廣佛江珠城際鐵路虎跳門特大橋連續(xù)鋼桁拱橋設計和分析

羅 暢

(中鐵第一勘察設計院，西安 710043)

廣佛江珠城際鐵路虎跳門特大橋連續(xù)鋼桁拱橋設計和分析

羅 暢

(中鐵第一勘察設計院，西安 710043)

虎跳門特大橋是廣佛江珠城際鐵路的重點橋跨，主橋采用連續(xù)鋼桁拱結構。文章介紹了虎跳門特大橋主橋結構及正交異性板橋面結構設計情況，并通過對全橋的有限元分析驗證了結構的合理與有效性，給同類橋梁設計提供了設計參考。

虎跳門特大橋鋼桁拱橋；設計；分析

廣佛江珠城際鐵路是貫通廣州、佛山、江門、珠海的重要交通要道，該城際鐵路的建設對推動沿線城市一體化、打造特色經(jīng)濟文化商圈、完善珠三角交通體系有著重要的意義?；⑻T水道位于廣東省江門市、珠海市境內(nèi)，水道通航等級為I級?；⑻T特大橋跨越虎跳門水道及附屬河流，橋上為雙線城際鐵路，線間距為4.6 m，采用無砟軌道，設計速度為160 km/h，設計活載為ZC活載。橋位處地震動參數(shù)為VII級，地震動峰值加速度為0.1g，地震動反應譜特征周期為0.35 s。

鋼桁拱橋作為大跨度橋梁常用的結構形式，具有豎向剛度好、材料力學性能利用充足及施工快捷便利等優(yōu)點。再加上考慮到此處通航要求較高和線路高程較低的情況，虎跳門特大橋選用主橋跨度為(72+96+350+96+72)m的連續(xù)鋼桁拱橋，橋面采用正交異性板結構。邊跨采用臨時墩支架拼裝，拱肋和系梁采用懸臂拼裝。

1 主橋上部結構

1.1 立面布置

主桁邊跨和拱肋腹桿使用有豎桿的N型桁式。節(jié)間長度除中跨近墩側的4個節(jié)間為14.5 m和13 m外，其余皆采用12 m，邊跨、中跨各28個節(jié)間；平行桁部分桁高14 m，支點加勁處弦高27.71 m。拱肋采用二次拋物線，矢高86 m，矢跨比1/4。主桁中心距及橋面寬均為16 m。主橋結構如圖1所示。

圖1 主橋立面布置示意圖(單位：m)

1.2 橋面系

為了留足橋下凈空和壓縮梁高，同時為了適應鐵路的高速行車要求和提高橋面的整體剛度，橋面采用加密橫梁的正交異性板橋面。橫梁高為2 m，相鄰兩橫梁間設置3道橫肋，肋高1.2 m，橫梁和橫肋均為工字截面。斷面上橫向設置五道工字截面縱梁，梁高2 m，除縱梁外，橋面板還采用“I”形及“U”形加勁肋(如圖2、圖3所示)。正交異性橋面板上設20 cm厚混凝土橋面，軌道鋪設在混凝土橋面上，以降低行車過程中鋼結構的振動和噪音。

圖2 橋面系正交異性板結構

圖3 橋面系正交異性板結構橫截面示意圖(單位：mm)

1.3 主桁

上拱肋采用箱型截面，內(nèi)寬1 000 mm，拱頂處桁內(nèi)高1 000 mm，拱腳加勁處內(nèi)高1 000～1 400 mm，桿件板厚為24～44 mm，腹板、翼板內(nèi)均間隔300～400 mm設加勁肋。邊跨平行桁部分的上弦桿內(nèi)寬、內(nèi)高均為1 000 mm，翼板厚24 mm，腹板厚20 mm，與拱連接處加厚至32 mm，同時于翼、腹板中部各設一道加勁肋。

下拱肋采用箱型截面，內(nèi)寬和內(nèi)高從拱頂至拱腳分別為1 000～1 600 mm和1 200～2 500 mm，桿件板厚36～48 mm。腹板、翼板上每間隔300～400 mm設一道加勁肋。

平行下弦及拱部分系梁采用帶有搭板的箱型截面，即頂部翼板向橋面內(nèi)側延伸出400 mm。截面內(nèi)寬1 000 mm，內(nèi)高1 200 mm，板厚從邊墩到與拱連接處由24 mm加厚至48 mm，每個翼板腹板各設兩道加勁肋。拱系桿截面內(nèi)寬、高均為1 200 mm，除拱腳處板厚為34～38 mm外，其余部分板厚為44～48 mm，每片翼腹板均設兩道加勁肋。

吊桿采用八邊形截面，內(nèi)寬1 000 mm，除最短吊桿采用1 000 mm內(nèi)高外，其余吊桿內(nèi)高取800 mm，板厚最短吊桿板厚16 mm，其余吊桿板厚為12 mm。

腹桿采用兩種截面：在受力較小且較為穩(wěn)定的桿件上，采用H形截面；在受力較為集中或穩(wěn)定性較差的桿件上，采用箱型截面。內(nèi)寬均設為1 000 mm，箱型截面內(nèi)高為600～1 400 mm，板厚為12～48 mm。

1.4 橫向聯(lián)接

橫向聯(lián)接由4部分組成：平行桁部分、拱腳處橋面上下兩部分和主拱肋部分。

邊跨平行桁部分橫向聯(lián)接由兩個橫向并排的X形交叉結構組成，為滿足通車凈空和構造的要求，橫向聯(lián)接底部橫桿到主桁下弦桿中心距控制在10 m。其中，交叉桿件采用箱型截面，內(nèi)寬、高均為500 mm，板厚14 mm；水平與豎直桿件采用H形截面，內(nèi)寬與高也均為500 mm，板厚則為16 mm。

拱腳處橋面上橫向聯(lián)接與平行桁部分結構相似，橫聯(lián)高度隨拱高增加，下部橫桿則與主桁下弦桿保持10 m間距。各桿件截面也與平行桁部分對應桿件基本一致，僅交叉桿件板厚增加到16mm。橋面下橫向聯(lián)接采用單個X形交叉結構，布滿下拱肋和下弦桿之間，此處桿件受力較大，與橋面上部桿件相比均有加強。其中，交叉桿件采用1 000 mm×1 000 mm的箱型截面，板厚40 mm，內(nèi)設加勁肋；水平桿件采用500 mm×500 mm矩形截面，板厚20 mm。

主拱部分橫向聯(lián)接采用單個X形交叉結構布滿上下拱肋，交叉桿件采用H形截面，內(nèi)寬與高均為500 mm，板厚16 mm。

1.5 縱向聯(lián)接

縱向聯(lián)接也采用交叉式結構，每節(jié)間一個交叉，分平行桁上弦桿、主拱上下拱肋和拱腳加勁3個部分。

平行桁部分縱向聯(lián)接斜桿采用500 mm×500 mm箱型截面，板厚12 mm。

主拱上下拱肋斜桿也為500 mm×500 mm箱形截面，板厚增加到20 mm。

拱腳加勁處桿件受力較大，縱向聯(lián)接桿件截面也相應增強，采用1 000 mm×1 000 mm箱型截面，板厚采用40 mm，翼、腹板各設一道加勁肋。

2 有限元分析

采用Midas Civil有限元分析軟件建立全橋空間有限元模型進行分析(如圖4所示)。墩臺與桁架采用梁單元，橋面板采用板單元。梁上布設軌道、墊板和附屬結構等，二期恒載取為204.8 kN/m?；撅L壓取W0=120 Pa。設計活載采用雙線鐵路ZC活載。其余荷載如溫升、溫降、溫度梯度、制動力、搖擺力等按相關規(guī)范取值，按最不利情況進行組合。

圖4 全橋有限元模型

下面分析各部分受力情況。

2.1 主桁

1)下拱肋。最大壓力為-36 903.7 kN，出現(xiàn)在拱腳，最小壓力為-16 011.8 kN，出現(xiàn)在拱頂。如圖5所示，下拱肋桿件皆為受壓桿件，由拱頂向拱腳壓力逐漸增大。圖5中橫坐標為拱肋的縱向位置，原點為整個拱肋的一側端點。

圖5 下拱肋軸力受力情況

2)上拱肋。最大壓力為-24 622.0 kN，出現(xiàn)在拱頂處；最大拉力出現(xiàn)在拱腳與平行桁相接處，為12 797.5 kN。由拱頂向兩側拱腳呈由壓至拉的變化趨勢，受壓桿件較多，在主墩位置附近桿件受力最小。

3)平行上弦。與拱腳上拱肋相接處拉力最大，為14 398.4 kN，至邊跨處拉力不斷減小，在72 m跨處出現(xiàn)壓力，最大壓力為-11 886.5 kN，位于72 m跨中位置。

4)平行下弦。最大壓力為-6 438.3 kN，出現(xiàn)在固定墩附近，最大拉力出現(xiàn)在最外側邊墩處，值為5 123.6 kN，拉力桿主要集中在72 m邊跨處。

5)系桿。最大拉力為17 600.9 kN，出現(xiàn)在下拱肋端頭處；上下拱肋間系桿拉力較小，最小為3 509.5 kN。下拱肋與系桿相接處為受力突變點，此處兩側系桿受力變化較大。

6)腹桿。平行桁部分腹桿的桿件內(nèi)力為-12 131.6～8 781.9 kN，受力較大的桿件集中在邊墩支座處。拱肋部分腹桿桿件內(nèi)力為-14 311.4～13 052.7 kN，最大拉力和最大壓力桿件均出現(xiàn)在拱腳處。除去受力較大的桿件外，其余桿件內(nèi)力均為-4 327.7～4 187.1 kN。

7)平聯(lián)桿件。平聯(lián)桿件受力均較小，最大拉、壓力均位于橋面下拱腳加勁處附近，所有桿件受力為-6 277.3～4 835.9 kN。

2.2 橋面系

考慮到正交異性橋面板的受力特性與桁架結構不同，不再用內(nèi)力表示構件受力情況，而是采用應力來表達，可以更好地觀察橋面系各部分構件的受力情況。

縱梁：如圖6所示，在主跨和72 m邊跨段以拉應力為主，96 m邊跨附近出現(xiàn)壓應力，整體應力分布較為均勻，應力幅較小。圖6中橫坐標為縱梁的縱向位置，原點為整個縱梁的一側端點。

橫梁：應力為-63～104 MPa，每根橫梁中部應力最大，兩端應力較小，各橫梁間應力分布與縱梁類似。

圖6 縱梁應力受力情況

2.3 整體剛度及動力特性分析

位移計算分別計算橋面系在恒載與活載作用下的豎向位移、梁端轉角以及在風荷載與橫向搖擺力作用下的橫向位移。

恒載作用下，72 m邊跨、96 m邊跨及中跨分別產(chǎn)生45、72和346 mm的豎向撓度；活載作用下，72 m邊跨、96 m邊跨及中跨分別產(chǎn)生9.9、6.7和44.7 mm的豎向撓度，梁端轉角為1.4‰rad ；橫向荷載下72 m邊跨、96 m邊跨及中跨分別產(chǎn)生0.03、0.7和21 mm的橫向位移。主橋剛度能夠滿足設計要求。

動力特性計算結果列舉了前5階的自振頻率，如表1所示。

表1 前5階振型、頻率與周期

從表1可以看出，橋梁振型首先出現(xiàn)橫向振動，說明橫向剛度弱于縱向與豎向剛度。而在一階振型中系梁與拱肋振動方向同步，表明拱肋與橋面具有較好的整體性。

3 結語

廣佛江珠城際鐵路虎跳門特大橋全長686 m，運用連續(xù)鋼桁拱橋的結構進行架設滿足設計要求且較為合理。通過建立有限元模型，對主桁和橋面進行模擬分析，可以看出橋梁各部分構件受力明確，橋梁整體動靜力性能均能滿足設計要求。目前，國內(nèi)已有一些已經(jīng)建成的連續(xù)鋼桁拱橋，如南京大勝關長江大橋和貴廣鐵路東平水道特大橋，但總體來說對連續(xù)鋼桁拱橋的研究相對不足，本橋可以為同類連續(xù)鋼桁拱橋的設計及相關研究提供參考。

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Design and Analysis of Hutiaomen Continuous Steel Truss Arch Bridge on Guang-Fo-Jiang-Zhu Intercity Railway

LUOChang

(China Railway First Surver & Design Institute Group CO.,LTD.，Xi’an 710043，China)

Hutiaomen Bridge is the key bridge of Guang-Fo-Jiang-Zhu intercity railway bridges,the main bridge with continuous steel truss arch structure.This paper introduces the structure of the main bridge and the design of the orthotropic deck.The rationality and validity of the structure are verified with the finite element analysis of the full bridge.The paper provides references for the design of the same bridges.

Hutiaomen continuous steel truss arch bridge;design;analysis

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.02.008

2017-02-10

羅暢(1989—),男，助理工程師，碩士，研究方向：橋梁工程，電子郵箱：captluo@163.com。

U442.5

A

2095-5383(2017)02-0034-04