12-广珠铁路虎跳门特大桥主拱设计_W

1、桥梁建设 年第卷第期（总第期） ， （） 文章编号：（） 广珠铁路虎跳门特大桥主拱设计 王鹏宇，刘振标，罗世东，王新国 （中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉） 摘 要：广珠铁路虎跳门特大桥主桥为（） 的连续刚构柔性拱组合桥。拱肋采用钢管混凝土结构，由上、中、下弦管组成，弦管内采用 混凝土，每片拱肋由两管平行管和提篮内倾单管组成，由直腹杆和斜腹杆连接成三肢桁架拱；三角形直腹杆采用矩形钢箱截面，斜腹杆采用圆钢管；全桥拱肋共布置道横撑；拱座采用实体截面。主桥采用先梁后拱的施工方案。采用检算拱肋承载力、结构强度、稳定性等性能，计算结果表明拱肋的静力、动力性能均满足规范要求。 关键词：组合结构；

2、桁架拱；主拱；静力分析；动力分析；施工中图分类号： 文献标志码： ， （，） ： （ ） ， （） ， ， ， ：； 工程概况 广珠铁路虎跳门特大桥在珠海市斗门镇及江门市沙堆镇之间跨越虎跳门水道，桥址位于黄杨大 道南门大桥及西部沿海高速公路虎跳门特大桥上游 左右，虎跳门特大桥与以上两桥并行。虎跳门 收稿日期： 作者简介：王鹏宇，工程师，：。 水道为规划级航道，单孔双向通航，通航净空 。为满足通航净空要求，同时兼顾景观效果，虎跳门特大桥主桥桥式采用（） 连续刚构柔性拱桥，主桥立面布置见图。桥面宽 ，单箱双室截面，墩顶处梁高 ，中 广珠铁路虎跳门特大桥主拱设计 王鹏宇，刘振标，罗世东，王新国 图

3、主桥立面布置 跨跨中及端支点处梁高均为 。主桥桥面为平坡，单线级铁路，客、货共线设计荷载采用中 活载，设计速度为。 * 主拱方案构思 钢管混凝土拱肋截面可分为单管、哑铃形以及四管、六管、八管桁式截面等，四管和六管桁式拱肋还可根据横向钢管的联系方式分为横哑铃式、全桁式以及组合式。单管及哑铃形截面由于截面效率不高，多用于跨径较小的结构。对于跨径较大的钢管混凝土拱桥，宜选用桁式拱肋。 桁式拱肋能够采用较小的钢管直径取得较大的纵、横向抗弯刚度，且杆件以受轴向力为主，能够充分发挥材料的特性，因此它是较大跨径钢管混凝土拱结构广泛采用的截面形式。桁式拱肋截面常见的有横向哑铃式、四肢式以及组合式，但是对于大跨

4、径拱结构，其拱肋横向刚度较弱，拱结构的横向稳定问题十分突出。因此构思一种横向刚度较强、能够提高横向稳定、具备良好受力性能的两管平行单管提篮内倾三肢桁架拱应用于该桥。 顶分别为， 。弦管内灌注 微膨胀混凝土。主拱侧面布置见图， 拱肋截面见图。 图 主拱侧面布置 主拱结构构造 腹管 拱 肋 拱轴线立面投影采用二次抛物线，拱肋计算跨度 ，矢高 ，矢跨比。 每片拱肋由两管平行管和提篮内倾单管组成， 由矩形钢箱直腹杆和圆钢管斜腹杆连接成三肢桁架拱。 片平行双管中心距，截面高（上、下弦管中心距） ；提篮内倾单管倾角为，中心距由拱顶处 渐变至拱脚处 。上、中、下弦管规格均为 ，壁厚从拱脚至拱 三角形直腹杆采

5、用矩形钢箱截面，截面高、宽均为 ，板厚 、 ，由节点板与三主弦管连接。斜腹杆采用圆钢管，规格为 ，壁厚 。直腹杆构造及节点板示意分别见图、图。 横 撑 全桥拱肋共布置 道横撑，其中跨 布置 道双管 一字撑，水平间距 ，双管横撑规格为 桥梁建设 ，（） 图 直腹杆节点板示意 ，壁厚 ；拱肋两端各布置 道 撑，水平间距，水平横撑规格为 、壁厚，斜撑规格为 、壁厚 。横撑布置见图。 拱 座 该桥拱座采用实体截面，每肢拱座宽 ，高 ，两肢拱座中心距 。拱座构造见图。 主拱结构计算 静力分析 拱肋检算 采用 软件建立拱肋空间有限元模型（图），拱肋、腹杆、横撑采用梁单元模拟， 吊杆采用杆单元模拟。弦管和弦

6、管内混凝土采用主截面与附加截面整体受力，协调变形，弦管及腹杆钢管、混凝土应力检算结果见表，表中以受压为正。 从表可以看出，弦管及腹杆钢管、混凝土应力均满足规范要求，弦管内混凝土只是局部出现很小的拉应力，结构受力比较合理。 弦管与腹杆接头检算及腹杆强度检算 对于腹杆与弦管的相贯接头，需检算 形接头主弦管表面的塑性失效、节点冲剪破坏及整体破坏项强度，另外尚需检算管 件相贯接头的疲劳强 图 横撑布置 广珠铁路虎跳门特大桥主拱设计 王鹏宇，刘振标，罗世东，王新国 表 弦管及腹杆钢管、混凝土应力检算结果 构件 最大应力 最小应力 上弦管 中弦管 下弦管 腹杆 上弦管混凝土 中弦管混凝土 下弦管混凝土 度

7、，。计算结果表明：该桥拱顶附近节点弦管塑 性失效承载力最小，单根直腹杆为，远大于直腹杆最大轴向力 ；单根斜腹杆为 ，远大于斜腹杆最大轴向力，在 弦管及腹杆尺寸、连接角度满足尺寸限制范围条 件下，施工阶段及运营阶段接头不会发生弦管塑性 失效和节点冲剪破坏。主力作用下直腹杆及斜腹杆最大应力分别为 、 ，均小于容许值 ，腹杆强度满足要求。直腹杆最大应力幅 ，斜腹杆最大应力幅 ，均小于相贯点疲劳应力幅容许值 ，相贯点焊接疲劳强度满足要求。 拱脚局部应力分析 该桥拱脚与主梁、墩固结，拱脚处受力复杂，拱肋 通过拱脚传递给主梁、墩的内力既有轴力又有弯矩， 因此拱脚是主桥受力的最关键部位之一。为了得到 拱脚与

8、主梁、墩结合处的受力状况，对该处进行了局 部应力分析，并对局部构造、横竖向预应力索布置进 行优化调整。计算结果表明，混凝土主压应力小于 ，主拉应力小于 ，满足规范要求。 动力分析 自振特性 前阶主拱自振特性计算结果见表。 由表可知：该桥主拱横向自振频率最小，故主拱横向刚度较小，横向稳定性主要受主拱控制，符合连续刚构柔性拱桥的特点；前阶振型均未出现主拱竖弯模态，说明主拱竖向刚度较大，充分发挥了主拱的受力性能。 车桥振动响应分析 采用 软件建立桥梁整体空间模型，并对不同车速过桥时的车桥振动响应进行分析。分析结果表明：在设计行车速度内，货车、客车分别通过桥梁时，列车行车的安全性有保证，车辆横、竖向舒

9、 桥梁建设 ，（） 表 前阶主拱自振特性计算结果 阶数 自振频率 振型特点 主拱对称横弯 拱梁反向对称横弯 墩梁纵飘主梁反对称竖弯 主拱反对称横弯 主梁对称竖弯 拱梁横弯 主梁反对称竖弯 拱梁横弯 拱梁反对称横弯 主梁对称竖弯 适度指标均在“良好”标准以上，机车驾驶台处横、竖向舒适度指标均在“良好”标准以上。 稳定性 计算结构在自重、二期恒载、吊杆索力、列车活载作用下的横向屈曲稳定系数。自重和二期恒载按实际取值，吊杆索力偏于安全取平面计算模型主力 附加力作用下的吊杆组合力最大值，列车活载按全桥均布 考虑。考虑主墩下部结构约束条件对拱肋稳定的影响。 结构稳定性分析采用 求解，采用子空间迭代法进行

10、桥梁模态分析，分析中不考虑结构非线性的影响。拱肋 阶稳定系数分别为、，均为拱肋的面外扭转失稳，说明两管平行单管提篮内倾三肢桁架拱的拱肋面后的桥面作为临时工作面，搭建拱肋拼装工作平台， 完成拱肋及 竖转桥塔的拼装，安装拱肋锚固点 和扣挂钢索以及桥塔的尾索，利用桥上缆索吊机起 吊拱肋节段，按设计要求竖转拱肋到设计标高，复测 主拱肋线形，由拱脚向拱顶抽真空对称灌注弦管内 混凝土，灌注顺序为上弦管下弦管中弦管。 为提高管内混凝土密实度，减少附在管壁上的 气泡，钢管混凝土采用抽真空灌注管内混凝土。 每孔的 片拱肋、 个半跨应严格同步进行；管内混凝土要求每根管一次泵送到顶；浇注前宜压入清水，湿润管壁，再压

11、入一定数量的水泥浆作先导，以有助于排除气泡，然后再连续抽真空压注微膨胀混凝土；需待已灌注混凝土的强度到达设计强度的 后，方可灌注下一环的混凝土。当拱肋内混凝土到达设计 强度后，用超声波对拱内混凝土的密实情况进行全 面检查，并对不同阶段灌注的混凝土钻孔检查强度。 拱座采用 高性能混凝土，分期浇注， 号块施工完毕，挂篮前移后，施工拱座一期混凝土，拱肋竖转合龙、拱脚固结后，浇筑拱座二期混凝土。拱脚二期混凝土覆盖部分的铰轴、铰轴挡板、腹管外表面均匀焊接 焊钉，间距约，以便和二期混凝土紧密结合。拱脚弦管下面布置 层钢筋网，以分散拱脚产生的集中应力。竖转施工时，需在铰座上增加道扣锁，并焊接挡板及相应加劲板

12、，以防止铰轴滑出铰座，挡板和铰轴间设置 间隙。铰轴及腹杆内采用 微膨胀自密实免振混凝土。 外刚度相对面内刚度较小，对整个桥梁的稳定起控制作用，拱肋阶失稳模态见图。 结 语 广珠铁路虎跳门特大桥主桥采用（ ） 连续刚构柔性拱组合桥，是目前国内最大跨 主拱施工步骤 主桥采用先梁后拱的施工方案，利用合龙 度的单线铁路混凝土结构。该桥将平行拱和提篮拱种结构体系有机结合在一起，组成新的两管平行 图 拱肋阶失稳模态 广珠铁路虎跳门特大桥主拱设计 王鹏宇，刘振标，罗世东，王新国 单管提篮内倾三肢桁架拱。外侧平行的两弦管用于承担吊杆竖向力，受力明确；内侧单弦管提篮内倾显著增强了结构的横向稳定性，并分担部分吊杆

13、力，竖 向荷载由组合结构共同承担，因而具有合理的技术 经济指标。配以吊杆，结构挺拔飘逸、简洁美观。该 主桥创单线连续刚构钢管混凝土提篮拱组合结构设计亚洲新 ，已 入选中国企业新 （年）。该桥于 年月日开始施工，梁部主跨于 年月日顺利合龙，主拱于年月 日顺利竖转合龙（图）。虎跳门特大桥是广珠铁路大控制工程中工时最长、工艺最复杂的一个， 它的顺利合龙，意味着朝广珠铁路年底通车目标更 近了一步。 图 广珠铁路虎跳门特大桥主拱合龙 参考文献（）： 陈宝春钢管混凝土拱桥（第二版）北京：人民交通 ， （ （ ）： ，） ， ， （曹俊杰）空心管结构连接设计指南北京：科学， （ ， ， （ ） ：，） 徐升

14、桥，尹浩辉丫髻沙大桥的设计与施工铁道标准设计，（）： （ ， ， ，（）：） 罗世东，严爱国，刘振标大跨度连续刚构柔性拱组合桥式研究铁道科学与工程学报，（）： （ ， ， ，（）： ） 罗世东，严爱国，刘振标宜万铁路宜昌长江大桥主桥创新技术研究桥梁建设，（）： （ ， ， ，（）： ） 吴定俊，王小松，项海帆高速铁路尼尔森拱桥车桥动力特性铁道学报，（）： （ ， ， ，（）： ） 中南大学土建学院虎跳门特大桥动力特性及列车走行性分析报告长沙：中南大学土建学院， （， ： ， ，） 陈 淮，孙应桃斜靠式拱桥拱肋倾角变化对稳定性能的影响铁道科学与工程学报，（）： （ ， ，（）：） 孙 潮，陈宝春，陈友杰钢管混凝土拱桥转体施工方法工程力学，（）： （ ， ，