12-廣珠鐵路虎跳門特大橋主拱設(shè)計(jì)_W

1、橋梁建設(shè) 年第卷第期（總第期） ， （） 文章編號(hào)：（） 廣珠鐵路虎跳門特大橋主拱設(shè)計(jì) 王鵬宇，劉振標(biāo)，羅世東，王新國 （中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢） 摘 要：廣珠鐵路虎跳門特大橋主橋?yàn)椋ǎ?的連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋。拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，由上、中、下弦管組成，弦管內(nèi)采用 混凝土，每片拱肋由兩管平行管和提籃內(nèi)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(shí)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性等性能，計(jì)算結(jié)果表明拱肋的靜力、動(dòng)力性能均滿足規(guī)范要求。 關(guān)鍵詞：組合結(jié)構(gòu)；

2、桁架拱；主拱；靜力分析；動(dòng)力分析；施工中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)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。虎跳門 收稿日期： 作者簡介：王鵬宇，工程師，：。 水道為規(guī)劃級(jí)航道，單孔雙向通航，通航凈空 。為滿足通航凈空要求，同時(shí)兼顧景觀效果，虎跳門特大橋主橋橋式采用（） 連續(xù)剛構(gòu)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(shè)計(jì) 王鵬宇，劉振標(biāo)，羅世東，王新國 圖

3、主橋立面布置 跨跨中及端支點(diǎn)處梁高均為 。主橋橋面為平坡，單線級(jí)鐵路，客、貨共線設(shè)計(jì)荷載采用中 活載，設(shè)計(jì)速度為。 * 主拱方案構(gòu)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(jù)橫向鋼管的聯(lián)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(jié)構(gòu)。對(duì)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(jié)構(gòu)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(duì)于大跨

4、徑拱結(jié)構(gòu)，其拱肋橫向剛度較弱，拱結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定問題十分突出。因此構(gòu)思一種橫向剛度較強(qiáng)、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(nèi)傾三肢桁架拱應(yīng)用于該橋。 頂分別為， 。弦管內(nèi)灌注 微膨脹混凝土。主拱側(cè)面布置見圖， 拱肋截面見圖。 圖 主拱側(cè)面布置 主拱結(jié)構(gòu)構(gòu)造 腹管 拱 肋 拱軸線立面投影采用二次拋物線，拱肋計(jì)算跨度 ，矢高 ，矢跨比。 每片拱肋由兩管平行管和提籃內(nèi)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(nèi)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(diǎn)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(gòu)造及節(jié)點(diǎn)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(shè) ，（） 圖 直腹桿節(jié)點(diǎn)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(shí)體截面，每肢拱座寬 ，高 ，兩肢拱座中心距 。拱座構(gòu)造見圖。 主拱結(jié)構(gòu)計(jì)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(nèi)混凝土采用主截面與附加截面整體受力，協(xié)調(diào)變形，弦管及腹桿鋼管、混凝土應(yīng)力檢算結(jié)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(yīng)力均滿足規(guī)范要求，弦管內(nèi)混凝土只是局部出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)受力比較合理。 弦管與腹桿接頭檢算及腹桿強(qiáng)度檢算 對(duì)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(diǎn)沖剪破壞及整體破壞項(xiàng)強(qiáng)度，另外尚需檢算管 件相貫接頭的疲勞強(qiáng) 圖 橫撐布置 廣珠鐵路虎跳門特大橋主拱設(shè)計(jì) 王鵬宇，劉振標(biāo)，羅世東，王新國 表 弦管及腹桿鋼管、混凝土應(yīng)力檢算結(jié)果 構(gòu)件 最大應(yīng)力 最小應(yīng)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(jì)算結(jié)果表明：該橋拱頂附近節(jié)點(diǎn)弦管塑 性失效承載力最小，單根直腹桿為，遠(yuǎn)大于直腹桿最大軸向力 ；單根斜腹桿為 ，遠(yuǎn)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(yùn)營階段接頭不會(huì)發(fā)生弦管塑性 失效和節(jié)點(diǎn)沖剪破壞。主力作用下直腹桿及斜腹桿最大應(yīng)力分別為 、 ，均小于容許值 ，腹桿強(qiáng)度滿足要求。直腹桿最大應(yīng)力幅 ，斜腹桿最大應(yīng)力幅 ，均小于相貫點(diǎn)疲勞應(yīng)力幅容許值 ，相貫點(diǎn)焊接疲勞強(qiáng)度滿足要求。 拱腳局部應(yīng)力分析 該橋拱腳與主梁、墩固結(jié)，拱腳處受力復(fù)雜，拱肋 通過拱腳傳遞給主梁、墩的內(nèi)力既有軸力又有彎矩， 因此拱腳是主橋受力的最關(guān)鍵部位之一。為了得到 拱腳與

8、主梁、墩結(jié)合處的受力狀況，對(duì)該處進(jìn)行了局 部應(yīng)力分析，并對(duì)局部構(gòu)造、橫豎向預(yù)應(yīng)力索布置進(jìn) 行優(yōu)化調(diào)整。計(jì)算結(jié)果表明，混凝土主壓應(yīng)力小于 ，主拉應(yīng)力小于 ，滿足規(guī)范要求。 動(dòng)力分析 自振特性 前階主拱自振特性計(jì)算結(jié)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(gòu)柔性拱橋的特點(diǎn)；前階振型均未出現(xiàn)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(dòng)響應(yīng)分析 采用 軟件建立橋梁整體空間模型，并對(duì)不同車速過橋時(shí)的車橋振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)行車速度內(nèi)，貨車、客車分別通過橋梁時(shí)，列車行車的安全性有保證，車輛橫、豎向舒

9、 橋梁建設(shè) ，（） 表 前階主拱自振特性計(jì)算結(jié)果 階數(shù) 自振頻率 振型特點(diǎn) 主拱對(duì)稱橫彎 拱梁反向?qū)ΨQ橫彎 墩梁縱飄主梁反對(duì)稱豎彎 主拱反對(duì)稱橫彎 主梁對(duì)稱豎彎 拱梁橫彎 主梁反對(duì)稱豎彎 拱梁橫彎 拱梁反對(duì)稱橫彎 主梁對(duì)稱豎彎 適度指標(biāo)均在“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上，機(jī)車駕駛臺(tái)處橫、豎向舒適度指標(biāo)均在“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上。 穩(wěn)定性 計(jì)算結(jié)構(gòu)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(shù)。自重和二期恒載按實(shí)際取值，吊桿索力偏于安全取平面計(jì)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。考慮主墩下部結(jié)構(gòu)約束條件對(duì)拱肋穩(wěn)定的影響。 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析采用 求解，采用子空間迭代法進(jìn)行

10、橋梁模態(tài)分析，分析中不考慮結(jié)構(gòu)非線性的影響。拱肋 階穩(wěn)定系數(shù)分別為、，均為拱肋的面外扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，說明兩管平行單管提籃內(nèi)傾三肢桁架拱的拱肋面后的橋面作為臨時(shí)工作面，搭建拱肋拼裝工作平臺(tái)， 完成拱肋及 豎轉(zhuǎn)橋塔的拼裝，安裝拱肋錨固點(diǎn) 和扣掛鋼索以及橋塔的尾索，利用橋上纜索吊機(jī)起 吊拱肋節(jié)段，按設(shè)計(jì)要求豎轉(zhuǎn)拱肋到設(shè)計(jì)標(biāo)高，復(fù)測 主拱肋線形，由拱腳向拱頂抽真空對(duì)稱灌注弦管內(nèi) 混凝土，灌注順序?yàn)樯舷夜芟孪夜苤邢夜堋?為提高管內(nèi)混凝土密實(shí)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(nèi)混凝土。 每孔的 片拱肋、 個(gè)半跨應(yīng)嚴(yán)格同步進(jìn)行；管內(nèi)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(shù)量的水泥漿作先導(dǎo)，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(qiáng)度到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 后，方可灌注下一環(huán)的混凝土。當(dāng)拱肋內(nèi)混凝土到達(dá)設(shè)計(jì) 強(qiáng)度后，用超聲波對(duì)拱內(nèi)混凝土的密實(shí)情況進(jìn)行全 面檢查，并對(duì)不同階段灌注的混凝土鉆孔檢查強(qiáng)度。 拱座采用 高性能混凝土，分期澆注， 號(hào)塊施工完畢，掛籃前移后，施工拱座一期混凝土，拱肋豎轉(zhuǎn)合龍、拱腳固結(jié)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(jié)合。拱腳弦管下面布置 層鋼筋網(wǎng)，以分散拱腳產(chǎn)生的集中應(yīng)力。豎轉(zhuǎn)施工時(shí)，需在鉸座上增加道扣鎖，并焊接擋板及相應(yīng)加勁板

12、，以防止鉸軸滑出鉸座，擋板和鉸軸間設(shè)置 間隙。鉸軸及腹桿內(nèi)采用 微膨脹自密實(shí)免振混凝土。 外剛度相對(duì)面內(nèi)剛度較小，對(duì)整個(gè)橋梁的穩(wěn)定起控制作用，拱肋階失穩(wěn)模態(tài)見圖。 結(jié) 語 廣珠鐵路虎跳門特大橋主橋采用（ ） 連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋，是目前國內(nèi)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(jié)構(gòu)。該橋?qū)⑵叫泄昂吞峄@拱種結(jié)構(gòu)體系有機(jī)結(jié)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(shè)計(jì) 王鵬宇，劉振標(biāo)，羅世東，王新國 單管提籃內(nèi)傾三肢桁架拱。外側(cè)平行的兩弦管用于承擔(dān)吊桿豎向力，受力明確；內(nèi)側(cè)單弦管提籃內(nèi)傾顯著增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，并分擔(dān)部分吊桿

13、力，豎 向荷載由組合結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)，因而具有合理的技術(shù) 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。配以吊桿，結(jié)構(gòu)挺拔飄逸、簡潔美觀。該 主橋創(chuàng)單線連續(xù)剛構(gòu)鋼管混凝土提籃拱組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhuǎn)合龍（圖）?；⑻T特大橋是廣珠鐵路大控制工程中工時(shí)最長、工藝最復(fù)雜的一個(gè)， 它的順利合龍，意味著朝廣珠鐵路年底通車目標(biāo)更 近了一步。 圖 廣珠鐵路虎跳門特大橋主拱合龍 參考文獻(xiàn)（）： 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(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)指南北京：科學(xué)， （ ， ， （ ） ：，） 徐升

14、橋，尹浩輝丫髻沙大橋的設(shè)計(jì)與施工鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，（）： （ ， ， ，（）：） 羅世東，嚴(yán)愛國，劉振標(biāo)大跨度連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋式研究鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，（）： （ ， ， ，（）： ） 羅世東，嚴(yán)愛國，劉振標(biāo)宜萬鐵路宜昌長江大橋主橋創(chuàng)新技術(shù)研究橋梁建設(shè)，（）： （ ， ， ，（）： ） 吳定俊，王小松，項(xiàng)海帆高速鐵路尼爾森拱橋車橋動(dòng)力特性鐵道學(xué)報(bào)，（）： （ ， ， ，（）： ） 中南大學(xué)土建學(xué)院虎跳門特大橋動(dòng)力特性及列車走行性分析報(bào)告長沙：中南大學(xué)土建學(xué)院， （， ： ， ，） 陳 淮，孫應(yīng)桃斜靠式拱橋拱肋傾角變化對(duì)穩(wěn)定性能的影響鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，（）： （ ， ，（）：） 孫 潮，陳寶春，陳友杰鋼管混凝土拱橋轉(zhuǎn)體施工方法工程力學(xué)，（）： （ ， ，