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我公司新獲一項專利授權
2019-10-09 15:34     (點擊: )

近日,我公司研發中心牽頭與陜西省西咸新區涇河新城開發建設有限公司聯合申報的國家發明專利《一種功能分區設計的部分敞口鋼箱梁及其施工工藝》獲得授權。

該專利公開了一種根據受力和施工多種需求進行功能分區設計的新型部分敞口鋼梁設計和施工技術。該鋼梁技術具有以下優點:

一、力學性能優越,構造適應性強

(一)受力性能優越

根據受力和施工需要,結合功能分區理念,對鋼梁的閉口部分和敞口部分進行合理調配。

一種功能分區設計的部分敞口鋼梁示意圖

上圖中“①”為主梁核心受力構件,用于確保主梁的最低抗彎、抗扭能力,構造設計為封閉箱。其寬度和高度(即梁等高或是否變高)根據主梁全寬、跨度、懸臂寬度要求等關鍵參數及箱室內部的施工條件等因素綜合確定。必要時,可在根部受壓區設置內部橫隔板加密段或鋼-混組合結構板。

閉口部分受壓區底板頂面鋼-混組合板示意圖

實際上,“①”部分亦可與支點橫梁“④”共同作為鋼梁分步施工時控制梁體整體穩定性的框架,這種框架式構造,可大大提高施工吊裝單元尺度,顯著提高施工效率。

支點橫梁“④”同樣采用封閉箱式,既可與“①”組成抗彎、抗扭能力較強的平面框架體系,同時其內部可灌注混凝土,一方面確保“④”與橋墩蓋梁“⑤”之間的支座不至于脫空,另一方面可簡化“④”內部支座加勁肋設計,優化施工條件,避免與支座螺栓沖突。

“②”為鋼梁中部敞口部分,該部分主要是承擔和傳遞橋面荷載,同時作為橋面鋼筋混凝土澆筑層的澆筑底模并與其形成鋼-混組合橋面。其下設置的橫隔板或橫梁,亦是其主要傳力構件,其與“①”的連接,視敞口部分的跨度和梁整體的抗扭需求,設置不同的圓倒角和橫隔板高度。其下部隔板或橫梁的縱橋向設置密度,視鋼梁剪力滯的程度確定,必要時在支點附近設置加密段。

“③”為懸臂敞口部分。與常規鋼箱梁懸臂一般采用閉口截面不同,該部分設計為U形連續敞口(每個橫隔板節間都敞口)。

敞口懸臂部分示意圖

構造上,懸臂高度從端部向根部以多次曲線模式逐漸加大,更加符合懸臂受力模式。從施工角度看,該構造有效避免了常規鋼箱梁施工過程中由于懸臂底部封閉區間狹小而帶來的施工難度和弊端,大大提高施工焊接可靠度和人性化程度。

(二)構造適應性強

在城市高架或立交橋梁設計時,變寬梁及分叉梁等異形梁一直都是設計的難點,當橋下管線或地下構筑物導致跨度較大時,現澆混凝土結構不再經濟。在這種情況下,常規閉口鋼箱梁箱室寬度變化導致腹板布置復雜,無法進入施工的“死角”較多,導致施工質量無法保證。采用分區設計的部分敞口鋼梁則不存在這個問題:一般情況下,我們可以保持閉口箱室寬度不變,變寬的只是中部敞口部分,這一部分沒有底板,焊接非常方便。

在西安市西延路立交青龍路口“變寬+分叉”聯的頂板平面圖和底板平面圖中,右側最后一跨橋面分為中部主線和兩側匝道,匝道和主線前者上升,后者落地,高程上“分道揚鑣”,結構復雜。

a 變寬、分叉鋼梁頂板平面圖

b 變寬、分叉鋼梁底板平面圖

從底板平面圖可以看出,閉口箱室寬度始終保持不變,邊寬和右側最后一跨發生高度上切割分離的是中部或者懸臂敞口部分,設計和施工難度大幅度降低。實際上由于跨度較大,閉口箱室底部還設置了梁底曲線變高。閉口箱室等寬設計有效避免了變寬、變高同時存在帶來的內部構件加工困難的問題。下圖為建成后實景。

變寬分叉鋼梁建成效果

二、節約用鋼量

該技術去掉了常規閉口鋼箱梁中受力較小的板件,并通過鋼-混組合橋面板減小了跨中受壓區段頂鋼板厚度,箱室內部受壓區亦設置了隔板加密或鋼-混組合加強區,因此采用該技術設計的城-A級荷載下30~60m跨度區間的鋼梁每平米用鋼量一般位于400kg/m2左右,我公司最低設計記錄為389kg/ m2(跨度40m)。這對于節約城市鋼結構橋梁的投資,具有跨越性的意義,這一用鋼量較城市高架常規鋼箱梁可降低15%-30%,且橋梁越寬,變寬、異形程度越高,節約越大。

常規全斷面閉口鋼箱梁示意圖

三、施工便捷,工法兼容性、人性化程度更高

(一)吊裝單元更輕

功能分區設計的鋼梁由于每平米用鋼量下降,因此一個吊裝單元的重量更輕,也可以說在吊裝重量不變的情況下,吊裝單元的尺度可以更大,施工速度相應顯著提高。同時,由于其閉口構件可以先期吊裝并形成較為穩定的體系,在分步吊裝的情況下,其吊裝單元可以進一步加長,以達到減少支架、縮減施工措施費用、加快施工速度的目的。下圖所示為該鋼梁在西咸新區涇河新城正陽大道南延伸橋梁上的成功吊裝經驗:該項目主梁寬17.75m,如采用傳統橫、縱分塊方式組拼則需要大量支架,現采用功能分區設計的部分敞口鋼梁后,先期吊裝閉口部分箱室,不僅運輸問題得到解決,同時吊裝長度達到18m以上,每跨40m中部僅需設置不多于2處支架,大大節約了支架措施費用,極大提高了施工速度。

正陽大道南延伸橋梁工程鋼梁吊裝

(二)頂推等其他工法的兼容性更高

部分敞口鋼梁較常規鋼箱梁的自重更輕,敞口部分可分期施工,具備更大靈活性。下圖為該技術鋼梁在西安市建工路施工架設時,為保護橋下綠化帶而進行的長達1.1km的長距離頂推。

西安市建工路部分敞口鋼梁長距離頂推施工

下圖為該技術鋼梁在西安市西延路立交項目中,為避免對相交道路的交通干擾而進行的移動支架頂推法,該方案的實施,將常規滿堂支架吊裝對路口交通的封閉時間,從20天縮短到了2天。

西安市西延路立交部分敞口鋼梁移動支架頂推施工

(三)施工人性化程度更高

在懸臂和梁中部特別是形狀不規則的箱室位置設計為敞口截面,對焊接施工具有較大好處。

四、造型美觀,有利于形成城市高架整體風格

功能分區設計的敞口鋼梁自2013年研發問世以來,以其優美的外形和各項優勢迅速獲得了廣泛的應用,總應用鋼量達數十萬噸,對西安市鋼結構橋梁的整體風格形成,做出了較大貢獻。

陜西省西咸新區涇河新城正陽大道南延伸橋梁工程

2016-2019年逐步應用于西安市二環改造西南二環立交、西延路立交等多個城市立交項目中。

西安市西南二環立交昆明路高架段(在建)

西安市西延路立交工程(已建成)

西安市建工路高架(已建成)

我公司將秉承持續創新的設計理念,在打造西安特色市政橋梁工程風格體系上做出更大的貢獻。

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