大跨度铁路钢桥

大跨度铁路钢桥设计及关键建造技术1.大跨度铁路钢桥工程实例2.大跨度铁路钢桥技术特点3.材料与结构的关键技术4.钢桁梁斜拉桥的技术创新5.钢拱桥建造关键技术6.设计施工中几个值得注意的案例主要内容1.大跨度铁路桥梁工程实例日本岩石岛与柜石岛大桥，主跨420m钢桁梁斜拉桥，建于1980’年代丹麦厄勒海峡大桥，主跨490m钢桁梁斜拉桥，建于1990’年代芜湖长江大桥，主跨312m钢桁梁矮塔斜拉桥，2000年建成通车武汉天兴洲长江大桥，主跨504m钢桁梁斜拉桥，2009年建成通车安庆长江大桥，主跨560m钢桁梁斜拉桥，2013年建成主梁横联处截面黄冈长江大桥，主跨567m钢桁梁斜拉桥，2013年建成铜陵长江大桥，主跨630m钢桁梁斜拉桥，2013年建成沪通长江大桥，主跨1092m钢桁梁斜拉桥，已开工建设蒙华铁路洞庭湖大桥，主跨2x406m钢桁梁三塔斜拉桥，已开工建设芜湖长江公铁二桥，主跨588m钢桁梁大小矮塔斜拉桥，计划年内开工丹麦-德国费马恩跨海大桥，主跨700m钢桁梁斜拉桥大胜关长江大桥，主跨2x336m双主跨三主桁钢桁拱桥，2011年建成通车南广铁路西江大桥，主跨450m钢箱拱桥，2013年建成印度ChenabBr.，主跨480m钢桁组合拱铁路桥，计划2009年完工，后担心结构的稳定与安全，计划有所推迟成贵铁路鸭池河大桥，主跨436m钢桁组合铁路拱桥，施工中成贵铁路金沙江大桥，主跨336m，施工中•公铁两用桥梁•五跨连续拱•固端钢箱拱钢桁结构的斜拉桥与拱桥，均是大跨度高速铁路桥梁合理的桥式方案2.高速铁路大跨度桥梁技术特点首先，列车安全、舒适运行要求大跨度桥梁具备足够的竖向、横向刚度铁路桥具有较为刚性的主梁铁路桥除了总体的体系刚度，还需要良好的铁路桥面局部刚度，因此主梁采用钢桁梁较多动力性能要求高其次，应尽可能选用阻尼大的结构并具有一定的参振质量，抑制桥上列车的振动响应。第三，桥上列车的振动响应与线路条件（尤其是轨道不平顺）有较大关系，因此也需要具备足够的桥面整体性。另外，列车运行对轨道匀顺性有较高的要求，梁端转角限值竖向转角≤2‰、水平转角≤1‰。结构措施1-采用桁梁或桁拱以获得较好竖向刚度斜拉桥主梁采用钢桁梁，或主桥采用钢桁拱结构，以获得较好的竖向刚度。设置60-100m的端跨，提高体系刚度，以减小梁端转角。结构措施2-采用板桁组合结构取得良好的横向刚度桥面结构采用多横梁与纵梁、纵肋、弦杆结合的整体桥面结构，能较好地满足高速行车性能要求。结构措施3-采用整体正交异性钢板提高了桥面的平顺性高速铁路大跨度桥梁的关键技术新材料：高性能的高强度结构钢新结构：板桁组合结构，钢正交异性板整体桥面结构新的建造技术：钢桁梁斜拉桥及钢桁拱桥创新技术3.材料与结构方面的关键技术3.1高性能的高强度结构钢1．碳素结构钢：低碳钢强度低，高碳钢焊接性差2．低合金高强度结构钢:添加少量合金元素,提高强度、细化晶粒、改善性能3．高强钢丝和钢索材料:由优质碳素钢经过多次冷拔而成，抗拉强度1670-1960MPa，伸长率较低4%桥梁用结构钢GB714-2008ASTMA709-11EN10025-3:2004EN10025-4:2004EN10025-6:2004JISG3106-2008Q345qC、D50、50W、HPS50W[HPS345W]S355N、S355NLS355M、S355MLSM490A、SM490BSM490YA、YBQ370qC、D、ESM520B、SM520CQ420qC、D、ES420N、S420NLS420M、S420MLSM570Q460qC、D、EHPS70W[HPS485W]S460N、S460NLS460M、S460MLS460Q、S460QLS460QL1Q500qC、D、ES500Q、S500QLS500QL1Q550qC、D、ES550Q、S550QLS550QL1Q620qC、D、ES620Q、S620QLS620QL1Q690qC、D、EHPS100W[HPS690W]S690Q、S690QLS690QL1中国、美国、欧洲及日本桥梁用结构钢Q345-16Mnq为建造南京长江大桥，1960年代研制，运用于栓焊钢梁，但厚板效益严重。1990年代冶炼技术提高后，硫、磷含量可以得到控制，16Mnq也可用于全焊接结构。但受板条状的铁素体和珠光体组织的约束，质量等级只能达到D级钢的水平。Q370-14MnNbq1995年修建芜湖长江大桥，采用铌合金超纯净的冶金方法，研发运用了该钢种。具有优异的-40℃低温冲击韧性（Akv≥120J），弥补了厚板效应缺陷，保证了50mm厚钢板焊接性能。14MnNbq钢全面满足了大、中型桥梁建设的需要，在国内的大跨度桥梁中得到普遍运用。中国桥梁钢运用及发展Q420-15MnVNq、15MnVq（热轧+正火）15MnVNq强度高σs≥420Mpa，但由于采用加钒提高强度的方法，导致钢板低温韧性及焊接性能差，仅在栓接为主的桥梁上运用，且一直未能得到推广应用。Q420及以上级别桥梁钢，虽然在几个标准中都已经列入，实际没有对应的钢种，尤其质量等级高的高性能结构钢。Q420qE（TMCP或热机械轧制）超低碳针状铁素体组织高性能结构钢，良好焊接性能、优异的低温冲击韧性、高强度适应大线能量、高湿度与不预热的条件大桥设计院与武钢联合开发Q500qE为沪通桥研制开发高性能结构钢期待中Q345-16Mnq广泛使用Q370-14MnNbq广泛使用Q420-15MnVNq、15MnVq已经不再使用Q420qE可广泛使用还需要研制并得到验证的钢种Q460Q500（沪通桥研制中）Q550Q620Q690桥梁钢的发展方向•除Q370外，Q420及Q500也会成为桥梁的主力钢种；•近年来，在桥梁上运用高性能钢已经成为研究热点；•美国HPS-70W、HPS-100W钢和日本的SMA570W钢已经得到运用；•耐候钢成为了高性能钢的一个发展方向，逐步在桥梁上得到运用。GB1591-2010低合金高强结构钢√GB714-2008桥梁用结构钢结构钢√GB5313-2010厚度方向性能钢板结构钢√GB19879-2005建筑结构用钢板结构钢√GB4171-2008耐候结构钢GB16270-2009高强度结构用调质板结构钢的四个主要技术标准铁路桥梁钢设计规范关注一个钢种的哪些性能？•高的强度：抗拉强度Rm和屈服点Rel比较高；•良好的焊接性能：碳当量Ceq、焊接裂纹敏感性指数Pcm低，P、S含量低；•优异的防断性能：低温冲击韧性、纤维断面率适应低温及冲击荷载作用；•足够的变形能力：即塑性和韧性性能好，屈强比低；•抗层状撕裂性能：厚度方向性能好。Q420qE钢主要化学成分(熔炼分析,%)牌号CSiMnPSCuMoNbBQ420q(WNQ570)≤0.08≤0.50≤1.65≤0.020≤0.010≤0.50≤0.300.015～0.050≤0.0030注：为改善钢的性能，允许添加其它微量元素，但须保证Pcm值小于等于0.20。Q420qE钢板力学性能及冷弯性能要求牌号检测项目结果描述结果或测定值12～60mm最小最大Q420q(WNQ570)RelRmA纵向-40℃Akv1800弯曲试验MPaMPa%Jb=2a42057018120------------d=3a完好TMCPQ370qE钢主要化学成分(熔炼分析,%)牌号CSiMnPSTiNNbCEVQ370qE≤0.05-0.12≤0.50≤1.0-1.5≤0.020≤0.005≤0.008-0.018≤0.0060.015～0.050≤0.36注：为改善钢的性能，允许添加其它微量元素，但须保证Pcm值小于等于0.20。Q370qE钢板力学性能及冷弯性能要求牌号检测项目结果描述结果或测定值12～60mm最小最大Q370qERelRmA纵向-40℃Akv1800弯曲试验MPaMPa%Jb=2a37051020120------------d=3a完好TMCP断裂力学安全判据：结构材料所具有的断裂抗力必须高于结构物所承受的最高断裂驱动力KC≥KI断裂驱动力，以裂纹尖端应力场的应力强度因子KI来表达断裂抗力，用系列温度大板拉伸及冲击特征值表达ayKI8.114361663.4372645.0tTTWrEVWKIWKIelWcTTRK11733exp1928.0材料的韧性决定于三个条件：1工作应力；2环境温度；3构件板厚3.2板-桁结构结构板桁组合结构中桥面板作为主桁弦杆翼缘的一部分参与第一体系受力（结构的整体作用）桥面板参与主桁第一体系作用，提高承载能力、增大体系刚度桥面系参与主桁下弦杆第一体系作用的有效面积比在0.53至0.80（与下弦杆和桥面系的面积比RA有关）。0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.00.40.60.81.01.21.41.6下弦杆与桥面系的面积比RA桥面系的有效面积比α在多横梁的整体桥面结构中，传力途径：路径1（R1）：先纵向，后横向，即：桥面板-纵梁-节点大横梁-节点路径2（R2）：先横向，后纵向，即：桥面板-节间横梁-弦杆-节点20%25%30%35%40%45%50%55%60%65%70%0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.11.21.31.4R2I下/d（×10-2m3）Idx=3.37Idx=2.34路径2占65%，与桥面板连接的主桁弦杆承受节间荷载，为压弯或拉弯构件板桁组合结构研究国内七十年代于北江大桥开始，展开了板桁组合结构第一体系作用下桥面板有效翼缘宽度取值的研究，对受力特性的认识是清晰的。板桁结构为空间受力结构，空间作用效应明显，因此：1）结构整体性要求板桁连接采用焊接；2）纵横向的刚性连接，要求主桁、横梁等用材应具备良好的焊接性能与厚度方向性能；3）与桥面板连接的弦杆，由承受轴向力为主的构件变为承受压弯或拉弯，应按压弯或拉弯构件设计；多年来限于材料与制造技术，板桁组合结构进展不大。现在材料进步、制造水平提高，条件具备，主要需要解决板桁组合结构构造问题。组合结构板－桁节点构造德国高速铁路ICE下承式钢桁-钢桥面板结合桥节间长度5.2m，采用了开口截面弦杆，节点板穿过桥面板，焊缝过渡处设置圆孔，构造简单德国高速铁路ICE下承式钢桁-钢桥面板结合桥丹麦厄勒海峡大桥桥面钢箱梁、钢桁分别制造因整节段吊装，板桁可在工厂固定台座上组拼，组装精度可得到保障桥面板与下弦杆上翼缘对接横梁腹板与下弦杆横隔板对接日本新干线下弦杆和钢桥面板结合的低高度下承式钢桁桥下弦杆采用箱型杆件采用了节点板穿过下弦杆翼缘的方式长大跨桥梁特点1、箱型弦杆，不能设置焊缝过渡孔2、散件悬臂拼装，板桁在工地连接，隐蔽对接精度不能保证节点板与桥面板两者垂直相交，要解决好桥面板在节点板相交位置的连续过渡。四种解决方案.1）竖向拼接：板桁分别制造，然后在下弦杆内侧竖腹板两边对焊工地散件拼装时，十字焊承载板难于对齐。368040全熔透十字焊部分熔透十字焊2）板桁分别制造，竖向拼接，拼缝位于下弦杆的接头板处工地散件拼装时，桥面板与下弦杆接头板对接焊的位置易于保证，桥梁全长对接缝增加一条。3）水平拼接：桥面板连续，节点板分上下两块，在桥面板上下侧对焊节点范围反复拉力作用对接焊不可取。4）桥面板开槽，节点板上穿桥面板后周边熔透焊接制造难度大，工艺复杂。经过多方案的比选，采用桥面板开孔、节点板穿过围焊的方法。节点板上穿桥面板，制造工艺措施疲劳试验表明，疲劳允许应力纵向与横桥向可达到90、71Mpa。下弦杆连接焊缝全长范围内采用双侧焊缝横梁连接焊缝双侧部分熔深坡口焊缝3.3钢正交异性板整体桥面结构整体桥面结构型式比选采用明桥面的钢桁梁桥，由于枕木易于变形，轨道不能保持稳定的理想线形，通过改造，明桥面的钢桁梁仅可安全运行时速140～160km/h的客运列车。国外铁路桥钢桁梁桥面结构型式钢筋混凝土板－钢桁结合方案正交异性钢板－钢桁结合方案钢箱梁－钢桁结合方案车桥耦合振动计算表明：三种桥面