12-廣珠鐵路虎跳門特大橋主拱設計_W

1、橋梁建設 年第卷第期（總第期） ， （） 文章編號：（） 廣珠鐵路虎跳門特大橋主拱設計 王鵬宇，劉振標，羅世東，王新國 （中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢） 摘 要：廣珠鐵路虎跳門特大橋主橋為（） 的連續(xù)剛構柔性拱組合橋。拱肋采用鋼管混凝土結構，由上、中、下弦管組成，弦管內采用 混凝土，每片拱肋由兩管平行管和提籃內傾單管組成，由直腹桿和斜腹桿連接成三肢桁架拱；三角形直腹桿采用矩形鋼箱截面，斜腹桿采用圓鋼管；全橋拱肋共布置道橫撐；拱座采用實體截面。主橋采用先梁后拱的施工方案。采用檢算拱肋承載力、結構強度、穩(wěn)定性等性能，計算結果表明拱肋的靜力、動力性能均滿足規(guī)范要求。 關鍵詞：組合結構；

2、桁架拱；主拱；靜力分析；動力分析；施工中圖分類號： 文獻標志碼： ， （，） ： （ ） ， （） ， ， ， ：； 工程概況 廣珠鐵路虎跳門特大橋在珠海市斗門鎮(zhèn)及江門市沙堆鎮(zhèn)之間跨越虎跳門水道，橋址位于黃楊大 道南門大橋及西部沿海高速公路虎跳門特大橋上游 左右，虎跳門特大橋與以上兩橋并行?；⑻T 收稿日期： 作者簡介：王鵬宇，工程師，：。 水道為規(guī)劃級航道，單孔雙向通航，通航凈空 。為滿足通航凈空要求，同時兼顧景觀效果，虎跳門特大橋主橋橋式采用（） 連續(xù)剛構柔性拱橋，主橋立面布置見圖。橋面寬 ，單箱雙室截面，墩頂處梁高 ，中 廣珠鐵路虎跳門特大橋主拱設計 王鵬宇，劉振標，羅世東，王新國 圖

3、主橋立面布置 跨跨中及端支點處梁高均為 。主橋橋面為平坡，單線級鐵路，客、貨共線設計荷載采用中 活載，設計速度為。 * 主拱方案構思 鋼管混凝土拱肋截面可分為單管、啞鈴形以及四管、六管、八管桁式截面等，四管和六管桁式拱肋還可根據橫向鋼管的聯系方式分為橫啞鈴式、全桁式以及組合式。單管及啞鈴形截面由于截面效率不高，多用于跨徑較小的結構。對于跨徑較大的鋼管混凝土拱橋，宜選用桁式拱肋。 桁式拱肋能夠采用較小的鋼管直徑取得較大的縱、橫向抗彎剛度，且桿件以受軸向力為主，能夠充分發(fā)揮材料的特性，因此它是較大跨徑鋼管混凝土拱結構廣泛采用的截面形式。桁式拱肋截面常見的有橫向啞鈴式、四肢式以及組合式，但是對于大跨

4、徑拱結構，其拱肋橫向剛度較弱，拱結構的橫向穩(wěn)定問題十分突出。因此構思一種橫向剛度較強、能夠提高橫向穩(wěn)定、具備良好受力性能的兩管平行單管提籃內傾三肢桁架拱應用于該橋。 頂分別為， 。弦管內灌注 微膨脹混凝土。主拱側面布置見圖， 拱肋截面見圖。 圖 主拱側面布置 主拱結構構造 腹管 拱 肋 拱軸線立面投影采用二次拋物線，拱肋計算跨度 ，矢高 ，矢跨比。 每片拱肋由兩管平行管和提籃內傾單管組成， 由矩形鋼箱直腹桿和圓鋼管斜腹桿連接成三肢桁架拱。 片平行雙管中心距，截面高（上、下弦管中心距） ；提籃內傾單管傾角為，中心距由拱頂處 漸變至拱腳處 。上、中、下弦管規(guī)格均為 ，壁厚從拱腳至拱 三角形直腹桿采

5、用矩形鋼箱截面，截面高、寬均為 ，板厚 、 ，由節(jié)點板與三主弦管連接。斜腹桿采用圓鋼管，規(guī)格為 ，壁厚 。直腹桿構造及節(jié)點板示意分別見圖、圖。 橫 撐 全橋拱肋共布置 道橫撐，其中跨 布置 道雙管 一字撐，水平間距 ，雙管橫撐規(guī)格為 橋梁建設 ，（） 圖 直腹桿節(jié)點板示意 ，壁厚 ；拱肋兩端各布置 道 撐，水平間距，水平橫撐規(guī)格為 、壁厚，斜撐規(guī)格為 、壁厚 。橫撐布置見圖。 拱 座 該橋拱座采用實體截面，每肢拱座寬 ，高 ，兩肢拱座中心距 。拱座構造見圖。 主拱結構計算 靜力分析 拱肋檢算 采用 軟件建立拱肋空間有限元模型（圖），拱肋、腹桿、橫撐采用梁單元模擬， 吊桿采用桿單元模擬。弦管和弦

6、管內混凝土采用主截面與附加截面整體受力，協調變形，弦管及腹桿鋼管、混凝土應力檢算結果見表，表中以受壓為正。 從表可以看出，弦管及腹桿鋼管、混凝土應力均滿足規(guī)范要求，弦管內混凝土只是局部出現很小的拉應力，結構受力比較合理。 弦管與腹桿接頭檢算及腹桿強度檢算 對于腹桿與弦管的相貫接頭，需檢算 形接頭主弦管表面的塑性失效、節(jié)點沖剪破壞及整體破壞項強度，另外尚需檢算管 件相貫接頭的疲勞強 圖 橫撐布置 廣珠鐵路虎跳門特大橋主拱設計 王鵬宇，劉振標，羅世東，王新國 表 弦管及腹桿鋼管、混凝土應力檢算結果 構件 最大應力 最小應力 上弦管 中弦管 下弦管 腹桿 上弦管混凝土 中弦管混凝土 下弦管混凝土 度

7、，。計算結果表明：該橋拱頂附近節(jié)點弦管塑 性失效承載力最小，單根直腹桿為，遠大于直腹桿最大軸向力 ；單根斜腹桿為 ，遠大于斜腹桿最大軸向力，在 弦管及腹桿尺寸、連接角度滿足尺寸限制范圍條 件下，施工階段及運營階段接頭不會發(fā)生弦管塑性 失效和節(jié)點沖剪破壞。主力作用下直腹桿及斜腹桿最大應力分別為 、 ，均小于容許值 ，腹桿強度滿足要求。直腹桿最大應力幅 ，斜腹桿最大應力幅 ，均小于相貫點疲勞應力幅容許值 ，相貫點焊接疲勞強度滿足要求。 拱腳局部應力分析 該橋拱腳與主梁、墩固結，拱腳處受力復雜，拱肋 通過拱腳傳遞給主梁、墩的內力既有軸力又有彎矩， 因此拱腳是主橋受力的最關鍵部位之一。為了得到 拱腳與

8、主梁、墩結合處的受力狀況，對該處進行了局 部應力分析，并對局部構造、橫豎向預應力索布置進 行優(yōu)化調整。計算結果表明，混凝土主壓應力小于 ，主拉應力小于 ，滿足規(guī)范要求。 動力分析 自振特性 前階主拱自振特性計算結果見表。 由表可知：該橋主拱橫向自振頻率最小，故主拱橫向剛度較小，橫向穩(wěn)定性主要受主拱控制，符合連續(xù)剛構柔性拱橋的特點；前階振型均未出現主拱豎彎模態(tài)，說明主拱豎向剛度較大，充分發(fā)揮了主拱的受力性能。 車橋振動響應分析 采用 軟件建立橋梁整體空間模型，并對不同車速過橋時的車橋振動響應進行分析。分析結果表明：在設計行車速度內，貨車、客車分別通過橋梁時，列車行車的安全性有保證，車輛橫、豎向舒

9、 橋梁建設 ，（） 表 前階主拱自振特性計算結果 階數 自振頻率 振型特點 主拱對稱橫彎 拱梁反向對稱橫彎 墩梁縱飄主梁反對稱豎彎 主拱反對稱橫彎 主梁對稱豎彎 拱梁橫彎 主梁反對稱豎彎 拱梁橫彎 拱梁反對稱橫彎 主梁對稱豎彎 適度指標均在“良好”標準以上，機車駕駛臺處橫、豎向舒適度指標均在“良好”標準以上。 穩(wěn)定性 計算結構在自重、二期恒載、吊桿索力、列車活載作用下的橫向屈曲穩(wěn)定系數。自重和二期恒載按實際取值，吊桿索力偏于安全取平面計算模型主力 附加力作用下的吊桿組合力最大值，列車活載按全橋均布 考慮?？紤]主墩下部結構約束條件對拱肋穩(wěn)定的影響。 結構穩(wěn)定性分析采用 求解，采用子空間迭代法進行

10、橋梁模態(tài)分析，分析中不考慮結構非線性的影響。拱肋 階穩(wěn)定系數分別為、，均為拱肋的面外扭轉失穩(wěn)，說明兩管平行單管提籃內傾三肢桁架拱的拱肋面后的橋面作為臨時工作面，搭建拱肋拼裝工作平臺， 完成拱肋及 豎轉橋塔的拼裝，安裝拱肋錨固點 和扣掛鋼索以及橋塔的尾索，利用橋上纜索吊機起 吊拱肋節(jié)段，按設計要求豎轉拱肋到設計標高，復測 主拱肋線形，由拱腳向拱頂抽真空對稱灌注弦管內 混凝土，灌注順序為上弦管下弦管中弦管。 為提高管內混凝土密實度，減少附在管壁上的 氣泡，鋼管混凝土采用抽真空灌注管內混凝土。 每孔的 片拱肋、 個半跨應嚴格同步進行；管內混凝土要求每根管一次泵送到頂；澆注前宜壓入清水，濕潤管壁，再壓

11、入一定數量的水泥漿作先導，以有助于排除氣泡，然后再連續(xù)抽真空壓注微膨脹混凝土；需待已灌注混凝土的強度到達設計強度的 后，方可灌注下一環(huán)的混凝土。當拱肋內混凝土到達設計 強度后，用超聲波對拱內混凝土的密實情況進行全 面檢查，并對不同階段灌注的混凝土鉆孔檢查強度。 拱座采用 高性能混凝土，分期澆注， 號塊施工完畢，掛籃前移后，施工拱座一期混凝土，拱肋豎轉合龍、拱腳固結后，澆筑拱座二期混凝土。拱腳二期混凝土覆蓋部分的鉸軸、鉸軸擋板、腹管外表面均勻焊接 焊釘，間距約，以便和二期混凝土緊密結合。拱腳弦管下面布置 層鋼筋網，以分散拱腳產生的集中應力。豎轉施工時，需在鉸座上增加道扣鎖，并焊接擋板及相應加勁板

12、，以防止鉸軸滑出鉸座，擋板和鉸軸間設置 間隙。鉸軸及腹桿內采用 微膨脹自密實免振混凝土。 外剛度相對面內剛度較小，對整個橋梁的穩(wěn)定起控制作用，拱肋階失穩(wěn)模態(tài)見圖。 結 語 廣珠鐵路虎跳門特大橋主橋采用（ ） 連續(xù)剛構柔性拱組合橋，是目前國內最大跨 主拱施工步驟 主橋采用先梁后拱的施工方案，利用合龍 度的單線鐵路混凝土結構。該橋將平行拱和提籃拱種結構體系有機結合在一起，組成新的兩管平行 圖 拱肋階失穩(wěn)模態(tài) 廣珠鐵路虎跳門特大橋主拱設計 王鵬宇，劉振標，羅世東，王新國 單管提籃內傾三肢桁架拱。外側平行的兩弦管用于承擔吊桿豎向力，受力明確；內側單弦管提籃內傾顯著增強了結構的橫向穩(wěn)定性，并分擔部分吊桿

13、力，豎 向荷載由組合結構共同承擔，因而具有合理的技術 經濟指標。配以吊桿，結構挺拔飄逸、簡潔美觀。該 主橋創(chuàng)單線連續(xù)剛構鋼管混凝土提籃拱組合結構設計亞洲新 ，已 入選中國企業(yè)新 （年）。該橋于 年月日開始施工，梁部主跨于 年月日順利合龍，主拱于年月 日順利豎轉合龍（圖）?；⑻T特大橋是廣珠鐵路大控制工程中工時最長、工藝最復雜的一個， 它的順利合龍，意味著朝廣珠鐵路年底通車目標更 近了一步。 圖 廣珠鐵路虎跳門特大橋主拱合龍 參考文獻（）： 陳寶春鋼管混凝土拱橋（第二版）北京：人民交通 ， （ （ ）： ，） ， ， （曹俊杰）空心管結構連接設計指南北京：科學， （ ， ， （ ） ：，） 徐升

14、橋，尹浩輝丫髻沙大橋的設計與施工鐵道標準設計，（）： （ ， ， ，（）：） 羅世東，嚴愛國，劉振標大跨度連續(xù)剛構柔性拱組合橋式研究鐵道科學與工程學報，（）： （ ， ， ，（）： ） 羅世東，嚴愛國，劉振標宜萬鐵路宜昌長江大橋主橋創(chuàng)新技術研究橋梁建設，（）： （ ， ， ，（）： ） 吳定俊，王小松，項海帆高速鐵路尼爾森拱橋車橋動力特性鐵道學報，（）： （ ， ， ，（）： ） 中南大學土建學院虎跳門特大橋動力特性及列車走行性分析報告長沙：中南大學土建學院， （， ： ， ，） 陳 淮，孫應桃斜靠式拱橋拱肋傾角變化對穩(wěn)定性能的影響鐵道科學與工程學報，（）： （ ， ，（）：） 孫 潮，陳寶春，陳友杰鋼管混凝土拱橋轉體施工方法工程力學，（）： （ ， ，