经过20多年的发展,我国钢结构桥梁建造技术取得了长足进步,尤其是青岛海湾大桥、港珠澳大桥为代表的大型工程的建成,推动了我国钢结构桥梁制造技术的发展。然而,我国公路常规跨径钢结构桥梁建造技术发展则较为缓慢(图1),一方面受我国桥梁建造产业政策的影响,另一方面是受钢结构桥梁设计、施工经验及经济性的影响。为了提升公路桥梁品质,充分发挥钢结构桥梁性能优势,交通运输部于2016年7月下发了《关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》,旨在提升我国钢结构桥梁的整体建造水平。

图 1 山区连续钢-混组合梁桥

虽然我国公路常规跨径钢桥梁建设取得了较大成就,但仍存在钢桥梁专业设计人员不足、熟练技术工人缺乏及标准化、自动化制造水平较低的现象,尤其是缺乏精通钢桥梁设计理论与制造经验的技术人员。钢结构桥梁制造不同于混凝土桥梁,在制造前需进行工艺性审查、设计图细化等。目前,我国钢结构桥梁建造主要采用设计单位设计,制造单位按照设计图进行制造方案编制及施工详图设计的模式。然而,设计单位侧重于桥梁结构设计和受力分析,制造单位侧重于桥梁构造细节和制造工艺性,加之设计单位与制造单位协同性较差,钢结构桥梁制造过程中呈现出设计与制造之间脱节的现象,对于组合梁桥则出现了节段划分、施工空间、焊接接头设计、钢混结合面、制造线形等细节方面的问题,给项目实施带来了一定的困扰。

通常我国公路钢结构桥梁一般参照GB/T714—2015《桥梁用结构钢》或GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》等标准选用钢材,由于市场供求、轧制能力等方面的影响,对于某些厚度小、材质要求高的钢材,钢厂难以轧制,但当钢材采购批量较大时,可由钢厂定制生产。由于对钢结构桥梁制造工艺细节方面接触较少,一些设计单位往往忽略对数量较少钢材材质的规定:宜将钢桥梁结构中非主要受力部位且厚度较小(钢板厚度不大于 4 mm) 的钢衬垫、封堵板、填板等钢材材质规定为Q355B;附属结构中的角钢、钢管等型材一般宜选用Q235B或Q355B。钢板厚度偏差要求也是常见设计问题,对于设计文件未作特殊要求的钢板，根据 GB/T 709—2019《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》要求,所用钢板厚度偏差一般采用N类,随着对钢材厚度偏差认识的加深,一些设计单位已明确要求钢板厚度公差采用A类或B类。随着耐候钢桥梁的推广应用,耐候桥梁钢板、耐候不锈钢复合钢板等新材料也得到了应用,其供货状态通常为“ TMCP+回火”;同时我国部分高强度螺栓厂家已具备生产耐候性高强度螺栓的能力,且已在实际工程中得到应用。

由于在钢结构桥梁设计过程中,桥梁的钢材使用量是衡量项目经济性的一个重要指标,一些设计单位为控制桥梁钢材使用量,将制造节段内的腹板或盖板设置为多个厚度钢板对接焊接,该方法虽然降低了钢材的使用量,但无形中造成了生产成本的增加,如:不等厚钢板过渡斜坡及坡口加工、焊缝焊接、无损检测、焊缝修磨等制造成本。同时制造节段内过多的对接焊缝对构件几何尺寸控制造成一定困难,也给后期使用带来安全隐患,所以设计时宜使制造节段内腹板或盖板的厚度统一,以降低项目的综合成本,减少制造资源浪费。

制造节段是钢结构桥梁工厂制造的基本单元,其划分需考虑钢厂轧制能力、运输条件、设备加工能力等,同时制造单元也是工厂施工组织的依据,因而制造单元划分较为关键。通过对多座采用公路运输的钢结构桥梁的统计发现(图2),95% 以上制造构件宽度控制在 3.75 m 以下,长度控制在 18 m 以下,质量不大于 40 t;当采用水上运输时可不受限制,因而,制造单位在钢结构桥梁吊装单元划分过程中应予以考虑。

图 2 组合梁节段运输

3.1 钢板组合梁连接构造细节

钢板组合梁连接方式主要分为焊接连接和高强度螺栓连接两种形式,应根据现场施工条件、经济性及景观要求来确定连接方式,合理的连接方式可有效保证组合梁桥的制造质量、提高施工效率。钢板梁主要构件在工厂内采用焊接连接方式更有利于发挥专业化设备、质量管控等优势。由于桥位节段接口连接为高空作业、施工条件较差,考虑到施工方便性,一般多采用高强度螺栓连接方式(图3)。但当钢板组合梁采用预制桥面板时,考虑到接口连接与桥面板的配合,上盖板宜采用焊接连接,腹板和下盖板可采用焊接或栓接连接。随着自动化焊接设备的推广应用,对于施工操作要求苛刻的钢板梁竖向对接焊缝,可采用轨道式焊接机器人进行施焊(图4),焊缝无损检测结果表明,一次探伤合格率可达99.9%以上,因此,工地连接也可采用焊接连接。由于设计单位往往忽略钢桥梁现场安装的具体情况,因此,在钢结构桥梁构造细节设计时应注意:当节段接口采用焊接连接时梁段端面可设置为平齐或阶梯错位,以确保梁段顺利架设;当节段接口采用高强度螺栓连接时,腹板上的孔群与底板上的孔群错开半个孔距,以确保螺栓的施拧空间;为防止相邻节段接口碰撞干涉,宜根据接口断面大小,合理确定节段之间的间隙,一般建议将间隙设置为 20 mm 左右。此外,还应注意拼接板边缘到焊缝的距离,以防焊脚影响拼接板安装。

图 3 钢板梁桥位高强度螺栓施拧

图 4 钢桥梁桥位对接缝采用机器人焊接

3.2 组合梁钢混结合面构造细节

3.2.1 预制桥面板与组合梁钢混结合面配合

钢混结合面是组合梁易产生病害的部位之一,因此控制混凝土预制桥面板与钢梁结合面的质量非常关键。多座组合梁桥实际施工情况表明,一方面由于预制桥面板的施工精度与钢梁上盖板制造精度存在差异,另一方面,虽然预制桥面板和钢梁上盖板平面度都达到了验收标准要求,但存在公差配合的问题,因而易在接触面产生不密贴的现象。对此,一般在钢混结合面边缘设置厚度不小于 35 mm 的橡胶条进行封堵,以防漏浆现象发生。对于上盖板宽度变化的钢梁,焊钉群的宽度一般按照最小宽度确定,并保持梁段范围内不变化。常用焊钉规格为 ?22,材质为 ML15Al,最外侧焊钉距板边缘不宜小于 100 mm (图5)。

图 5 钢混结合面构造细节

3.2.2 钢梁顶板横坡设置

组合梁横坡的设置有以下 3 种方案:1) 槽形钢梁主要采用底板保持水平,通过调整两侧腹板高度来控制,如港珠澳大桥浅水区非通航孔桥(图6)、汕头牛田洋大桥均采用此方案。2) 钢板梁主要采用纵梁高度不变,通过调整纵梁下盖板高程来控制,上盖板可设置成水平状态,通过橡胶条的可压缩性实现横坡变化,如福建莆炎大桥、贵州长山河大桥采用了该方案(图7); 3) 上盖板也可设置为与横坡一致的状态,陕南平镇大桥采用了该方案。通过对钢板梁上盖板制造精度检测结果和施工效率分析,认为上盖板设置为水平状态更有利于控制制造质量和标准化生产,尤其是对于复杂曲线的组合梁桥效果更为显著。

图 6 港珠澳大桥槽形钢主梁横断面示意 m

图 7 贵州长山河大桥钢板梁横断面示意 m

3.3 曲线钢板组合梁构造细节设计

据统计,常规跨径组合梁桥中曲线桥梁比重达到了 60%以上,由于曲线桥梁包含了平曲线(圆弧曲线和缓和曲线)、竖曲线、桥面横坡等要素,因而钢板梁桥具有结构简单、线形复杂、制造精度要求高的特点,同时钢板梁制造中竖曲线线形、剪力钉布置、梁端处理也较为关键。

对于带有平曲线的钢板梁,同一跨度不同曲线上的纵梁预拱度是不同的,在确定钢板梁制造线形时,需在“恒载+1/2活载” 的反向拱度上叠加桥梁纵坡形成的竖向线形(图8),同时应考虑架设施工工况对桥梁成桥线形的影响。为避免预拱度偏小,制造线形宜按正公差(最大不宜超过 10 mm)控制。采用焊接连接的钢板梁接口焊接时,应先按照下盖板、腹板、上盖板的顺序进行施焊,以防止焊缝焊接收缩对制造竖曲线产生不利影响。

图 8 钢板梁制造线形示意

曲线钢板梁上的剪力钉群宜按照平曲线径向布置,处于缓和曲线上的剪力钉群,应以该孔梁段上缓和曲线做近似圆弧,然后按照圆弧曲线的径向布置。梁段端部采用预制桥面板时,纵梁上的剪力钉布置应考虑横梁上的剪力钉位置,以确保预制桥面板顺利安装。

钢板梁端部可设置为铅锤方向或竖曲线径向方向。目前多数钢板梁将梁段端部设计为铅锤方向,以确保梁段上下盖板在相同铅锤面内,可更精确控制梁段长度。曲线钢板梁制造难度大、精度要求高,不利于规模化、标准化制造,当钢板梁制造节段曲线矢高不小于 5 mm 时,宜采用“以直代曲”方案,既能保证预制桥面板的顺利安装,也有利于工厂标准化制造。

3.4 防撞护栏构造细节

防撞护栏是高速公路上的重要围护和安全保障设施,其制造安装质量较为关键。为降低桥梁上部结构荷载,组合梁桥一般采用钢结构防撞护栏。多座组合梁桥钢护栏安装情况表明,钢护栏制造精度(一般为不大于 2 mm)与混凝土预埋件的精度(一般为不小于 5 mm)配合存在一定的差异,主要表现在桥面板上的地脚螺栓几何位置和标高精度偏差较大,对钢护栏安装质量、线形匀顺性造成了一定影响。在满足防撞性能的条件下,钢护栏立柱底座板地脚螺栓孔宜设置为横桥向长圆孔,以避免地脚螺栓横桥向偏差的影响;钢护栏立柱上宜沿高度方向设置长圆孔,以保证横梁的安装线形。由于钢的热膨胀系数较大,因此每段横梁不宜过长,以免温度变化而导致钢护栏的变形;另外,人行道钢护栏横梁端部不宜伸出立柱过长,以防止在风荷载作用下产生共振现象。

4.1 焊接接头设计

钢桥梁应按需要合理设置焊接接头,尽量减少过度焊接带来的损伤,低损伤度的焊接接头是结构耐久性的根本保证。一些设计单位为了保证结构“安全性” ,焊缝均设计为熔透焊缝,实际上过多非必要的熔透焊缝将导致较大焊接变形,也会对结构的耐久性产生影响。相反,国外发达国家在这方面做得较好,例如:美国、日本多座工字梁桥的腹板与盖板连接采用了双面角焊缝,箱型杆件板单元上的加劲肋一般采用角焊缝焊接等,同时在结构设计时应考虑焊缝的施焊空间、位置,以提高焊缝焊接质量。另外,对于有磨光顶紧要求且外露于环境中的构件,磨光顶紧面周圈宜采用小尺寸角焊缝焊接,防止雨水渗入而发生锈蚀。

4.2 焊接接头有效熔深

钢桥梁焊接接头质量直接关系到桥梁的安全性,因此设计文件中对焊接接头均做了明确要求,一般项目设计图中全熔透焊缝或贴角焊缝的表达较为明确,但设计单位往往对部分熔透的角焊缝的要求表达则较为模糊,如:明确了焊接坡口参数,但未表达焊缝的有效熔深,给制造单位无损检测带来了一些困扰。而制造单位则是按照设计文件要求的坡口参数进行焊接,焊缝熔深通常要比坡口深度小 2~3 mm(图9),所以对于有熔深要求的焊缝应作出明确要求。

注:t 为钢板厚度;H 为坡口深度;P 为坡口钝边;S 为有效熔深; S = H-(2~3) mm。 

图 9 焊接接头有效熔深示意

耐候钢桥梁在国外已得到广泛使用,且已形成完善的设计、建造及管养体系。近年来,耐候钢桥梁在我国也逐步得到应用,先后建成了拉林铁路雅鲁藏布江大桥、官厅水库大桥、陕南平镇大桥等多座免涂装耐候钢桥梁,部分制造单位已开发了耐候钢焊接、锈层稳定化处理等技术,促进了耐候钢桥梁建造技术的发展。耐候钢桥梁设计时需注意桥面板防水、梁体通风、支座防护等细节,同时根据桥梁所处环境确定涂装或免涂装使用,例如:拉林铁路雅鲁藏布江大桥对距离水面较近的两个拱段进行了防腐涂装,其他钢拱节段未做防腐涂装(图10);免涂装桥梁出厂前应进行喷砂、锈层稳定化处理(图11),以便快速形成统一致密的锈蚀稳定层。由于我国尚未建立耐候钢高强度螺栓相关标准,检验时应增加耐腐蚀性指数的检测, 其他性能可与 GB/T 1228—2006《钢结构用高强度大六角头螺栓》等标准一致;我国耐候钢桥的梁栓接面通常采用涂装防滑防锈涂料,国外桥梁则不做防滑防锈处理,而是螺栓施工后对拼接板外露缝隙采用密封胶进行封堵。耐候钢焊接材料配套性需要通过焊接工艺评定试验确定,其耐腐蚀性指数应不低于母材标准的要求。

图 10 拉林铁路藏木特大桥施工

图 11 耐候钢桥锈层稳定化处理

通过桥梁设计者们的摸索,针对大型桥梁采用不同桥梁不同设计图的模式,得到了广泛应用和推广,促进了我国大型桥梁建造技术的进步。然而随着公路钢结构桥梁推广的深入,常规跨径桥梁呈现出线路长、线形复杂的特点,对此国内一些设计单位已经尝试采用“通用图+专用图”设计模式。由于专用图涉及信息多、专业性强,给钢桥梁详图转化带来一定的困难。为确保施工详图转化过程中桥梁线形和构件连接关系的准确性,可由设计单位联合制造单位承担详图转化,亦可由设计单位提供桥梁断面特征点的空间坐标、制造单位负责详图转化。

虽然我国公路钢结构桥梁建设取得了较大成就,但随着公路钢结构桥梁的推广应用,钢结构桥梁设计与制造之间脱节的现象日趋明显,主要体现在桥梁构造细节要求方面,因此,本文对我国多座组合梁桥构造细节问题进行了较系统的梳理。钢结构桥梁设计时值得考虑的问题为: 1) 数量较少钢板或型钢的供应状况以及钢板厚度偏差要求,制造节段划分应考虑道路运输条件等; 2) 组合梁横坡设置时应考虑标准化制造,同时应注意钢混结合面、曲线线形设置、防撞护栏等构造细节内容; 3) 应根据受力要求合理设置焊接接头,对于有熔深要求的部分熔透角焊缝应作出明确要求; 4) 耐候钢桥梁桥面板的防水、梁体通风、支座防护、栓接面处理等构造细节。本文旨在提升我国钢结构桥梁构造细节处理水平,也可为以后相关钢结构桥梁设计、制造提供借鉴。