CN111851256A - 一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁 - Google Patents

一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁 Download PDF

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Abstract

本发明涉及桥梁结构建筑领域，具体涉及一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，包括相连接的钢‑混结合梁和锚拉板组件，钢‑混结合梁包括相连接的顶板和上腹板，锚拉板组件包括锚拉板，上腹板竖向连接在顶板端部，且上腹板延伸超出顶板并与锚拉板相互对接。本发明综合考虑锚拉板与钢‑混结合梁的构造形式、受力及抗风性能等，对主梁结构的截面形式以及与锚拉板的连接方式等方面进行优化设计，这样可以避免造成材料的浪费、施工吊装重量大等不利情况，同时在保证桥梁抗风性能的条件下，节约了用钢量和工程造价，同时在锚拉板和主梁上腹板之间采用对接焊缝，具有受力更好、焊接质量更容易保证等优点。

Description

一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁
技术领域
本发明涉桥梁结构建筑领域，特别是一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁。
背景技术
近年来我国基础设施建设取得了举世瞩目的成就，高速公路、高速铁路等超级工程不断涌现。斜拉桥作为一种大跨度桥式方案在这些工程中发挥了重要的作用，斜拉桥工程技术也不断地创新发展，采用合理的主梁截面形式、安全可靠的斜拉索与主梁锚固方式等是设计重点考虑的技术问题。锚拉板作为斜拉索与钢主梁连接的主要受力构件，是全桥的主要受力点。锚拉板不同于钢锚箱，它是直接焊接在钢主梁上翼缘板上，具有受力明确、施工简单、便于加工、易于维护的特点，是斜拉桥常见的索梁锚固方式。鉴于锚拉板作为传力主要受力构件，且锚拉板仅下缘与主梁焊接在一起，锚拉板抗拉能力以及锚拉板与钢主梁、锚拉板与锚拉管焊接处抗剪能力直接关系到整座桥梁安全与稳定。
如图1所示为最常见的中等跨度斜拉桥主梁截面和锚拉板连接形式，其主梁截面采用单箱三室，锚拉板20与钢-混结合梁10(主梁本体)边腹板50焊接以传递荷载，边腹板50外侧设有风嘴60，以达到改善断面气动性能、提高桥梁断面抗风稳定性的目的。由于边腹板50外侧设有风嘴60，水平设置的顶板30需设置悬臂端(即悬臂钢板40)以连接风嘴60，不仅增加了桥梁宽度、增大了主梁用钢量，导致桥梁的用钢量偏高，而且由于风嘴60处于空中悬臂状态，养护人员无法到达风嘴位置，会给后期的桥梁风嘴维修养护工作带来一定的难度。
同时，由于外侧悬臂端的设置，锚拉板20需采用十字焊缝在顶板30焊接，或者将顶板30开孔让边腹板50穿过后与锚拉板20焊接，这两种连接方式均对焊接质量要求非常高，而且焊缝的疲劳强度低，容易出现病害，对桥梁安全不利。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，避免因传统带风嘴的单箱多室主梁与锚拉板的连接形式而带来材料用量高、制造难度大、造价较高、而且主梁和锚拉板连接的焊缝受力性能差的不利因素。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，包括相连接的钢-混结合梁和锚拉板组件，钢-混结合梁包括相连接的顶板和上腹板，锚拉板组件包括锚拉板，上腹板竖向连接在顶板端部，且上腹板延伸超出顶板并与锚拉板对接。
本发明主梁截面的上翼缘全部布置在上腹板的内侧，锚拉板采用对接焊缝与上腹板焊接，对接焊缝的受力性能好，质量容易得到保障，避免了传统带风嘴的主梁截面在顶板上采用十字形焊缝，或者在顶板上开槽型孔让上腹板穿过顶板再与锚拉板焊接。主梁两侧取消了风嘴和悬臂端的设置，大大减小了钢材用量，降低了主梁制造难度，也避免了风嘴后期的维护养护工作，成本降低。
本发明尤其适用于中等跨度斜拉桥(主跨小于350m的双塔斜拉桥或者独塔斜拉桥)，通过优化主梁结构和尺寸，在保证主梁具有一定抗拉能力和抗风能力的前提下，上腹板外侧可取消风嘴的设置，不仅能够减少桥梁宽度、节省主梁钢材用量，还能使得主梁的承载能力与现有结构形式的承载能力持平。当跨度较大(主跨大于350m的双塔斜拉桥或者独塔斜拉桥)时，可以考虑通过设置外挂风嘴解决桥梁抗风问题。
进一步地，钢-混结合梁为单箱单室结构，即只有两侧上腹板，无中腹板；结构轻便，节省了钢材量。该主梁截面形式既适合于钢-混结合梁，也适用于钢箱梁。
进一步地，顶板上设有混凝土板，混凝土板与锚拉板组件连接。混凝土板相当于增厚主梁顶板，厚混凝土板在弯矩的作用下，主梁顶部的中心轴或中心面向上偏移，承压面更大，利于加大惯性矩，提高主梁的承载能力；而且相比钢材，混凝土的成本低。当上腹板和锚拉板的对接焊缝略高于顶板，锚拉板加劲板与顶板连接时，两处焊缝均位于混凝土板覆盖范围处，利于减小焊缝疲劳破坏。
进一步地，混凝土板内部设有剪力键，混凝土板通过剪力键与顶板连接，利于防滑和抗剪。
进一步地，上腹板的内侧面上设有腹板加劲板，腹板加劲板沿竖向方向设置，内侧的腹板加劲板连接上腹板与顶板。内侧腹板加劲板的设置利于加强主梁内部结构强度和刚度，减小应力集中，提高上腹板抗拉能力。
进一步地，上腹板内侧还设有腹板加劲肋，腹板加劲肋连接上腹板和内侧的腹板加劲板。腹板加劲肋将上腹板和腹板加劲肋进一步连接在一起，能够加强腹板加劲板的连接稳定性。
进一步地，腹板加劲肋为板肋或者U肋。
进一步地，上腹板的外侧面上设有腹板加劲板，腹板加劲板沿竖向方向设置，外侧腹板加劲板连接上腹板和锚拉板组件。加强锚拉板组件与上腹板之间的直接联系，利于减小锚拉板与上腹板之间对接焊缝的集中应力，利于提高锚拉板组件与钢主梁之间的抗拉能力。
进一步地，锚拉板上至少一侧沿斜拉索方向设有锚拉板加劲板，内侧的锚拉板加劲板与顶板连接，和/或外侧的锚拉板加劲板与外侧腹板加劲板连接，加强锚拉板与主梁之间的联系，减小焊缝处的集中应力，提高锚拉板的受力性能。
进一步地，钢-混结合梁还包括下斜腹板和底板，下斜腹板相邻连接上腹板和底板，底板与顶板相对；上腹板和下斜腹板组合形成流线型截面，能够减小阻风面积，抗风性能好。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明综合考虑锚拉板与钢-混结合梁的构造形式、受力及抗风性能等，对主梁结构的截面形式以及与锚拉板的连接方式等方面进行优化设计，这样可以避免造成材料的浪费、施工吊装重量大等不利情况，同时在保证桥梁抗风性能的条件下，节约了用钢量和工程造价，同时在锚拉板和主梁上腹板之间采用对接焊缝，具有受力更好、焊接质量更容易保证等优点。
2、本发明在保证桥梁质量安全的前提下，优化结构，使结构简单化，钢-混结合梁和锚拉板之间的抗拉强度高，主梁的承受能力强，更适用于工程实践应用和推广。
附图说明
图1是传统主梁截面形式和锚拉板连接构造示意图(对称仅示一半)。
图1标号：10-钢-混结合梁；20-锚拉板；30-顶板；40-悬臂钢板；50-边腹板；60-风嘴。
图2是一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁的横断面示意图(对称仅示一半)。
图3是图2中A部放大图。
图4是图2的立面示意图。
图5是带有风嘴的一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁的横断面示意图(对称仅示一半)。
图2-图5标号：1-钢-混结合梁；11-顶板；12-上腹板；13-下斜腹板；14-底板；15-混凝土板；16-剪力键；2-锚拉板组件；21-锚拉板；22-锚拉板加劲板；23-锚管；24-锚垫板；25-凹槽；3-腹板加劲板；4-腹板加劲肋；5-风嘴。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，如图2-4所示，主要包括钢-混结合梁1与锚拉板组件2：
钢-混结合梁1主要由上腹板12、顶板11、下斜腹板13、底板14以及各板上的加劲肋构成，各个板件相互焊接呈单箱单室形对称结构，如图2。顶板11两侧分别连接上腹板12(图示仅一半)，上腹板12依次连接下斜腹板13，下斜腹板13设置于底板14两端两侧，底板14与顶板11相对；腹板和下斜腹板组合形成流线型截面，能够减小阻风面积，抗风性能好。通过调整各个板件的厚度及钢-混结合梁1的梁高，可以提高钢-混结合梁1的强度、刚度、稳定性等性能。
锚拉板组件2主要由受力构件和加劲类构件组成。主要受力构件包括锚拉板21、锚垫板24、锚管23；锚拉板21在工厂中切割成形并留有相应的凹槽25，锚垫板24焊接在锚管23的端部，然后锚管23嵌固焊接于锚拉板21预留的凹槽25内，锚拉板21下部与钢-混结合梁1的上腹板12焊接在一起。加劲类构件主要是位于锚拉板21两侧、与锚管23(或斜拉索)方向一致的锚拉板加劲板22，锚拉板加劲板22与锚拉板21相焊接以增强结构的稳定性和刚度。锚拉板21、锚拉板加劲板22、锚垫板24、凹槽25等构件的厚度和尺寸根据计算或者构造要求确定。
锚拉板组件2与钢-混结合梁1连接时，上腹板12上两侧分别设有腹板加劲板3，钢-混结合梁1的上腹板12向上延伸与锚拉板21焊接，锚拉板21外侧(背离主梁的一侧)的锚拉板加劲板22与外侧的腹板加劲板3对应焊接在一起，内侧(靠近或朝向主梁的一侧)的锚拉板加劲板22和内侧的腹板加劲板3均与顶板11焊接在一起。上腹板12的内侧面上还设有腹板加劲肋4，腹板加劲肋4沿桥梁线路纵向方向设置，腹板加劲肋4连接上腹板12与内侧腹板加劲板3。根据受力需要，还可在下斜腹板13、顶板11、底板14上设置加劲肋，以提高主梁的承受能力和强度。整个制作过程均可在工厂进行，焊接和探伤操作条件好，质量可得到保证。
进一步地，主梁顶板11上设有混凝土板15，混凝土板15两侧延伸至锚拉板21位置处，混凝土板15内部设有大量剪力键16，通过剪力键16与顶板11加强连接，以提高混凝土抗剪强度，增强主梁的承受能力。
因为主梁的上翼缘板(相当于本实施例中的顶板11，背景技术中的悬臂钢板40和顶板30)全部设置在上腹板12的内侧，锚拉板21和主梁上腹板12采用对接焊缝焊接，对接焊缝受力性能好，焊接质量容易保证，避免传统带风嘴60的主梁截面在顶板30上采用十字形焊缝，或者在顶板30上开槽型孔让腹板50穿过顶板30再与锚拉板20焊接。
本实施例中斜拉索及主梁的传力途径如下：
途径一：斜拉索的索力首先通过锚垫板24传递给锚管23，然后锚管23将荷载传递给锚拉板21，锚拉板21再将荷载传递给上腹板12，最后通过上腹板12将荷载传递到整个钢-混结合梁1，传力路径清晰合理。途径二：钢-混结合梁1的桥面荷载首先传递到顶板11，然后传递到上腹板12，上腹板12又将荷载通过锚拉板21传递至斜拉索。
本实施例斜拉桥主梁在截面形式上，取消了风嘴的设置，较短的上腹板12与下斜腹板13组合形成流线型截面。通过虚拟风洞试验(CFD)以及风-车-桥耦合振动分析，本主梁结构截面形式运用于300m跨度铁路斜拉桥时，在平均风速小于20m/s时，列车车速可达350km/h，优于《铁路技术管理规程》不大于300km/h的要求(即《铁路技术管理规程》中主梁最大能够承受车速为300km/h的行车行驶，以下以此类推)；当平均风速20-25m/s时，车速可达200km/h，优于《铁路技术管理规程》不大于200km/h的要求；当风速25-30m/s时，车速可达120km/h，优于《铁路技术管理规程》不大于200km/h的要求。因此，本实施例钢-混结合梁截面形式能够承受更高车速的行车运行，具有较好的抗风性能。
此外，由于主梁取消了设置风嘴，主梁的上翼缘在上腹板12外侧没有悬臂钢板40，减小了桥梁的宽度，节约了钢材和混凝土用量，见表1所示。
表1主跨300m的斜拉桥设计对比表
Figure BDA0002659092510000071
将本主梁单箱单室结构运用于300m跨度铁路斜拉桥时，跨中竖向挠跨比为L/983，横向挠跨比为L/5400；在最不利工况下，主梁钢结构最大压应力为219Mpa，最大拉应力为38.1Mpa，符合铁路行业标准，表明该单箱单室主梁结构具有良好的受力性能。
本实施例中钢-混结合梁结构综合考虑了上腹板与锚拉板连接构造细节、抗风性能、主梁受力性能、工程造价等多种因素，结合虚拟风洞试验、全桥静力、动力结果而确定。
本实施例适用于主跨小于350m的中等跨度斜拉桥，取消设置风嘴，主梁结构既可满足桥梁抗风的需要又可满足斜拉桥索梁锚固以及主梁受力性能的需要。当对于主跨大于350m的斜拉桥，如图5，需要在本主梁截面形式的外侧增加设置风嘴5，以保证桥梁的抗风稳定性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，包括相连接的钢-混结合梁(1)和锚拉板组件(2)，所述钢-混结合梁(1)包括相连接的顶板(11)和上腹板(12)，所述锚拉板组件(2)包括锚拉板(21)，其特征在于，所述上腹板(12)竖向连接在所述顶板(11)端部，且所述上腹板(12)延伸超出所述顶板(11)并与所述锚拉板(21)相互对接。
2.根据权利要求1所述的一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，其特征在于，所述钢-混结合梁(1)为单箱单室结构。
3.根据权利要求1所述的一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，其特征在于，所述顶板(11)上设有混凝土板(15)，所述混凝土板(15)与所述锚拉板组件(2)下缘连接。
4.根据权利要求3所述的一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，其特征在于，所述混凝土板(15)内部设有剪力键(16)，所述混凝土板(15)通过所述剪力键(16)与所述顶板(11)连接。
5.根据权利要求1所述的一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，其特征在于，所述上腹板(12)的内侧面上设有腹板加劲板(3)，所述腹板加劲板(3)沿竖向方向设置，内侧的腹板加劲板(3)连接所述上腹板(12)与所述顶板(11)。
6.根据权利要求5所述的一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，其特征在于，所述上腹板(12)内侧还设有腹板加劲肋(4)，所述腹板加劲肋(4)连接所述上腹板(12)和内侧的所述腹板加劲板(3)。
7.根据权利要求6所述的一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，其特征在于，所述腹板加劲肋(4)为板肋或者U肋。
8.根据权利要求1所述的一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，其特征在于，所述上腹板(12)的外侧面上设有腹板加劲板(3)，所述腹板加劲板(3)沿竖向方向设置，外侧所述腹板加劲板(3)连接所述上腹板(12)和所述锚拉板组件(2)。
9.根据权利要求8所述的一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，其特征在于，所述锚拉板(21)上至少一侧沿斜拉索方向设有锚拉板加劲板(22)，内侧的所述锚拉板加劲板(22)与所述顶板(11)连接，和/或外侧的所述锚拉板加劲板(22)与外侧所述腹板加劲板(3)连接。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种与锚拉板连接的斜拉桥主梁，其特征在于，所述钢-混结合梁(1)还包括下斜腹板(13)和底板(14)，所述下斜腹板(13)相邻连接所述上腹板(12)和所述底板(14)，所述底板(14)与所述顶板(11)相对；所述上腹板(12)和所述下斜腹板(13)组合形成流线型截面。
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