景观桥梁之箱型双螺旋钢桁架结构的制作工艺与研究

刘建锋 江舸

浙江越宫钢结构有限公司

摘要：箱型双螺旋钢桁架结构桥梁为国内首创城市景观桥梁，结构设计新颖，箱型双螺旋桁架节点控制难度大。本文详细介绍了箱型双螺旋钢桁架结构桥梁节点优化设计、箱型双螺旋腹杆成型、桥梁分段预拼等制造工艺过程。通过工艺控制，箱型双螺旋曲线光滑流畅、整体结构美观大方，既保证了工程质量又达到了景观效果。

关键词：箱型双螺旋钢桁架、多曲线相贯节点、精细有限元节点优化、立体螺旋顶压胎架

1、工程概况

百米花桥工程为浙江省绍兴市袍江经济技术开发区两湖区域洋泾畈湖景观项目。桥梁结构上部采用箱型双螺旋钢桁架结构，桥长100m，计算跨径为24+38+24m。螺旋环结构直径为8m(轴线处)，整体钢结构由四根通长的上下弦杆及螺旋状腹杆组成，上下弦杆采用箱型截面，截面尺寸500x400x20mm，腹杆采用箱型螺旋弯扭构件，截面尺寸为400x400x20mm。整体钢桥结构支撑于下部4组混凝土桥墩之上。

2、桥梁优化设计

原先设计整个螺旋桥体横向划分为交叉节点、螺旋腹杆及上下弦杆，如图1所示。节点复杂，加工困难，且交叉节点必须采用整板下料，材料损耗较大。

图1 螺旋桥体横向划分及交叉节点

通过与设计沟通，采用MIDAS整体计算和ANSYS workbench节点应力分析对桥梁进行了优化设计，在确保结构安全，满足结构的应力和挠度要求下，将桥梁上下弦杆设计成通长的箱体，并在交叉节点处设置内隔板，正反螺旋腹杆设计成与弦杆直接相贯，减小节点复杂性，并降低材料损耗，节约工程成本。

2.1 Midas Civil整体模型计算及参数选取

1) 计算模型

采用有限元软件Midas Civil 2013建立空间杆系有限元模型，对腹杆、弦杆、钢横梁、纵向槽钢均采用梁单元模拟，采用多段微小直线段连接来模拟曲线腹杆，取正64边形来模拟圆周，以达到近似圆弧的目的。全桥共13022个单元，11629个节点。

中间支座处腹杆应力较大，与支座相连的腹杆和节点采用局部加强处理。

2) 整体结构荷载组合计算分析

结合规范对人行桥进行承载能力极限状态设计计算，采用的作用效应组合如下：

组合1：1.0*自重+1.0*二期恒载+1.0*人群荷载+1.0*雪荷载

组合2：1.0*自重+1.0*二期恒载+1.0*人群荷载+1.0*风载+1.0*整体升温25度

组合3：1.0*自重+1.0*二期恒载+1.0*人群荷载+1.0*雪荷载+1.0*风载+1.0*整体降温25度

组合4：1.0*自重+1.0*二期恒载+1.0*人群荷载+1.0*整体升温25度

组合5：1.0*自重+1.0*二期恒载+1.0*人群荷载+1.0*雪荷载+1.0*风载+1.0*整体降温25度

组合6.7：1.0*自重+1.0*二期恒载+人群荷载(1.0 kN/m²)±X向地震作用

组合8.9：1.0*自重+1.0*二期恒载+人群荷载(1.0 kN/m²)±Y向地震作用

3) 组合节点分析示例

通过计算，组合1作用下的桁架梁总体应力，最大拉应力为163.08MPa，最大压应力为169.95MPa。均满足规范要求(210Mpa)。

组合1作用下桁架梁总体竖向位移，最大竖向位移为36.46mm，满足规范要求的L/800(47.5mm)。

4) 荷载分析结论

(1)分别对9种荷载作用效应组合的承载能力极限状态计算，在9种荷载组合下，杆件的应力均满足规范要求；

(2)各荷载组合下，最大应力均出现在1号和2号桥墩的支座周围，这表明最大应力是由支座负弯矩引起；较大的应力均出现在6肢节点和支座节点处的腹杆上，在有限元节点分析中，应对此处节点应力重点关注。

(3)在各荷载组合下，最大竖向位移均满足规范要求，最大挠度出现在38米跨的跨中位置。

2.2 ANSYS workbench连接节点应力分析计算

依据我国《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB1002.2-2005)和《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86)对HJ1、QJ1、QJ2、QJ3以及支座局部模型进行验算。验算节点如下表所示：

节点编号	节点数量	节点性质
HJ1	2	后、上腹板与后上弦交叉(三肢)
HJ2	2	后、下腹杆与后下弦交叉(四肢)
HJ3	43	腹杆与弦杆一般交叉(六肢)
HJ3’	4	支座处HJ3’节点，与支座构造焊接
QJ1	2	前、上腹杆与后上弦交叉(四肢)
QJ2	2	前、下腹杆与后下弦交叉(五肢)
QJ3	41	腹杆与弦杆一般交叉(六肢)
QJ3’	4	支座处QJ3节点，与支座构造焊接

1) QJ3腹杆与弦杆(六肢)交叉节点计算

(1)有限元模型

通过有限元程序Ansys Workbench对QJ3节点模型进行弹性分析，建立有限元模型。腹杆截面规格为400mm×400mm，顶、底板厚度为12mm，腹板厚度12mm；弦杆截面规格为500mm×400mm，顶、底板厚度均为14mm。

利用shell181板壳单元模拟钢板，钢材采用Q345C型号钢材，密度为7850kg/m³ ，泊松比0.3，弹性模量 2.1×10⁵Mpa。网格划分时单元尺寸设定为30mm，网格密度足以得到精确解；模型共划分12746个单元、13239个节点。次腹杆加劲板因焊接条件限制，加劲板与弦杆间有100mm的间隙，并且弦杆加劲板不与弦杆顶面焊接。

(2) 荷载和约束

QJ3节点荷载及约束施加情况。在弦杆端部施加简支约束，以模拟横向连接(约束A)。腹杆端部和弦杆端部施加断面荷载，荷载包含轴力、双向剪力、扭矩和双向弯矩，该荷载值由Midas Civil 整体分析计算结果中提取。荷载B、C、D、E为腹杆断面三向合力荷载，荷载F、G、H、I、J、K为腹杆断面荷载弯矩荷载。

(3)计算结果

QJ3节点Mises应力分布计算结果显示：最大应力出现在加强腹杆相交处，该处由于截面变化引起较大应力集中，因此其应力最大，Mises应力值为94Mpa<[σ]=210Mpa。可知，应力集中处面积约为30mm。

除去个别应力集中引起的部位外，QJ3节点整体Mises应力值不超过90Mpa，均小于Q345C钢材的容许应力[σ]=210Mpa。

QJ3节点加劲板Mises应力，除去个别应力集中引起的部位外，其应力值均在90Mpa以内，符合要求。

(4)计算节点小结

在荷载组合作用下，各连接节点和支座在最不利情况下的应力均未超过材料的容许应力值。但在腹杆相交位置容易出现应力集中现象，这种应力集中可以通过打磨焊脚实现平滑过渡来释放。

2.3 优化设计结论

由MIDAS整体计算和ANSYS workbench节点应力分析可知，结构的应力和挠度均满足规范要求，结构安全。

3、关键施工技术

3.1箱型双螺旋腹杆拼装胎架搭设：

1)根据图纸尺寸，在钢平台上画出胎架平面图。

2)在对应位置竖立胎架柱，并确保柱竖直；可采用挂线垂或水平尺控制立柱的竖直度，

3)在胎架柱上画出统一水平标高，以水平标高为基础，画出胎架各档横撑标高。

4)用横撑将两立柱连接，组成拼装胎架。

3.2螺旋箱型腹杆拼装

1)将螺旋翼板吊至螺旋立体胎架上的靠模旁，用千斤顶分段顶压(辅助火焰加热)，使螺旋翼板与胎架的靠模吻合并临时点焊固定。

2)拼装箱型下侧腹板。

3)拼装箱体内工艺隔板。

4)拼装上侧腹板。

5)工艺隔板焊接后，拼装外侧翼板，完成整个螺旋腹杆拼装。

3.3螺旋箱型腹杆装配要点

1)拼装时以一端为基准定位。

2)翼板、腹板拼装弯弧时必须与胎架柱贴紧，必要时可用火焰加热弯曲，翼板加热方向必须竖直地面与胎架桩平行。

3)箱型杆件端口尺寸必须保证，对角线差小于2mm.

4)单个杆件拼装完成后去除外力，自由状态时应与胎架吻合。检查无误后下胎架进行焊接。

5)胎架柱可用厂内余料制作或采购H型钢，考虑胎架稳定性可增加斜支撑加固。

6)组装前必须熟悉图纸和工艺文件，按图纸核对零件编号、外形尺寸和坡口方向，确认无误后方可组装。

7)所有板单元应在组装胎架上进行组装，组装前应对组装胎架是否变形进行检查，确认胎架三维坐标合格后方可重复组装下一构件，确保箱型螺旋杆件外观尺寸保持一致。

3.4单个杆件的焊接控制技术

1)螺腹杆拼装完成后，下胎模放在水平位置进行焊接，焊接时严格控制焊接参数，防止焊接热输入过大。

2)箱型弦杆及螺旋箱型腹杆焊接时采用对称分段焊接，焊接时从中间往两边分段退焊法，减小构件的焊接变形。

3)螺旋腹杆焊接时先焊一侧纵焊缝，内外弧应同时由中间往两边施焊，用多层多道且分段退焊法焊接，以减小焊接变形，焊接至板厚一半时，将螺旋腹杆翻转180度，再用同样方法焊接另一侧两条纵焊缝。确保箱型螺旋腹杆焊接变形符合设计要求。

4)单个构件焊接完成24小时后进行无损检测，合格后将焊缝余高打磨至母材表面平齐。

5) 螺旋腹杆回胎校正

螺旋腹杆焊接完成后回原拼装胎架校核焊接变形量是否满足要求，对于变形超出的须进行火焰矫正与拼装胎架吻合；合格后根据胎架定位点画出螺旋腹杆端口相贯线，切割相贯口1。

3.5花桥单片分段预拼装

由于整个箱型螺旋钢桁架螺旋体外圆直径8.4m，全长100m，在车间内1:1整体预拼装困难。制作时通过工艺设计将螺旋体截面分为四片相等的弧度，将四分之一螺旋腹杆与纵向弦杆相互预拼装，每四分之一圆弧为一片，每片分为七段。桁架上下两片腹杆与弦杆焊接成整段，左右两片腹杆与弦杆预拼后发散件到现场。单片分段预拼装时将每段弦杆放置与预拼平台，再将螺旋腹杆放置于两弦杆之间连接完成。检验螺旋腹杆与纵向弦杆节点处的相贯口尺寸以及螺旋腹杆的弧度尺寸是否符合图纸设计要求，确保现场安装尺寸控制。

1)单片预拼装胎架；

(1)根据花桥单片图纸尺寸，在钢平台上搭设预拼装胎架；

(2)胎架搭设方法，将纵向弦杆截面按图纸角度倾斜，长度方向水平放置，根据分段长度尺寸画出胎架位置，然后竖立胎架模板，完成胎架搭设。

2)单片分段预拼装

(1)将两侧纵向主弦杆放置胎架上，检查相应尺寸位置，箱型节点位置对应大样；

(2)将单个焊接完成的箱型螺旋腹杆放入胎架相应位置，检查相贯口尺寸及螺旋箱型腹杆与胎架吻合度；

(3)螺旋腹杆预拼后检查螺旋杆件的弧度等尺寸与图纸是否吻合，对于偏差的采用火焰加热进行矫正；

(4)螺旋腹杆预拼完成尺寸符合图纸要求后，在相贯口位置画出相贯口检查线，便于相贯口衬垫板拼装。检查合格后对螺旋腹杆、弦杆进行编号。

(5)预拼合格后螺旋腹杆下胎进行相贯口的坡口切割及衬垫板拼装，完成后转入下道路工序进行单件抛丸、油漆处理。

3.6单件抛丸、油漆技术

1)螺旋腹杆及纵弦杆表面采用抛丸(喷砂)除锈处理。除锈等级应达到GB/T 8923.1—2011规定中的Sa3.0级。除锈后钢表面洁净度等级为一级。

2)钢结构涂装技术要求按设计要求执行，漆面颜色应与建筑、周边环境相协调，具体颜色由甲方确定。油漆表面不应有流挂、起皱等外观缺陷。

3)不涂装部位：现场焊缝两侧50mm范围内安装之前不涂漆。

4)构件标识，构件油漆完成后将预拼装时的编号标识喷在构件表面指定位置便于识别。散件发货的杆件直接入库等待发货。

3.7分段组装、焊接技术

为减少现场安装工作量，将需要组段螺旋腹杆与弦杆再次放回拼装平台进行组装，焊接成一个单元段发往现场。

组装时根据原先预拼的杆件位置，先将直接与弦杆相贯的螺旋腹杆与弦杆组对，然后将与次螺旋相贯一侧的隐蔽焊缝先进行焊接并UT检测合格，再拼装次螺旋腹杆。最终全部焊接完成所有相贯焊缝。

3.8分段构件油漆及入库

分段构件整体焊接完成检测合格后，进行节点焊接区域油漆喷涂。油漆喷涂前应将焊接区域内的表面采用电动除锈工具进行处理，然后喷涂油漆，油漆喷涂工艺与之前相同。

油漆合格后入库，根据现场安装进度随时发货。

4 结束语

本文对箱型双螺旋钢桁架桥梁承载能力极限状态、连接节点采用MIDAS整体计算和ANSYS workbench节点应力分析，并进行了优化设计， 降低了施工难度减少了钢材使用量，节约工程成本。对构件制作工艺流程进行了设计，对主要施工操作方法及步骤进行了详细的介绍。在箱型双螺旋腹杆单件制作、焊接、分片分段拼装等方面提出了切实可行的施工方法和措施，箱型双螺旋曲线光滑流畅、整体结构美观大方。制作工艺具有一定的先进性和实用性，为城市景观桥梁工程及类似异型钢结构工程的施工提供了系列技术参考依据和经验。

参考文献：

[1]《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB1002.2-2005)

[2]《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86)

[3]《城市桥梁工程施工与质量验收规范》(CJJ 2-2008)