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1、研究生结课考核高等钢结构班级：姓名：学号：专 业：成绩：2015年春季学期港珠澳大桥钢一混组合连续梁疲劳特性研究摘要：本文通过从港珠澳大桥实际工程出发研究钢一混组合连续梁的疲劳特性，详细介绍目前 对钢一混组合梁桥进行疲劳性能研究的两种理论方法，传统的应力一寿命评估方法、和基于线 弹性断裂力学（LEFM）的分析方法；根据港珠澳大桥的特点，在综合分析国内外的研究现状的 情况下，选择英国规范BS5400确定港珠澳大桥钢一混组合连续梁桥运营期内车辆荷载的疲劳荷 载谱；最后研究结果表明：港珠澳大桥正交异性钢桥面板的疲劳性能满足设计要求；正交异性钢 桥面板疲劳易损部位的疲劳性能存在较大差异;疲劳裂纹附近区
2、域的应力分布随裂纹的扩展而 不断发生改变，可据此判别裂纹的萌生并监测其扩展;所提出的方法适用于待研究疲劳易损部位 的疲劳寿命评估。关键词：工程实例、疲劳荷载谱、加载及结论第一章工程实例1.1工程概况及主梁布置港珠澳大桥是G94珠三角环线高速的重要组成部分，是跨越珠江口伶仃洋海域，连香港、 珠海和澳门的大型跨海通道。其工程建设包括:港珠澳大桥主体工程、香港口岸、珠海口岸、澳 门口岸、香港接线以及珠海接线等相应的配套工程。大桥主体工程采用桥隧组合方式，工程全 长约29.6km，海底隧道长6.7km。由于港珠澳大桥地跨香港、内地和澳门地区，综合考虑二地 的设计技术规范得到该大桥的主要技术标准如下所示
3、：（1）公路等级：主桥采用双向六车道高速公路标准，设计速度100km/h ；（2）设一计汽车荷载：公路一 I级，少补茜足香港道路及铁路结构设计手册中 的活载要求；（3）设计使用寿命：120年；（4）设计安全等级：一级；（5）环境类别：I类。1.1.1主梁构造港珠澳大桥非通航区组合连续梁桥主梁采用单箱室分幅等梁高的结构形式，单幅桥宽 16.3m,梁高4.3 m，如下图：图1-1分幅主梁横断面图（单位：cm）该连续组合梁桥钢主梁采用倒梯形槽形的结构形式，主要由上翼缘板、腹板、底板、腹板 加劲肋、底板加劲肋、横隔板以及横肋板组成。顶、底板及腹板均采用Q345qD钢材，卜翼缘 板厚度为2448mm，宽
4、1200mm；腹板厚度为1828mm；氏板厚度为2044mm宽6700mm。 横隔板采用精架式构造，间距4m；桁架上弦杆采用2Z100 x 80 x 10mm双角钢，斜腹杆采用 2Z140 x 140 x 12mm双角钢，间距4m，横隔板与横肋板交替布置。支座处横隔板采用实腹式 构造，板厚44mm，支座局部加劲肋厚度40mm；加劲肋采用板式构造，底板纵肋分为 20 x 280mm和28 x 280mm两种，底板横肋为20 x 700mm + 20 x 200mm ；腹板纵肋尺寸 26 x 260mm，腹板横肋为20x 450mm + 20 x 200mm。钢主梁顶板在边支点处与实腹式横隔 板所
5、设置横向通长的翼缘板相相连，翼缘板上布置剪力钉与混凝土板相连。其钢胜梁截面示意（1）（2）11=缘图1-2钢主梁截面示意图该组合连续梁桥混凝!桥而板采用C60高性能混凝土，桥面板宽16.3m，横桥向跨中部分厚 50cm，腹板项厚50cm，其它部位厚28cm其间以梗肋过渡。采用分块预制，摆放到位后浇筑现 浇缝的施工方法，预制桥面板需存放半年以上，以减小混凝土收缩徐变的影响；桥面板横向整 块预制，在钢箱梁顶板处间断开孔；现浇缝采用C60无收缩混凝土。图1-3混凝土桥面板分块布置图（单位：cm）混凝土桥面板与钢箱梁之间通过布置主梁顶板的剪力钉连接，剪力钉直径22mm高 250mm；剪力钉的布置形式在
6、纵向采用集束式布置，单个钉群纵向布置为4排，剪力钉纵向间 距125mm，钉群中心线之间的纵向距离为1000mm；剪力钉在钢主梁顶板横向布置2 9根，横 间距125 mm。1.2组合梁施工技术及桥梁体系转换港珠澳大桥由粤、港、澳三方共同建设，采用“大型化、工厂化、标准化、装备化”的建 设理念施工。组合梁的钢箱梁大节段制造、涂装，钢筋和预制板预制均在钢结构车间内进行标 准化、精细化施工，提高了施工质量。钢箱梁采用“无马”焊接技术，减少了焊接损伤，焊接 变形得到控制。混凝土桥面板施工缝采用洗毛工艺，减少了人工凿毛工作量。采用环氧砂浆作 为粘接材料，粘接牢固;采用高弹性橡胶条达到了密实封闭的作用。采用
7、大节段制造组装，以“天 一号”专用运架一体船整孔架设，减少了海上施工作业风险，达到了海上工程快速施工。混凝 土桥面预制板采用单幅全宽式，以集束式剪力钉与钢箱梁连接，整体性好，施工方便，质量可 控，钢箱梁与混凝土桥面预制板组合后混凝土桥面板没有出现裂纹。自2013年12月2日首片 组合梁安装后的10个月时间，累计己完成钢箱梁大节段制造110片，大节段涂装100片、全部 混凝土桥面预制板、钢与混凝土桥面预制板组合96片、组合梁安装架设84片、钢箱梁接口的 焊接涂装33条和5联体系转换。1.2.1钢箱梁大节段制造在分包单位的基地内进行钢箱梁的板单元(分为斜腹板、底板和横隔板)制造，利用海轮将 板单元
8、运输到中山预制场，在钢箱梁制造车间内完成钢箱梁大节段拼装与焊接。板单元全部采 用数控切割机下料，自动装配定位，焊接小车自动焊接；横隔板加劲肋采用数字化焊接机器人 焊接，焊接后采用相控阵超声波检测焊缝质量。钢箱梁大节段在8组钢拼装胎架上拼装、焊接，为保证钢箱梁拼装和焊接质量，采取的措 施如下：(1) 为解决钢结构焊接损伤和焊接变形的问题，所有对接焊缝均采用压重或重物限位的“无 马”自动焊接。(2) 为实现相邻两孔钢箱梁接口横断面上的顶板、底板、腹板和加劲肋精确对接，钢箱梁在 车间胎架上采用“9+1”或“10+1”小节段板单元的方式进行大节段整体拼装制造。(3) 为解决在临时简支状态下梁端产生转角
9、、出现缺口导致无法对接的问题，实现无应力焊 接，在次孔首端的接口加长100 mm纵向余量，在桥位处切割和对接。(4) 为实现组合梁预拱度线形，加长或减短钢箱梁顶、底板的长度，钢箱梁最大预拱度为 275mm，拼装胎架按预拱度线形进行设置，并严格控制板单元的拼缝宽度。1.2.2钢箱梁大节段涂装在所有与钢箱梁相关的钢结构焊接和附属件的钻孔完成后进行钢箱梁打砂和涂装施工。在 全封闭的钢箱梁涂装车间内(设置1条打砂和3条涂装生产线)进行钢箱梁大节段打砂和涂装作 业。钢箱梁外表面涂装采用2道环氧富锌底漆+2道环氧云铁中间漆+2道氟碳面漆，总厚度为 380pm ；内表面涂装采用1道环氧富锌底漆+1道环氧厚浆
10、漆，总厚度为200pm。钢箱梁顶面 的结合区域和剪力钉区域不涂装，钢箱梁顶面的非结合区域则喷涂2道锌加临时防护。1.2.3混凝土桥面板预制环氧树脂涂层钢筋采用整体预制，利用汽车运输至钢筋加工车间;混凝土桥面板采用固定台 座模板进行预制，待混凝土强度达到要求后，利用龙门吊机将混凝土桥面板搬运至存放台座， 张拉横向预应力。为减少组合梁收缩徐变影响，混凝土桥面预制板存放时间不少于6个月。(1) 预制车间布置。预制场中间为整体钢结构厂房的预制车间，两侧为存放区；横向分为4 组台座，每2组台座为1个片区，各配有2台100 t的龙门吊机(负责其区内桥面预制板及其钢 筋骨架的预制、存放、搬运)。(2) 台座
11、模板设计。根据施工周期、存放期及组合梁工期的综合要求，为扩大作业面，提高 生产效率，在钢结构厂房内设置36个固定台座模板的预制台座，台座之间留有通道和平台。预 制台座采用钢析架整体式底模系统，底模板长4. 9 m、宽16. 55 m，面板为(1+7) mm不锈钢复 合板。台座和底模板为整体固定，因钢筋和剪力钉密集，间隙小，为防止组合安装时钢筋与剪 力钉相碰，底模板设2.5%的横向坡度;为保证相邻环形搭接钢筋的位置定位准确，将定位钢筋所 用的下半部分梳形端模板焊接在底模板两端。(3) 环氧树脂涂层钢筋预制。环氧树脂涂层钢筋在钢筋加工车间内存放、下料和加工，在钢 胎架上进行定位、绑扎和预制成整体，
12、在胎架上示意出钢筋间距、剪力钉和预应力孔道的固定 位置。钢筋骨架入模后应检测环氧涂层，如发现损伤则及时补涂环氧树脂。(4) C60海工耐久混凝土施工。C60海工耐久混凝土在HZS120搅拌站生产，净搅拌时间2 min；要求混凝土入模温度不超过280C，为此，配备了 1台大容量的制冰机：要求新灌混凝土 的坍落度为8 14 cm。混凝土采用平板车(装载容量为3m3的吊斗)运输，利用龙门吊机吊运大 吊斗进行混凝土连续浇筑(每天1次连续浇筑914块混凝土桥面预制板)，预制后采用土工布覆 盖、连续喷淋的措施进行混凝土养护。(5) 预制板四边施工缝洗毛。在外侧模的内堵漏板上涂表面缓凝剂，当混凝土强度达到设
13、 计强度的30%时，拆除外侧模板，及时用水冲洗水泥浆，使表面露出石子，达到凿毛效果剪力 钉预留槽内的侧面则采用快易收口网围挡，以减少混凝土桥面板的施工缝凿毛工作量。1.2.4混凝土桥面预制板与钢箱梁组合施工钢箱梁与混凝土桥面预制板组合时，还原钢箱梁预拼时的预拱度线形，粘贴高弹性橡胶条， 灌注环氧砂浆，安装桥面预制板，浇筑湿接头混凝土，达到强度后的组合梁由2台横移滑车移 到存放台座。(1) 钢箱梁与混凝土桥面预制板组合。通过粘接材料、浇筑剪力钉预留槽和湿接缝混凝土将 混凝土桥面预制板与钢箱梁组合在一起，在钢箱梁顶板顶面沿两侧边缘顺桥向通长粘贴可压缩 的橡胶条(尺寸为55mm 35mm )密封组合
14、梁。在混凝土桥面预制板底面与钢箱梁顶面结合部位 放置4块厚20 mm的垫块，涂抹厚2025 mm的环氧砂浆后，吊装并安放混凝土桥面预制板， 在混凝土桥面预制板的自重作用下，使橡胶条完全压缩(将橡胶条的厚度压缩到20 mm)，环氧 砂浆被密封。户)增韧混展二图1-3预制板与钢箱梁组合示意图(2) 高弹性防腐蚀橡胶条。防腐橡胶条由厚35 mm压缩到20 mm，压缩率达42.80%，若选 用邵氏硬度大于65时的密封橡胶条，经现场实物试验可知其压缩量仅37 mm，不能满足要求。 为了使新灌环氧砂浆能密实封闭，使橡胶条的压缩量满足要求，后经多次试验研究，研制了邵 氏硬度为60的高弹性、高密度、耐老化、防
15、腐蚀的氯丁橡胶条。(3) 粘接材料。为了使钢箱梁与混凝土桥面预制板粘接牢固和耐久，采用4种不同粘接材料 (JN建筑结构胶、环氧砂浆、水泥浆及砂浆)进行相同面荷载试验，经取芯检验以及技术、经济 和可操作性比选，采用环氧砂浆作为粘接材料。(4) 组合线形控制。钢箱梁大节段在组合台座上由4点支承，其间距布置为24 m20 m24 m，两端各悬臂7. 5 m，与拼装焊接时不一样。为恢复到钢箱梁预拼时的预拱度，组合前的预拱 度按混凝土桥面板的荷载进行计算和设置。钢箱梁就位后，按第三方监控指令复核，并采用600t竖向千斤顶起顶钢箱梁，调整预拱度，待钢箱梁线形满足要求后，利用钢支柱支承，最后用龙 门吊机吊装
16、混凝土桥面预制板。(5) 后浇混凝土质量控制。连续组合梁的中间墩两侧各3块预制板的剪力钉预留槽和湿接缝 混凝土在海上桥位处现场浇筑，其余则在组合场地内浇筑。在钢箱梁与混凝土桥面预制板组合 前，混凝土桥面板外表面应整洁干净，可利用高压水冲洗结合面，清除杂物，并检查桥面板洗 毛质量。混凝土桥面预制板的剪力钉预留槽及湿接缝采用C60高性能微膨胀增韧混凝土，C60 高性能微膨胀增韧混凝土的配合比为水:水泥:粉煤灰（I级）:矿渣粉（S95级），月彭胀剂（UEA型）: 碎石（大）:碎石（小），砂，高性能减水剂:增韧材料=146： 319： 74： 96： 42： 647： 431： 660： 5. 310： 2.655。C60高性能微膨胀增韧混凝土在搅拌站生产，利用混凝土运输车运输至
