装配式公路钢桥在新疆水利水电工程中的应用

1装配式公路钢桥在**水利水电工程建设中的应用探讨李江克里木（**水利水电勘测设计研究院）［摘要］：装配式公路钢桥在各行业得到广泛的应用，尤其是在**已建和在建大中型水利水电工程前期施工中发挥了极其重要的作用，本文通过装配式公路钢桥在**水利水电工程中的应用，浅谈装配式钢桥特点、分类、选型、安装等问题。［关键词］：装配式钢桥、设计、应用前言装配式公路钢桥，自1965年定型生产以来，在我国得到了很大的发展，尤其是在军事运输、抢险救灾等应急交通保障中，发挥了突出的作用。由于该桥具有结构简单、各部件轻巧、互换性强和容易组装、拆卸等特点，深受广大用户的欢迎，并在国际上享有很高的声誉。自八十年代以来**先后兴建了多座大中型水利水电工程，如大山口水电站、托海水电站、乌鲁瓦提水利枢纽、QPQ综合利用水利枢纽、J1水电站、克孜尔水库等，并率先在J1水电站中应用了汽－60级HD200型装配式钢桥。由于大型水利枢纽及水电站多处深山峡谷，前期施工贯通两岸交通极为重要。**冬季时间较长，每年可利用的施工时间多在6～7个月，及时贯通峡谷两岸交通将为导流洞施工、河道截流、坝体初期填筑节省工期，使工程提前受益。已经建成的多处工程在施工初期临时交通均采用钢桥连接两岸交通，从其应用、运行情况看，不论安全性、稳定性、适应性都很好，并且可以有效的节约工期，使工程及时开展施工。1钢桥特点、分类1.1钢桥特点装配式公路桥是一种可分解的、能快速架设的、主要用于抢修的制式桥梁，这种桥梁器材主要有以下特点：（1）采用高强钢全焊制成，主梁一般可分解为轻型桁架，立体或平面拼装，用单销或螺旋连接，重量比较轻，运输拆装比较方便。（2）构件可以互换，可多次重复使用。（3）桥梁主梁的组合形式，可根据跨径、荷载的大小改变。（4）装拆方便，用简单的工具和人力就能迅速建成。21.2钢桥分类目前装配式钢架桥分两类。一种为老式“321”装配式公路钢桥，另一种为新开发出来的HD200型及HD100型装配式公路钢桥。1.2.1“321”公路钢桥“321”装配式公路钢桥是在原英国贝雷（BAILEY）桁架桥的基础上，结合我国国情和实际情况研制而成的快速组装桥梁。“321”公路钢桥，原设计为单跨桥梁，最大架设长度为69m，使用的局限性比较大，因此，国家定点设计单位对“321”公路钢桥作过多项革新研究，把这种器材成功地移植到浮桥、多跨桥、吊桥上，使“321”公路钢桥器材的使用性能大大提高。“321”钢桥的桥净宽为3.7m，单车道，主桁可单排、两排或三排并列，桁架上的上下弦杆可另设弦杆加强。架设钢桥首先要确定桥梁的跨径，才能利用不同等级的荷载选定桥型，跨径应取3m的整倍数，各种组合跨径可由9m至69m。其适用于汽车—10级、汽车—15级、汽车—20级的列车，500kN履带车（履带—50）和800kN平板挂车（挂车—80）等五种荷载，桁架各种组合形式有：单排单层、双排单层、三排单层（加强的单排单层、双排单层、三排单层）。双排双层、三排双层（加强的双排双层、三排双层），桁架高度1.4m。1.2.2HD200型公路钢桥HD200型装配式公路钢桥（简称“200”型钢桥），是在“321”公路钢桥的基础上，参照英国美贝公司最新设计的Compact200型钢桥，由中交公路规划设计院设计和开发的新一代战备钢桥，这种钢桥从外观上看与“321”公路钢桥没有多大区别，只是桁架的高度由原来的1.4m提高到2.134m，桥面宽由3.7m扩到4.2m，但大大提高了桥梁的抗弯能力和刚度，减少了桥梁的竖向变形，且注有公制和英制两种尺寸，以便于国际接轨。试制成功的“200”型钢桥，在强度、刚度、稳定和抗疲劳等方面，均优于“321”公路钢桥，是目前国内同类桥梁中最先进的装配式公路钢桥。“200”型钢桥的桥面系统、支撑系统和连接系统比“321”钢桥也有较大的改进和提高，“200”型钢桥的跨径，采用重型加强弦杆时，单车道桥梁可达66m，双车道桥梁可达51m，每节长度3.0m，跨径取3m的整倍数。单车道桥面净宽为4.2m，双车道桥面净宽为7.4m。“200”型钢桥的设计荷载，还增加了美国荷载标准HS-15和HS-20两种，目前荷载最大等级可达汽车—60级。桁架各种组合形式有：单排单层、双排单层、三排单层、四排单层（加强的单排单层、双排单层、三排单层、四排单层）。HD100型（简称“100”型钢桥）是“200”的简化类型，适用于汽－20以下荷载的桥梁。31.2.3“321”钢桥与“200”钢桥的对比表1“321”钢桥与“200”钢桥的主要对比序号项目“321”钢桥“200”钢桥1桁架高度1.4m2.134m2横梁的高度270mm400mm3横梁材料27a工字钢窄异缘H型钢4横梁抗弯刚度Jx6550cm423700cm45每节桁架横梁根数126横梁与桁架的联结横梁夹具方式高强度螺栓与桁架竖杆的联结方式7桥梁的抗风拉杆连接柔性／与桁架下弦的联结刚性／与横梁腹板上的耳板相连8高剪力桁架无有9桥面系结构钢桥面板与纵梁分开钢桥面板与纵肋是闭合截面正交异性钢桥面板10行车道宽度单车道／净宽仅3.7m单车道／桥面净宽4.2m双车道／桥面净宽7.4m11不加强桥内力和惯矩值对比单排单层SS双排单层DS单排单层SS双排单层DS弯矩/(kN·m)788.21576.41034.32027.2剪力/kN245.2490.5222.1435.3高剪力/kN／／384.6753.7超高剪力/kN／／509.8999.2惯性矩/cm4250497.2500994.4580967.21161934.412挠度较大安装时带预拱度，挠度较小从上述对比表可以看出，由于200型钢桥横梁的刚度增加较大，在汽车荷载作用下，横梁的变形很小，大大改善了多排桁架的受力条件，使多排桁架的受力均匀，因此，200型钢桥不会出现“321”钢桥因横梁变形造成内排桁架受力过大的现象。此外多项改进，使200型钢桥的整体稳定性和整体刚度都比“321”钢桥有较大的提高。为了充分利用桁架的抗弯、抗剪能力，200型钢桥的桁架有标准桁架和高剪力桁架之分，当桥的抗弯能力满足受力要求而抗剪能力不足时，只要在桥的两端各安装一节或两节高剪力桁架，就可以使桥的抗弯、抗剪能力同时得到满足。由此可见，200型钢桥不仅吸收了“321”钢桥快速、经济、适应面广、组合结构系统好、互换性强、容易组装等优点，而且还在强度、刚度、稳定和整体性能等方面，都有较大的改进和提高，总体性能优“321”钢桥。因此，200型钢桥可作为永久性或半永久性4桥梁使用。当钢桥荷载较大，跨度较大时，200钢桥在造价上的优势也越明显，以39m跨度汽－20级钢桥对比见表2。表2汽－20级荷载下“321”钢桥与“200”钢桥的对比序号项目“321”钢桥“200”钢桥1桁架高度1.4m2.134m2行车道宽度单车道净宽3.7m单车道净宽4.2m3桁架类型三排单层加强型双排单层加强型4重量(t)57.2（39m）52.8（39m）5造价（万元）10395由上表可以看出，跨度较大时，采用“200”钢桥不仅使行车道加宽，提高行车安全，且节省钢材4.4t，节省工程桥面部分投资8万元。J1水电站4＃桥设计为汽－60级，跨度21＋48m，采用200型钢桥，桥宽4.2m，21m跨度采用双排单层加强型，48m跨度采用四排单层加强型，布置在导流洞进口，为满足工程建设需要，该桥必须在洪水来临前施工完成，施工工期仅60天，为此，施工单位在一开春即进行河心钻孔桩施工，不到50天完成桥墩、桥台施工，采用鼻架法3天时间完成上部结构安装，确保洪水来临前贯通左右岸交通。而如果采用预应力上部结构，初步估算需要90天才能完成桥梁施工，无法在洪水来临前贯通左右岸交通，且上部预制梁还要提前进行方可。该桥2001年5月初建成后，不仅满足了洪水来临前两岸交通的贯通，同时为初期坝体填筑提供了交通保证，运行至今效果良好。因此，在水利水电高强度土石坝施工初期可以采用钢桥连接两岸交通，具有建设速度快、投资较省、工期较短的特点，若采用200型钢桥代替321型钢桥，则不仅可以在节省投资情况下加宽行车道、减少桥重，同时桥梁整体安全性大大提高。2钢桥设计选择2.1钢桥应用范围结合钢桥的特点、从多年的应用实践来看，其主要用途如下：①、战时交通运输，抗震救灾，水毁等桥梁的应急抢修；②、危桥加固，即在原有其他类型桥基础上架设钢桥；③、架设临时便桥；④、组成吊桥或斜拉桥，架设悬索桥的塔架；⑤、架设城市过街人行桥；5⑥、用于各种架桥设备，如架桥机、门式起重机等；2.2钢桥选型在大中型水利水电工程中，钢桥的功能多体现在架设临时便桥，水利水电工程施工具有交通运输量大、季节性强、运输强度高、工期短、任务紧等特点，对交通运输线路中的桥涵工程标准有特殊需求，往往超越公路标准。**水利水电工程交通运输基本以公路运输为准，对大中型枢纽工程来讲，施工初期阶段运输强度较高、工期较短，必须尽快畅通左右岸的交通连接、快速修建跨河桥梁，解决高强度运输问题，尤其是土石围堰填筑、砂砾石坝体填筑等。如J1水电站砼面板坝堆石料填筑高峰强度达50万m3／月，由于料源较远，配备32～40t上坝汽车50辆，因此根据施工工期要求选择能够快速架设的钢桥，且荷载能够达到汽－60级，以满足施工需要。由于钢桥的维护费用较高，一般不宜作为永久桥梁使用，在选择钢桥时要考虑如下因素：①、桥梁的使用时间，是永久使用还是临时使用，在本工程内能否重复利用；如总干渠顶山管理处大桥，因施工期需要选择321系列钢桥作为永久桥，跨径30m，加强双排单层布置，30天完成桥台浇筑，而上部结构仅2天就施工组装完毕，运行至今已经3年，交通量较大，但由于保养得当状况良好。②、桥梁的跨度，即天然河道的宽窄，能否允许一跨通过，是否需要架设河心桥墩等；如J1水电站4＃桥布置河心桥墩，最大单跨48m，汽－60级标准。③、桥梁的有效施工时间，为加快工程进度，施工初期桥梁需要在较短的时间内架设完成，因此，选择桥型要重点考虑桥梁自身的施工时间；如J1水电站4＃桥，施工期仅不到60天，若采用砼桥不可能在汛期前完成，因此，经方案比较采用钢桥为好。④、桥梁的有效行车宽度，20t级自卸汽车车箱宽度2.5m，40t级自卸汽车车箱宽度3.0m，60t级自卸汽车车箱宽度3.5m，为保证运输的安全及通畅，桥梁的有效行车宽度必须满足汽车宽度加两侧安全宽度的要求，对于按双车道布置的桥梁还要考虑会车间距等因素。因此，综上所述，选择钢桥桥型应根据荷载、跨度、宽度等因素综合考虑后，选择合理的桁架的组合型式。2.3钢桥设计在水利水电工程中钢桥设计时，根据所搜集的设计基本资料，在合理选用跨度、荷载等级、钢桥类型及具体结构形式的基础上，还要结合桥梁设计的适用性、舒适与安全性、经济性等方面的基本原则。建成的桥梁要保证使用年限，并便于检查和维修。水利水电工程中钢桥多作为临时性桥梁使用，但其使用期限要比用于抢险救灾、军用或其他6应急交通的钢桥长得多，故对它下部结构（桥台、桥墩）的长期稳定性和承受能力的要求比较高，所以对下部结构要进行专门设计，而钢桥自身主要由厂家负责设计、制造。作为钢桥的重要组成部分，桥台（桥墩）本身应具有足够的强度、刚度和稳定性，以避免在荷载作用下桥台（桥墩）发生过大的水平位移、转动或沉降而影响桥跨的正常安全使用。一旦选择了钢桥，应与生产厂家联系桥梁全桥重量、安装重量，支座板的规格、尺寸，并进行桥台、桥墩设计。2.4应用实例依据已实施和在建水利工程实例，介绍几个工程装配式钢桥的选用情况，见表2表2**部分水利水电工程钢桥应用实例序号工程名称桥梁位置总跨度（m）最大单跨（m）钢桥类型荷载等级行车道净宽（m）备注1乌鲁瓦提水利枢纽工程跨导流洞出口明渠6030321型超汽-20级3.7临时2“635”水利枢纽工程跨河9933321型汽-15级3.7临时3总干渠工程跨总干渠3030321型汽-20级3.7永久4总干渠工程跨总干渠3333200型汽-60级4.2永久5J1工程4＃桥跨河48＋2148＋21200型汽-60级4.2临时6J1工程3＃桥