廣珠鐵路虎跳門特大橋主橋連續(xù)剛構(gòu)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，武漢 430063)

1 工程概況

廣珠鐵路虎跳門特大橋在江門市沙堆鎮(zhèn)及珠海市斗門鎮(zhèn)之間跨越虎跳門水道，橋位處河面寬630 m，河道較順直，橋軸線與河道交角為85°，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1 km左右，公路南門大橋與高速公路虎跳門特大橋并行?；⑻T水道為規(guī)劃Ⅰ級(jí)航道，單孔雙向通航，通航凈空不小于230 m×22 m。最高通航水位2.974 m，最低通航水位-0.556 m。為滿足橋下通航凈空要求，同時(shí)兼顧景觀效果，虎跳門特大橋主橋橋式采用(120+248+120)m連續(xù)剛構(gòu)柔性拱橋，主橋橋長(zhǎng)488 m。主橋立面布置見圖1。單線Ⅰ級(jí)鐵路，中-活載，設(shè)計(jì)速度為120 km/h客貨共線。Ⅲ類場(chǎng)地土，設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度0.1g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.35 s。橋址處地層主要為淤泥、淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粗砂、礫砂、黏土，下伏基巖為弱風(fēng)化花崗巖。

2 主橋結(jié)構(gòu)構(gòu)造

2.1 主梁

主梁采用單箱雙室直腹板截面，墩頂處梁高12.5 m，中跨跨中及端支點(diǎn)處梁高均為4.2 m，分別為主跨的1/19.8與 1/59.0。中支點(diǎn)處等高段長(zhǎng)11.8 m，中跨跨中等高段長(zhǎng)30 m，中間103.1 m長(zhǎng)度變高段梁底曲線為二次拋物線。

主梁頂板除梁拱墩結(jié)合區(qū)局部加寬到12.9 m(不含人行道加寬)外，其余寬為12.0 m，箱梁頂板厚度在雙層索和單層索區(qū)域分別為60 cm和42 cm。箱梁底板寬均為10.4 m，底板厚度由跨中處的40 cm漸變至墩頂附近處的125 cm，墩頂附近加厚至150 cm。腹板厚度有35、50、65 cm三種，并在墩頂附近一定區(qū)域加厚到85 cm，主梁跨中標(biāo)準(zhǔn)截面見圖2。

全橋共分107個(gè)梁段，邊跨編號(hào)S1～S26，中跨編號(hào)M1～M27，梁拱墩結(jié)合塊編號(hào)M0，其中M0號(hào)塊長(zhǎng)22 m，邊跨合龍段S25號(hào)梁段和中跨合龍段M27號(hào)梁段長(zhǎng)均為3.0 m，其他梁段長(zhǎng)分別為3.0、3.5、4.0、4.5 m，見圖3。

圖3 梁段劃分及吊桿索編號(hào)(單位:m)

主梁共設(shè)置橫隔板10道，即在梁的端部各設(shè)厚160 cm的橫隔板，每個(gè)主墩雙薄壁墩柱頂處各設(shè)置240 cm厚橫隔板1道，邊跨S19、中跨M19各設(shè)50 cm厚橫隔板1道。主梁采用C60高性能混凝土。

主梁采用縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系。縱向預(yù)應(yīng)力束包括腹板下彎束、頂板懸臂束、中跨底板束、邊跨底板束、中跨頂板合龍束、邊跨頂板合龍束和備用束。腹板下彎束采用31-φ15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線;頂板懸臂及備用束采用27-φ15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線;腹板束采用19-φ15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線;邊跨底板束、中跨底板束采用17-φ15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線;邊跨頂板合龍束、中跨頂板合龍束采用15-φ15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線。箱梁橫向預(yù)應(yīng)力束采用5-φ15.24 mm低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，一端張拉，交錯(cuò)布置。豎向預(yù)應(yīng)力束采用精軋螺紋鋼筋，抗拉極限強(qiáng)度為fpk=930 MPa。

2.2 拱肋

拱軸線立面投影采用二次拋物線，拱肋計(jì)算跨度240 m，矢高48.0 m，矢跨比1/5。

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。外側(cè)平行的兩弦管用于張拉吊桿，內(nèi)側(cè)單弦管內(nèi)傾用于增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性。三肢拱的兩片平行拱肋中心距11.2 m，截面高(上下弦管中心距)3 m;單根管提籃內(nèi)傾3.46823°，由拱腳處中心距8.8182 m漸變至拱頂處中心距3 m。3根主弦管規(guī)格為850 mm，壁厚分別為16、18、20 mm，拱腳局部加厚到24 mm。弦管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土，腹桿為空鋼管。

三角形直腹桿采用矩形鋼箱截面，截面高、寬均為400 mm，板厚12、14 mm，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φ400 mm，壁厚14 mm。拱肋截面見圖4。

圖4 拱肋截面(單位:m)

全橋拱肋共布置橫撐19道，其中跨中共布置13道雙管“一”字撐，其水平間距9 m，雙管橫撐規(guī)格為φ500 mm，壁厚16 mm;拱肋兩端各布置3道“K”字撐，其水平間距18 m，水平橫撐規(guī)格為φ500 mm、壁厚16 mm，斜撐規(guī)格為φ450 mm、壁厚16 mm。

2.3 吊桿索

吊桿索采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度1 860 MPa整束擠壓式鋼絞線拉索體系，間距9 m。除主梁兩端D11～D9吊桿采用規(guī)格 OVM.GJ15-19，其余吊桿均采用規(guī)格OVM.GJ15-22。

吊桿采用拱上張拉、箱梁挑臂牛腿上錨固，要求后期可查、可調(diào)、可換。吊桿張拉前，錨固端需安裝并測(cè)試傳感器及配套數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，確保張拉索力的均勻性和準(zhǔn)確性在±1%的精度內(nèi)，并要求傳感器可在大橋運(yùn)營(yíng)期間隨時(shí)對(duì)索力進(jìn)行監(jiān)控和采集，具有高度穩(wěn)定性和精確性。

2.4 墩、承臺(tái)、樁基

兩主墩均采用雙薄壁墩柱，33號(hào)墩、34號(hào)墩柱高度25.0 m，實(shí)心截面，壁厚2.4 m，墩底壁厚逐漸加厚至3.2 m，兩墩壁中心距6.4 m;橫橋向承臺(tái)以上13.8 m高度范圍等寬度12.0 m，其上以R=112.449 m的圓弧自下至上展寬;墩壁四周設(shè)40 cm×40 cm切角。

承臺(tái)分2層，上層承臺(tái)順橋向×橫橋向×厚度為13.2 m×16.6 m×2.0 m，下層承臺(tái)順橋向×橫橋向×厚度為17.0 m×23.0 m×4.0 m，承臺(tái)頂高程-2.174 m，承臺(tái)底高程-8.174 m。樁基礎(chǔ)均采用12φ3.0 m鉆孔灌柱樁，順橋3排，橫橋向4排，樁中心距6.0 m。要求33號(hào)、34號(hào)墩樁身嵌入W2弱分化花崗巖分別不少于13 m和12 m。

3 主橋結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 靜力分析

采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，拱肋、腹桿、橫撐、主梁均采用梁?jiǎn)卧M，吊桿采用桿單元建模，全橋共分114個(gè)施工階段進(jìn)行檢算。

考慮樁-土相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響［1］，對(duì)主橋梁、墩等不同結(jié)構(gòu)部位彈性模量變化進(jìn)行組合，考慮收縮、徐變系數(shù)變異性，以及不同的下部基礎(chǔ)抗推剛度，綜合計(jì)算了結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并進(jìn)行換索工況檢算。

3.1.1 主梁檢算

分別檢算施工和運(yùn)營(yíng)階段主梁的強(qiáng)度、抗裂性、應(yīng)力及變形。

施工階段主梁最大壓應(yīng)力20.7 MPa;運(yùn)營(yíng)階段，最不利荷載作用下，主力工況下主梁最大壓應(yīng)力17.0 MPa，最小壓應(yīng)力2.19 MPa;主力+附加力工況下主梁最大壓應(yīng)力18.4 MPa，最小壓應(yīng)力1.62 MPa，最大主壓應(yīng)力為19.57 MPa，最大主拉應(yīng)力為3.06 MPa。主力工況下截面最小強(qiáng)度安全系數(shù)為2.11，主+附工況下截面最小強(qiáng)度安全系數(shù)為2.06。最小抗裂安全系數(shù)為1.22，混凝土最大剪應(yīng)力為4.53 MPa?？缰性陟o活載作用下豎向最大撓度4.84 cm，撓跨比1/5124，梁端最大轉(zhuǎn)角1.042‰ rad。以上檢算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3.1.2 拱肋檢算

建立空間有限元模型，弦管和弦管內(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、混凝土檢算結(jié)果見表1。

表1 弦管及腹桿鋼管、混凝土應(yīng)力(受壓為正)MPa

從表1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。按一類穩(wěn)定檢算，施工和運(yùn)營(yíng)期間拱肋面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)分別為6.386和4.988，面外穩(wěn)定安全系數(shù)分別為 6.376 和 4.980［2，3］。拱肋在未灌注混凝土前，按《空心管結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)指南》檢算上、中、下弦管塑性失效、接頭沖剪破壞［4，5］。

3.1.3 吊桿索檢算

主力作用下吊桿最大拉應(yīng)力為297.9 MPa，主力+附加力作用下吊桿最大拉應(yīng)力為351.8 MPa，強(qiáng)度安全系數(shù)為5.29。吊桿最大疲勞應(yīng)力幅為96.3 MPa。

3.1.4 拱腳局部應(yīng)力分析

本橋拱腳與主梁、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。拱腳處以空間分析為主，平面分析校核，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。優(yōu)化后的計(jì)算結(jié)果顯示局部構(gòu)造較為合理。

3.1.5 風(fēng)荷載效應(yīng)分析

風(fēng)荷載作用效應(yīng)的精確分析是對(duì)平衡懸臂工法施工的連續(xù)剛構(gòu)拱組合橋的結(jié)構(gòu)安全性的重要保證，風(fēng)荷載效應(yīng)最不利工況發(fā)生在主梁最大懸臂狀態(tài)及鋼管拱豎轉(zhuǎn)合龍狀態(tài)。為確保施工過程該橋的安全，參考《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD60—2004)，進(jìn)行了以上2種狀態(tài)風(fēng)載效應(yīng)分析，檢算結(jié)果表明主梁最大懸臂狀態(tài)及鋼管拱豎轉(zhuǎn)合龍狀態(tài)均安全可靠。主梁及主拱合龍時(shí)盡量避開臺(tái)風(fēng)周期。

3.2 動(dòng)力分析

3.2.1 自振特性

采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，拱肋、腹桿、橫撐、主梁均采用梁?jiǎn)卧M，吊桿采用桿單元建模，前10階自振頻率及振型特點(diǎn)見表2。

表2 前10階自振頻率及振型特點(diǎn) Hz

3.2.2 結(jié)構(gòu)抗震

根據(jù)橋址處地質(zhì)資料，該場(chǎng)地土為Ⅲ類場(chǎng)地土，屬抗震不利地段。橋址區(qū)地震基本設(shè)防烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度0.1g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行分析。

依據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)，計(jì)算橋梁地震荷載時(shí)，應(yīng)分別考慮沿橋梁縱向和橫向水平地震荷載的作用，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋還應(yīng)計(jì)入豎向地震作用，地震荷載應(yīng)與結(jié)構(gòu)重力進(jìn)行最不利組合。因此本橋的抗震分析按以下荷載組合計(jì)算:

(1)恒載+(縱向水平地震荷載+豎向地震荷載);

(2)恒載-(縱向水平地震荷載+豎向地震荷載);

(3)恒載+(橫向水平地震荷載+豎向地震荷載);

(4)恒載-(橫向水平地震荷載+豎向地震荷載)。

計(jì)算結(jié)果表明，在多遇地震作用下橋墩結(jié)構(gòu)處于彈性范圍內(nèi)工作，滿足《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)規(guī)定的抗震性能要求Ⅰ;在設(shè)計(jì)地震作用下橋墩混凝土材料最大壓應(yīng)力值將大于材料允許壓應(yīng)力，但仍小于材料的極限抗壓強(qiáng)度，橋墩有可能進(jìn)入彈塑性工作范圍，橋墩抗震性能滿足《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)規(guī)定的抗震性能要求Ⅱ［6］。

3.2.3 動(dòng)力特性及列車走行性分析

建立車-橋一體空間模型，模擬DF4牽引C62貨車以速度50～80 km/h，DF11客車以速度80～160 km/h單線通過橋梁。分析結(jié)果表明:該橋具有良好的動(dòng)力特性，列車行車的安全性有保證，車輛橫、豎向舒適度指標(biāo)均在“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上，機(jī)車司機(jī)臺(tái)處橫、豎向舒適度指標(biāo)均在“良好”標(biāo)準(zhǔn)以上［7］。

4 鋼管拱防腐設(shè)計(jì)

虎跳門特大橋的鋼管防腐設(shè)計(jì)壽命25年，因此必須進(jìn)行長(zhǎng)效防腐處理。鋼管防腐措施見表3。

表3 鋼管拱防腐措施

5 主橋施工步驟

主橋采用先梁后拱的施工方案［8，9］，連續(xù)剛構(gòu)自0號(hào)塊逐段懸臂澆筑至跨中合龍，利用合龍后橋面作為臨時(shí)工作面，搭建拱肋拼裝工作平臺(tái)，完成拱肋及兩岸豎轉(zhuǎn)索塔的拼裝，安裝拱肋錨固點(diǎn)和扣掛鋼索以及索塔的尾索，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)高程，復(fù)測(cè)主拱肋線形，由拱腳向拱頂采用抽真空對(duì)稱灌注弦管內(nèi)混凝土，灌注順序?yàn)樯舷夜堋孪夜堋邢夜埽鯒U安裝，橋面附屬結(jié)構(gòu)完成。

6 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合結(jié)構(gòu)是將大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)和拱橋2種結(jié)構(gòu)體系組合在一起，梁部一部分荷載通過拱肋傳遞至墩頂，墩頂支點(diǎn)處及梁部跨中彎矩大大降低，梁、拱組合結(jié)構(gòu)的性能得以充分發(fā)揮，具有豎向剛度大、整體性能優(yōu)越的特點(diǎn)。

6.1 與同孔跨、同截面尺寸的連續(xù)剛構(gòu)比較

為便于分析剛構(gòu)拱效應(yīng)，與同孔跨、同截面尺寸連續(xù)剛構(gòu)比較，分析了成橋階段和活載作用下的兩種結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。兩種結(jié)構(gòu)比較結(jié)果見表4～表5。

表4 兩種結(jié)構(gòu)體系成橋狀態(tài)內(nèi)力及效應(yīng)比較

表5 兩種結(jié)構(gòu)體系活載內(nèi)力及效應(yīng)比較

由于拱肋通過吊桿對(duì)主梁的加勁作用，成橋狀態(tài)墩柱頂剪力峰值減小60.9%、彎矩峰值減小31.0%，中跨跨中彎矩峰值減小65.0%，邊跨受力影響不是很大;收縮徐變撓度變化比較明顯，跨中撓度僅是連續(xù)剛構(gòu)的1/40?；钶d作用下墩柱頂剪力峰值減小43.1%，彎矩峰值減小44.2%，跨中峰值降低達(dá)53.3%。中跨跨中活載撓度降低62.5%。

6.2 與相同主跨組成普通連續(xù)剛構(gòu)比較

由于沒有拱的加勁作用，邊跨跨度需要加大，類比的普通連續(xù)剛構(gòu)孔跨組成為(130+248+130)m，墩頂和跨中梁高分別為16.0 m和6.5 m。主墩為雙薄壁墩、壁厚2.6 m的實(shí)心截面。兩種結(jié)構(gòu)比較結(jié)果見表6。

表6 主要工程數(shù)量比較

由于柔性拱的加勁作用，主梁結(jié)構(gòu)高度降低，梁部和橋墩混凝土數(shù)量分別減少2 900 m3和260 m3，梁部預(yù)應(yīng)力索減少100 t，只是拱肋鋼材增加了1 217 t，鋼管內(nèi)混凝土增加了817 m3，吊桿索數(shù)量增加了110 t。

因此，由于拱的作用，大大提高了整橋的豎向剛度，極大地改善了主梁的受力狀態(tài)，梁拱組合結(jié)構(gòu)的效應(yīng)十分明顯［10］，組合結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)明顯優(yōu)于普通連續(xù)剛構(gòu)。

7 結(jié)語

廣珠鐵路虎跳門特大橋主橋采用(120十248+120)m連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋，主拱采用兩管平行單管提籃內(nèi)傾3肢桁架拱，首次在拱橋上采用，將為我國相似結(jié)構(gòu)鐵路橋梁的設(shè)計(jì)研究提供借鑒和新思路。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)亞洲新紀(jì)錄，已入選中國企業(yè)新紀(jì)錄(2009)。目前虎跳門特大橋主橋下部結(jié)構(gòu)和墩身已施工完成，主梁即將合龍。

［1］羅世東，嚴(yán)愛國，劉振標(biāo).大跨度連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋型研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(2):57-62.

［2］鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院，蘭州鐵道學(xué)院.涵洞與拱橋［M］.北京:中國鐵道出版社，1994.

［3］陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［4］Packer J A，Henderson J E，Cao J J(曹俊杰).空心管結(jié)構(gòu)連接設(shè)計(jì)指南［M］.北京:科學(xué)出版社，1997.

［5］徐升橋，尹浩輝.丫髻沙大橋的設(shè)計(jì)與施工［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2000(5):9-16.

［6］西南交通大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)中心.新建鐵路廣珠線虎跳門特大橋地震反應(yīng)分析報(bào)告［R］.成都:西南交通大學(xué)結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)中心，2009.

［7］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［R］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)土建學(xué)院，2009.

［8］孫 潮，陳寶春，陳友杰.鋼管混凝土拱橋轉(zhuǎn)體施工方法［J］.工程力學(xué)，2001(增刊):515-519.

［9］莊衛(wèi)林，黃道全，謝邦珠，等.丫髻沙大橋轉(zhuǎn)體施工工藝設(shè)計(jì)［J］.橋梁建沒，2000(1):37-41，50.

［10］羅世東，嚴(yán)愛國，劉振標(biāo).宜萬鐵路宜昌長(zhǎng)江大橋主橋創(chuàng)新技術(shù)研究［J］.橋梁建設(shè)，2006(S2):12-15.