廣珠鐵路虎跳門特大橋主橋連續剛構拱設計

王鵬宇，劉振標，羅世東，王新國

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，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及珠海市斗門鎮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。虎跳門水道為規劃Ⅰ級航道，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，同時兼顧景觀效果，虎跳門特大橋主橋橋式采用(120+248+120)m連續剛構柔性拱橋，主橋橋長488 m。主橋立面布置見圖1。單線Ⅰ級鐵路，中-活載，設計速度為120 km/h客貨共線。Ⅲ類場地土，設計地震動峰值加速度0.1g，地震動反應譜特征周期0.35 s。橋址處地層主要為淤泥、淤泥質黏土、淤泥質細砂、粉質黏土、粗砂、礫砂、黏土，下伏基巖為弱風化花崗巖。

2 主橋結構構造

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，中跨跨中及端支點處梁高均為4.2 m，分別為主跨的1/19.8與 1/59.0。中支點處等高段長11.8 m，中跨跨中等高段長30 m，中間103.1 m長度變高段梁底曲線為二次拋物線。

主梁頂板除梁拱墩結合區局部加寬到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域加厚到85 cm，主梁跨中標準截面見圖2。

全橋共分107個梁段，邊跨編號S1～S26，中跨編號M1～M27，梁拱墩結合塊編號M0，其中M0號塊長22 m，邊跨合龍段S25號梁段和中跨合龍段M27號梁段長均為3.0 m，其他梁段長分別為3.0、3.5、4.0、4.5 m，見圖3。

圖3 梁段劃分及吊桿索編號(單位:m)

主梁共設置橫隔板10道，即在梁的端部各設厚160 cm的橫隔板，每個主墩雙薄壁墩柱頂處各設置240 cm厚橫隔板1道，邊跨S19、中跨M19各設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、豎三向預應力體系。縱向預應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低松弛預應力鋼絞線;頂板懸臂及備用束采用27-φ15.24 mm低松弛預應力鋼絞線;腹板束采用19-φ15.24 mm低松弛預應力鋼絞線;邊跨底板束、中跨底板束采用17-φ15.24 mm低松弛預應力鋼絞線;邊跨頂板合龍束、中跨頂板合龍束采用15-φ15.24 mm低松弛預應力鋼絞線。箱梁橫向預應力束采用5-φ15.24 mm低松弛預應力鋼絞線，一端張拉，交錯布置。豎向預應力束采用精軋螺紋鋼筋，抗拉極限強度為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。外側平行的兩弦管用于張拉吊桿，內側單弦管內傾用于增強結構的橫向穩定性。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，由節點板與三主弦管連接。斜腹桿采用圓鋼管，規格為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，水平橫撐規格為φ500 mm、壁厚16 mm，斜撐規格為φ450 mm、壁厚16 mm。

2.3 吊桿索

吊桿索采用抗拉標準強度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吊桿采用規格 OVM.GJ15-19，其余吊桿均采用規格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、可換。吊桿張拉前，錨固端需安裝并測試傳感器及配套數據監控軟件，確保張拉索力的均勻性和準確性在±1%的精度內，并要求傳感器可在大橋運營期間隨時對索力進行監控和采集，具有高度穩定性和精確性。

2.4 墩、承臺、樁基

兩主墩均采用雙薄壁墩柱，33號墩、34號墩柱高度25.0 m，實心截面，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40 cm×40 cm切角。

承臺分2層，上層承臺順橋向×橫橋向×厚度為13.2 m×16.6 m×2.0 m，下層承臺順橋向×橫橋向×厚度為17.0 m×23.0 m×4.0 m，承臺頂高程-2.174 m，承臺底高程-8.174 m。樁基礎均采用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、34號墩樁身嵌入W2弱分化花崗巖分別不少于13 m和12 m。

3 主橋結構計算

3.1 靜力分析

采用有限元軟件進行計算，拱肋、腹桿、橫撐、主梁均采用梁單元模擬，吊桿采用桿單元建模，全橋共分114個施工階段進行檢算。

考慮樁-土相互作用對結構剛度的影響［1］，對主橋梁、墩等不同結構部位彈性模量變化進行組合，考慮收縮、徐變系數變異性，以及不同的下部基礎抗推剛度，綜合計算了結構的受力狀態，并進行換索工況檢算。

3.1.1 主梁檢算

分別檢算施工和運營階段主梁的強度、抗裂性、應力及變形。

施工階段主梁最大壓應力20.7 MPa;運營階段，最不利荷載作用下，主力工況下主梁最大壓應力17.0 MPa，最小壓應力2.19 MPa;主力+附加力工況下主梁最大壓應力18.4 MPa，最小壓應力1.62 MPa，最大主壓應力為19.57 MPa，最大主拉應力為3.06 MPa。主力工況下截面最小強度安全系數為2.11，主+附工況下截面最小強度安全系數為2.06。最小抗裂安全系數為1.22，混凝土最大剪應力為4.53 MPa。跨中在靜活載作用下豎向最大撓度4.84 cm，撓跨比1/5124，梁端最大轉角1.042‰ rad。以上檢算結果均滿足規范要求。

3.1.2 拱肋檢算

建立空間有限元模型，弦管和弦管內混凝土采用主截面與附加截面，整體受力，協調變形，弦管及腹桿鋼管、混凝土檢算結果見表1。

表1 弦管及腹桿鋼管、混凝土應力(受壓為正)MPa

從表1可以看出，弦管及腹桿鋼管、混凝土應力均滿足規范要求，弦管內混凝土只是局部出現很小的拉應力，結構受力比較合理。按一類穩定檢算，施工和運營期間拱肋面內穩定安全系數分別為6.386和4.988，面外穩定安全系數分別為 6.376 和 4.980［2，3］。拱肋在未灌注混凝土前，按《空心管結構連接設計指南》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力為297.9 MPa，主力+附加力作用下吊桿最大拉應力為351.8 MPa，強度安全系數為5.29。吊桿最大疲勞應力幅為96.3 MPa。

3.1.4 拱腳局部應力分析

本橋拱腳與主梁、墩固結，拱腳處受力復雜，拱肋通過拱腳傳遞給主梁、墩的內力既有軸力又有彎矩，因此拱腳是主橋受力的最關鍵部位之一。拱腳處以空間分析為主，平面分析校核，對局部構造、橫豎向預應力索布置進行優化調整。優化后的計算結果顯示局部構造較為合理。

3.1.5 風荷載效應分析

風荷載作用效應的精確分析是對平衡懸臂工法施工的連續剛構拱組合橋的結構安全性的重要保證，風荷載效應最不利工況發生在主梁最大懸臂狀態及鋼管拱豎轉合龍狀態。為確保施工過程該橋的安全，參考《公路橋涵設計通用規范》(JTGD60—2004)，進行了以上2種狀態風載效應分析，檢算結果表明主梁最大懸臂狀態及鋼管拱豎轉合龍狀態均安全可靠。主梁及主拱合龍時盡量避開臺風周期。

3.2 動力分析

3.2.1 自振特性

采用有限元軟件進行計算，拱肋、腹桿、橫撐、主梁均采用梁單元模擬，吊桿采用桿單元建模，前10階自振頻率及振型特點見表2。

表2 前10階自振頻率及振型特點 Hz

3.2.2 結構抗震

根據橋址處地質資料，該場地土為Ⅲ類場地土，屬抗震不利地段。橋址區地震基本設防烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度0.1g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，采用反應譜法進行分析。

依據《鐵路工程抗震設計規范》(GB 50111—2006)，計算橋梁地震荷載時，應分別考慮沿橋梁縱向和橫向水平地震荷載的作用，對于預應力混凝土剛構橋還應計入豎向地震作用，地震荷載應與結構重力進行最不利組合。因此本橋的抗震分析按以下荷載組合計算:

(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)。

計算結果表明，在多遇地震作用下橋墩結構處于彈性范圍內工作，滿足《鐵路工程抗震設計規范》(GB 50111—2006)規定的抗震性能要求Ⅰ;在設計地震作用下橋墩混凝土材料最大壓應力值將大于材料允許壓應力，但仍小于材料的極限抗壓強度，橋墩有可能進入彈塑性工作范圍，橋墩抗震性能滿足《鐵路工程抗震設計規范》(GB 50111—2006)規定的抗震性能要求Ⅱ［6］。

3.2.3 動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。分析結果表明:該橋具有良好的動力特性，列車行車的安全性有保證，車輛橫、豎向舒適度指標均在“良好”標準以上，機車司機臺處橫、豎向舒適度指標均在“良好”標準以上［7］。

4 鋼管拱防腐設計

虎跳門特大橋的鋼管防腐設計壽命25年，因此必須進行長效防腐處理。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］，連續剛構自0號塊逐段懸臂澆筑至跨中合龍，利用合龍后橋面作為臨時工作面，搭建拱肋拼裝工作平臺，完成拱肋及兩岸豎轉索塔的拼裝，安裝拱肋錨固點和扣掛鋼索以及索塔的尾索，利用橋上纜索吊機起吊拱肋節段，按設計要求豎轉拱肋到設計高程，復測主拱肋線形，由拱腳向拱頂采用抽真空對稱灌注弦管內混凝土，灌注順序為上弦管→下弦管→中弦管，吊桿安裝，橋面附屬結構完成。

6 主橋結構設計特點

連續剛構柔性拱組合結構是將大跨預應力混凝土連續剛構和拱橋2種結構體系組合在一起，梁部一部分荷載通過拱肋傳遞至墩頂，墩頂支點處及梁部跨中彎矩大大降低，梁、拱組合結構的性能得以充分發揮，具有豎向剛度大、整體性能優越的特點。

6.1 與同孔跨、同截面尺寸的連續剛構比較

為便于分析剛構拱效應，與同孔跨、同截面尺寸連續剛構比較，分析了成橋階段和活載作用下的兩種結構受力狀態。兩種結構比較結果見表4～表5。

表4 兩種結構體系成橋狀態內力及效應比較

表5 兩種結構體系活載內力及效應比較

由于拱肋通過吊桿對主梁的加勁作用，成橋狀態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，跨中撓度僅是連續剛構的1/40。活載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剛構比較

由于沒有拱的加勁作用，邊跨跨度需要加大，類比的普通連續剛構孔跨組成為(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的實心截面。兩種結構比較結果見表6。

表6 主要工程數量比較

由于柔性拱的加勁作用，主梁結構高度降低，梁部和橋墩混凝土數量分別減少2 900 m3和260 m3，梁部預應力索減少100 t，只是拱肋鋼材增加了1 217 t，鋼管內混凝土增加了817 m3，吊桿索數量增加了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，梁拱組合結構的效應十分明顯［10］，組合結構經濟效應明顯優于普通連續剛構。

7 結語

廣珠鐵路虎跳門特大橋主橋采用(120十248+120)m連續剛構柔性拱組合橋，主拱采用兩管平行單管提籃內傾3肢桁架拱，首次在拱橋上采用，將為我國相似結構鐵路橋梁的設計研究提供借鑒和新思路。該主橋創單線連續剛構-鋼管混凝土提籃拱組合結構設計亞洲新紀錄，已入選中國企業新紀錄(2009)。目前虎跳門特大橋主橋下部結構和墩身已施工完成，主梁即將合龍。

［1］羅世東，嚴愛國，劉振標.大跨度連續剛構柔性拱組合橋型研究［J］.鐵道科學與工程學報，2004(2):57-62.

［2］鐵道部第一勘測設計院，蘭州鐵道學院.涵洞與拱橋［M］.北京:中國鐵道出版社，1994.

［3］陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［4］Packer J A，Henderson J E，Cao J J(曹俊杰).空心管結構連接設計指南［M］.北京:科學出版社，1997.

［5］徐升橋，尹浩輝.丫髻沙大橋的設計與施工［J］.鐵道標準設計，2000(5):9-16.

［6］西南交通大學結構工程試驗中心.新建鐵路廣珠線虎跳門特大橋地震反應分析報告［R］.成都:西南交通大學結構工程試驗中心，2009.

［7］中南大學土建學院.虎跳門特大橋動力特性及列車走行性分析報告［R］.長沙:中南大學土建學院，2009.

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

［9］莊衛林，黃道全，謝邦珠，等.丫髻沙大橋轉體施工工藝設計［J］.橋梁建沒，2000(1):37-41，50.

［10］羅世東，嚴愛國，劉振標.宜萬鐵路宜昌長江大橋主橋創新技術研究［J］.橋梁建設，2006(S2):12-15.