广珠铁路虎跳门特大桥主桥连续刚构拱设计

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，武汉 430063)

1 工程概况

广珠铁路虎跳门特大桥在江门市沙堆镇及珠海市斗门镇之间跨越虎跳门水道，桥位处河面宽630 m，河道较顺直，桥轴线与河道交角为85°，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1 km左右，公路南门大桥与高速公路虎跳门特大桥并行。虎跳门水道为规划Ⅰ级航道，单孔双向通航，通航净空不小于230 m×22 m。最高通航水位2.974 m，最低通航水位-0.556 m。为满足桥下通航净空要求，同时兼顾景观效果，虎跳门特大桥主桥桥式采用(120+248+120)m连续刚构柔性拱桥，主桥桥长488 m。主桥立面布置见图1。单线Ⅰ级铁路，中-活载，设计速度为120 km/h客货共线。Ⅲ类场地土，设计地震动峰值加速度0.1g，地震动反应谱特征周期0.35 s。桥址处地层主要为淤泥、淤泥质黏土、淤泥质细砂、粉质黏土、粗砂、砾砂、黏土，下伏基岩为弱风化花岗岩。

2 主桥结构构造

2.1 主梁

主梁采用单箱双室直腹板截面，墩顶处梁高12.5 m，中跨跨中及端支点处梁高均为4.2 m，分别为主跨的1/19.8与 1/59.0。中支点处等高段长11.8 m，中跨跨中等高段长30 m，中间103.1 m长度变高段梁底曲线为二次抛物线。

主梁顶板除梁拱墩结合区局部加宽到12.9 m(不含人行道加宽)外，其余宽为12.0 m，箱梁顶板厚度在双层索和单层索区域分别为60 cm和42 cm。箱梁底板宽均为10.4 m，底板厚度由跨中处的40 cm渐变至墩顶附近处的125 cm，墩顶附近加厚至150 cm。腹板厚度有35、50、65 cm三种，并在墩顶附近一定区域加厚到85 cm，主梁跨中标准截面见图2。

全桥共分107个梁段，边跨编号S1～S26，中跨编号M1～M27，梁拱墩结合块编号M0，其中M0号块长22 m，边跨合龙段S25号梁段和中跨合龙段M27号梁段长均为3.0 m，其他梁段长分别为3.0、3.5、4.0、4.5 m，见图3。

图3 梁段划分及吊杆索编号(单位:m)

主梁共设置横隔板10道，即在梁的端部各设厚160 cm的横隔板，每个主墩双薄壁墩柱顶处各设置240 cm厚横隔板1道，边跨S19、中跨M19各设50 cm厚横隔板1道。主梁采用C60高性能混凝土。

主梁采用纵、横、竖三向预应力体系。纵向预应力束包括腹板下弯束、顶板悬臂束、中跨底板束、边跨底板束、中跨顶板合龙束、边跨顶板合龙束和备用束。腹板下弯束采用31-φ15.24 mm低松弛预应力钢绞线;顶板悬臂及备用束采用27-φ15.24 mm低松弛预应力钢绞线;腹板束采用19-φ15.24 mm低松弛预应力钢绞线;边跨底板束、中跨底板束采用17-φ15.24 mm低松弛预应力钢绞线;边跨顶板合龙束、中跨顶板合龙束采用15-φ15.24 mm低松弛预应力钢绞线。箱梁横向预应力束采用5-φ15.24 mm低松弛预应力钢绞线，一端张拉，交错布置。竖向预应力束采用精轧螺纹钢筋，抗拉极限强度为fpk=930 MPa。

2.2 拱肋

拱轴线立面投影采用二次抛物线，拱肋计算跨度240 m，矢高48.0 m，矢跨比1/5。

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。外侧平行的两弦管用于张拉吊杆，内侧单弦管内倾用于增强结构的横向稳定性。三肢拱的两片平行拱肋中心距11.2 m，截面高(上下弦管中心距)3 m;单根管提篮内倾3.46823°，由拱脚处中心距8.8182 m渐变至拱顶处中心距3 m。3根主弦管规格为850 mm，壁厚分别为16、18、20 mm，拱脚局部加厚到24 mm。弦管内灌注C50微膨胀混凝土，腹杆为空钢管。

三角形直腹杆采用矩形钢箱截面，截面高、宽均为400 mm，板厚12、14 mm，由节点板与三主弦管连接。斜腹杆采用圆钢管，规格为φ400 mm，壁厚14 mm。拱肋截面见图4。

图4 拱肋截面(单位:m)

全桥拱肋共布置横撑19道，其中跨中共布置13道双管“一”字撑，其水平间距9 m，双管横撑规格为φ500 mm，壁厚16 mm;拱肋两端各布置3道“K”字撑，其水平间距18 m，水平横撑规格为φ500 mm、壁厚16 mm，斜撑规格为φ450 mm、壁厚16 mm。

2.3 吊杆索

吊杆索采用抗拉标准强度1 860 MPa整束挤压式钢绞线拉索体系，间距9 m。除主梁两端D11～D9吊杆采用规格 OVM.GJ15-19，其余吊杆均采用规格OVM.GJ15-22。

吊杆采用拱上张拉、箱梁挑臂牛腿上锚固，要求后期可查、可调、可换。吊杆张拉前，锚固端需安装并测试传感器及配套数据监控软件，确保张拉索力的均匀性和准确性在±1%的精度内，并要求传感器可在大桥运营期间随时对索力进行监控和采集，具有高度稳定性和精确性。

2.4 墩、承台、桩基

两主墩均采用双薄壁墩柱，33号墩、34号墩柱高度25.0 m，实心截面，壁厚2.4 m，墩底壁厚逐渐加厚至3.2 m，两墩壁中心距6.4 m;横桥向承台以上13.8 m高度范围等宽度12.0 m，其上以R=112.449 m的圆弧自下至上展宽;墩壁四周设40 cm×40 cm切角。

承台分2层，上层承台顺桥向×横桥向×厚度为13.2 m×16.6 m×2.0 m，下层承台顺桥向×横桥向×厚度为17.0 m×23.0 m×4.0 m，承台顶高程-2.174 m，承台底高程-8.174 m。桩基础均采用12φ3.0 m钻孔灌柱桩，顺桥3排，横桥向4排，桩中心距6.0 m。要求33号、34号墩桩身嵌入W2弱分化花岗岩分别不少于13 m和12 m。

3 主桥结构计算

3.1 静力分析

采用有限元软件进行计算，拱肋、腹杆、横撑、主梁均采用梁单元模拟，吊杆采用杆单元建模，全桥共分114个施工阶段进行检算。

考虑桩-土相互作用对结构刚度的影响［1］，对主桥梁、墩等不同结构部位弹性模量变化进行组合，考虑收缩、徐变系数变异性，以及不同的下部基础抗推刚度，综合计算了结构的受力状态，并进行换索工况检算。

3.1.1 主梁检算

分别检算施工和运营阶段主梁的强度、抗裂性、应力及变形。

施工阶段主梁最大压应力20.7 MPa;运营阶段，最不利荷载作用下，主力工况下主梁最大压应力17.0 MPa，最小压应力2.19 MPa;主力+附加力工况下主梁最大压应力18.4 MPa，最小压应力1.62 MPa，最大主压应力为19.57 MPa，最大主拉应力为3.06 MPa。主力工况下截面最小强度安全系数为2.11，主+附工况下截面最小强度安全系数为2.06。最小抗裂安全系数为1.22，混凝土最大剪应力为4.53 MPa。跨中在静活载作用下竖向最大挠度4.84 cm，挠跨比1/5124，梁端最大转角1.042‰ rad。以上检算结果均满足规范要求。

3.1.2 拱肋检算

建立空间有限元模型，弦管和弦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、混凝土检算结果见表1。

表1 弦管及腹杆钢管、混凝土应力(受压为正)MPa

从表1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。按一类稳定检算，施工和运营期间拱肋面内稳定安全系数分别为6.386和4.988，面外稳定安全系数分别为 6.376 和 4.980［2，3］。拱肋在未灌注混凝土前，按《空心管结构连接设计指南》检算上、中、下弦管塑性失效、接头冲剪破坏［4，5］。

3.1.3 吊杆索检算

主力作用下吊杆最大拉应力为297.9 MPa，主力+附加力作用下吊杆最大拉应力为351.8 MPa，强度安全系数为5.29。吊杆最大疲劳应力幅为96.3 MPa。

3.1.4 拱脚局部应力分析

本桥拱脚与主梁、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。拱脚处以空间分析为主，平面分析校核，对局部构造、横竖向预应力索布置进行优化调整。优化后的计算结果显示局部构造较为合理。

3.1.5 风荷载效应分析

风荷载作用效应的精确分析是对平衡悬臂工法施工的连续刚构拱组合桥的结构安全性的重要保证，风荷载效应最不利工况发生在主梁最大悬臂状态及钢管拱竖转合龙状态。为确保施工过程该桥的安全，参考《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)，进行了以上2种状态风载效应分析，检算结果表明主梁最大悬臂状态及钢管拱竖转合龙状态均安全可靠。主梁及主拱合龙时尽量避开台风周期。

3.2 动力分析

3.2.1 自振特性

采用有限元软件进行计算，拱肋、腹杆、横撑、主梁均采用梁单元模拟，吊杆采用杆单元建模，前10阶自振频率及振型特点见表2。

表2 前10阶自振频率及振型特点 Hz

3.2.2 结构抗震

根据桥址处地质资料，该场地土为Ⅲ类场地土，属抗震不利地段。桥址区地震基本设防烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度0.1g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，采用反应谱法进行分析。

依据《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)，计算桥梁地震荷载时，应分别考虑沿桥梁纵向和横向水平地震荷载的作用，对于预应力混凝土刚构桥还应计入竖向地震作用，地震荷载应与结构重力进行最不利组合。因此本桥的抗震分析按以下荷载组合计算:

(1)恒载+(纵向水平地震荷载+竖向地震荷载);

(2)恒载-(纵向水平地震荷载+竖向地震荷载);

(3)恒载+(横向水平地震荷载+竖向地震荷载);

(4)恒载-(横向水平地震荷载+竖向地震荷载)。

计算结果表明，在多遇地震作用下桥墩结构处于弹性范围内工作，满足《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)规定的抗震性能要求Ⅰ;在设计地震作用下桥墩混凝土材料最大压应力值将大于材料允许压应力，但仍小于材料的极限抗压强度，桥墩有可能进入弹塑性工作范围，桥墩抗震性能满足《铁路工程抗震设计规范》(GB 50111—2006)规定的抗震性能要求Ⅱ［6］。

3.2.3 动力特性及列车走行性分析

建立车-桥一体空间模型，模拟DF4牵引C62货车以速度50～80 km/h，DF11客车以速度80～160 km/h单线通过桥梁。分析结果表明:该桥具有良好的动力特性，列车行车的安全性有保证，车辆横、竖向舒适度指标均在“良好”标准以上，机车司机台处横、竖向舒适度指标均在“良好”标准以上［7］。

4 钢管拱防腐设计

虎跳门特大桥的钢管防腐设计寿命25年，因此必须进行长效防腐处理。钢管防腐措施见表3。

表3 钢管拱防腐措施

5 主桥施工步骤

主桥采用先梁后拱的施工方案［8，9］，连续刚构自0号块逐段悬臂浇筑至跨中合龙，利用合龙后桥面作为临时工作面，搭建拱肋拼装工作平台，完成拱肋及两岸竖转索塔的拼装，安装拱肋锚固点和扣挂钢索以及索塔的尾索，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高程，复测主拱肋线形，由拱脚向拱顶采用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，吊杆安装，桥面附属结构完成。

6 主桥结构设计特点

连续刚构柔性拱组合结构是将大跨预应力混凝土连续刚构和拱桥2种结构体系组合在一起，梁部一部分荷载通过拱肋传递至墩顶，墩顶支点处及梁部跨中弯矩大大降低，梁、拱组合结构的性能得以充分发挥，具有竖向刚度大、整体性能优越的特点。

6.1 与同孔跨、同截面尺寸的连续刚构比较

为便于分析刚构拱效应，与同孔跨、同截面尺寸连续刚构比较，分析了成桥阶段和活载作用下的两种结构受力状态。两种结构比较结果见表4～表5。

表4 两种结构体系成桥状态内力及效应比较

表5 两种结构体系活载内力及效应比较

由于拱肋通过吊杆对主梁的加劲作用，成桥状态墩柱顶剪力峰值减小60.9%、弯矩峰值减小31.0%，中跨跨中弯矩峰值减小65.0%，边跨受力影响不是很大;收缩徐变挠度变化比较明显，跨中挠度仅是连续刚构的1/40。活载作用下墩柱顶剪力峰值减小43.1%，弯矩峰值减小44.2%，跨中峰值降低达53.3%。中跨跨中活载挠度降低62.5%。

6.2 与相同主跨组成普通连续刚构比较

由于没有拱的加劲作用，边跨跨度需要加大，类比的普通连续刚构孔跨组成为(130+248+130)m，墩顶和跨中梁高分别为16.0 m和6.5 m。主墩为双薄壁墩、壁厚2.6 m的实心截面。两种结构比较结果见表6。

表6 主要工程数量比较

由于柔性拱的加劲作用，主梁结构高度降低，梁部和桥墩混凝土数量分别减少2 900 m3和260 m3，梁部预应力索减少100 t，只是拱肋钢材增加了1 217 t，钢管内混凝土增加了817 m3，吊杆索数量增加了110 t。

因此，由于拱的作用，大大提高了整桥的竖向刚度，极大地改善了主梁的受力状态，梁拱组合结构的效应十分明显［10］，组合结构经济效应明显优于普通连续刚构。

7 结语

广珠铁路虎跳门特大桥主桥采用(120十248+120)m连续刚构柔性拱组合桥，主拱采用两管平行单管提篮内倾3肢桁架拱，首次在拱桥上采用，将为我国相似结构铁路桥梁的设计研究提供借鉴和新思路。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纪录，已入选中国企业新纪录(2009)。目前虎跳门特大桥主桥下部结构和墩身已施工完成，主梁即将合龙。

［1］罗世东，严爱国，刘振标.大跨度连续刚构柔性拱组合桥型研究［J］.铁道科学与工程学报，2004(2):57-62.

［2］铁道部第一勘测设计院，兰州铁道学院.涵洞与拱桥［M］.北京:中国铁道出版社，1994.

［3］陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工［M］.北京:人民交通出版社，1999.

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［5］徐升桥，尹浩辉.丫髻沙大桥的设计与施工［J］.铁道标准设计，2000(5):9-16.

［6］西南交通大学结构工程试验中心.新建铁路广珠线虎跳门特大桥地震反应分析报告［R］.成都:西南交通大学结构工程试验中心，2009.

［7］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［R］.长沙:中南大学土建学院，2009.

［8］孙 潮，陈宝春，陈友杰.钢管混凝土拱桥转体施工方法［J］.工程力学，2001(增刊):515-519.

［9］庄卫林，黄道全，谢邦珠，等.丫髻沙大桥转体施工工艺设计［J］.桥梁建没，2000(1):37-41，50.

［10］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［J］.桥梁建设，2006(S2):12-15.