昂船洲大橋、Cala Galdana橋的不銹鋼應(yīng)用介紹

世界金屬導(dǎo)報(bào)2019-06-14

1 昂船洲大橋橋塔

香港昂船洲大橋?yàn)槔鹘Y(jié)構(gòu),總長(zhǎng)1596m,其中主跨長(zhǎng)1018m。大橋橫跨藍(lán)巴勒海峽。大橋最為引人注目的特征是位于兩端的尖錐狀雙子單塔,它們支撐著寬達(dá)50m的橋面。尖塔高于海平面295m,下部為強(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu),上部的115m為由不銹鋼外皮和強(qiáng)化混凝土內(nèi)芯構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。

圖1為香港昂船洲大橋的單塔和拉索。

1.1選材

這座大橋的設(shè)計(jì)壽命為120年。由于大橋處于嚴(yán)酷的海洋腐蝕環(huán)境中,因此要求采用具有高耐久性的材料。此外,建造完成后,受持續(xù)不斷的交通流量影響,對(duì)橋塔進(jìn)行維護(hù)將會(huì)非常困難。因?yàn)椴讳P鋼具有的耐久性和吸引人的外觀,橋塔上部的復(fù)合結(jié)構(gòu)部分選擇了不銹鋼作為外皮。如果用碳鋼,那就需要刷保護(hù)性涂層,這些涂層在經(jīng)過約25-30年后就需要重新涂覆。

最初考慮的材料是標(biāo)準(zhǔn)的含鉬奧氏體不銹鋼,但因其設(shè)計(jì)強(qiáng)度相對(duì)較低(220 N/mm2),并且,由于所設(shè)計(jì)表面的粗糙度會(huì)導(dǎo)致耐蝕的不確定性,而被放棄。更高合金化的奧氏體不銹鋼,如1.4539(N08904)和1.4439(S31726),因?yàn)椴荒軡M足成本、可獲得性和強(qiáng)度方面的要求,也未對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)考量。雙相鋼1.4462(S32205)在具有高強(qiáng)度(460 N/mm2)時(shí),還具有良好的耐蝕性和表面光亮容許度,因而被采納。

1.2設(shè)計(jì)

尖塔上部115m最初的設(shè)計(jì)方案是采用全鋼結(jié)構(gòu)。但是,圓形塔易受渦流噴射振動(dòng)影響。調(diào)查顯示,塔頂?shù)膫?cè)向振動(dòng)頻率與懸索的自然頻率碰巧一致;這就意味著可能由于線性共振而激發(fā)懸索振蕩。

為避免發(fā)生這種情況,塔上部的設(shè)計(jì)改成了用不銹鋼外皮包覆強(qiáng)化混凝土圓芯的復(fù)合結(jié)構(gòu),而混凝土圓芯則包裹著鋼索的錨箱。這種設(shè)計(jì)形式使其具有更大的質(zhì)量、剛度和阻尼作用,從而改進(jìn)了對(duì)渦流噴射的反應(yīng)。

尖塔的外皮由32圈厚度為20mm的熱軋不銹鋼板組成,每圈的高度從5.6m到3.2m不等。呈圓錐形的塔尖部分直徑自10.9m漸變?yōu)?.2m,相應(yīng)的混凝土墻厚度則從1.4m降至0.8m。高度較低的三套懸索固定在塔身下部的強(qiáng)化混凝土內(nèi),高于這一位置的部分則建有25個(gè)錨箱,其余的25套懸索就安裝在錨箱內(nèi)。每座塔的頂部都預(yù)留了空間,當(dāng)需要抵消塔振動(dòng)時(shí),將來可以用來安裝擺式質(zhì)量阻尼器。

塔身上部的結(jié)構(gòu)能力依賴于不銹鋼表皮、混凝土核芯及錨箱之間的復(fù)合作用。剪力連接件為直徑16mm的雙相不銹鋼,長(zhǎng)度為300mm。連接件的數(shù)量是根據(jù)保證傳遞混凝土墻與表皮之間所有短期和長(zhǎng)期負(fù)載的要求而確定的,以約300mm中心距均勻分布,以防止表皮和錨箱板在達(dá)到屈服點(diǎn)前發(fā)生局部彎曲。原本可采用碳鋼柱頭栓,因?yàn)樗鼈兛梢院傅诫p相不銹鋼上面;由于這兩種鋼都會(huì)被澆注到混凝土中,所以本案不必考慮雙金屬腐蝕風(fēng)險(xiǎn),但是,雙相不銹鋼柱頭栓具有更高的強(qiáng)度。

為了開發(fā)出適合的焊接程序,在建設(shè)開始前,制作了一圈不銹鋼表皮原型。在這個(gè)原型上對(duì)一系列的制造技術(shù)進(jìn)行了研究,以使接觸面之間接合承受得當(dāng)。

為便于提升,每圈不銹鋼外皮都制作成兩半,并有25mm厚的硬化處理法蘭和25mm厚的硬化處理中間環(huán)。采用直徑22mm的雙相不銹鋼高強(qiáng)度摩擦抓緊螺栓做垂直接頭。對(duì)連接鋼板的接觸面要進(jìn)行處理,以確保摩擦系數(shù)大于0.2。螺栓經(jīng)預(yù)加荷載以達(dá)到165kN的軸向拉力。在正常使用狀態(tài)下,不允許發(fā)生滑動(dòng),但在達(dá)到最終極限狀態(tài)時(shí),允許滑動(dòng)產(chǎn)生,而剩余的施加載荷在支座受到抵抗。

1.3制作與安裝

制作:典型的半圈外皮是將四張平板通過等強(qiáng)焊連接起來,然后把連起來的鋼板滾壓成正確的形狀。但是,最初的四圈每圈有5.6m高,受壓彎設(shè)備寬度的限制,鋼板在焊接前就被滾壓出正確的曲率。

所有使用的工具和加工設(shè)備都是專門用來加工不銹鋼的,為防止污染,不會(huì)用來加工其他金屬材料。

安裝:外皮和錨箱均用作混凝土澆筑的永久模殼。外皮和錨箱的樹立組裝要先于混凝土澆筑兩圈。因搬運(yùn)和樹立不銹鋼組件而需要的臨時(shí)附著件都采用與結(jié)構(gòu)部分相同鋼種的不銹鋼制造。這些附著件一般位于建筑物完工后看不到的地方;但當(dāng)無法做到這樣時(shí),就在去掉臨時(shí)附加件后,將不銹鋼表面恢復(fù)為原指定表面。

焊接:在焊接耗材的選擇上,確保焊縫金屬的力學(xué)性能和耐蝕性不低于母材要求。焊縫區(qū)域進(jìn)行噴丸處理以保持統(tǒng)一的表面狀態(tài)。

2西班牙的Cala Galdana橋

Cala Galdana橋橫跨Algendar河,橋的跨度為55m、寬13m。包括兩道平行拱、兩條的縱梁和支持橋面的橫梁在內(nèi)的橋梁主結(jié)構(gòu)全部采用不銹鋼材料。橋兩端的橋臺(tái)由強(qiáng)化混凝土建造,坐落在樁基上面。這座橋梁是歐洲第一座不銹鋼路橋。

2.1選材

跨越Algendar河的一座混凝土橋使用30余年后,由于海洋性氣候?qū)е滤慕Y(jié)構(gòu)嚴(yán)重惡化。隨著其中一座橋臺(tái)結(jié)構(gòu)支撐發(fā)生沉降后,人們決定更換這座橋梁。為了做到在低維護(hù)要求條件下的長(zhǎng)使用壽命,就要求采用一種高度耐用的材料。

選材時(shí)對(duì)不同種類的碳鋼和不銹鋼進(jìn)行了考察,通過對(duì)碳鋼(S355)、奧氏體不銹鋼(1.4404/S31603)、雙相不銹鋼(1.4462/S32205)力學(xué)性能的對(duì)比,最終雙相不銹鋼1.4462(S32205)入選。該雙相不銹鋼具有高強(qiáng)度(超過大部分碳鋼)及良好的延展性并且在海洋環(huán)境下經(jīng)久耐用。

2.2設(shè)計(jì)

支撐橋梁的兩道平行拱的跨度為45m,最高處距水面6m。安裝在橋臺(tái)臺(tái)基上的支座將水平方向的力傳遞到傾斜的不銹鋼支撐桿上(并因此而不會(huì)傳到基礎(chǔ)部分)。拱連接到縱貫橋梁全長(zhǎng)的兩根梁上。

這使其表現(xiàn)得如自錨定拱橋??v梁支撐著承載橋面的橫梁。通過沿橫梁焊接的剪力連接件使橋面與橫梁之間產(chǎn)生復(fù)合作用。

圖2展示了拱與縱梁的連接。

2.3制作與建造

制作:雙相不銹鋼鋼板在瑞典生產(chǎn),鋼板的切割和邊部處理準(zhǔn)備工作也在瑞典完成。構(gòu)件在西班牙進(jìn)行組裝。

建造:主要不銹鋼結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場(chǎng)由8段組裝而成;為便于焊接,各段被抬放到臨時(shí)支撐上。剪力連接件通過手工焊接到上面。

橫梁的間隔為2m,長(zhǎng)方形中空斷面,寬度為250mm,進(jìn)深值為500-570mm。梁的斷面厚度為10-12mm。這些橫梁被連接到下面的縱梁上,并通過直徑20mm的雙相不銹鋼剪力連接件連接到上面的強(qiáng)化混凝土板上。

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