大跨度连续刚构柔性拱组合桥式研究

第1卷　第2期铁道科学与工程学报Vol11　No12　　　　　　　　　　　　2004年9月JOURNALOFRAILWAYSCIENCEANDENGINEERINGSept.　2004

大跨度连续刚构柔性拱组合桥式研究

罗世东,严爱国,刘振标

(铁道第四勘察设计院,湖北武汉430063)Ξ

摘　要:宜昌长江铁路大桥主桥采用130m+2×275m+130m预应力混凝土连续刚构与钢管混凝土柔性拱组合桥式结构,大桥全长2446m,桥型与跨度在世界铁路桥梁中均居领先地位。研究了130m+2×275m+130m刚构拱受力特性、承载能力、非线性、抗震、车桥动力响应等结构特性。研究结果表明,该新型组合桥梁结构,梁拱共同受力,结构弯矩效应主要表现为拱受压、梁受拉的受力特性,主梁承受弯矩及截面尺寸显著减小,拱的水平推力与梁的轴向拉力相互平衡,使拱与梁在受力方面的优点得以充分发挥,结构竖向刚度大,外形轻巧。

关键词:宜昌长江桥;组合桥梁;设计研究

中图分类号:U448121+6　　　文献标识码:A　　　文章编号:1672-7029(2004)02-0057-06

Researchonthelong-spancombinedbridgetypeofcontinuous

rigidframeandflexiblearch

LUOShi-dong,YANAi-guo,LIUZhen-biao

(TheFourthSurvey&DesignInstituteofChinaRailway,Wuhan430063,China)

Abstract:TheYangtzeRiverBridgeinYichangisarailwaybridgewithatotallengthof2446m,whichisuniqueinthestyleandgreatestspanintheworld1Themainbridgewiththespansarrangedas(130+2×275+130)misacombinedstructurecomposedofprestressedconcretecontinuousrigidframeandconcrete-filledsteeltubularflexiblearch1Thepapersummarizesthesystemicanalysisandresearchresultsoncontinuousrigidframe-archbridge,whichisthestudyoftheperformanceofthestructureagainstforces,ultimatecarryingcapacity,nonlinearanalysis,seismicresistance,coupledvibrationofvehicleandbridge1Asanewcombinedbridge,ithasthefollowingfeatures:Girderandarchresistingforcestogether;Momentandsizeofgirderdecreasedramaticallyduetothearchundercompressionandthegirderundertension;Thebridgetypebringsthegirderandarchonresistingforcesintofullplay,becausetheforcesarebalancedbetweenthehorizontalthrustsofthearchandaxialtensionofgirder;Greatinverticalstiffnessandslenderinappearance;Theadoptionofthenewbridgetypewillpromotethedevelopmentoftechnologyforlongspanrailwaybridge1

Keywords:YichangYangtzeRiverBridge;combinedbridge;designresearch

　　宜万铁路位于湖北省宜昌市,铁路大桥所处的

宜昌长江河段属于山区性河流向平原河流转变的

过渡段,呈顺直微弯分汊状。桥址河段中部胭脂坝

将河道分为南北汊,北汊为主河道,见图1所示。

桥址河段规划净空为两孔244m×18m。为满足通

航需要,大桥通航孔跨确定为2m×275m。主桥采

用130m+2×275m+130m连续刚构柔性拱组合桥式结构,其景观效果见图2所示。北引桥为10孔50m简支梁、江心胭脂坝洲为14孔50m简支梁、南汊为一联56m+100m+56m连续梁、南引桥为9孔32m简支梁,桥全长2519m,全桥立面布置见图3所示。北引桥、主桥和南汊桥按双线设计,江心胭脂坝洲桥和南引桥按预留双线设计,设计行车速度160km/h。

Ξ收稿日期:2004-04-10

作者简介:罗世东(1957-),男,湖南衡阳人,铁道第四勘察设计院教授级高级工程师,中南大学兼职教授,

从事桥梁工程研究

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月

1　主桥结构设计研究

130m+2×275m+130m连续刚构柔性拱组合桥

式,是一种创新的梁拱共同受力的组合桥式[1,2],为使桥式结构的梁、拱、墩刚度合理匹配,使结构达到最佳受力状态,

对结构设计进行了研究比选。

图3　全桥立面布置图

Fig13Theelevationarrangementdrawingofthewholebridge

111　主要结构构造11111　梁部横截面构造

图1　桥址平面图

Fig11Thepositionplanofthe

bridge

图2　130m+2×27m+130m连续刚构柔性拱效果图Fig12Theeffectplanofthe130m+2×27m+130m

continuousrigidstructureflexibility

arches

刚构柔性拱中大跨度预应力混凝土连续刚构作为主要受力构件,为使梁部具有良好的受力性能,通过研究比选,采用斜腹板单箱双室倒梯形截面[3],见图4所示。根部梁高1415m,端支点及中跨中处梁高418m。顶板宽1414m,箱梁跨中处底板宽12173m,渐变至根部为912m。顶板厚根据纵向预应力索布置需要确定,双层布索时为50cm,单层布索时为40cm。腹板厚度分为30,45,60cm,采用渐变段过渡,梁体根部厚度为100cm,底板厚度由中跨处的35cm渐变至根部140cm。11112　拱肋构造

拱肋计算跨径264m(拱轴线与梁顶面相交点之间),矢高5218m,矢跨比1/510,抛物线型拱。每孔2片拱肋,每片拱肋经过受力比较,采用4-<750mm钢管混凝土桁架,拱肋上下弦管中心距离由拱脚处的410m渐变至拱顶处310m,两片拱肋中心距12115m,有11道横撑将2片拱肋连接

。

(a)-主梁根部附近截面;(b)-主梁跨中截面

图4　主梁横截面(单位:cm)Fig.4Thecrosssectionofthemainbeam(unit:cm)

11113　吊杆

拱肋采用竖直平行吊杆传力[4],顺桥向间距

1010m,为便于运营期间吊杆的养护维修更换,每一吊点顺桥向设双吊杆。按吊杆所受荷载大小计算确定吊杆面积,靠近拱脚范围的3对吊杆为12-<15124mm钢绞线,其余采用15-<15124mm钢绞线。吊杆分2批张拉,采用单根张拉钢绞线无粘

结外包PE镀锌钢绞线新技术。11114　主墩

边主墩采用双薄壁墩结构,壁厚310m,横桥向宽1210m,实心截面,中心距510m。中主墩采用空心单柱墩,顺桥向810m,横桥向宽1210m。11115　基础

主墩均采用12<310m钻孔嵌岩桩。桩长与配

第2期　　　　　　　　　　　　罗世东,等:

大跨度连续刚构柔性拱组合桥式研究59

筋按受力要求确定,承台为圆弧切角矩形,厚5m。112　纵向预应力索布置

墩柱顶梁体截面上缘布置128束31-<15124mm钢绞线,以满足梁部悬臂施工时受力要求[5]。边跨底板布置28束19-<15124mm钢绞线,作为梁部施工完成后期张拉索。考虑梁体受拱的推力作用,中跨中截面上下缘分别布置12束和40束19-<15124mm钢绞线。113　结构静力计算

全桥按梁、墩、拱、吊杆顺序划分535个单元,425个节点。根据拟定的施工方法和步骤分57个阶段模拟实际施工过程进行全桥内力计算。按冲刷前河床线和局部冲刷线两个计算模型分别考虑土对桩基础水平抗力影响。计算模型同时考虑了钢管混凝土拱肋实际形成过程:其单元截面模拟成组合截面形式,钢管部分先期架设并参与受力,管内混凝土分仓、分段灌注并达到强度后才参与受力。

梁部截面强度安全系数最小值为2131。拱脚拱顶截面强度安全系数分别为2127和2147,按一类稳定检算拱肋稳定面内、面外安全系数分别为919和811。主梁跨中截面静活载最大竖向挠度71651cm,挠跨比达1/3564。

2　结构分析研究

刚构拱组合结构,具有预应力混凝土连续刚构和钢管混凝土拱共同受力的特点,结构内力受到各部位刚度、温度、收缩徐变的影响,同时还受到梁拱上部结构施工方案的影响,结构受力复杂,必须对这种新的桥式结构进行受力特性分析研究。211　施工方案分析研究

梁拱施工,先梁后拱或先拱后梁,就施工而言,都是可取的。先拱后梁即拱先于主梁施工形成稳

定体系,在主梁梁段悬灌时,可以张拉相应吊杆,主梁悬臂灌注时的受力得到了拱的协助。先拱后梁要求拱本身有一定的刚度及较强的稳定性,主梁高度较小。

本桥作为刚性梁柔性拱,因拱肋较柔,施工过程中的稳定应优先考虑。因此,通过受力分析比较,采用先梁后拱施工方案,连续刚构施工合拢形成稳定体系后再施工拱肋。该施工方案,拱肋的拼装在连续刚构梁顶面上进行,拼装完的拱肋通过扣索竖转就位。拱肋拼装、竖转、吊杆张拉均是在主梁合拢后进行,虽有2个主跨情况,施工同步性要求不高,施工过程中结构的自稳定性较强。212　结构体系受力及刚度分析研究21211　结构体系受力特点

在本桥组合结构体系中,主梁自重主要由连续刚构承受,二期恒载及活载由拱肋与主梁二者共同承受。拱作为以承受压力为主的构件,具有竖向刚度大的特点,形成组合结构以后,在竖向荷载作用下,一部分竖向力通过吊杆、拱肋直接传至主梁根部,因此使主梁跨中及根部弯矩得到显著减小。刚性梁柔性拱在拱脚附近,梁体刚度大,与一般的下承式拱桥吊杆不同,靠近拱脚范围吊杆索力较小,而跨中范围的吊杆索力较大。21212　结构体系刚度研究

由于拱梁均为变截面,按挠度理论分别将拱梁变截面换算为等量截面。拱肋换算等量截面惯性矩以柔性拱作为研究对象,固结两拱脚,模拟一跨度及支承形式完全相同的等截面拱,分别作用单位竖向均布荷载,见图5。当两者拱顶的挠度相等时,后者的截面惯性矩即为变截面柔性拱的换算等量惯性矩。同样的方法可求出变截面连续刚构的换算等量惯性矩

。

(a)-实际拱肋;(b)-模拟拱肋

图5　拱肋换算等量截面惯性矩方法示意图

Fig15Themethodoftheconversionuniformcrosssection’smomentofinertiaofthearchrid

　　本桥拱肋换算等量刚度EaIa与连续刚构换算

等量刚度EbIb之比经优化确定为1/1516。

在刚构拱体系中,一方面,受柔性拱加劲,结构具有很大的竖向刚度,与相同孔跨组成的连续刚构相比较,这种结构可适当加大边墩刚度以充分满足结构防撞需要;另一方面,由于主跨结构刚度大,提供了较好的整体受力条件,本桥边跨跨度在120～130m范围时结构受力较优,结合通航需要,边跨采用130m。213　收缩徐变影响及设计措施

连续刚构柔性拱组合桥式,受收缩徐变影响较