我國鋼橋事業(yè)的新進展

1、中國鋼橋技術(shù)發(fā)展,侯文葳（中國鐵道科學(xué)研究院，研究員),歷史回顧,,歷史回顧,中國建設(shè)鋼橋的歷史可以追朔到百年以前，在我國7萬多公里的鐵路線上，有8000多座鋼橋在服役，其中超過百年的老齡鋼橋有160多孔。 1907年建成的上海外白渡橋，1909年通車的蘭州黃河老橋都成為歷史文物，受到保護。而早期的老齡鋼橋大多是外國人設(shè)計并建造。,,1934年~1937年，39歲的茅以升先生帶領(lǐng)中國工程師設(shè)計并監(jiān)造了錢塘江大橋（主跨65.84m，全長

2、1453m），開創(chuàng)了我國自行建造鋼橋的歷史,歷史回顧,中國最早的鋼橋制造廠有超過百年的歷史（1894），但是，直到50年代初期，橋梁工廠只有制造鉚接橋的技術(shù)。1956年，蘇聯(lián)專家與中國技術(shù)人員合作，在沈陽橋梁廠試焊成功第一孔24米焊接板梁，此后，第一批320孔24m焊接板梁橋，架設(shè)在石太線和湛江附近支線上，這是我國第一次制造焊接橋。,,1957年，借助前蘇聯(lián)專家的技術(shù)和材料，中國建造完成了武漢長江公鐵兩用大橋。橋梁全長1155.5m，主

3、跨128m，該橋的建設(shè)培養(yǎng)了中國第一批鋼橋設(shè)計、施工、制作、研究的科學(xué)技術(shù)人員，為中國鋼橋事業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。,,1968年，中國人靠自己的技術(shù)、材料，自行設(shè)計建造了正橋長1576m，鐵路橋全長6772m，公路橋全長4588m的南京長江大橋,主跨160m，首次使用國產(chǎn)的16Mnq鋼。,三堆子金沙江橋（主跨194m),六十年代中期，在中國西南成昆鐵路建設(shè)中，由科研、設(shè)計、施工、制造單位組成了栓焊梁戰(zhàn)斗組，系統(tǒng)地研究了栓焊鋼橋建造技術(shù)，編

4、制了我國最早的《栓焊鋼梁設(shè)計暫行辦法》，并以此為指導(dǎo)，在成昆線上建成了不同形式的栓焊鋼橋44座，結(jié)束了中國鉚接鋼橋的歷史，開創(chuàng)了中國栓焊鋼橋技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元。,中國鋼橋建設(shè)新成就,,中國鋼橋建設(shè)新成就,上世紀(jì)九十年代以來，我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，帶來了橋梁事業(yè)從來沒有過的興旺。在鐵路橋方面，1993年使用國產(chǎn)15MnVNq鋼建成了主跨214m的九江長江大橋，2002年使用國產(chǎn)14MnNbq鋼建成了的主跨312m的蕪湖長江大橋。主跨504

5、m的武漢天興州長江大橋已經(jīng)建成，主跨336m的南京大勝關(guān)長江大橋已經(jīng)合龍。創(chuàng)造我國公鐵兩用橋的多項新紀(jì)錄。,蕪湖長江大橋全長約10公里，主跨為312米的雙層公鐵兩用矮塔斜拉橋，鋼桁梁形式。公路為組合橋面板。該橋首次采用國產(chǎn)q370型鋼（ 14MnNb），其低溫沖擊韌性達到-40oC達到41J。,鋼桁梁橋采用整體節(jié)點，在節(jié)點外拼接，可以減少節(jié)點板拼接用鋼量，有利于向全焊橋過渡。,天興洲大橋為武漢到廣州客運專線在武漢跨越長江的雙塔三索面鋼桁

6、梁公鐵兩用斜拉橋， 4線鐵路6車道公路，主跨504米。正橋全長4657米。,,天興洲長江大橋首次采用鋼桁梁節(jié)段架設(shè)方法。成為世界上最大跨度的公鐵兩用斜拉橋,,,京滬高速大勝長江大橋,大勝關(guān)長江大橋是京滬高速鐵路在南京跨越長江的關(guān)鍵工程，為6線鐵路（兩線高速，兩線客貨、兩線輕軌）連續(xù)鋼桁梁拱橋。全長約9.27公里，主跨2×336米。部分采用q420鋼材。,中國鋼橋建設(shè)新成就,公路鋼橋的發(fā)展更是突飛猛進，1996年建成通車的長江三

7、峽西陵大橋是中國人自己設(shè)計建造的第一座全焊鋼箱梁公路橋。在以后的13年中，中國已經(jīng)建成了數(shù)十座大跨度全焊或栓焊拱橋、懸索橋和斜拉橋。2007年建成通車的主跨1018m的蘇通長江大橋、2008年建成的主跨552m的c重慶朝天門長江大橋、2007年合龍的主跨1650m的西堠門跨海橋分別成為我國已經(jīng)建成的斜拉橋、拱橋、懸索橋的跨度之最。,西陵長江大橋,,蘇通長江大橋主跨1088米，斜拉橋，全焊鋼箱梁，2007年12月合攏，將成為世界最大跨度斜

8、拉橋。,,西堠門大橋合龍（主跨1650m）,,重慶朝天門長江大橋，(主跨552m）,,重慶朝天門長江大橋，主跨552米，中承式鋼桁連續(xù)系桿拱橋 ，已經(jīng)合攏。,中國鋼橋排名,中國是近15年世界鋼橋建設(shè)最活躍的地區(qū)，每年都有鋼橋在跨度上刷新世界紀(jì)錄。在橋式、材料、設(shè)計水平、架設(shè)技術(shù)上不斷進步，在世界橋梁之林中占有重要地位。,表1 中國斜拉橋跨度前10名（含建設(shè)中的橋梁）,表2 中國懸索橋跨度前10名（含建設(shè)中的橋梁）,,表3 中國拱橋跨

9、度前10名（含建設(shè)中的橋梁）,從世界千米級大橋看中國大跨度鋼橋在世界橋梁之林中的地位,,,橋梁的跨度標(biāo)志一個國家建橋的設(shè)計水平和建造水平。也是經(jīng)濟發(fā)展的象征。目前，世界上主要跨度超過1000m的大橋共有24座。其中中國8座（含香港2座），美國4座，日本4座。都是20世紀(jì)以后建造的。,世界千米以上的大跨度橋梁概況（20世紀(jì)30-70年代 ）,世界千米以上的大跨度橋梁概況（20世紀(jì)80~90年代）,世界千米以上的大跨度橋梁概況（21世紀(jì)）

10、,,鋼梁結(jié)構(gòu)形式20世紀(jì)30年代到60年代，鋼橋以桁梁為主。鉚接或高強螺栓連接設(shè)計：桁梁結(jié)構(gòu)可以按照桿系單元，運用經(jīng)典力學(xué)對結(jié)構(gòu)進行受力分析，受力非常明確。制造：鋼板首先下料、加工成桿件，將桿件拼裝成橋梁。不需要大型的吊裝機械，僅僅進行桿件吊裝，大部分連接工作在可以在橋上進行。,,70年代以后：箱梁為主，少量采用桁梁形式。箱梁優(yōu)點：抗扭剛度高，用鋼量少問題：失穩(wěn)和疲勞1969年11月至1971年11月期間，英國接連有4座鋼箱

11、梁大橋在施工階段出事故，主要原因是施工架設(shè)時鋼梁失穩(wěn)造成的。這使橋梁界大為震驚。1966年建成的塞文橋（主跨998m），首次使用流線形的扁平鋼箱加勁梁。在運行了5年以后，出現(xiàn)多處裂紋。,,研究表明，主要原因是疲勞和設(shè)計荷載取值過低造成的。英國成立了箱形鋼梁橋委員會進行研究，并召開國際性會議進行研討。1982年，英國橋梁規(guī)范BS5400第3篇鋼橋出版，對解決板件穩(wěn)定問題作出了規(guī)定。1990年，英國運輸和道路研究所對鋼橋疲勞接頭的試驗研

12、究，彌補了BS5400有關(guān)設(shè)計的不足。使鋼箱梁設(shè)計水平邁上了一個新臺階。,中國跨海大橋的建設(shè)為經(jīng)濟發(fā)展作出新貢獻,,,杭州灣大橋:全長約58.7公里。全線共有特大橋4座、大橋28座、隧道2座、互通立交6座，已經(jīng)全線貫通,起自舟山本島的鴨蛋山環(huán)島公路，經(jīng)舟山群島中的里釣島、富翅島、冊子島、金塘島至寧波鎮(zhèn)海區(qū)，與滬杭高速公路和杭州灣大通道相連接。五座大橋組成，全長四十八公里。包括：金塘大橋、西堠門大橋、桃夭門大橋、響礁門大橋、岑港大橋。已經(jīng)

13、建成3座。西堠門大橋已經(jīng)合攏。,,,西堠門大橋主橋為兩跨連續(xù)懸索橋，主跨1650米；加勁梁采用中間開槽6m的雙箱鋼箱梁，全寬36米,舟山連島工程：架設(shè)中的西堠門大橋,,深圳灣大橋：從深圳東角頭填海區(qū)跨海至香港鰲勘石登陸，全長5545米，由粵港兩地共同投資建設(shè)。2007年4月通車,我國跨海橋的建設(shè)正在興起,東海跨海大橋：起于上海南匯區(qū)蘆潮港，北與滬蘆高速公路相連，南跨杭州灣北部海域，直達浙江嵊泗縣小洋山島。,,正在建設(shè)和計劃建設(shè)的還有

14、：青島海灣大橋、湛江海灣大橋、珠海與澳門通道湛江海灣大橋、平潭海峽大橋、象山港大橋等。港澳珠大橋正在勘測,橋梁用鋼,中國鋼橋建設(shè)主橋基本使用國產(chǎn)鋼材，按照橋梁鋼國家標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制交貨質(zhì)量。比如：鐵路鋼橋用鋼材交貨條件明確規(guī)定：Q235q、Q345q熱軋狀態(tài)交貨，Q370qD、Q370qE、Q420qD Q420qE均應(yīng)正火狀態(tài)交貨。Q370QE鋼板的實物的沖擊韌性交貨條件：-40℃時的沖擊功，板厚小于等于24mm不低于100J, 板厚大

15、于24mm不低于120J, Q420qE鋼板實物的沖擊韌性交貨條件為-40℃時沖擊功不低于120J。,鐵路鋼橋的基本材料,,,橋梁用鋼,鋼材的屈強比在檢驗橋梁鋼材料的時候，不是屈服強度越高越好，還應(yīng)當(dāng)檢驗鋼材的屈服強度與抗拉強度的比值，即屈強比。屈強比規(guī)定不大于0.7，個別的超過時，不大于0.75。如果屈強比超過0.75，就可以認(rèn)為材料的屈服強度與極限強度過于接近，會造成鋼材的受力在超過屈服強度后，沒有經(jīng)過足夠的塑性變形過程而發(fā)生突然

16、破壞,不適合用于鋼橋。（建筑用鋼0.8),橋梁用鋼,鋼材的板厚效應(yīng)一般方法軋制的碳素鋼和低合金鋼，厚板與薄板的屈服強度有所區(qū)別,隨著板厚的增加，屈服強度會有所降低。只有經(jīng)過控溫控軋的高性能鋼(SM520C-H)，屈服強度才不會隨板厚的變化改變。為了避免板厚效應(yīng)對結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響，我國鐵路鋼橋最厚的鋼板用到50mm。超過這個厚度的鋼板如果使用，需要進行大量的試驗。,橋梁用鋼,上海盧浦橋、廈門鐘宅灣大橋，按照德國可焊細晶鋼工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DINEN

17、I0113-93及其覆蓋規(guī)范，并以DINI7102-83作補充，使用S355N鋼材。其鋼材屈服強度略高于我國Q345qD級鋼材。在我國的移動式橋梁中，用到屈服強度大于700Mpa的18Mn2CrMoBA的高強度鋼。,鋼梁制造技術(shù),我國大跨度鐵路鋼橋一般采用桁梁橋，公路鋼橋采用箱梁橋。從1994年，我國制造第一段鋼箱梁開始，已經(jīng)幾家制造商裝備了完善的全焊鋼箱梁制造設(shè)備，掌握了全套制造程序和技術(shù)。鋼板予處理、精密切割、自動焊接、工程測量、板

18、件矯形設(shè)備，自行研制的予反變形單元件制作胎架，焊接控制臺車、大型組裝胎架、節(jié)段端口支撐架等工裝，對操作人員的嚴(yán)格訓(xùn)練，有序的質(zhì)量檢查和項目管理，共同構(gòu)成了可以確保鋼梁制作的精度的體系。工地焊接采用的陶瓷襯墊單面焊接雙面成型工藝已經(jīng)被制造商熟練掌握。,正交異性板全焊鋼梁制造技術(shù),,潤揚橋板單元件無定位組裝胎,預(yù)反變形狀態(tài)下船位進行U型肋船位焊接,單元件熱矯形,全焊鋼箱梁梁制造技術(shù),局部輪載作用下縱肋與面板連接焊縫處易出現(xiàn)疲勞裂紋位置示意圖

19、,,,a）角焊縫人行道 b）熔透坡口角焊縫（車型道）,,,a）橫肋腹板在縱肋與面板焊縫處設(shè)置過焊孔,b）橫肋腹板在縱肋與面板焊縫處不設(shè)置過焊孔,焊接細節(jié),板單元矯形,節(jié)段匹配制造工藝,,鋼橋架設(shè)技術(shù),懸索橋先導(dǎo)索過江：引導(dǎo)船牽引技術(shù)：需要封航4-6小時直升飛機牽引技術(shù)：限于開闊地帶（西堠門大橋）火箭拋繩系統(tǒng)發(fā)射技術(shù)：要求精確（湖北泗渡河特大橋)適用于峽谷地區(qū)。,,火箭拋射先導(dǎo)索,目前，我國架設(shè)懸索橋需用的纜載吊機、擠緊機、纏絲

20、機、斜拉橋梁段架設(shè)使用的吊機等都可以自行制造。蘇通長江大橋鋼箱梁梁段最大吊裝重量達到1300噸（浮吊）。從武漢天興州橋的桁梁架設(shè)開始采用節(jié)段架設(shè)的方式，每塊桁段鋼梁長14米、寬30米、高16.8米，重達650噸。,,大跨度鋼管混凝土拱橋的轉(zhuǎn)體法施工和檢測技術(shù)已經(jīng)成熟。轉(zhuǎn)體重量大的有柏盤江鐵路鋼管拱橋和廣州丫髻沙橋。丫髻沙橋轉(zhuǎn)體部分長258.1m,寬39.4m,高86.3m,平轉(zhuǎn)角度最大117.1117°,平轉(zhuǎn)環(huán)道直徑33m,平

21、轉(zhuǎn)總重13685t,豎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)總重2058噸。,鋼橋制造與架設(shè),涂裝防護體系是保證鋼結(jié)構(gòu)橋梁壽命的重要工序，提高涂裝體系的質(zhì)量，可以大大減少養(yǎng)護維修的工作量。我國鐵路鋼橋涂裝防護體系使用壽命僅為5年，近年充分利用國際先進經(jīng)驗發(fā)展長效涂裝體系，基本可以達到30年使用壽命,鋼橋科學(xué)研究的新進展,,鋼橋疲勞問題,疲勞設(shè)計關(guān)鍵：應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)按照構(gòu)造細節(jié)采用分級控制疲勞容許應(yīng)力幅對于新的材料、沒有使用過構(gòu)造細節(jié)進行大噸位疲勞試驗（蘇通、昂

22、船洲）,疲勞抗力方程,,,,,,,,,,正交異性橋面構(gòu)造細節(jié)的疲勞問題 我國建設(shè)大跨度鋼橋，始于20世紀(jì)末，經(jīng)過多年運營，個別鋼梁出現(xiàn)局部裂紋，特別是正交異性鋼梁的橋面板，主要裂紋由于疲勞引起。從疲勞裂紋的成因出發(fā)，可以將正交異性鋼橋面板疲勞裂紋分為荷載引起的開裂及面外變形引起的開裂。,縱肋嵌補段處由于荷載引起的疲勞裂紋,,a）起源于焊趾的裂紋,b）起源于焊跟的裂紋,大勝關(guān)正交異性板疲勞抗力方程,,,槽形肋與橫梁焊縫的疲勞容許應(yīng)

23、力幅僅僅是橫向?qū)雍缚p的37%。垂直相交對接焊構(gòu)造受縱向力的疲勞容許應(yīng)力幅是橫向?qū)雍缚p的75%。,鐵路鋼橋多線系數(shù)的研究,多線鐵路鋼橋的疲勞影響系數(shù)，視各線鐵路在列車通過時對其他線路鋼結(jié)構(gòu)的影響而定。鐵道科學(xué)研究院用概率統(tǒng)計的方法，開展了多線鐵路系數(shù)的研究。經(jīng)研究計算以及對各類情況的包羅，我國天興洲橋四線鐵路系數(shù)定為2.2，大勝關(guān)橋六線鐵路系數(shù)為邊桁2.2,中桁2.4。,鐵路鋼橋動力學(xué)仿真技術(shù),鐵道科學(xué)研究院、西南交大、北京交大、