.09.0大董高速大河特大桥3 跨连续 450+1 250+3501/9.57.5呼北高速白洋长江大桥单跨简支1 0001/9.07.514 r 11-10-9-s 8-a 7-定 6-5-彳-3-2 I I I I I I I400 600 800 1 000 1 200 1 400 1 600 1 800 2 000主跨跨径/m图3国外大跨度钢桁梁悬索桥桁高与主跨跨径关系 Fig.3 Relationship between Truss Depth and Main Span Length of Representative Long-Span Steel Truss Stiffening Girder Suspension Bridge基于调研成果，选择6.0,7.5,&0 m三种桁高 进行试算，结果见表2。由表2可知：随着桁高的增 加钢桁架竖向抗弯能力大幅提升，但材料用量也随 之增加;而桁高较小时，钢桁架抗弯能力有限，需要 金沙江特大桥钢桁加劲梁设计关键技术 丁德豪，刘新华71增加杆件的板厚以满足应力要求，经济性差。在综 合材料用量和竖向抗弯能力，以及保证钢桁架杆件 应力相当的前提下，最终确定该桥桁高采用较为合 理的7.5 m7 o表2不同桁高钢桁架抗弯惯性矩和用钢量 Tab.2 Moment of Inertia and Steel Consumption versus Varying Truss Depths桁高/m 抗弯惯性矩/X105 m4 用钢量/kg6.0 1.10 4567.5 2.404878.0 2.505022.1.3吊索间距吊索间距需要与桁高相匹配，又与节间长度存 在一定关系，实际桥梁中吊索间距一般取节间长度 的1或2倍聞。对国内外在建、已建钢桁梁悬索桥 进行统计分析，桁高与节间长度比值为0.771.66,大多集中在1.0左右，即斜腹杆的水平倾角为 37.658.9,考虑斜腹杆安装便利性和杆件利用 效率，金沙江特大桥推荐斜腹杆水平倾角采用45。,节间长度取7.5 m,吊索间距取15 m。2.2主横桁形式主横桁形式决定了横联的剪切刚度，而横联剪 切刚度对钢桁架的抗扭刚度又有很大的影响。由相 关学者的研究成果可知：当横联剪切刚度大于 105 N/mm时,截面的畸变效应可以忽略卩讪。常用的主横桁形式包括竖杆式、桁架式和带竖 杆华伦式等（图4）。竖杆式主横桁剪切刚度较小，可用于小跨度、桥面较窄的低等级公路桥;桁架式主 横桁剪切刚度最大,杆件连接复杂，往往用于受荷较 大的双层交通桥;对于山区单层公路悬索桥,主横桁 形式优先选择杆件利用效率高的带竖杆华伦式，该 形式构造简单，杆件标准化程度高，具有良好的剪切 刚度。考虑金沙江特大桥结构特点，最终推荐主横 桁采用剪切刚度适中的带竖杆华伦式。（a）竖杆式（b）桁架式（c）带竖杆华伦式图4常用主横桁密式Fig.4 Commonly-Used Forms of Main Transverse Truss2.3平联形式钢桁架的平联是抵抗扭转的重要构件,有助于 形成扭转性能良好的闭合截面。调研以往设计成 果，发现常用的钢桁架平联形式主要包括K形、X 形和菱形等（图5）,实际以K形平联应用最多。菱 形平联相当于跨单个节间的X形平联，由于单个节 点尺寸相比主桁横向间距较小，因此菱形平联的杆 件利用效率不高，且杆件数量繁杂，施工便利性明显 不如X形平联。（a）K形（b）X形（c）菱形图5常用平联形式Fig.5 Commonly-Used Forms of Lateral Bracing在平联杆件尺寸相同的情况下，采用X形平联 的钢桁架扭转刚度较采用K形平联时大幅提升，二 者平面内的抗剪刚度则相差不大;X形平联对截面 翘曲变形的约束更大，因为其能约束两侧弦杆的相 对纵向位移，而K形平联则几乎无此效果对于 钢桁架竖向抗弯能力，X形平联较K形平联大10%左右。实际工程中，并不需要平联杆件提供竖向抗 弯刚度。经综合比选，最终推荐金沙江特大桥钢桁 架采用布置形式简单、便于安装的K形平联。2.4杆件截面形式钢桁架由上弦杆、下弦杆、竖腹杆和斜腹杆组 成。上、下弦杆为主要受力杆件，承受弯扭耦合共同 作用,采用抗扭刚度较大的闭口箱形截面，且箱形截 面与腹杆、上（下）横梁及主横桁腹杆连接方便。钢桁架腹杆、下横梁、主横桁腹杆及平联等杆件 截面形式,主要从H形和箱形截面（图6）中选取。以压杆强轴稳定折减系数为评价指标，分析H形 和箱形截面的截面特性，结合钢桁架各构件受力特 点及杆件加工便利性、焊接工作量、后期维护等因 素，比选确定杆件截面形式。为保证2种截面的可 比性，假定:只针对H形截面强轴（即丫轴）作对 比，因H形截面弱轴方向仅1道腹板且位于截面对 称轴,而箱形截面为双腹板且分离对称轴，二者抗弯 惯性矩不具有可比性;保证2种截面形式的高度 以宽度&及腹板板厚g致;边界条件一致，即 二者绕丫轴杆件计算长度相同。依据材料力学截 面特性及稳定计算公式，杆件翼缘板厚度取12 40 mm,步长2 mm,计算杆件的截面面积和稳定折 减系数X。杆件稳定折减系数见图7。由图7可知：同等材料用量下，H形截面杆件 比箱形截面杆件稳定折减系数大，具有更好的稳定 性，这主要是由杆件类型及焊接工艺造成的杆件初72桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)hH形图6杆件截面形式Fig.6 Cross-Section of Truss Members12r10-H形截面杆件 亠箱形截面杆件614 16 18 20 22 24 26 28 3（）32 34 36 38 川）42 翼缘板序度/mm图7杆件稳定折减系数Fig.7 Stability Reduction Coefficient of Truss Members始缺陷不一致导致的。此外，通过增加翼缘板厚度 提高杆件稳定折减系数效果有限,2种截面杆件稳 定折减系数规律一致。基于上述分析结果,确定金 沙江特大桥主桁杆件截面形式选择基本原则：对面 外抗弯、抗扭刚度要求不高的杆件，以及交叉多、连 接复杂及后期检修困难的杆件优先选择H形截面；翼缘板宽厚比均应控制在合理范围之内卫。2.5杆件截面连接方式钢结构间可靠的连接方式主要包括焊接和高强 度螺栓连接两种，可结合钢桁梁具体构件、加工工 艺、安装条件等外部环境合理选择。焊接不需要额外的连接板,也不需要专门开孔，构造简单，节省钢材，容易实现工厂的自动化作业，生产效率高。此外，焊接截面无削弱，刚度较大，密 封性好。但是焊接容易致使焊接区域材质变脆，并 存在焊接残余应力，最终影响结构承载力、刚度及使 用性能。工地现场焊接容易受外部工作环境影响，施工质量不易控制。栓接是通过摩擦型高强度螺栓的预紧力使构件 板件之间产生很大的摩擦力，用于传递杆件间的内 力，由于采用较大的面积来传递力，有效缓解了螺栓 孔周边的应力集中，因而抗疲劳性能和接头刚度都 有保证，但是需要投入大量的拼接板,增加了钢材用 量和结构自重塚。金沙江特大桥为典型的山区桥梁，考虑运输能 力受限，钢结构在加工厂内完成标准杆件的制造，运 送至现场后,通过高强度螺栓进行连接较为合理，大 大减少了现场高空焊接量，降低了焊接质量不可控 的风险。由于上弦杆顶板和桥面板采用对接焊，故 上弦杆的顶板同样采用对接焊进行连接，其余均采 用高强度螺栓连接。3桥面系设计3.1桥面系结构形式钢桁梁桥面系可分为混凝土分离式和正交异性 钢桥面板整体式两种。相比混凝土分离式桥面系,正交异性钢桥面板重量轻，能降低主缆、桥塔和锚碇 规模,相比桥面板增加的钢材用量,总造价仍相对较 低;且在体系形成过程中能够精确控制桥面重量，有 利于成桥线形控制；同时对于山区桥梁，正交异性钢 桥面板具有运输便利、起吊重量轻、施工速度快等优 势词。因此金沙江特大桥钢桁梁桥面系推荐采用 正交异性钢桥面板整体式（图8）。图8钢桁梁正交异性钢桥面板标准节段Fig.8 Typical Segment of Steel Truss Overlaid with Orthotropic Steel Deck Plate3.2桥面系布置正交异性钢桥面板是由纵、横向相互垂直的加 劲肋连同桥面板共同承受车轮荷载的结构，布置形 式主要有纵横梁式和密横梁式迪。纵横梁式正交 异性钢桥面板在节点处设置大横梁，在节间设置若 干小横梁，但不与弦杆相连，另外在需要加劲的部位 布置若干纵梁，这样可以较为直接地分担桥面荷载,提高桥面板局部的竖向刚度，主要传力路径为:桥面 荷载钢桥面板纵梁一横梁一弦杆节点（路径 一）。密横梁式正交异性钢桥面板在纵横梁式的基 础上将节间小横梁与弦杆相连，并减小纵梁尺寸或 取消纵梁，主要传力路径为:桥面荷载一钢桥面板-小横梁*弦杆-弦杆节点（路径二）O金沙江特大桥钢桁加劲梁设计关键技术 丁德豪，刘新华73一般情况下，一个结构中同时存在且仅有上述2 条传力路径。通过优化结构尺寸，合理分配2条 传力路径的传力比，在保证应力满足规范要求的前提 下，用钢量最小是正交异性钢桥面板设计的关键诃。采用ANSYS软件建立2种类型桥面系三维有 限元模型，桥面板、U肋及纵横梁均采用Sh el l 63板 单元模拟，钢板厚、弹性模量取设计值。纵横梁体系 仅设置节间横梁、间距7.5 m,横桥向设置3道大纵 梁;密横梁体系除节间横梁外，对横梁进行加密，间 距2.5 m.分析2种类型桥面系传力路径规律，结 果见图9。由图9可知：正交异性钢桥面板结构中 钢桥面板传力比，不管是纵向还是横向均不到 10%。对于纵横梁体系,荷载沿U肋的传力比约为 25%,沿纵梁传至大横梁的传力比约为65%；荷载 沿路径一传力比为95%以上,沿路径二传力比不到 5%。对于密横梁体系，荷载沿U肋的传力比约为 60%,节间横梁的传力比约为30%；荷载沿路径一 传力比约为65%,沿路径二传力比约为35%。通过 传力路径的分析研究，最终推荐采用密横梁体系(b)卅锁飛伴杀图9桥面萦传力路径传力比Fig.9 Load Sharing Proportions of Different Load Transfer Paths in Deck System金沙江特大桥钢桁梁大横梁间距7.5 m,间距 相对较大，中间必须增设次横梁,次横梁道数结合桥 面板及纵向U肋应力水平进行设计。为充分发挥 U肋纵向传力能力，次横梁道数不宜过少；为避免 大横梁应力水平过高，次横梁刚度不宜过小,可采用 与大横梁相同的断面形式。最终确定次横梁间距 2.5 m,截面尺寸同大横梁。为保证桥面结构具有 足够的刚度，设置3道小纵梁,位于主横桁的竖腹杆 及桥中心位置。4结构静、动力分析采用MIDAS Civil软件建立主桥空间有限元模 型，主缆与桥塔之间的连接采用主从节点模拟;支座 采用弹性连接模拟;桥塔桩基根据桩土作用按节点弹 性支撑模拟;主缆端部设固结约束。钢桁架各杆件采 用梁单元模拟，桥面系采用板单元模拟。依据公路 桥涵设计通用规范MJTG D60-2015)，结合桥址区建 设条件确定计算荷载。钢桁梁采用Q355D低合金高 强度结构钢。标准段钢桁梁模型见图10.图10标准段钢桁梁模型Fig.10 Model of Steel Truss in Typical Segment钢桁梁各杆件验算结果见表3,成桥状态自振 特性见表4。由表3、表4可知：钢桁梁各杆件强度 及稳定性均满足规范要求，且各杆件安全度较均匀，进一步说明钢桁梁杆件空间布置及尺寸取值较合 理;成桥状态结构整体稳定系数2&34,满足规范 要求;钢桁梁宽跨比仅1/41,因此大桥一阶振型为 钢桁梁横弯，且周期大，有利于结构抗震。5结语四川沿江高速金沙江特大桥采用单跨1 060 m 简支钢桁加劲梁悬索桥，主缆跨径布置为(172+1 060+260)m,主缆中心距27.5 m,垂跨比1/9,吊 索标准间距15 m.通过设计研究，金沙江特大桥采 用7.5 m桁髙、带竖杆华伦式钢桁架、K形平联结 构，杆件间采用栓焊结合连接方式，解决了桥址区主 梁节段运输、安装困难的问题;通过对桥面系布置方 式进行研究，该桥采用一种带小纵梁的密横梁体系74桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)基本组合应力/MPa 强度设计值/MPa表3钢桁梁各杆件验算结果Tab.3 Checking Results of Steel Truss Members拉应力压应力轴压应力抗拉、抗压受压稳定上弦杆168203161270242下弦杆251222178270240直腹杆8615078270187斜腹杆15113592270173主横桁直腹杆7614664270187主横桁斜腹杆198298270115横梁16611867270156平联14313496270151上横梁9012136270次横梁17822169270小纵梁16011087270表4成桥状态自振特性Tab.4 Natural Vibration Characteristics of Completed Bridge振型阶数自振频率/Hz自振周期/s振型主要特性10.060 86616.429 582钢桁梁一阶对称横弯20.106 9539.349 931钢桁梁一阶反对称竖弯30.158 0666.326 469钢桁梁一阶对称竖弯40.175 4495.699 669钢桁梁一阶反对称横弯50.215 1804.647 263钢桁梁二阶对称竖弯60.258 4773.868 810钢桁梁二阶反对称竖弯70.272 3313.671 999主缆反向对称横摆80.283 0253.533 260主缆同向对称横摆90.293 4843.407 341主缆反向反对称横摆100.294 5633.394 864主缆同向反对称横摆正交异性钢桥面板结构形式，优化了常规正交异性 钢桥面板纵横梁空间布置。设计采用的钢桁梁用钢 量487 kg/m2,用钢量小,经济性突出。金沙江特大桥2021年5月开工建设，计划 2024年底建成通车。参考文献(References):1 JTGD642015,公路钢结构桥梁设计规范S.(JTG D64-2015,Sp ec ific at io ns fo r Desig n o f Hig h way St eel Bridg et s.)2 JTG D60-2015,公路桥涵设计通用规范S(JTG D60-2015,General Sp ec ific at io ns fo r Desig n o f Hig h way Bridg es and Cul vert sS.)3 苏国明.杭绍台铁路椒江特大桥主桥钢桁梁设计口.桥梁建设,2018,48(6):99-103.(SU Guo-ming.Desig n o f St eel Truss Girder o f Main Bridg e o f Jiao j iang Bridg e o n Hang zh o u-Sh ao x ing-Taizh o u Rail way.Bridg e Co nst ruc t io n,2018,48(6):99-103.in Ch inese)4徐 伟,李松林，胡文军.大跨度铁路悬索桥钢桁加劲 梁设计J桥梁建设,2021,51(2):10-17.(XU Wei,LI So ng-l in,HU Wen-j un.Desig n o f Truss St iffening Girder o f a Lo ng-Sp an Rail way Susp ensio n Bridg eJ,Bridg e Co nst ruc t io n,2021,51(2):10-17.in Ch inese)：5李永庆，樊冰冰,冯云成，等.贵黄高速阳宝山大桥超 宽钢桁梁设计J世界桥梁,2021,49(6)=1-7.(LI 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