新建风陵渡黄河特大桥空腹式箱梁连续刚构设计

1、新建风陵渡黄河特大桥空腹式箱梁连续刚构设计新建风陵渡黄河特大桥空腹式箱梁连续刚构设计吴延伟天延1 帚(中铁第一勘察设计院集团有限公司西安710043)?桥涵设计 ?摘要对于高烈度地震区大跨桥梁的设计推荐了一种全新的桥式方案空腹式箱梁连续刚构,该结构是钢管桁架和预应力混凝土板的组合结构.与常规钢桁梁及混凝土连续刚构桥相比,该组合结构具有较大的优势,是一种极具潜力的桥梁结构形式.关键词高烈度地震大跨度桥梁空腹式箱梁连续刚构抗震性能中图分类号U445.4文献标识码B 文章编号1009 4539(2009)09 0021 06DesignofConsecutiveBoxGirderRigidFrame

2、BridgewithOpenSpandrelaboutNewFenglingduLargeBridgeinYellowRiverWuYanwei(ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Xi'an710043,China)AbstractTheauthorrecommendsabrandnewlongspanbridgestructureinhighintensityearthquakeboxgirderrigidframebridgewithhoHowabdomen.Thestructureisakindofcomb

3、inedstruct urewithsteeltubetrussand pre stressedconcreteboard.Comparedwithnormaltrussbridgesandconsecutiveconcreterigidf ramebridges,thestructurehasmanyadvantagesanditisreallyanewbridgestructurewithgreatpotentials.Keywordshighintensityearthquake;largespanbridge;boxgirderwithhollowabdomen;con secutiv

4、erigidframebridge;aseismicperformance1 工程概述既有风陵渡黄河大桥位于黄河与渭河汇合口下游约 3km 处 ,是南同蒲一陇海联络线上一座大型桥梁.大桥始建于1966年 ,采用 24孔 48m 拆装式上承钢桁梁,桥长为1199.6m.桥梁北端为山西省的风陵渡,南端为陕西省的潼关老城.当时该桥为联络线上桥梁,要求经济,快速建成 ,其技术标准与永久性结构的指标相比较低.随着铁路运输的发展 ,该桥陆续出现了如下病害:横联上横杆端部裂纹 ,高强度螺栓折断,横向振幅过大,桁梁死挠度等 .目前该桥已限速4 年之久,为消除运输瓶颈,解收稿日期:2009 07 16除行车隐患

5、,确保行车安全,铁道部委托铁一院就新建南同蒲黄河特大桥展开设计研究工作.新建风陵渡黄河特大桥位于三门峡水库上游115km,处在库区的潼关河段,桥位附近河段处于黄河 ,渭河,洛河三河交汇处,又位于三门峡水库影响区 ,由于建库后水库蓄水淤积影响和黄河倒灌渭洛河的拦门坎影响,潼关以上淤积和潼关高程升降演变十分复杂,特别潼关卡口河段淤积抬高会对黄,渭 ,洛河造成严重后果.对于潼关河床高程升降,成为陕西省,河南省及水利部重点关注对象,因此在潼关段修建各种跨河建筑物需保证尽可能不会造成潼关河床抬高.大桥设计需符合本河段特点,满足行洪,防凌,通航等多方面要求.铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIO

6、NTECHNOLOGY2009(921?桥涵设计 ?2 桥式方案的比选3 补充桥式方案设计思路黄河特大桥主桥结构形式主要基于黄河水文,大跨度桥梁的刚度控制标准是目前尚未解决地质,地形等特点及黄河河务部门对主河槽内主孔的一个技术问题.由于上部结构自重大,为了保证跨度要求,并考虑环境及美观要求.黄委会明确要结构的横向刚度,需要增大下部结构刚度,这就使求 ,本河段主河槽内要采用100ITI 以上的大跨度,因得下部结构造价显着增加,且刚度增大使结构抗震此最初设计研究主要围绕钢桁梁桥,预应力混凝土性能变差;而钢梁方案可以很好地解决下部结构投连续刚构桥结构形式进行.由于桥址位于度地资过高的问题,但后期养护

7、维修的工作量大,同时震区,桥式选择需要充分考虑地震的影响.取消明桥面后,道碴槽板和钢桁梁的连接目前国内本桥桥墩较高,有条件采用连续刚构梁,其结尚无成熟可靠的方式.构特点是梁体连续,梁墩固结,主墩无支座,顺桥向空腹式(采用钢腹杆,混凝土顶底板 )箱梁为这抗弯刚度和横桥向抗扭刚度大,行车舒适平稳,养一问题的解决提供了新的思路.该结构是钢管桁护工作量小,对线路线形,纵坡适应性强,其线型优架和预应力混凝土板的组合结构 ,与钢桁梁相比,美 ,立体感强,整体景观效果好,气势宏伟,与周围具有以下几点优势:环境协调好,主桥后期运营养护费用较低,造价较(1)由于顶底板均为混凝土板,因此结构的用低 .但连续刚构梁

8、体重量大,一联的桥长由于受地钢量大幅降低,同时节点的构造得以简化,并且可震力,温度力控制不能太长,而本桥主河道较宽,致以降低噪声污染;使在主河槽内需布置两联大跨连续刚构.此外若(2)结构的刚度大大增强,对提高列车运行的要满足黄委会要求,主河槽内孑L 跨不得小于1001TI,安全性和舒适度十分有利从而对高速铁路的行车将连续刚构边跨设计为106m,则主跨需加大至更加有利;148m 以上,增加了结构抗震设计的难度.(3)采用这种结构可以方便地采用各种轨道钢桁梁桥优点是采用简支结构,受力简单明结构.确 ,主河槽内均可采用大跨跨越,且钢梁杆件拼装与普通混凝土箱梁相比,空腹式箱梁具有以下方便,技术成熟,施

9、工难度小,施工周期短,采用下几点优势.承式钢桁梁建筑高度较低,控制线路高度较低,而 (1)在剪力较大的支点截面和梁端截面采用普且梁体重量轻,可节省下部结构工程数量并有良好通预应力混凝土箱梁,这样可以充分发挥混凝土箱的抗震性能.但钢桁梁造价较高,由于其构造要梁抗剪能力强的优势;而在剪力相对较小的中部断求 ,一般需位于直线及缓坡上,因此为了保证桥下面则采用空腹式箱梁,以减轻梁体的重量,从而减净空及设计水位的要求,将会导致引桥长度,高度小施工阶段内力,使整个结构的内力状态趋于合增加,工程费用较大.目前为了保证列车提速,钢理.经估算分析,采用空腹式箱梁连续刚构方案桁梁需考虑设道碴桥面,不再考虑明桥面,

10、桥上道后,支点弯矩可下降30%左右 .碴槽的设置不但增加了结构设计难度,且由于二期(2)由于腹板的重量大大减小其结构自重可恒载的增加,加大了结构用钢量及工程造价.另外以减少20% 30%,从而使得下部结构刚度控制的钢桁梁运营时行车噪声大,养护维修工作量大,是难度大大降低,明显减小结构的地震反应,提高结运营主管部门不愿意采用的一种桥型.构在地震作用下的动力性能,进而降低下部结构的经技术经济比较,初步选定推荐方案为预应力工程造价.混凝土连续刚构桥.(3)由于梁段重量和模板数量的大幅减少,悬22 铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009l9)?桥涵设计 ?臂施工

11、难度大大减小,上部结构混凝土的单价明显减低,施工速度显着加快,见表1.表 1 两种不同类型刚构桥方案技术经济比较表,预应力混凝土连续刚构桥空腹式箱梁连续刚构4孔 64m 简支箱梁+2 联 (106+148+106)4孔 64m简支箱梁+2联 (106+148+106)mm 预应力混凝土连续刚构+(6 孔 64m+1 空腹式箱梁连续刚构+(6 孔 64m+1 孔孔 42rn)简支箱梁+l 联 (65+108+65)m42m)简支箱梁+1 联 (65+108+65)rn 连续桥梁孔跨连续梁桥+(1 孔 32m+2孔 24m+4孔梁桥 +(1 孔32rfl+2 孔 24m+4孔32m)简32in)简

12、支T 梁 +1 联 (42+64+42)lXl连续支 T 梁+1 联 (42+64+42)m连续梁桥+2梁桥 +2 孔 32m 简支 T 梁孔 32m 简支 T 梁桥梁长度2114.15m2114.15m混凝土 :17240.8m混凝土 :14115.6m主桥梁部工程数量预应力钢束:1276.3t预应力钢束:684.9t钢料 :2795.4t钢料 :4131.7t桥梁主要工程数量混凝土:23877.6m 混凝土 :18810.6m主桥墩身及承台钢料:2815.1t钢料:2129.8t混凝土 :32572.0m混凝土 :28185.0m主桥基础钢料:3166.0t钢料:2722.0t主桥工程造价

13、1.1898亿 1.1705亿综合比较投资略高投资较省经过综合比较,最终确定空腹箱梁连续刚构作为推荐桥式方案.4 空腹式连续刚构设计空腹式箱梁连续刚构跨度采用(106+148+10675106)m,除支点两侧各21m 及梁端 10m 范围内采用普通混凝土箱梁外,其余均采用空腹式箱梁.梁高除支点外侧211TI 采用变截面(13.5 8.5m)外 ,其余均采用等截面,梁高为8.5m,见图l.1180蠹上节点截面(1:100)ll80bO200什200一藏 L翌喧窃下节点截面(1-lO0)图 1 空腹式箱梁连续刚构箱梁构造铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009

14、(9)墩顶截面(1:100)端部截面(1:100)蛋?桥涵设计 ?c.淼委,装.,桥附篓8O.c11 10篓烹 ;磊菜HDP"E'相应设置隔板,增强刚度,加强节点的连接,并作为姜管,管道内.点以吻合索r黼l l 环笛芍倦,个玖议丌惟存术用力杀一.量f 一一墩壁厚2_.m,基础采用 :一锚具:OVM15 刊锚具.婴用00:00mmt翌磊腹杆+itl 及 j 节磊 :Q345q.慢兰合考虑受力及,.4;:HR B 335,Q235o:篓 mm 5f 'fl50.m,m,. 竺妻5;呈蕞 vcr34Jo)J凝土,其余墩台身c30混凝土 .篓量力的需要,在钢箱中灌注混凝土.拉

15、杆采用6;裹吾及桩.:.空篓譬二: 混凝土容重按26kN/ms,钢材容重下缘齿块内.体外索采用钢绞线索,每根体外索采用一'一一?桥涵设计 ?全桥整体升降温为20 ,钢腹杆与混凝土顶,底板的温差为15 .(4)离心力及制动力按桥规相关规定计算.(5)无缝线路纵向力桥上无缝线路采用与桥梁两端路基上无缝线路一致的轨道结构,道床纵向阻力70N/cm(计算伸缩力或轨面无载时计算挠曲力)或 110N/cm(轨面有载时计算挠曲力,计算断轨力).(6)风力有车时按W=K1 × K2× 800,其值不大于1250Pa,取 1250Pa;无车时按=K1 × K2×

16、1400=1.3X1.3X1400=2056Pa取, 2100Pa.(7)横向摇摆力取 F=100kN,作为一集中荷载取最不利位置,以水平方向垂直中线作用于钢轨顶面.5.2分析结果(见表2 一表 4)表 2 静力计算主要结果1内力/:kN?m)静活载作用下跨中强度安全系数抗裂安全系数支点剪力截面弯矩竖向位移 /cm 梁端中支点中支点Max2.68E45.85l一 1.O1E66.442.251.23Min1.58F44.18E4一 1.48E6表 3 静力计算主要结果2支座上缘支座下缘上弦顶板上缘上弦顶板下缘下弦底板上缘下弦底板下缘最大主压最小主拉钢束最大应力正应力 /MPa正应力 /MPa

17、正应力 /MPa 正应力 /MPa正应力 /MPa 正应力 /MPa应力/MPa 应力 /MPa 应力 /MPaM3.55.814.17.311.28.516.3一 1.71150Min表 4 结构前 10 阶自振特性模态号频率周期/s振型描述l0.8137411.228893一阶正对称横弯20.8382911.192903二阶反对称纵漂31.11320.898311一阶边跨横弯41.1290280.885718一阶边跨横弯51.3025970.767697二阶正对称纵漂61.7573750.569O31二阶反对称横弯71.8295290.546589一阶反

18、对称纵漂81.9822990.5O4465一阶正对称纵漂92.707320.369369二阶正对称横弯103.0583640.326972一阶反对称纵漂注 :同向和反向是针对两座桥振型的相对位置关系而言.6 主要施工步骤（1）在刚构主墩墩顶搭设支架,预压消除支架的非弹性变形后,利用支架在刚构墩墩顶立模施工箱梁 0 号梁段和1 号梁段.箱梁T 构梁段施工采用悬臂灌注法施工,根据梁段的划分利用挂篮分节段逐步完成.（2）空腹箱梁段步骤为:安装钢腹杆一移动挂篮一安装模板,绑扎钢筋,灌注混凝土一张拉（锚固 ,压浆）纵向,竖向预应力钢束,各 T 构悬臂灌注梁段至合龙前（并行施工梁端现浇梁段）.（3）合龙两

19、边跨（在支架上合龙）:边跨合龙段临时锁定采用体外钢撑杆及临时预应力钢束进行锁定 .（4）合龙中跨（合龙前施加水平预顶力）:在中跨合龙前施加水平顶力1000kN.中跨合龙段临时锁定采用体外钢撑杆及临时预应力钢束进行锁定,并在腹板四角设置千斤顶预顶位置.7 空腹式箱梁连续刚构与预应力混凝土箱梁连续刚构方案的比较7.1 静力特性的比较（见表5）由计算结果可知,两者的竖向刚度指标比较接铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009l9）25 桥涵设计 ?近 ,且均处于较好状态;但由于采用空腹结构后,显着减轻了结构自重,组合T 构的支点弯距较前者降低了25%,从而使结构的

20、内力状态更加合理.表 5 静力特性比较内力 静活载作用下支点剪力截面弯矩方案名称跨中竖向位移/(kN?111)/(kN-m) /cm梁端中支点中支点普通箱梁6. 102685071178 19588l3 连续刚构 空腹式箱梁6. O826800585o0 148Ooo0连续刚构 7.2动力特性的比较对两种结构,按基础采用24根和28根桩分别进行了自振特性的分析,结构的横向一阶周期结果如表 6 所示 .表 6 横向一阶频周期比较基础采用24 根桩基础采用28 根桩空腹式箱梁连续刚构/s1.229普通箱梁连续刚构/s1.264目前,为了保证行车的舒适度,一般仍需同步控制结构的自振周期.而由计算结果

21、可知,空腹式箱梁连续刚构的自振周期小于普通箱梁连续刚构动力性能更为优越.这就意味着空腹式箱梁连续刚构的自振周期更便于控制,可大大降低下部结构由于控制自振周期而增加的工程费用.7.3 地震力的比较空腹式箱梁连续刚构基础采用24 根桩,普通箱梁连续刚构采用28 根桩 ,可满足目前我国所采用的横向刚度控制标准,即横向自振周期不大于1.7s.在此情况下,墩底截面在横桥向地震作用下的内力情况如表7 所示 .表 7 墩底截面地震力比较弯矩轴力 /kN 剪力 /kN/(kN?in)空腹式箱梁连续刚构240257110242.97603.O普通箱梁连续刚构310903134347.3l0249.3空腹式箱粱连

22、续刚构减少/%232026由于上部结构自重的减小,空腹式箱梁连续刚构的地震力明显小于普通箱梁连续刚构,减小约20%,这将有效提高结构在地震作用下的安全性和可靠度 .7.4 工程数量的对比在满足前述横桥向刚度的情况下,两种结构的工程数量对比情况如表8 所示 .表 8 工程数量比较下部工程梁部工程工程项目墩身及承台中18OcmC55混凝土预应力钢筋Q345q钢料混凝土 /m 钻孔桩 /m/m3 钢筋 /t/t/t普通箱梁连续刚构11938.864008620.41397.7638.20空腹式箱梁连续刚构9405.355387057.8l127.9342.5938普通与空腹式箱梁连续刚构差值2533

23、.5862l562.6269.8295.7 938空腹式箱梁连续刚构用钢量较多,但是梁体及8 结论下部工程圬工量大大节省,综合比较,两方案工程空腹式箱梁连续刚构及普通箱梁连续刚构在投资大致相当.工程数量上虽然相差不大,但综合其静力及动力特7.5 施工难度及进度的对比性,地震力,施工的难易度及进度等比较结果,采用施工时,空腹式箱梁连续刚构大部分梁部节段前者有明显的优势.通过分析比较可以发现,钢混取消了腹板,模板的构造得以大大简化,施工更加喜嚣票茇方便,从而使混凝土的质量更加容易保证.同时,我国高烈度地区大跨桥梁结构的设计提供了一种新组合结构采用8m 的节间长度能加快施工进度.（下转第44页 ）2

24、6 锘漕建笳桔术RAILWAYCONS 丁 .只 UCTIONTECHNOLOGY2009（91?隧道设计 ?（2）设备及安装费对比双线单洞方案施工通风设备主要有轴流风机,风管及其相关配套设备,单线双洞方案施工通风需施工横通道l0 座 （横通道间距考虑为1km）,轴射流风机,横通道封堵及轴流风机的防爆措施等.其费用分别计算见表10,表 11.表 10 双线单洞通风设备费用轴流风机风管击1.9轴流风机风管1.7轴流风机风管由1.7项目规格数量数量规格数量规格数量数量规格数量规格数量数量469kW2 台 17962m427kW2台 382kW2台 2O324m268kW2台 253kW4台 22686ITI单价 95万元/台29.6元/米85万元/台75 万元/台26.5元/米52万元/台50 万元 /台 26.5元 /米合计/万元1905317O150541042oo60表 11 单线双洞通风设备费用轴流风机射流风机风管1.2横洞封堵防爆风机拆装项目规格数量规格数量规格数量数量数量数量数量38kW2 台 40kW2 台 22kW1O 台 4040Illl6 处 4台 14次单价 8 万元/台lO 万元/台5 页元,台19元/米0.5万元/处0.3万台 0.4万元/台台元1620508816从上表可以看出,双线单洞隧道方案较单线双洞隧道方案投入的设备资金量大.(3)工期对比对于