CN111364362A - 采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺 - Google Patents

Abstract

采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，施工用于支撑桁式结构桥梁上部结构的下部结构，然后，先在工厂预制主桁架结构，主桁架结构包括弦杆节段、腹杆以及纵横联杆件，然后根据受力分析，确定含节点的弦杆节段、腹杆杆件以及纵横联杆件切割位置，并切割成多段桁架杆件，再将各段桁架杆件运输至施工现场并拼装成桁架节段，再将桁架节段依次架设在下部结构之上并连接拼装组成主桁架结构，最终铺设桥面，完成整个桥梁的建造施工。本发明建造工艺简单、加工制作及运输方便，受外界建造环境限制少，适合于各种施工条件下施工；预制节段少，现场连接作业量小，适用于桥梁快速建设；并且适用于各种桁式结构桥梁的建造。

Description

采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺

技术领域

本发明涉及桥梁建造技术领域，尤其涉及采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺。

背景技术

随着我国对钢结构和组合结构桥梁建设的大力推进，桁架结构以其力学性能优异、承载效率高和施工便捷等优点，在桥梁工程中得到了广泛应用。目前，桁架结构形式发展多样，根据腹杆布置形式的不同，可分为三角形桁架、单斜式桁架、菱形腹杆桁架和K形腹杆桁架等。桁架通过采用不同的桁架形式、改变梁高、改变截面尺寸、杆件内填混凝土和内壁设置通长开孔加劲板(Perfobond Leiste，简称：PBL)等方式以满足不同跨径下的力学性能要求。

桁架结构施工方法灵活，既可采用“化整为零”的杆件散拼施工法，亦可采用“集零为整”的节段拼装和整孔架设施工法，即先将桁架杆件拼装成为小节段或整跨梁端，再运至桥位处安装桁梁节段。因此，钢桁梁桥能够适应山区、跨江跨海等不同桥位，以及不同运输条件、吊装能力和施工方法的要求。当运输条件和吊装能力均较好时，一般采用节段拼装或整孔架设施工法施工，其节段杆件均可在工厂内加工制作，节段质量可以得到保证；但在运输和吊装能力一般的条件下，采用施工适应性更好的杆件散拼施工法更为常见，在现如今的施工技术条件下，杆件现场连接质量差异性较大，焊接质量无法得到保证，且现场工作量较大，尤其在一些需要通过仰焊进行构件连接的局部(如腹杆与上弦杆的连接)，仰焊时熔池倒悬在焊件下面，焊缝成形困难，容易在焊缝表面产生焊瘤在背面产生塌陷，还容易出现未焊透、弧坑凹陷等缺陷，熔池尺寸较大，温度较高，清渣困难，有时易产生层间夹渣，仰焊焊接难度大，焊接质量难以得到保证，使得结构优良的力学性能不能得到充分发挥，严重影响桁架结构的力学性能及施工速度，阻碍桁架结构的发展。

在桁架结构中，节点为桁架设计的关键部位，桁架结构节点构造复杂，根据制造与施工工艺的不同，桁架结构节点可分为拼接式节点、整体式节点和全焊节点。拼接式节点是通过在杆件外侧设置节点板，并采用螺栓使节点板与杆件密贴，从而实现杆件之间的连接，这类节点构造简单，拼装方便，但拼装工作量较大；整体式节点是将节点板和与之相连的弦杆预先在工厂焊接成整体，再在现场进行杆件的拼装，节点板同时作为节点处弦杆的腹板，避免了节点处焊缝或螺栓的集中，改善了节点受力；全焊节点是将杆件直接焊接，构造简洁，结构整体性较好，对施工条件适应能力强，在桁架结构中使用更为广泛，但各个施工现场所具备的施工条件各不相同，节点质量难以得到保证，并且在焊接过程中容易引入缺陷，使得焊缝位置处出现较大的切口应力，再加之焊缝处有较大的焊接残余应力，使得节点焊缝处的应力水平远远大于杆件的名义应力，这也是如今阻碍桁架结构发展的一大问题。

因此，对于桁架结构适用范围更广的散拼施工法，如何保证桁架结构建造质量与施工速度，是目前急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钢管桁架节段的装配式桥梁建造工艺，其建造工艺简单、节点力学性能好、现场工作量小、施工快速且适用范围广，能有效解决桁梁桥建造中的工程质量和施工速度问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，包括以下步骤：

首先，施工用于支撑桁式结构桥梁上部结构的下部结构，包括用于支撑桥梁上部结构的基础和桥墩；

其次，施工建造桁式结构桥梁的上部结构，包括主桁架结构及桥面；具体为：先在工厂预制主桁架结构，主桁架结构包括弦杆节段、腹杆以及纵横联杆件，然后根据受力分析，确定含节点的弦杆节段、腹杆杆件以及纵横联杆件切割位置，并切割成多段桁架杆件，再将各段桁架杆件运输至施工现场并拼装成桁架节段，再将桁架节段依次架设在下部结构之上并连接拼装组成主桁架结构，最终铺设桥面，完成整个桥梁的建造施工。

本发明进一步的改进在于，弦杆节段包括上弦杆与下弦杆，上弦杆与下弦杆通过腹杆连接为一体。

本发明进一步的改进在于，上弦杆与腹杆连接处为节点，下弦杆与腹杆连接处为节点。

本发明进一步的改进在于，纵横联杆件设置在节点处，纵横联杆件包括节点处设置有纵联和横联。

本发明进一步的改进在于，切割时，不在节点处进行切割。

本发明进一步的改进在于，腹杆为空钢管。

本发明进一步的改进在于，上弦杆、下弦杆与腹杆为矩形、方形或圆形钢管。

本发明进一步的改进在于，上弦杆与下弦杆采用钢管混凝土构件。

本发明进一步的改进在于，当上弦杆与下弦杆采用矩形钢管或方形钢管时，上弦杆与下弦杆内壁设置有PBL加劲型钢管混凝土构件。

本发明进一步的改进在于，桁架节段为直线形状或弧线形状。

与现有技术相比，本发明的具有以下有益效果：1、建造工艺简单、加工制作及运输方便，受外界建造环境限制少，适合于各种施工条件下施工；2、预制节段少，现场连接作业量小，适用于桥梁快速建设；3、适用范围广，适用于各种桁式结构桥梁的建造；4、杆件关键连接部位均在工厂加工制造，杆件质量易于保证，节点性能好、结构力学性能及耐久性较好；5、采用的桁架节段便于工厂标准化制作，而且现场拼装和架设方便，尤其在加工制造、运输吊装不便的山区峡谷地带建造桁式结构桥梁具有明显优势；6、弦杆需要填充混凝土时，可选择工厂或工地填充，在工厂填充质量较好；7、能避免现场仰焊作业，保证现场连接处质量。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明第一优先方案实施方式——采用全焊整体节点的直线型钢管桁架弦杆预制单元的梁桥结构示意图。

图2是图1中直线型钢管桁架预制单元经放大后的结构示意图。

图3是图1中直线型钢管桁架预制单元经现场拼装组成桁架节段后的结构示意图。

图4是节段预制过程中杆件的结构示意图。其中，(a)为杆件示意图，(b)为图(a)中的方框处的放大图，(c)为空钢管截面为矩形、正方形、圆形时的示意图。(d)为钢管截面为矩形、正方形、圆形且填充有混凝土时的示意图。(e)为钢管截面为矩形、正方形且填充有混凝土，并且内壁设置有PBL加劲肋时的示意图。

图5是本发明第二优先方案实施方式——采用全焊整体节点的弧线型钢管桁架弦杆预制单元的拱桥结构示意图。

图6是图5中弧线型钢管桁架预制单元经放大后的结构示意图。

图7是本发明第三优选方案实施方式——采用全焊整体节点的弧线型钢管桁架弦杆预制单元的上承式拱桥结构示意图。

图8是本发明第三优选方案实施方式——采用全焊整体节点的直线型钢管桁架弦杆预制单元的斜拉桥结构示意图。

图9是本发明第三优选方案实施方式——采用全焊整体节点的直线型钢管桁架弦杆预制单元的悬索桥结构示意图。

附图标记说明：

1—上弦杆； 2—下弦杆； 3—腹杆；

4—节点； 5—桁架节段 6—支座；

7—横梁； 8—纵联； 9—横联；

10—桥台； 11—桥墩； 12—主拱；

13—立柱； 14—主梁； 15—锚碇；

16—缆索； 17—桥塔； 18—桥面；

19—地基； 20—吊杆； 21—拉索；

22—杆件焊接处。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

本发明采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，包括以下步骤：

首先，施工所要建造桁式结构桥梁的下部结构，包括用于支撑桥梁上部结构的基础19、桥墩11及桥台10；

其次，施工建造桁式结构桥梁上部结构，包括主桁架结构及桥面18。

先在工厂预制主桁架结构，主桁架结构包括弦杆节段、腹杆3以及纵横联杆件，然后切割成桥梁承重结构的多段桁架杆件，将各段桁架杆件运输至施工现场，在杆件焊接处22进行弦杆和腹杆的焊接，接着焊接纵联8和横联9拼装成桁架节段5，再将桁架节段5依次架设在下部结构之上并连接拼装组成主桁架结构，最终铺设桥面18，完成整个桥梁的建造施工。

每段桁架节段5包括上弦杆1、下弦杆2和腹杆3，上弦杆1与下弦杆2通过腹杆3固定连接为一体，腹杆3为空钢管。上弦杆1与腹杆3连接处为节点，下弦杆2与腹杆3连接处为节点4，所述上弦杆1、下弦杆2与腹杆3可为矩形、方形或圆形钢管。所述上弦杆1与下弦杆2可采用钢管混凝土构件，当上弦杆1与下弦杆2截面采用矩形和方形截面时，可采用钢管内壁设置通长开孔加劲板即PBL加劲型钢管混凝土构件以加强桁架结构的力学性能。

节点处设置有纵横联杆件，纵横联杆件包括纵联8和横联9，横梁7(设置在桁架端部的横联即为横梁)沿横桥向布置并支撑于主桁节点，将活载作用力传递至主桁架；纵联8的主要作用是抵抗水平向荷载，为主桁提供侧向支撑；横联9的主要作用是使桁架横向成为几何不变体系，提高桁梁的抗扭能力，位于两端的横联9还能将纵联承担的横向水平荷载传递至支座。

所述桁架节段5整体为直线形状或弧线形状。

多段桁架节段考虑标准化施工和可运输长度对弦杆进行节段划分，采用水路运输可适用于各种节段长度的运输，但需考虑机具吊装能力和经济性的要求；当采用铁路运输时，运输节段长度不超过16m；当采用更为常见的公路运输时，平板半挂车运输节段长度不超过13m，SPMT运输节段长度不超过18.1m，公路运输长度一般为2～3个桁架节间长度，根据各桥梁建造时的运输条件尽可能长的在工厂预制桁架节段5。

在工厂预制拼装好桁架节段5，首先分析各个桁架节段在整个桥梁承重结构中所处位置的受力情况，根据受力分析和运输条件，确定含节点的弦杆节段、腹杆杆件以及纵横联杆件切割位置，将主桁架结构切割为若干可供运输的多段桁架杆件，切割时需保证节点4处的完整性和切割位置处的可焊性，一般结合受力分析取杆件受力较小处，待切割完后采用相应的运输方式将杆件运输至桥位现场进行桥梁承重结构主桁架的拼装施工。

第一优选实施方式，如图1所示，所述采用全焊整体节点的直线型钢管桁架弦杆预制单元的梁桥的建造过程中，首先施工建造桥梁的下部结构，即先施工分跨位置处的地基19，再施工用于传递反力以支撑桥梁上部结构的3处支座6；其次施工建造桥梁的上部结构，包括承重结构(主桁架结构)以及桥面18。

先在工厂预制、切割组成桥梁承重结构的主桁架结构，将各桁架杆件运输至施工现场并拼装成桁架节段，再将其依次架设在下部结构之上并连接拼装组成桥梁承重结构，最终铺设桥面18完成整个桥梁的建造施工。其桁架节段的上弦杆1与下弦杆2通过腹杆3焊接成一体，且三者均为矩形钢管。在工厂预制组成所述承重结构的多段钢管桁架节段之前，应首先分析各个桁架节段在整个桥梁承重结构中所处位置的受力情况，根据受力分析和运输条件，确定杆件切割位置，将钢管桁架切割为若干可供运输的钢管节段，切割时需保证节点处的完整性和切割位置处的可焊性。在工厂将桁架杆件预制切割完成后，通过一定的运输方式(公路、水路与铁路)将杆件运输至桥梁架设现场，在现场施工过程中将预制的多段钢管桁架节段固定连接并焊接组成桥梁的承重结构。

在图1所示的整个梁桥的承重结构中，以较为常见的公路运输方式为例，给出了各杆件切割位置，桁架切割后杆件运输单元即桁架节段5，见图2，在施工现场拼装、焊接桁架单元形成承重结构后见图3。本发明给出的桁架结构，其弦杆与腹杆可采用矩形、方形和圆形截面，为满足桁架力学性能的要求，可在杆件中内填混凝土，对于矩形和方形断面还可进一步在内壁设置PBL加劲肋以改善节点力学性能，具体见图4。图4中，(c)为空钢管的截面为矩形、正方形、圆形的示意图，从左向右依次为矩形、正方形、圆形。(d)为钢管的截面为矩形、正方形、圆形时且填充有混凝土的示意图。(e)为钢管的截面为矩形、正方形时且填充有混凝土，并且内壁设置有PBL加劲肋的示意图。

采用该钢管桁架节段的装配式桥梁建造工艺，一方面，节点处的连接在工厂进行，杆件切割保证了节点的完整性，保证了节点的受力性能；另一方面，切割后的杆件便于运输，且能有效减少现场施工作业量，以满足现如今施工速度的要求。此种方式装配成的梁桥既能保证良好的力学性能，而且制造工艺简单、省时省料、对施工条件适应性好。

第二优选实施方式，如图5所示，所述采用全焊整体节点的弧线型钢管桁架弦杆预制单元的拱桥建造工艺同第一优选实施方式，其桥梁的承重结构即主拱12部分也由多段预制的钢管桁架节段依桥梁结构受力情况相应进行装配而成，其中桁架节段5由上弦杆1、下弦杆2与腹杆3组成，其上弦杆1与下弦杆2通过腹杆3焊接成一体，且三者均为圆形钢管。拱桥与梁桥相比，其不仅要承受竖直方向的荷载，而且还要承受水平方向的力，其对节点力学性能要求更高。

首先，分析整个桥梁承重结构的受力情况，根据受力分析和运输条件，确定杆件切割位置，将钢管桁架切割为若干可供运输的钢管节段，切割时需保证节点4处的完整性和切割位置处的可焊性。桁架预制切割完成后，杆件运输至施工现场先焊接组成桥梁承重结构的多段桁架节段，再将其依次架设在下部结构之上并连接拼装组成桥梁承重结构，最终铺设桥面18完成整个桥梁建造施工。在图5所示的整个梁桥的承重结构中，以较为常见的公路运输方式为例，给出了切割后杆件大样，如图6所示。

第三优选实施方式，如图7所示，所述采用全焊整体节点的弧线型钢管桁架弦杆预制单元的上承式拱桥建造工艺同第一、第二优选实施方式，首先施工建造桥梁的下部结构即梁端的桥台10及其支座6，再在桥台10上架设桥梁的承重结构。本桥梁的承重结构即主拱也由多段预制的钢管桁架节段依桥梁结构受力情况相应进行装配而成，其中钢管桁架节段由上弦杆1、下弦杆2与腹杆3组成，其上弦杆1与下弦杆2通过腹杆3焊接成为一体。若仅供人行走，拱桥所需承受的移动荷载较小，则可以把桥面18直接铺在呈弧形的主拱上。但现代交通工具通行的拱桥桥面18必须保持一定的平直度，不能直接铺在弧线形的主拱上。拱桥的支撑部分不但要承受竖直方向的压力，还要承受水平方向的作用力。因此拱桥对桥台10与地基19的要求比梁桥要高。上承式拱桥桥面在主拱的上方，通过立柱将桥面18间接的支承起来。

在上承式拱桥的建造中，拱桥桥面18在主拱上方，桥面靠连接固定在地基19与主拱12上的竖直向立柱支承。同样地，首先分析各个钢管桁架节段的上弦杆1与下弦杆2所处位置的受力情况，根据受力分析和运输条件，确定杆件切割位置，将钢管桁架切割为若干可供运输的钢管节段，切割时需保证节点处的完整性和切割位置处的可焊性。桁架预制切割完成后，杆件运输至施工现场先焊接组成桥梁承重结构的多段桁架节段，再将其依次架设在下部结构之上并连接拼装组成桥梁承重结构，最终铺设桥面18完成整个桥梁建造施工。

第四优选实施方式，如图8所示，所述采用全焊整体节点的直线型钢管桁架弦杆预制单元的斜拉桥建造工艺同上述三个优先实施方式，首先施工建造桥梁的下部结构，包括固定主梁14的两个桥墩11以及位于两端的两个支座6，之后再下部结构上架设固定桥梁的承重结构。其桥梁的承重结构即主梁也由多段预制的钢管桁架节段依桥梁结构受力情况相应进行装配而成，其中钢管桁架节段由上弦杆1、下弦杆2与腹杆3组成，其上弦杆1与下弦杆2通过腹杆3焊接成一体。

在本斜拉桥的建造中，其承重结构两端架设在固定的地基19之上的两个支座6上，中间部分由两个固定在地基19上的竖直向桥墩11支撑，在承重部分即主梁14上方相对两个桥墩11固定设置有两个竖直向的桥塔17，同时分别在两个桥塔17两侧与承重部分即主梁14之间对称连接设置多根拉索21。同样地，首先分析各个钢管桁架承重结构的受力情况，根据受力分析和运输条件，确定杆件切割位置，将钢管桁架切割为若干可供运输的钢管节段，切割时需保证节点处的完整性和切割位置处的可焊性。桁架预制切割完成后，杆件运输至施工现场先焊接组成桥梁承重结构的多段桁架节段，再将其依次架设在下部结构之上并连接拼装组成桥梁承重结构，最终铺设桥面18完成整个桥梁建造施工。

第五优选实施方案。如图9所示，所述采用全焊整体节点的直线型钢管桁架弦杆预制单元的悬索桥建造工艺同上述四个优先实施方式，首先施工建造桥梁的下部结构，包括主梁14的两个桥墩11以及位于两端的两个支座6，之后再下部结构上架设固定桥梁的承重结构。其桥梁的承重结构即主梁14也由多段预制的钢管桁架节段依桥梁结构受力情况进行装配而成，其中钢管桁架节段由上弦杆1、下弦杆2与腹杆3组成，其上弦杆1与下弦杆2通过腹杆3焊接成一体。

本悬索桥的建造与斜拉桥大体相同，其承重部分两端架设在固定在地基19之上的两个支座6上，中间部分由两个固定在地基19上的竖直向桥墩11支撑，在承重部分即主梁14上方相对两个桥墩11固定设置有两个竖直向的桥塔17。同时在两个桥塔17顶端之间搭设一根缆索16，另外从每个桥塔17的顶端向外引出一根缆索16并锚固在主梁两端的锚碇15上。这样便在整个主梁14上方搭设了缆索16，同时在缆索16与主梁14之间均匀连接固定有多根吊杆20。

同样地，首先分析各个钢管桁架节段的受力情况，根据受力分析和运输条件，确定杆件切割位置，将钢管桁架切割为若干可供运输的钢管节段，切割时需保证节点处的完整性和切割位置处的可焊性。桁架预制切割完成后，杆件运输至施工现场先焊接组成桥梁承重结构的多段桁架节段，再将其依次架设在下部结构之上并连接拼装组成桥梁承重结构，最终铺设桥面18完成整个桥梁建造施工。

综上五种本发明的优选实施方式中，不论是梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥，均可采用本发明给出的钢管桁架节段的装配式桥梁建造工艺，本发明适用范围广，桥梁建造速度快，建造质量好，能有效解决现如今桁梁桥建造中的工程质量和施工速度问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，其特征在于，包括以下步骤：

首先，施工用于支撑桁式结构桥梁上部结构的下部结构，包括用于支撑桥梁上部结构的基础(19)和桥墩(11)；

其次，施工建造桁式结构桥梁的上部结构，包括主桁架结构及桥面(18)；具体为：先在工厂预制主桁架结构，主桁架结构包括弦杆节段、腹杆(3)以及纵横联杆件，然后根据受力分析，确定含节点的弦杆节段、腹杆杆件以及纵横联杆件切割位置，并切割成多段桁架杆件，再将各段桁架杆件运输至施工现场并拼装成桁架节段(5)，再将桁架节段(5)依次架设在下部结构之上并连接拼装组成主桁架结构，最终铺设桥面(18)，完成整个桥梁的建造施工。

2.根据权利要求1所述的采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，其特征在于，弦杆节段包括上弦杆(1)与下弦杆(2)，上弦杆(1)与下弦杆(2)通过腹杆(3)连接为一体。

3.根据权利要求1所述的采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，其特征在于，上弦杆(1)与腹杆(3)连接处为节点(4)，下弦杆(2)与腹杆(3)连接处为节点(4)。

4.根据权利要求3所述的采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，其特征在于，纵横联杆件设置在节点(4)处，纵横联杆件包括节点处设置有纵联(8)和横联(9)。

5.根据权利要求3所述的采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，其特征在于，切割时，不在节点(4)处进行切割。

6.根据权利要求1所述的采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，其特征在于，腹杆(3)为空钢管。

7.根据权利要求1所述的采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，其特征在于，上弦杆(1)、下弦杆(2)与腹杆(3)为矩形、方形或圆形钢管。

8.根据权利要求1所述的采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，其特征在于，上弦杆(1)与下弦杆(2)采用钢管混凝土构件。

9.根据权利要求8所述的采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，其特征在于，当上弦杆(1)与下弦杆(2)采用矩形钢管或方形钢管时，上弦杆(1)与下弦杆(2)内壁设置有PBL加劲型钢管混凝土构件。

10.根据权利要求1所述的采用全焊整体节点钢管桁架弦杆预制单元的桥梁建造工艺，其特征在于，桁架节段(5)为直线形状或弧线形状。

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