宜昌長(zhǎng)江大橋大跨連續(xù)剛構(gòu)柔性拱新型組合橋式結(jié)構(gòu)研究

1、宜萬(wàn)鐵路宜昌長(zhǎng)江大橋大跨度連續(xù)剛構(gòu)柔性拱新型組合橋式結(jié)構(gòu)研究鐵道第四勘察察設(shè)計(jì)院1、概述新建宜萬(wàn)鐵路于湖北省宜昌市跨越長(zhǎng)江，宜昌長(zhǎng)江河段屬于山區(qū)性河流向平原河流轉(zhuǎn)變的過(guò)渡段，呈順直微彎分汊狀。橋址河段中部胭脂壩將河道分為南北汊，北汊為主河道，見(jiàn)圖1所示。橋址河段規(guī)劃凈空為兩孔244m×18m。為滿足通航需要，大橋通航孔跨確定為2×275。主橋采用130m2×275m130m連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋式結(jié)構(gòu)，其景觀效果見(jiàn)圖2。北引橋?yàn)?0孔50簡(jiǎn)支梁、江心胭脂壩洲為14孔50簡(jiǎn)支梁、南汊為一聯(lián)5610056連續(xù)梁、南引橋?yàn)?孔32簡(jiǎn)支梁，橋全長(zhǎng)2519，全橋立面布置見(jiàn)圖3

2、。北引橋、主橋和南汊橋按雙線設(shè)計(jì)，江心胭脂壩洲橋和南引橋按預(yù)留雙線設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)行車(chē)速度160km/h。圖1 橋址平面圖圖2 130m+2×275m+130m連續(xù)剛構(gòu)柔性拱效果圖圖3全橋立面布置圖2、主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究1302×275130連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋式，立面布置見(jiàn)圖4，是一種創(chuàng)新的梁拱共同受力的組合橋式，在鐵路橋梁中首次采用，為使橋式結(jié)構(gòu)的梁、拱、墩剛度合理匹配，使結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳受力狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究比選。圖4、130m+2×275m+130m連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組立面布置圖（單位：毫米）2.1、主要結(jié)構(gòu)構(gòu)造2.1.1梁部橫截面構(gòu)造剛構(gòu)柔性拱中大跨度預(yù)應(yīng)力混凝

3、土連續(xù)剛構(gòu)作為主要受力構(gòu)件，為使梁部具有良好的受力性能，通過(guò)研究比選，采用斜腹板單箱雙室倒梯形截面，見(jiàn)圖5。根部梁高14.5m，端支點(diǎn)及中跨中處梁高4.8m。頂板寬14.4m，箱梁跨中處底板寬12.73m，漸變至根部為9.2m。頂板厚根據(jù)縱向預(yù)應(yīng)力索布置需要確定，雙層布索時(shí)為50cm，單層布索時(shí)為40cm。腹板厚度分為30cm、45cm、60cm，采用漸變段過(guò)渡，梁體根部厚度為100cm，底板厚度由中跨處的35cm漸變至根部140cm。a)主梁根部附近截面b)主梁跨中截面圖5主梁橫截面（單位：厘米）2.1.2拱肋構(gòu)造拱肋計(jì)算跨徑264m（拱軸線與梁頂面相交點(diǎn)之間），矢高52.8m，矢跨比1/5

4、.0，拋物線型拱。每孔兩片拱肋，每片拱肋經(jīng)過(guò)受力比較，采用4-750mm鋼管混凝土桁架，拱肋截面如圖6所示。拱肋上下弦管中心距離由拱腳處的4.0m漸變至拱頂處3.0m，兩片拱肋中心距12.15m，有十一道橫撐將兩片拱肋連接。a)拱腳處截面b)拱頂處截面圖6拱腳截面與拱頂截面（單位：厘米）2.1.3吊桿拱肋采用豎直平行吊桿傳力，順橋向間距10.0m，為便于運(yùn)營(yíng)期間吊桿的養(yǎng)護(hù)維修更換，每一吊點(diǎn)順橋向設(shè)雙吊桿。按吊桿所受荷載大小計(jì)算確定吊桿面積，靠近拱腳范圍的三對(duì)吊桿為12-15.24mm鋼絞線，其余采用15-15.24mm鋼絞線，如圖7所示。吊桿分兩批張拉，采用單根張拉鋼絞線無(wú)粘結(jié)外包PE鍍鋅鋼絞

5、線新技術(shù)。圖7吊桿布置圖（單位：厘米）2.1.4主墩如圖8所示，邊主墩采用雙薄壁墩結(jié)構(gòu)，壁厚3.0m，橫橋向?qū)?2.0m，實(shí)心截面，中心距5.0m。中主墩采用空心單柱墩，順橋向8.0m，橫橋向?qū)?2.0m。a)邊主墩b)中主墩?qǐng)D8主墩橫截面圖（單位：厘米）2.1.5基礎(chǔ)主墩均采用123.0m鉆孔嵌巖樁。樁長(zhǎng)與配筋按受力要求確定，承臺(tái)為圓弧切角矩形，厚5m，樁基礎(chǔ)布置見(jiàn)圖9。a)立面b)平面圖9樁基礎(chǔ)布置圖（單位：厘米）2.2、縱向預(yù)應(yīng)力索布置墩柱頂梁體截面上緣布置128束31-15.24鋼絞線，以滿足梁部懸臂施工時(shí)受力要求。邊跨底板布置28束19-15.24鋼絞線，作為梁部施工完成后期張拉索。

6、考慮梁體受拱的推力作用，中跨中截面上下緣分別布置12束和40束19-15.24鋼絞線。2.3、結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算全橋按梁、墩、拱、吊桿順序劃分535個(gè)單元，425個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)擬定的施工方法和步驟分57個(gè)階段模擬實(shí)際施工過(guò)程進(jìn)行全橋內(nèi)力計(jì)算。按沖刷前河床線和局部沖刷線兩個(gè)計(jì)算模型分別考慮土對(duì)樁基礎(chǔ)水平抗力影響。計(jì)算模型同時(shí)考慮了鋼管混凝土拱肋實(shí)際形成過(guò)程：其單元截面模擬成組合截面形式，鋼管部分先期架設(shè)并參與受力，管內(nèi)混凝土分倉(cāng)、分段灌注并達(dá)到強(qiáng)度后才參與受力。梁部截面強(qiáng)度安全系數(shù)最小值為2.31。拱腳拱頂截面強(qiáng)度安全系數(shù)分別為2.27和2.47，按一類(lèi)穩(wěn)定檢算拱肋穩(wěn)定面內(nèi)、面外安全系數(shù)分別為9.9和8

7、.1。主梁跨中截面靜活載最大豎向撓度7.651，撓跨比達(dá)1/3564。3、結(jié)構(gòu)分析研究剛構(gòu)拱組合結(jié)構(gòu)，具有預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)和鋼管混凝土拱共同受力的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力受到各部位剛度、溫度、收縮徐變的影響，同時(shí)還受到梁拱上部結(jié)構(gòu)施工方案的影響，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，必須對(duì)這種新的橋式結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力特性分析研究。3.1、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穩(wěn)定體系，在主梁梁段懸灌時(shí)，可以張拉相應(yīng)吊桿，主梁懸臂灌注時(shí)的受力得到了拱的協(xié)助。先拱后梁要求拱本身有一定的剛度及較強(qiáng)的穩(wěn)定性，主梁高度較小。本橋作為剛性梁柔性拱，因拱肋較柔，施工過(guò)程中的穩(wěn)定應(yīng)優(yōu)

8、先考慮。因此，通過(guò)受力分析比較，采用先梁后拱施工方案，連續(xù)剛構(gòu)施工合攏形成穩(wěn)定體系后再施工拱肋。該施工方案，拱肋的拼裝在連續(xù)剛構(gòu)梁頂面上進(jìn)行，拼裝完的拱肋通過(guò)扣索豎轉(zhuǎn)就位。拱肋拼裝、豎轉(zhuǎn)、吊桿張拉均是在主梁合攏后進(jìn)行，雖有兩個(gè)主跨情況，施工同步性要求不高，施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)定性較強(qiáng)。3.2 結(jié)構(gòu)體系受力及剛度分析研究3.2.1結(jié)構(gòu)體系受力特點(diǎn)本橋組合結(jié)構(gòu)體系中，主梁自重主要由連續(xù)剛構(gòu)承受，二期恒載及活載由拱肋與主梁二者共同承受。拱作為以承受壓力為主的構(gòu)件，具有豎向剛度大的特點(diǎn)，形成組合結(jié)構(gòu)以后，在豎向荷載作用下，一部分豎向力通過(guò)吊桿、拱肋直接傳至主梁根部，因此使主梁跨中及根部彎矩得到顯著減小

9、。剛性梁柔性拱在拱腳附近，梁體剛度大，與一般的下承式拱橋吊桿不同，靠近拱腳范圍吊桿索力較小，而跨中范圍的吊桿索力較大。3.2.2結(jié)構(gòu)體系剛度研究由于拱梁均為變截面，按撓度理論分別將拱梁變截面換算為等量截面。拱肋換算等量截面慣性矩以柔性拱作為研究對(duì)象，固結(jié)兩拱腳，模擬一跨度及支承形式完全相同的等截面拱，分別作用單位豎向均布荷載，見(jiàn)圖10。當(dāng)兩者拱頂?shù)膿隙认嗟葧r(shí)，后者的截面慣性矩即為變截面柔性拱的換算等量慣性矩。同樣的方法可求出變截面連續(xù)剛構(gòu)的換算等量慣性矩。圖10拱肋換算等量截面慣性矩方法示意圖本橋拱肋換算等量剛度EaIa與連續(xù)剛構(gòu)換算等量剛度EbIb之比經(jīng)優(yōu)化確定為1/15.6。在剛構(gòu)拱體系中

10、，一方面，受柔性拱加勁，結(jié)構(gòu)具有很大的豎向剛度；與相同孔跨組成的連續(xù)剛構(gòu)相比較，這種結(jié)構(gòu)可適當(dāng)加大邊墩剛度以充分滿足結(jié)構(gòu)防撞需要。另一方面，由于主跨結(jié)構(gòu)剛度大，提供了較好的整體受力條件，本橋邊跨跨度在120130范圍時(shí)結(jié)構(gòu)受力較優(yōu)，結(jié)合通航需要，邊跨采用130。3.3、收縮徐變影響及設(shè)計(jì)措施連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋式，受收縮徐變影響較大、表現(xiàn)形式復(fù)雜。收縮徐變次內(nèi)力對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響既是不利的，也是有利的。為使結(jié)構(gòu)受力安全可靠，收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期受力行為的影響必須研究清楚。3.3.1鋼管混凝土拱肋鋼管與管內(nèi)混凝土應(yīng)力重分配鋼管混凝土拱受施工過(guò)程影響，鋼管自重由其自身承擔(dān)，后期灌注的管內(nèi)混凝土自重由鋼管

11、與先期灌注并已凝固達(dá)到一定強(qiáng)度的混凝土共同承擔(dān)，最終鋼管混凝土形成整體截面共同承受外荷載。在荷載作用下，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼材與管內(nèi)混凝土共同受力，通過(guò)變形協(xié)調(diào)，根據(jù)各自的剛度進(jìn)行分配。但受后期的收縮、徐變影響，管內(nèi)混凝土要發(fā)生收縮、徐變，在外力不變的情況下，混凝土所承擔(dān)的軸力及彎矩隨收縮徐變的發(fā)展逐步減小，而鋼管所承擔(dān)的軸力及彎矩有所增加，引起鋼管與混凝土應(yīng)力重分配。當(dāng)鋼管截面占整個(gè)拱肋截面的28左右時(shí)，從施工至竣工后的三年內(nèi)，混凝土收縮、徐變使鋼管內(nèi)混凝土的壓力相對(duì)卸載303，鋼管壓力相應(yīng)增大1。鋼管與管內(nèi)混凝土內(nèi)力的相對(duì)變化與拱肋含鋼量密切相關(guān)，因此，采用較小管徑鋼管、增加鋼管根數(shù)、適當(dāng)

12、增大鋼管壁厚等措施以提高拱肋截面的含鋼量，可以有效減小收縮、徐變對(duì)拱肋截面內(nèi)力的不利影響。另外管內(nèi)混凝土施工時(shí)適當(dāng)加入微膨脹劑，也是有效措施之一。本橋拱肋采用四肢750的鋼管，管內(nèi)灌注微膨脹混凝土。3.3.2拱腳負(fù)彎矩及拱頂正彎矩的改善主梁發(fā)生收縮徐變時(shí)，將使主墩頂與拱腳產(chǎn)生往主跨方向的水平變位，拱腳受到往主跨方向的水平推力，拱肋上拱，拱腳的負(fù)彎矩與拱頂?shù)恼龔澗鼐兴鶞p小。3.3.3梁拱內(nèi)力重分配連續(xù)剛構(gòu)柔性拱結(jié)構(gòu)，主梁自懸臂施工至合攏，梁體的豎向初始變形均以下?lián)蠟橹?。成橋后，受收縮徐變影響，主梁繼續(xù)下?lián)?，但此時(shí)變形受到吊桿約束作用。因此，收縮徐變的發(fā)生，使得吊桿軸力增加，拱肋承受荷載增大，主

13、梁截面彎矩及應(yīng)力均有所減小，收縮徐變引起梁拱內(nèi)力的重分配。因此，混凝土組合橋式結(jié)構(gòu)必須考慮收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。本橋重點(diǎn)考慮以下兩方面因素。不同收縮徐變系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)影響分析考慮到徐變系數(shù)的變異性，對(duì)徐變系數(shù)終極值分別取1.5、2.0、2.5以及對(duì)鋼管內(nèi)混凝土分別計(jì)與不計(jì)收縮徐變等多種情況進(jìn)行包絡(luò)計(jì)算。通過(guò)分析比較，徐變系數(shù)、收縮應(yīng)變終值由小變大時(shí)，主梁根部截面壓應(yīng)力有所改善，拱腳及吊桿的軸力有所增加，總體上來(lái)說(shuō)，其變化幅度較小。如徐變終值從1.5增大至2.5時(shí)，主梁根部截面壓應(yīng)力變幅3.3；拱腳軸力變幅4.7。不同徐變系數(shù)、收縮應(yīng)變終值對(duì)下部結(jié)構(gòu)受力影響較大，邊主墩承臺(tái)底的水平力與彎矩均隨徐

14、變系數(shù)、收縮應(yīng)變終值增大而增大，墩身及樁基礎(chǔ)配筋面積亦需加大。拱肋管內(nèi)混凝土計(jì)與不計(jì)收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)影響分析拱肋管內(nèi)混凝土與普通混凝土結(jié)構(gòu)受周邊環(huán)境影響時(shí)不同的，與不計(jì)管內(nèi)混凝土收縮徐變相比較，當(dāng)計(jì)管內(nèi)混凝土發(fā)生收縮、徐變時(shí)，拱肋產(chǎn)生向下變位，吊桿軸力減小，拱軸壓力下降，主梁承擔(dān)的豎向力增大，因此，拱肋截面的強(qiáng)度安全系數(shù)與整體穩(wěn)定性均有所提高，梁體根部截面壓應(yīng)力有所增大。另一方面，計(jì)管內(nèi)混凝土收縮、徐變，使得拱肋鋼管與混凝土產(chǎn)生應(yīng)力重分配，在總軸力減小的情況下，鋼材應(yīng)力反而增大。對(duì)于減小收縮徐變引起梁拱內(nèi)力重分配影響，主要措施是減小主梁的初始變形，通過(guò)調(diào)整施工過(guò)程中預(yù)應(yīng)力索的張拉噸位及張拉順序

15、來(lái)改善主梁截面應(yīng)力狀態(tài)。另外，減小拱肋及吊桿的豎向剛度，增強(qiáng)其豎向變位的適應(yīng)能力，也是減小因收縮徐變引起梁拱內(nèi)力重分配的措施之一。3.3.4邊主墩承臺(tái)底產(chǎn)生較大的水平力及彎矩本橋連續(xù)剛構(gòu)柔性拱結(jié)構(gòu)體系，下部結(jié)構(gòu)受力表現(xiàn)與連續(xù)剛構(gòu)類(lèi)似，在混凝土收縮徐變與體系降溫影響下，邊主墩樁基承受偏向大跨的彎矩。這部分的收縮徐變次內(nèi)力與邊主墩抗推剛度成正比，減小墩身抗推剛度是減小收縮徐變對(duì)下部結(jié)構(gòu)影響的最有效措施之一。另外，主梁合攏前，在合攏口兩側(cè)的主梁斷面上施加一定的水平對(duì)頂力，以抵消邊主墩頂后期因收縮徐變產(chǎn)生的變形。3.4、豎向均布荷載作用下吊桿、拱、梁受力比值分析3.1.1吊桿受力比值如圖11所示，對(duì)全

16、橋橋面施加豎向均布荷載q，豎向荷載直接作用在主梁上，使主梁、吊桿、拱肋發(fā)生變形，根據(jù)其各自的剛度，按變形協(xié)調(diào)進(jìn)行分配。在該均布荷載作用下，跨中范圍吊桿力增加較大，靠近拱腳附近的吊桿力增量相對(duì)較小，一個(gè)主跨全部吊桿力增量占該主跨范圍所施加的總豎向荷載（q×275）的比值142.87。圖11吊桿、拱、梁受力比較橋面加載圖3.4.2梁拱截面受力比值在豎向均布荷載q作用下，梁拱截面受力如圖12所示。圖12豎向均布荷載q作用下梁拱內(nèi)力圖整個(gè)結(jié)構(gòu)跨中截面總效應(yīng)彎矩為M0i4342490689008×54.2540725.6kN-m。 拱頂截面彎矩分配系數(shù)：ai9068/（9068434

17、24）×10017.3主梁跨中截面彎矩分配系數(shù)：bi43424/（906843424）×10082.7。從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，在豎向均布荷載作用下，結(jié)構(gòu)跨中截面以上的總彎矩M0i已轉(zhuǎn)化成為拱肋的壓力與主梁內(nèi)的拉力，充分體現(xiàn)了梁拱組合結(jié)構(gòu)受力的優(yōu)越性；由于拱肋相對(duì)較柔，梁體中所產(chǎn)生的彎矩遠(yuǎn)大于在拱肋中所產(chǎn)生的彎矩。3.5、材料彈性模量變化分析研究在一般橋梁結(jié)構(gòu)分析中，材料的彈性模量變化對(duì)結(jié)構(gòu)受力影響很小，對(duì)于剛構(gòu)拱組合結(jié)構(gòu)，當(dāng)結(jié)構(gòu)中不同部位的材料彈性模量發(fā)生相對(duì)變化時(shí)，梁拱受力分配會(huì)發(fā)生變化，因此需要對(duì)這種影響進(jìn)行分析。分別將拱肋、梁部及墩柱基礎(chǔ)彈性模量變化±10

18、，取最不利組合，通過(guò)分析比較，當(dāng)拱肋彈性模量減小，主梁及下部結(jié)果彈性模量增加時(shí)，主梁受力稍有增加，拱肋及吊桿受力略有減小；主梁及下部結(jié)構(gòu)彈模增大，邊主墩承臺(tái)底水平力與彎矩有一定變化，相比而言，導(dǎo)致配筋量增加較大，但不控制設(shè)計(jì)。因此可以認(rèn)為，梁拱及下部結(jié)構(gòu)彈模在一定范圍變化，對(duì)梁拱受力影響很小，無(wú)明顯變化。3.6、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析研究表1前10階自振特性計(jì)算結(jié)果序 號(hào)自振頻率(Hz)振型主要特點(diǎn)10.3416拱反對(duì)稱橫彎20.3498拱對(duì)稱橫彎30.5387拱梁反對(duì)稱豎彎+拱梁縱飄40.5551拱梁反對(duì)稱橫彎50.6365拱梁對(duì)稱橫彎60.7448拱對(duì)稱橫彎70.7870拱對(duì)稱橫彎81.0131

19、拱梁對(duì)稱豎彎91.0368拱梁反對(duì)稱豎彎101.1165拱梁橫彎3.7、極限承載能力分析考慮材料非線性影響，建立空間模型，分析結(jié)構(gòu)極限承載能力。本橋主拱的反對(duì)稱側(cè)傾失穩(wěn)是剛構(gòu)拱的最終屈曲形式。在考慮初始缺陷的條件下，剛構(gòu)拱最大承載能力為5.975×200kN/m，失穩(wěn)時(shí)拱頂?shù)臋M向位移達(dá)1.5cm，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)在2.5以上。3.8、結(jié)構(gòu)非線性分析通過(guò)分別建立空間線性模型與非線性模型分析，在恒載與活載作用下：結(jié)構(gòu)只進(jìn)入幾何非線性，材料非線性因素尚未體現(xiàn)。這種情況下，拱肋上下鋼管的軸力增加不到線性計(jì)算的2%，腹桿拉、壓軸力絕對(duì)值大約增加了4%，吊索應(yīng)力的增加也在2%幅度范圍以內(nèi)。非線性引起的主梁跨中彎矩增加幅度大約3%，但引起的墩身截面的彎矩變化最大已達(dá)11%，在設(shè)計(jì)中必須予以考慮。 3.9、結(jié)構(gòu)抗震分析根據(jù)橋址處地質(zhì)資料，該場(chǎng)地土為II類(lèi)場(chǎng)地土，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行分析。取前200階振型