广佛江珠城际铁路虎跳门特大桥连续钢桁拱桥设计和分析

罗 畅

(中铁第一勘察设计院，西安 710043)

广佛江珠城际铁路虎跳门特大桥连续钢桁拱桥设计和分析

罗 畅

(中铁第一勘察设计院，西安 710043)

虎跳门特大桥是广佛江珠城际铁路的重点桥跨，主桥采用连续钢桁拱结构。文章介绍了虎跳门特大桥主桥结构及正交异性板桥面结构设计情况，并通过对全桥的有限元分析验证了结构的合理与有效性，给同类桥梁设计提供了设计参考。

虎跳门特大桥钢桁拱桥；设计；分析

广佛江珠城际铁路是贯通广州、佛山、江门、珠海的重要交通要道，该城际铁路的建设对推动沿线城市一体化、打造特色经济文化商圈、完善珠三角交通体系有着重要的意义。虎跳门水道位于广东省江门市、珠海市境内，水道通航等级为I级。虎跳门特大桥跨越虎跳门水道及附属河流，桥上为双线城际铁路，线间距为4.6 m，采用无砟轨道，设计速度为160 km/h，设计活载为ZC活载。桥位处地震动参数为VII级，地震动峰值加速度为0.1g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。

钢桁拱桥作为大跨度桥梁常用的结构形式，具有竖向刚度好、材料力学性能利用充足及施工快捷便利等优点。再加上考虑到此处通航要求较高和线路高程较低的情况，虎跳门特大桥选用主桥跨度为(72+96+350+96+72)m的连续钢桁拱桥，桥面采用正交异性板结构。边跨采用临时墩支架拼装，拱肋和系梁采用悬臂拼装。

1 主桥上部结构

1.1 立面布置

主桁边跨和拱肋腹杆使用有竖杆的N型桁式。节间长度除中跨近墩侧的4个节间为14.5 m和13 m外，其余皆采用12 m，边跨、中跨各28个节间；平行桁部分桁高14 m，支点加劲处弦高27.71 m。拱肋采用二次抛物线，矢高86 m，矢跨比1/4。主桁中心距及桥面宽均为16 m。主桥结构如图1所示。

图1 主桥立面布置示意图(单位：m)

1.2 桥面系

为了留足桥下净空和压缩梁高，同时为了适应铁路的高速行车要求和提高桥面的整体刚度，桥面采用加密横梁的正交异性板桥面。横梁高为2 m，相邻两横梁间设置3道横肋，肋高1.2 m，横梁和横肋均为工字截面。断面上横向设置五道工字截面纵梁，梁高2 m，除纵梁外，桥面板还采用“I”形及“U”形加劲肋(如图2、图3所示)。正交异性桥面板上设20 cm厚混凝土桥面，轨道铺设在混凝土桥面上，以降低行车过程中钢结构的振动和噪音。

图2 桥面系正交异性板结构

图3 桥面系正交异性板结构横截面示意图(单位：mm)

1.3 主桁

上拱肋采用箱型截面，内宽1 000 mm，拱顶处桁内高1 000 mm，拱脚加劲处内高1 000～1 400 mm，杆件板厚为24～44 mm，腹板、翼板内均间隔300～400 mm设加劲肋。边跨平行桁部分的上弦杆内宽、内高均为1 000 mm，翼板厚24 mm，腹板厚20 mm，与拱连接处加厚至32 mm，同时于翼、腹板中部各设一道加劲肋。

下拱肋采用箱型截面，内宽和内高从拱顶至拱脚分别为1 000～1 600 mm和1 200～2 500 mm，杆件板厚36～48 mm。腹板、翼板上每间隔300～400 mm设一道加劲肋。

平行下弦及拱部分系梁采用带有搭板的箱型截面，即顶部翼板向桥面内侧延伸出400 mm。截面内宽1 000 mm，内高1 200 mm，板厚从边墩到与拱连接处由24 mm加厚至48 mm，每个翼板腹板各设两道加劲肋。拱系杆截面内宽、高均为1 200 mm，除拱脚处板厚为34～38 mm外，其余部分板厚为44～48 mm，每片翼腹板均设两道加劲肋。

吊杆采用八边形截面，内宽1 000 mm，除最短吊杆采用1 000 mm内高外，其余吊杆内高取800 mm，板厚最短吊杆板厚16 mm，其余吊杆板厚为12 mm。

腹杆采用两种截面：在受力较小且较为稳定的杆件上，采用H形截面；在受力较为集中或稳定性较差的杆件上，采用箱型截面。内宽均设为1 000 mm，箱型截面内高为600～1 400 mm，板厚为12～48 mm。

1.4 横向联接

横向联接由4部分组成：平行桁部分、拱脚处桥面上下两部分和主拱肋部分。

边跨平行桁部分横向联接由两个横向并排的X形交叉结构组成，为满足通车净空和构造的要求，横向联接底部横杆到主桁下弦杆中心距控制在10 m。其中，交叉杆件采用箱型截面，内宽、高均为500 mm，板厚14 mm；水平与竖直杆件采用H形截面，内宽与高也均为500 mm，板厚则为16 mm。

拱脚处桥面上横向联接与平行桁部分结构相似，横联高度随拱高增加，下部横杆则与主桁下弦杆保持10 m间距。各杆件截面也与平行桁部分对应杆件基本一致，仅交叉杆件板厚增加到16mm。桥面下横向联接采用单个X形交叉结构，布满下拱肋和下弦杆之间，此处杆件受力较大，与桥面上部杆件相比均有加强。其中，交叉杆件采用1 000 mm×1 000 mm的箱型截面，板厚40 mm，内设加劲肋；水平杆件采用500 mm×500 mm矩形截面，板厚20 mm。

主拱部分横向联接采用单个X形交叉结构布满上下拱肋，交叉杆件采用H形截面，内宽与高均为500 mm，板厚16 mm。

1.5 纵向联接

纵向联接也采用交叉式结构，每节间一个交叉，分平行桁上弦杆、主拱上下拱肋和拱脚加劲3个部分。

平行桁部分纵向联接斜杆采用500 mm×500 mm箱型截面，板厚12 mm。

主拱上下拱肋斜杆也为500 mm×500 mm箱形截面，板厚增加到20 mm。

拱脚加劲处杆件受力较大，纵向联接杆件截面也相应增强，采用1 000 mm×1 000 mm箱型截面，板厚采用40 mm，翼、腹板各设一道加劲肋。

2 有限元分析

采用Midas Civil有限元分析软件建立全桥空间有限元模型进行分析(如图4所示)。墩台与桁架采用梁单元，桥面板采用板单元。梁上布设轨道、垫板和附属结构等，二期恒载取为204.8 kN/m。基本风压取W0=120 Pa。设计活载采用双线铁路ZC活载。其余荷载如温升、温降、温度梯度、制动力、摇摆力等按相关规范取值，按最不利情况进行组合。

图4 全桥有限元模型

下面分析各部分受力情况。

2.1 主桁

1)下拱肋。最大压力为-36 903.7 kN，出现在拱脚，最小压力为-16 011.8 kN，出现在拱顶。如图5所示，下拱肋杆件皆为受压杆件，由拱顶向拱脚压力逐渐增大。图5中横坐标为拱肋的纵向位置，原点为整个拱肋的一侧端点。

图5 下拱肋轴力受力情况

2)上拱肋。最大压力为-24 622.0 kN，出现在拱顶处；最大拉力出现在拱脚与平行桁相接处，为12 797.5 kN。由拱顶向两侧拱脚呈由压至拉的变化趋势，受压杆件较多，在主墩位置附近杆件受力最小。

3)平行上弦。与拱脚上拱肋相接处拉力最大，为14 398.4 kN，至边跨处拉力不断减小，在72 m跨处出现压力，最大压力为-11 886.5 kN，位于72 m跨中位置。

4)平行下弦。最大压力为-6 438.3 kN，出现在固定墩附近，最大拉力出现在最外侧边墩处，值为5 123.6 kN，拉力杆主要集中在72 m边跨处。

5)系杆。最大拉力为17 600.9 kN，出现在下拱肋端头处；上下拱肋间系杆拉力较小，最小为3 509.5 kN。下拱肋与系杆相接处为受力突变点，此处两侧系杆受力变化较大。

6)腹杆。平行桁部分腹杆的杆件内力为-12 131.6～8 781.9 kN，受力较大的杆件集中在边墩支座处。拱肋部分腹杆杆件内力为-14 311.4～13 052.7 kN，最大拉力和最大压力杆件均出现在拱脚处。除去受力较大的杆件外，其余杆件内力均为-4 327.7～4 187.1 kN。

7)平联杆件。平联杆件受力均较小，最大拉、压力均位于桥面下拱脚加劲处附近，所有杆件受力为-6 277.3～4 835.9 kN。

2.2 桥面系

考虑到正交异性桥面板的受力特性与桁架结构不同，不再用内力表示构件受力情况，而是采用应力来表达，可以更好地观察桥面系各部分构件的受力情况。

纵梁：如图6所示，在主跨和72 m边跨段以拉应力为主，96 m边跨附近出现压应力，整体应力分布较为均匀，应力幅较小。图6中横坐标为纵梁的纵向位置，原点为整个纵梁的一侧端点。

横梁：应力为-63～104 MPa，每根横梁中部应力最大，两端应力较小，各横梁间应力分布与纵梁类似。

图6 纵梁应力受力情况

2.3 整体刚度及动力特性分析

位移计算分别计算桥面系在恒载与活载作用下的竖向位移、梁端转角以及在风荷载与横向摇摆力作用下的横向位移。

恒载作用下，72 m边跨、96 m边跨及中跨分别产生45、72和346 mm的竖向挠度；活载作用下，72 m边跨、96 m边跨及中跨分别产生9.9、6.7和44.7 mm的竖向挠度，梁端转角为1.4‰rad ；横向荷载下72 m边跨、96 m边跨及中跨分别产生0.03、0.7和21 mm的横向位移。主桥刚度能够满足设计要求。

动力特性计算结果列举了前5阶的自振频率，如表1所示。

表1 前5阶振型、频率与周期

从表1可以看出，桥梁振型首先出现横向振动，说明横向刚度弱于纵向与竖向刚度。而在一阶振型中系梁与拱肋振动方向同步，表明拱肋与桥面具有较好的整体性。

3 结语

广佛江珠城际铁路虎跳门特大桥全长686 m，运用连续钢桁拱桥的结构进行架设满足设计要求且较为合理。通过建立有限元模型，对主桁和桥面进行模拟分析，可以看出桥梁各部分构件受力明确，桥梁整体动静力性能均能满足设计要求。目前，国内已有一些已经建成的连续钢桁拱桥，如南京大胜关长江大桥和贵广铁路东平水道特大桥，但总体来说对连续钢桁拱桥的研究相对不足，本桥可以为同类连续钢桁拱桥的设计及相关研究提供参考。

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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

罗畅(1989—),男，助理工程师，硕士，研究方向：桥梁工程，电子邮箱：captluo@163.com。

U442.5

A

2095-5383(2017)02-0034-04