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我公司新获一项专利授权
2019-10-09 15:34     (点击: )

近日,我公司研发中心牵头与陕西省西咸新区泾河新城开发建设有限公司联合申报的国家发明专利《一种功能分区设计的部分敞口钢箱梁及其施工工艺》获得授权。

该专利公开了一种根据受力和施工多种需求进行功能分区设计的新型部分敞口钢梁设计和施工技术。该钢梁技术具有以下优点:

一、力学性能优越,构造适应性强

(一)受力性能优越

根据受力和施工需要,结合功能分区理念,对钢梁的闭口部分和敞口部分进行合理调配。

一种功能分区设计的部分敞口钢梁示意图

上图中“①”为主梁核心受力构件,用于确保主梁的最低抗弯、抗扭能力,构造设计为封闭箱。其宽度和高度(即梁等高或是否变高)根据主梁全宽、跨度、悬臂宽度要求等关键参数及箱室内部的施工条件等因素综合确定。必要时,可在根部受压区设置内部横隔板加密段或钢-混组合结构板。

闭口部分受压区底板顶面钢-混组合板示意图

实际上,“①”部分亦可与支点横梁“④”共同作为钢梁分步施工时控制梁体整体稳定性的框架,这种框架式构造,可大大提高施工吊装单元尺度,显著提高施工效率。

支点横梁“④”同样采用封闭箱式,既可与“①”组成抗弯、抗扭能力较强的平面框架体系,同时其内部可灌注混凝土,一方面确保“④”与桥墩盖梁“⑤”之间的支座不至于脱空,另一方面可简化“④”内部支座加劲肋设计,优化施工条件,避免与支座螺栓冲突。

“②”为钢梁中部敞口部分,该部分主要是承担和传递桥面荷载,同时作为桥面钢筋混凝土浇筑层的浇筑底模并与其形成钢-混组合桥面。其下设置的横隔板或横梁,亦是其主要传力构件,其与“①”的连接,视敞口部分的跨度和梁整体的抗扭需求,设置不同的圆倒角和横隔板高度。其下部隔板或横梁的纵桥向设置密度,视钢梁剪力滞的程度确定,必要时在支点附近设置加密段。

“③”为悬臂敞口部分。与常规钢箱梁悬臂一般采用闭口截面不同,该部分设计为U形连续敞口(每个横隔板节间都敞口)。

敞口悬臂部分示意图

构造上,悬臂高度从端部向根部以多次曲线模式逐渐加大,更加符合悬臂受力模式。从施工角度看,该构造有效避免了常规钢箱梁施工过程中由于悬臂底部封闭区间狭小而带来的施工难度和弊端,大大提高施工焊接可靠度和人性化程度。

(二)构造适应性强

在城市高架或立交桥梁设计时,变宽梁及分叉梁等异形梁一直都是设计的难点,当桥下管线或地下构筑物导致跨度较大时,现浇混凝土结构不再经济。在这种情况下,常规闭口钢箱梁箱室宽度变化导致腹板布置复杂,无法进入施工的“死角”较多,导致施工质量无法保证。采用分区设计的部分敞口钢梁则不存在这个问题:一般情况下,我们可以保持闭口箱室宽度不变,变宽的只是中部敞口部分,这一部分没有底板,焊接非常方便。

在西安市西延路立交青龙路口“变宽+分叉”联的顶板平面图和底板平面图中,右侧最后一跨桥面分为中部主线和两侧匝道,匝道和主线前者上升,后者落地,高程上“分道扬镳”,结构复杂。

a 变宽、分叉钢梁顶板平面图

b 变宽、分叉钢梁底板平面图

从底板平面图可以看出,闭口箱室宽度始终保持不变,边宽和右侧最后一跨发生高度上切割分离的是中部或者悬臂敞口部分,设计和施工难度大幅度降低。实际上由于跨度较大,闭口箱室底部还设置了梁底曲线变高。闭口箱室等宽设计有效避免了变宽、变高同时存在带来的内部构件加工困难的问题。下图为建成后实景。

变宽分叉钢梁建成效果

二、节约用钢量

该技术去掉了常规闭口钢箱梁中受力较小的板件,并通过钢-混组合桥面板减小了跨中受压区段顶钢板厚度,箱室内部受压区亦设置了隔板加密或钢-混组合加强区,因此采用该技术设计的城-A级荷载下30~60m跨度区间的钢梁每平米用钢量一般位于400kg/m2左右,我公司最低设计记录为389kg/ m2(跨度40m)。这对于节约城市钢结构桥梁的投资,具有跨越性的意义,这一用钢量较城市高架常规钢箱梁可降低15%-30%,且桥梁越宽,变宽、异形程度越高,节约越大。

常规全断面闭口钢箱梁示意图

三、施工便捷,工法兼容性、人性化程度更高

(一)吊装单元更轻

功能分区设计的钢梁由于每平米用钢量下降,因此一个吊装单元的重量更轻,也可以说在吊装重量不变的情况下,吊装单元的尺度可以更大,施工速度相应显著提高。同时,由于其闭口构件可以先期吊装并形成较为稳定的体系,在分步吊装的情况下,其吊装单元可以进一步加长,以达到减少支架、缩减施工措施费用、加快施工速度的目的。下图所示为该钢梁在西咸新区泾河新城正阳大道南延伸桥梁上的成功吊装经验:该项目主梁宽17.75m,如采用传统横、纵分块方式组拼则需要大量支架,现采用功能分区设计的部分敞口钢梁后,先期吊装闭口部分箱室,不仅运输问题得到解决,同时吊装长度达到18m以上,每跨40m中部仅需设置不多于2处支架,大大节约了支架措施费用,极大提高了施工速度。

正阳大道南延伸桥梁工程钢梁吊装

(二)顶推等其他工法的兼容性更高

部分敞口钢梁较常规钢箱梁的自重更轻,敞口部分可分期施工,具备更大灵活性。下图为该技术钢梁在西安市建工路施工架设时,为保护桥下绿化带而进行的长达1.1km的长距离顶推。

西安市建工路部分敞口钢梁长距离顶推施工

下图为该技术钢梁在西安市西延路立交项目中,为避免对相交道路的交通干扰而进行的移动支架顶推法,该方案的实施,将常规满堂支架吊装对路口交通的封闭时间,从20天缩短到了2天。

西安市西延路立交部分敞口钢梁移动支架顶推施工

(三)施工人性化程度更高

在悬臂和梁中部特别是形状不规则的箱室位置设计为敞口截面,对焊接施工具有较大好处。

四、造型美观,有利于形成城市高架整体风格

功能分区设计的敞口钢梁自2013年研发问世以来,以其优美的外形和各项优势迅速获得了广泛的应用,总应用钢量达数十万吨,对西安市钢结构桥梁的整体风格形成,做出了较大贡献。

陕西省西咸新区泾河新城正阳大道南延伸桥梁工程

2016-2019年逐步应用于西安市二环改造西南二环立交、西延路立交等多个城市立交项目中。

西安市西南二环立交昆明路高架段(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)

我公司将秉承持续创新的设计理念,在打造西安特色市政桥梁工程风格体系上做出更大的贡献。

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