大跨度蝶形钢结构组合桥梁设计与施工

大跨度蝶形钢结构组合桥梁设计与施工

于海波 靳冰冰

黑龙江省交通规划设计研究院集团有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150080

摘要：随着钢铁产能的提高和钢结构桥梁建设技术的进步，我国已经具备推广钢结构桥梁的物质基础和技术条件。梁拱组合体系桥梁以其结构刚度大、动力性能好、造型美观等优点，在世界范围内得到了广泛应用。丽水好溪特大桥作为典型的蝶形钢结构组合桥梁，采用了创新性的设计和施工方法，旨在解决传统混凝土结构桥梁在造价高、施工复杂、抗震性能不佳等方面的问题。本文从工程概况、主桥结构设计、钢结构防腐设计和施工方案等方面，系统地介绍了丽水好溪特大桥的设计与施工过程，旨在为类似工程提供参考和借鉴。

关键词：蝶形钢结构组合桥梁、主拱肋、正交异性钢桥面板、防腐设计

1 工程概况

A大桥桥位处河道宽度约为196米，常水位时最大水深约2.7米，河底为厚度约4.5米的卵石层，下卧中风化凝灰岩。桥梁设计基本风速为29.9米每秒，地表类别为C类，地震动峰值加速度为0.05g，地震基本烈度为6度，抗震设防分类为甲类。大桥全长557米，设计速度为50公里每小时，按双向6车道城市主干路标准建设，两侧设置3.5米宽的非机动车道及3米宽的人行道，桥梁总宽度为44.5米，设计荷载为城-A级。主桥采用跨径208米的蝶形钢结构组合桥梁。这种桥梁结构结合了钢拱与钢主梁的优点，具有自重轻、跨越能力强、抗震性能优异等特点。主桥的设计在吸收国内先进经验的基础上，创新性地采用了“先梁后拱、缆索吊拼装”的施工方式。钢拱系统由主、副拱肋及其连杆、风撑组成，通过合理的布局形成“蝴蝶展翅”的美观造型。主梁系统采用双主梁梁格体系，由主纵梁、横梁和正交异性钢桥面板等构成，并设置可换索式体外束系杆来平衡成桥状态下的钢拱系统推力。吊索采用镀锌平行钢丝成品吊索，上下均采用叉耳销轴式锚固。

图1主桥横断面

2主桥结构设计

2.1 钢拱系统

钢拱系统是A大桥的核心结构之一。该系统由主拱肋、副拱肋及其连杆和风撑组成，采用Q355D钢材。主拱肋是主要受力结构，其形状为五边形全焊钢箱截面，高3.5米，宽2.5米。标准段拱肋板厚24毫米，拱脚段由于应力较大且需与主纵梁、端横梁刚接，钢板加厚到32毫米。每隔1.5米设置一道16毫米厚的横隔板，确保钢箱的整体性。副拱肋主要作用是造型及保持主拱的稳定，其截面为矩形，高1.5米，宽1.5米，板厚20毫米。主、副拱肋之间通过横向连杆连接，形成稳定的结构体系。主拱肋的铅直面内投影矢高48米，计算跨径208米，矢跨比1/4.333，拱轴线为抛物线，外倾17°，副拱肋的矢高37.5米，计算跨径206米，矢跨比1/5.493，呈提篮状内倾15°。这一设计不仅保证了桥梁的受力性能，还通过巧妙的造型设计实现了美观的视觉效果。

2.2 主梁系统

主梁系统是支撑桥面和车辆荷载的重要结构，A大桥的主梁系统采用了双主梁梁格体系，整体宽度为44.5米。主纵梁、横梁、端横梁等构件组成了梁格体系，除了体外束系杆外均采用Q355D钢材。主纵梁梁高4.5米，截面为全焊平行四边形钢箱截面，标准段板厚20毫米，关键连接部位加厚到32毫米。中横梁每隔2.75米设置一道，采用工字形钢梁，路线中心线处梁高3米，上翼缘设双向1.5%横坡。端横梁位于两端拱脚处，采用箱形截面，高3.9至4.07米，宽4.15米。慢行道悬臂梁位于主纵梁外侧，悬臂长度7.5米，根部梁高2.4米，顶板厚16毫米。桥面系采用正交异性钢桥面板，机动车道钢桥面板加厚到20毫米，U肋标准间距600毫米。这种设计不仅确保了桥梁的整体刚度和受力性能，还通过模块化、标准化预制构件的使用提高了施工效率。

2.3 吊索

吊索是连接主拱肋和主梁的重要受力构件，A大桥的吊索设计采用高强度镀锌平行钢丝束，每侧主拱各设置23对吊索，全桥共46对。吊索纵桥向间距为8.25米，采用PE双护层高强度镀锌平行钢丝束，标准强度为1,860 MPa。吊索上下两端均采用叉耳销接在拱肋及主纵梁上，这种设计避免了在主纵梁及拱肋内设置复杂的钢锚箱，吊索全部外露，有利于日常维护及后期更换。锚具采用冷铸锚，桥面处锚头为张拉端，拱肋处锚头为固定端，吊索近张拉端设调节套筒，可调节量为±150毫米。为了分散吊索的集中力作用，改善耳板焊缝局部应力情况，横向设置双吊索，双吊索水平间距800毫米。这种设计不仅提高了吊索的受力性能，还便于后期的维护和更换，确保了桥梁的长期使用安全。

3 钢结构防腐设计

A大桥的钢结构防腐设计旨在确保桥梁的长期耐久性和安全性。钢结构桥梁由于暴露在自然环境中，容易受到腐蚀的影响，因此，科学合理的防腐设计是保证桥梁寿命的重要措施。本桥的钢结构防腐体系采用了长效型设计方案，外表面防腐处理包括喷砂除锈、底漆和面漆多层保护。首先，钢材表面经过Sa2.5级喷砂处理，表面粗糙度达到Rz50至80微米。底漆采用冷喷烯锌，干膜厚度为2×60微米，具有良好的屏蔽性能和导电性能。面漆则选用涂氟碳面漆，干膜厚度为2×40微米，确保了防腐效果的长久性。为了进一步提高防腐性能，本桥钢结构底漆采用了新型石墨烯涂料，这种涂料具有优异的屏蔽和导电性能，能够更有效地防止钢材的腐蚀。此外，桥梁的关键部位如吊索、拱肋和主梁等都进行了特别的防腐处理，确保在恶劣环境下仍能保持良好的性能。通过上述防腐设计，A大桥的钢结构能够在25年的使用周期内保持良好的防腐性能，极大地减少了维护成本和结构安全隐患。

4施工方案

桥的施工方案主要包括主梁和主拱肋的拼装，采用“先梁后拱”的施工顺序，整体施工分为多个步骤进行。该施工方案充分考虑了现场的地理条件、结构特性和施工技术，确保了施工过程的安全、高效和顺利进行。

首先，在施工初期，在岸上搭设塔架及锚固装置，安装主索和工作索，形成缆索吊装系统。这一步骤为后续的主梁和主拱肋吊装奠定了基础。接下来，在河道中设置三排主纵梁架设临时墩，以便于主纵梁的吊装和定位。这些临时墩将承受主梁自重及其施工荷载，确保施工过程中的结构稳定性。

其次，在岸上进行初步拼装后，利用缆索吊装主纵梁就位。主纵梁的节段长度约为50米，自重约90吨，通过精确定位和焊接，形成主梁的框架结构。之后，进行端横梁的吊装和焊接，进一步增强梁格框架的稳定性和整体性。随后，进行中横梁和慢行道悬臂梁的吊装和焊接，这些构件的安装使得主梁体系逐步成型，确保了整体结构的刚度和稳定性。

然后，安装正交异性钢桥面板。这些桥面板的铺设不仅需要精确的定位和焊接，还需要考虑防止变形和疲劳破坏的措施。在桥面板铺设完成后，进行副拱肋的斜拉扣索悬拼施工，并安装风撑。副拱肋的施工需要精确的控制和调节，以确保其与主拱肋的协调一致。

接着，进行主拱肋的斜拉扣索悬拼施工，并安装主副拱之间的连杆。主拱肋的施工是整个桥梁施工的关键环节，需要高度的施工技术和精确的控制。安装完成后，进行吊索的安装和第一次张拉吊索及体外束系杆。这些施工步骤的顺利完成，标志着主桥结构的基本成型。

最后，拆除全部支架，进行桥面铺装和栏杆等附属设施的施工。桥面铺装采用冷拌树脂沥青，确保桥面平整和耐久。附属设施的安装不仅考虑了功能性，还兼顾了美观性。最后，进行吊索和体外束系杆的最终张拉，调整到成桥索力，确保桥梁在使用过程中受力均匀、性能稳定。

5结论

通过科学合理的设计和精确的施工方案，本工程不仅在结构性能上达到了预期效果，还在美学和实用性方面实现了突破。本文详细分析了桥梁的各个组成部分，包括钢拱系统、主梁系统、吊索以及防腐设计，展示了现代桥梁工程在材料选择、结构设计和施工方法上的创新。未来，随着技术的不断进步和经验的积累，钢结构组合桥梁将在更广泛的领域内得到应用，为交通基础设施建设提供更优质的解决方案。

参考文献

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