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鑄鋼節(jié)點(diǎn)在輕型橋梁結(jié)構(gòu)中
鑄鋼節(jié)點(diǎn)在輕型橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究
摘要:鑄鋼節(jié)點(diǎn)以其拓?fù)湫螤钸m應(yīng)性強(qiáng)、受力性能好、施工方便等特點(diǎn),適用于輕型管狀結(jié)構(gòu)橋梁。輕型橋 梁中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)按其連接作用類型可分為:鑄鋼交匯節(jié)點(diǎn)、鑄鋼支點(diǎn)以及鋼一混結(jié)合面的鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn)等。結(jié)合 鑄鋼節(jié)點(diǎn)在輕型橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),介紹其在橋梁中的應(yīng)用情況,并探討橋梁鑄鋼節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。
關(guān)鍵詞:橋梁工程;輕型橋梁;鑄鋼節(jié)點(diǎn);管狀結(jié)構(gòu);樹(shù)狀橋墩
1引言
在橋梁工程中,鑄鋼件主要應(yīng)用于形狀復(fù)雜、應(yīng) 力集中的結(jié)構(gòu)部位,如:鑄鋼支座(搖軸支座和輻軸 支座)、耳板銷(xiāo)接節(jié)點(diǎn)、鑄鋼索夾、懸索橋鞍座等。
隨著輕型橋梁結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展,管狀結(jié)構(gòu)在 橋梁工程中**發(fā)展?jié)摿ΑT卺娪霉軤顦?gòu)件的橋梁 中,由于在桿件交匯處直接釆用焊接或栓接存在困 難,其制造及受力可靠性成為一個(gè)技術(shù)瓶頸,而整體 鑄鋼節(jié)點(diǎn)是解決這一問(wèn)題的好方法。目前,釆用鑄 鋼節(jié)點(diǎn)與管狀構(gòu)件的橋梁在我國(guó)還是空白;相比之 下,鑄鋼節(jié)點(diǎn)在我國(guó)的大型建筑結(jié)構(gòu)(體育場(chǎng)館、會(huì) 展中心、航站樓等)工程中已得到較多的應(yīng)用⑴。
鑄鋼節(jié)點(diǎn)配合管狀構(gòu)件在橋梁工程應(yīng)用中的優(yōu) 勢(shì)主要表現(xiàn)為:1.鑄鋼節(jié)點(diǎn)在工廠整體鑄造,避免了 管狀構(gòu)件焊接節(jié)點(diǎn)的相貫線切割及交叉焊縫,從而 減少熱影響區(qū)的缺陷和殘余應(yīng)力,保證了節(jié)點(diǎn)區(qū)域 優(yōu)良的力學(xué)性能;2.鑄鋼節(jié)點(diǎn)可以有復(fù)雜的外形和 內(nèi)腔,可按受力狀況采用合理的拓?fù)湫螤?/span>;3.鑄鋼節(jié) 點(diǎn)的化學(xué)成份要求很高,材質(zhì)均勻且具有良好的強(qiáng) 度、塑性、韌性、可焊性及疲勞性能等;4.鑄鋼節(jié)點(diǎn)既 可用于橋梁結(jié)構(gòu)中的管狀構(gòu)件交匯處,也可用于管 狀構(gòu)件與混凝土構(gòu)件的連接面等,其與周?chē)鷹U件的 連接方式主要為焊接,也可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成螺紋連 接或銷(xiāo)軸連接形式。
總之,鑄鋼節(jié)點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)與構(gòu)件的焊接部位轉(zhuǎn)移 到應(yīng)力比較平順的節(jié)點(diǎn)區(qū)之外,可以大大提高橋梁 結(jié)構(gòu)的組拼質(zhì)量、施工速度和耐久性,有利于促進(jìn)橋 梁結(jié)構(gòu)向輕質(zhì)、高效方向發(fā)展。
2輕型橋梁中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式
在管狀輕型結(jié)構(gòu)橋梁中,根據(jù)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的連接作用分為3種類型:1.管狀構(gòu)件的鑄鋼交匯節(jié)點(diǎn);2.鑄鋼支點(diǎn);3.鋼一混結(jié)合面的鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn)。
3鑄鋼節(jié)點(diǎn)在橋梁工程中的應(yīng)用
目前在歐洲尤其是德國(guó),鑄鋼節(jié)點(diǎn)配合管狀構(gòu) 件在橋梁工程中已得到一定應(yīng)用m ,包括人行橋、 公路橋和鐵路橋(見(jiàn)表Do
3.1人行橋
鑄鋼節(jié)點(diǎn)在國(guó)外的人行橋中得到了很多應(yīng)用, 如鋼一混連接部位及管狀構(gòu)件的交匯部位。
3.2公路橋
德國(guó)斯圖加特的內(nèi)森巴赫橋是一座鋼一混組合結(jié)構(gòu)公路橋梁,位于狹長(zhǎng)而秀美的內(nèi)森巴赫山谷,其流暢的線形、通透的結(jié)構(gòu)形式,宛若空中交通聯(lián)廊掩映在郁郁蔥蔥的谷底,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功 能與環(huán)境的高度統(tǒng)一。橋梁結(jié)構(gòu)中的混凝土橋面板 支承在鋼管桁架上,而上述兩者的重量又被幾個(gè)樹(shù) 狀鋼管橋墩支承。該橋中的鋼管桁架與混凝土橋面 的連接部位應(yīng)用了鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn),鋼管桁架和樹(shù)狀鋼管橋墩釆用了鑄鋼交匯節(jié)點(diǎn)。德國(guó)的圣奇里安橋同樣采用了類似的鑄鋼節(jié)點(diǎn)。
德國(guó)的夏頓恩橋與昆特一慕新根橋分別為鋼一混凝土組合拱橋、管狀桁 架組合梁橋。管狀構(gòu)件的鑄鋼交匯節(jié)點(diǎn)、鋼一混結(jié)合部位的鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn)以及鑄鋼支點(diǎn)在上述兩橋中均得到了應(yīng)用。
3.3鐵路橋
德國(guó)柏林的新建火車(chē)站中的所有橋梁都被鋼管 樹(shù)狀橋墩支承。車(chē)站附近跨漢布特港 (Humboldthafen)河的橋梁為鋼一混組合拱橋。上述橋梁中均應(yīng)用了管狀構(gòu)件的鑄鋼交匯節(jié)點(diǎn)和鋼一混結(jié)合部位的鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn)。
4輕型橋梁結(jié)構(gòu)與鑄鋼節(jié)點(diǎn)的研究
4.1帶鑄鋼節(jié)點(diǎn)的管狀結(jié)構(gòu)
輕型化是橋梁結(jié)構(gòu)的一個(gè)發(fā)展方向,而鋼材以 其較小的重量強(qiáng)度比能很好地適應(yīng)輕型化的發(fā)展趨勢(shì)。
管狀構(gòu)件不但充分發(fā)揮了鋼材在輕型方面的優(yōu)勢(shì),且由于其剛度大、抗壓和抗扭性能好,同樣承載 能力的管狀構(gòu)件鋼材用量比型鋼要小得多,可節(jié)約鋼材20%以上。因此,管狀結(jié)構(gòu)是一種值得重視的 高效輕型結(jié)構(gòu),在橋梁結(jié)構(gòu)的桁架梁、桁式拱肋、鋼 管橋墩中均可應(yīng)用。
從國(guó)外的實(shí)踐來(lái)看,一些采用樹(shù)狀橋墩直接承 托混凝土板的橋梁,打破了傳統(tǒng)橋梁布局中梁、墩分離的概念,使橋梁整體更具視覺(jué)美感。鑄鋼節(jié)點(diǎn)可以使鋼管橋墩以點(diǎn)支承的方式連接于橋面板。由于鋼管的剛度相對(duì)較小,該類橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)溫度的適應(yīng) 性較好,在結(jié)構(gòu)中可少設(shè)伸縮縫,甚至不設(shè)(例如德國(guó)斯圖加特的內(nèi)森巴赫橋),橋梁的整體性好。
4.2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的若干研究課題
管狀結(jié)構(gòu)是一種高效輕型結(jié)構(gòu),而鑄鋼節(jié)點(diǎn)以 其自身的優(yōu)越性,配合管狀構(gòu)件必將在橋梁工程中 得到廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)外針對(duì)橋梁工程中的鑄鋼 節(jié)點(diǎn)問(wèn)題已進(jìn)行了很多研究,例如世界知名橋梁專家J. Schlaich教授在設(shè)計(jì)內(nèi)森巴赫橋時(shí),采用鑄鋼 齒狀節(jié)點(diǎn)作為混凝土橋面板與鋼管腹桿之間的連接 件,并且利用有限元分析與拉壓桿方法進(jìn)行結(jié)合部的設(shè)計(jì)分析;Gundolf Denzer通過(guò)有限元分析對(duì) 圣奇里安橋所采用鑄鋼節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造形式進(jìn)行了優(yōu)化,S. C. Haldimann-Sturm 和 A. Nussbaumer 針 對(duì)管狀結(jié)構(gòu)橋梁中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行了研究相比之下,我國(guó)目前在鑄鋼節(jié)點(diǎn)方面的 應(yīng)用研究還僅針對(duì)建筑結(jié)構(gòu),為促進(jìn)鑄鋼節(jié)點(diǎn)在橋 梁結(jié)構(gòu)中的發(fā)展,有必要加強(qiáng)以下幾方面的研究。
4.2.1鑄鋼節(jié)點(diǎn)的彈塑性設(shè)計(jì)
在桿件交匯節(jié)點(diǎn)處,不規(guī)則幾何形狀帶來(lái)局部 應(yīng)力集中,如完全按照彈性方法設(shè)計(jì),必然會(huì)使鑄鋼 節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸及材料用量大大增加,導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò) 于保守。故對(duì)局部應(yīng)力集中應(yīng)有恰當(dāng)認(rèn)識(shí),由于鑄 鋼節(jié)點(diǎn)有較好的塑性性能,因此允許鑄鋼節(jié)點(diǎn)有部 分塑性開(kāi)展是合適的設(shè)計(jì)方法。目前多采用基于 Von Mises等效應(yīng)力的強(qiáng)度準(zhǔn)則,但在考慮缺陷模 擬分析和建立實(shí)用強(qiáng)度準(zhǔn)則方面,還應(yīng)加強(qiáng)鑄鋼節(jié) 點(diǎn)彈塑性設(shè)計(jì)方面的理論與試驗(yàn)研究。
4.2.2鑄鋼節(jié)點(diǎn)的抗震性能
帶鑄鋼節(jié)點(diǎn)的管狀輕型橋梁中,鑄鋼節(jié)點(diǎn)在整 個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震受力體系中占有重要的地位。例 如,樹(shù)狀鋼管橋墩分叉處的鑄鋼節(jié)點(diǎn)或 鑄鋼支座,在地震發(fā)生中將承受較大的 作用力,且一旦失效將導(dǎo)致整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的倒塌。
目前,針對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)抗震性能的研究還較少,且 尚無(wú)試驗(yàn)依據(jù),因而針對(duì)高烈度區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)中的鑄 鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能的理論與試驗(yàn)研究是今后一個(gè) 重要的研究課題。
4. 2.3與混凝土界面連接的鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式與性能 管狀輕型橋梁一般由鋼管構(gòu)件與混凝土板組 成,與其它組合結(jié)構(gòu)橋梁類似,需在鋼一混連接面設(shè) 置剪力連接件來(lái)保證結(jié)構(gòu)的共同工作。以往的研究 表明,在水平剪力及疲勞荷載作用下,柔性剪力連接 件主要在焊接部位發(fā)生破壞,例如栓釘與母材的焊 接面,而剛性剪力連接件的破壞形式為連接件附近 的混凝土劈裂或壓碎。在管狀輕型橋梁中,鋼管橋 墩與橋面板經(jīng)常以點(diǎn)支承的方式固結(jié),且混凝土板 通常做得較薄,因此對(duì)剪力連接件的要求與以往不 同。鑄鋼齒狀節(jié)點(diǎn)的運(yùn)用可以避免類似柔性剪力連 接件的破壞形式,且同樣需要避免發(fā)生類似剛性剪 力連接件的破壞形式,因此應(yīng)加強(qiáng)與混凝土界面連 接的鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式及其性能研究,使其能夠在管狀 輕型橋梁中更好地發(fā)揮作用。
4.2.4鑄鋼節(jié)點(diǎn)疲勞性能
橋梁結(jié)構(gòu)承受著車(chē)輛的反復(fù)荷載,目前對(duì)鑄鋼 節(jié)點(diǎn)的疲勞研究還不多,一般采用很保守的設(shè)計(jì)方 法,如增大截面、減小應(yīng)力幅等,使設(shè)計(jì)很不經(jīng)濟(jì),不 利于鑄鋼節(jié)點(diǎn)在橋梁工程中的應(yīng)用發(fā)展。國(guó)外相關(guān) 疲勞試驗(yàn)表明,一般破壞均在鑄鋼節(jié)點(diǎn)與其它桿件 的連接處,而節(jié)點(diǎn)本身不會(huì)發(fā)生任何破壞,疲勞強(qiáng)度 遠(yuǎn)大于實(shí)際需求。基于此,有學(xué)者提出一種經(jīng)濟(jì)的 疲勞設(shè)計(jì)方法,從定量確定鑄鋼節(jié)點(diǎn)的制造誤差或 缺陷來(lái)反映鑄鋼節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度,使之與連接部位 的焊接疲勞強(qiáng)度相等,在保證疲勞強(qiáng)度的前提下,提 高結(jié)構(gòu)整體的經(jīng)濟(jì)性。此外,當(dāng)鑄鋼節(jié)點(diǎn)通過(guò)螺紋 形式或者軸承形式與其它構(gòu)件相連時(shí),在疲勞荷載 的作用下,節(jié)點(diǎn)區(qū)域的不穩(wěn)定性增加,需通過(guò)理論及 試驗(yàn)研究確保其安全性及改進(jìn)構(gòu)造措施等。
4.2.5鑄鋼節(jié)點(diǎn)的制造與檢驗(yàn)
鑄鋼節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量保證除了設(shè)計(jì)方法的改進(jìn),其 制造工藝同樣非常重要,甚至在很多情況下決定了 鑄鋼節(jié)點(diǎn)的性能。此外,鑄鋼節(jié)點(diǎn)的檢驗(yàn)方法與精 度是評(píng)價(jià)其質(zhì)量的重要手段,尤其是無(wú)損檢驗(yàn)以及 與之對(duì)應(yīng)的儕鋼節(jié)點(diǎn)質(zhì)量等級(jí)的設(shè)置,某些情況下 還是鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重要前提,例如疲勞設(shè)計(jì)。目 前國(guó)內(nèi)在這些方面相對(duì)落后,例如現(xiàn)行國(guó)標(biāo)《鑄鋼件 超聲探傷及質(zhì)量評(píng)級(jí)方法》(GB 7233-87)僅適用 于厚度大于等于30 mm的鑄鋼件,但在管狀結(jié)構(gòu)橋梁中的鑄鋼節(jié)點(diǎn)厚度一般是變化的,在焊接接口處通常較薄,按國(guó)標(biāo)則無(wú)法檢測(cè),而此處的鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán) 形對(duì)接焊縫的疲勞問(wèn)題是整個(gè)節(jié)點(diǎn)疲勞問(wèn)題的關(guān) 鍵,因此還需加強(qiáng)相關(guān)理論及試驗(yàn)研究。
4.2.6鑄鋼節(jié)點(diǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定是鑄鋼節(jié)點(diǎn)在我國(guó)應(yīng)用和發(fā)展 的前提,雖然早在1987年我國(guó)就制定了《焊接鋼結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼件標(biāo)準(zhǔn)XGB/T 7659),但其已無(wú)法滿 足現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中鑄鋼節(jié)點(diǎn)的要求,一般在設(shè)計(jì)時(shí)參照 國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)外關(guān)于鑄鋼節(jié)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)主要 有:國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3755、日本標(biāo)準(zhǔn)JIS G5102、美國(guó) 標(biāo)準(zhǔn)ASTM A216以及德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN17182。2008 年7月1日起施行的“鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程"是我 國(guó)**部有關(guān)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),但僅適用于工 業(yè)與民用建筑和一般構(gòu)筑物的鑄鋼節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與制 作⑴,并不適用于橋梁工程設(shè)計(jì)。由于橋梁結(jié)構(gòu)承 受車(chē)輛的疲勞荷載和沖擊作用,且工作環(huán)境比一般 工業(yè)與民用建筑更加惡劣,因此需要制定適用于橋 梁的鑄鋼節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)或在橋梁規(guī)范中增加相應(yīng)條款。
5結(jié)語(yǔ)
鑄鋼節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用可以豐富鋼橋、組合結(jié)構(gòu)橋梁 的形式,鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與制造也可以體現(xiàn)一個(gè)國(guó) 家的工業(yè)水平。釆用鑄鋼節(jié)點(diǎn)的管狀橋梁結(jié)構(gòu)具有 自重輕、受力明確、造型美觀、施工快速等特點(diǎn)。在 歐洲,這類輕型橋梁結(jié)構(gòu)已在人行橋、公路橋以及鐵 路橋中得到一定應(yīng)用且備受關(guān)注,因此釆用鑄鋼節(jié) 點(diǎn)的新型橋梁結(jié)構(gòu)也值得我國(guó)橋梁工程界重視。
為推動(dòng)鑄鋼節(jié)點(diǎn)在新型橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,應(yīng) 借鑒國(guó)外橋梁領(lǐng)域和國(guó)內(nèi)、外建筑工程領(lǐng)域的成功 經(jīng)驗(yàn),橋梁界首先要有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)意,促使科 研、制造、施工等方面的協(xié)力實(shí)施。