新建风陵渡黄河特大桥空腹式箱梁连续刚构设计

新建风陵渡黄河特大桥空腹式箱梁连续刚构 新建风陵渡黄河特大桥空腹式箱梁连续刚 构设计 新建风陵渡黄河特大桥空腹式 箱梁连续刚构设计 吴延伟天延1帚 (中铁第一勘察设计院集团有限公司西安710043) ? 桥涵设计? 摘要对于高烈度地震区大跨桥梁的设计推荐了一种全新的桥式方案——空腹式 箱梁连续刚构,该结构是钢管 桁架和预应力混凝土板的组合结构.与常规钢桁梁及混凝土连续刚构桥相比,该组 合结构具有较大的优势,是一 种极具潜力的桥梁结构形式. 关键词高烈度地震大跨度桥梁空腹式箱梁连续刚构抗震性能 中图分类号U445.4文献标识码B文章编号1009—4539(2009)09—0021—06 DesignofConsecutiveBoxGirderRigidFrameBridgewithOpenSpandrel aboutNewFenglingduLargeBridgeinYellowRiver WuYanwei (ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Xi'an710043,China) AbstractTheauthorrecommendsabrandnewlong— spanbridgestructureinhighintensityearthquake boxgirderrigidframebridgewithhoHowabdomen.Thestructureisakindofcombinedstruct urewithsteeltubetrussand pre— stressedconcreteboard.Comparedwithnormaltrussbridgesandconsecutiveconcreterigidf ramebridges,thestructure hasmanyadvantagesanditisreallyanewbridgestructurewithgreatpotentials. Keywordshighintensityearthquake;largespanbridge;boxgirderwithhollowabdomen;con secutiverigidframe bridge;aseismicperformance 1工程概述 既有风陵渡黄河大桥位于黄河与渭河汇合口 下游约3km处,是南同蒲一陇海联络线上一座大型 桥梁.大桥始建于1966年,采用24孔48m拆装式 上承钢桁梁,桥长为1199.6m.桥梁北端为山西省 的风陵渡,南端为陕西省的潼关老城.当时该桥为 联络线上桥梁,要求经济,快速建成,其技术标准与 永久性结构的指标相比较低.随着铁路运输的发 展,该桥陆续出现了如下病害:横联上横杆端部裂 纹,高强度螺栓折断,横向振幅过大,桁梁死挠度 等.目前该桥已限速4年之久,为消除运输瓶颈,解 收稿日期:2009—07—16 除行车隐患,确保行车安全,铁道部委托铁一院就 新建南同蒲黄河特大桥展开设计研究工作. 新建风陵渡黄河特大桥位于三门峡水库上游 115km,处在库区的潼关河段,桥位附近河段处于黄 河,渭河,洛河三河交汇处,又位于三门峡水库影响 区,由于建库后水库蓄水淤积影响和黄河倒灌渭洛 河的拦门坎影响,潼关以上淤积和潼关高程升降演 变十分复杂,特别潼关卡口河段淤积抬高会对黄, 渭,洛河造成严重后果.对于潼关河床高程升降, 成为陕西省,河南省及水利部重点关注对象,因此 在潼关段修建各种跨河建筑物需保证尽可能不会 造成潼关河床抬高.大桥设计需符合本河段特点, 满足行洪,防凌,通航等多方面要求. 铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009(9{21 ? 桥涵设计? 2桥式方案的比选3补充桥式方案设计思路 黄河特大桥主桥结构形式主要基于黄河水文,大跨度桥梁的刚度控制标准是目前尚未解决 地质,地形等特点及黄河河务部门对主河槽内主孔的一个技术问.由于上部结构自重大,为了保证 跨度要求,并考虑环境及美观要求.黄委会明确要结构的横向刚度,需要增大下部结构刚度,这就使 求,本河段主河槽内要采用100ITI以上的大跨度,因得下部结构造价显着增加,且刚度增大使结构抗震 此最初设计研究主要围绕钢桁梁桥,预应力混凝土性能变差;而钢梁方案可以很好地解决下部结构投 连续刚构桥结构形式进行.由于桥址位于?度地资过高的问题,但后期养护维修的工作量大,同时 震区,桥式选择需要充分考虑地震的影响.取消明桥面后,道碴槽板和钢桁梁的连接目前国内 本桥桥墩较高,有条件采用连续刚构梁,其结尚无成熟可靠的方式. 构特点是梁体连续,梁墩固结,主墩无支座,顺桥向空腹式(采用钢腹杆,混凝土顶底板)箱梁为这 抗弯刚度和横桥向抗扭刚度大,行车舒适平稳,养一问题的解决提供了新的思路.该结构是钢管桁 护工作量小,对线路线形,纵坡适应性强,其线型优架和预应力混凝土板的组合结构,与钢桁梁相比, 美,立体感强,整体景观效果好,气势宏伟,与周围具有以下几点优势: 环境协调好,主桥后期运营养护费用较低,造价较(1)由于顶底板均为混凝土板,因此结构的用 低.但连续刚构梁体重量大,一联的桥长由于受地钢量大幅降低,同时节点的构造得以简化,并且可 震力,温度力控制不能太长,而本桥主河道较宽,致以降低噪声污染; 使在主河槽内需布置两联大跨连续刚构.此外若(2)结构的刚度大大增强,对提高列车运行的 要满足黄委会要求,主河槽内孑L跨不得小于1001TI,安全性和舒适度十分有利,从而对高速铁路的行车 将连续刚构边跨设计为106m,则主跨需加大至更加有利; 148m以上,增加了结构抗震设计的难度.(3)采用这种结构可以方便地采用各种轨道 钢桁梁桥优点是采用简支结构,受力简单明结构. 确,主河槽内均可采用大跨跨越,且钢梁杆件拼装与普通混凝土箱梁相比,空腹式箱梁具有以下 方便,技术成熟,施工难度小,施工周期短,采用下几点优势. 承式钢桁梁建筑高度较低,控制线路高度较低,而(1)在剪力较大的支点截面和梁端截面采用普 且梁体重量轻,可节省下部结构工程数量并有良好通预应力混凝土箱梁,这样可以充分发挥混凝土箱 的抗震性能.但钢桁梁造价较高,由于其构造要梁抗剪能力强的优势;而在剪力相对较小的中部断 求,一般需位于直线及缓坡上,因此为了保证桥下面则采用空腹式箱梁,以减轻梁体的重量,从而减 净空及设计水位的要求,将会导致引桥长度,高度小施工阶段内力,使整个结构的内力状态趋于合 增加,工程费用较大.目前为了保证列车提速,钢理.经估算分析,采用空腹式箱梁连续刚构方案 桁梁需考虑设道碴桥面,不再考虑明桥面,桥上道后,支点弯矩可下降30%左右. 碴槽的设置不但增加了结构设计难度,且由于二期(2)由于腹板的重量大大减小,其结构自重可 恒载的增加,加大了结构用钢量及工程造价.另外以减少20%,30%,从而使得下部结构刚度控制的 钢桁梁运营时行车噪声大,养护维修工作量大,是难度大大降低,明显减小结构的 地震反应,提高结 运营主管部门不愿意采用的一种桥型.构在地震作用下的动力性能,进而降低下部结构的 经技术经济比较,初步选定推荐方案为预应力工程造价. 混凝土连续刚构桥.(3)由于梁段重量和模板数量的大幅减少,悬 22铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009l9) ? 桥涵设计? 臂施工难度大大减小,上部结构混凝土的单价明显减低,施工速度显着加快,见表1. 表1两种不同类型刚构桥方案技术经济比较表 , ,\,,,预应力混凝土连续刚构桥空腹式箱梁连续刚构 4孔64m简支箱梁+2联(106+148+106)4孔64m简支箱梁+2联(106+148+106)m m预应力混凝土连续刚构+(6孔64m+1空腹式箱梁连续刚构+(6孔64m+1孔 孔42rn)简支箱梁+l联(65+108+65)m42m)简支箱梁+1联(65+108+65)rn连续桥梁孔跨 连续梁桥+(1孔32m+2孔24m+4孔梁桥+(1孔32rfl+2孔24m+4孔32m)简 32in)简支T梁+1联(42+64+42)lXl连续支T梁+1联(42+64+42)m连续梁桥+2 梁桥+2孔32m简支T梁孔32m简支T梁 桥梁长度2114.15m2114.15m 混凝土:17240.8m混凝土:14115.6m 主桥梁部工程数量预应力钢束:1276.3t预应力钢束:684.9t 钢料:2795.4t钢料:4131.7t 桥梁主要工程数量混凝土:23877. 6m混凝土:18810.6m主桥墩身及承台 钢料:2815.1t钢料:2129.8t 混凝土:32572.0m混凝土:28185.0m主桥基础 钢料:3166.0t钢料:2722.0t 主桥工程造价1.1898亿1.1705亿 综合比较投资略高投资较省 经过综合比较,最终确定空腹箱梁连续刚构作 为推荐桥式方案. 4空腹式连续刚构设计 空腹式箱梁连续刚构跨度采用(106+148+ 10675 106)m,除支点两侧各21m及梁端10m范围内采 用普通混凝土箱梁外,其余均采用空腹式箱梁.梁 高除支点外侧211TI采用变截面(13.5—8.5m)外, 其余均采用等截面,梁高为8.5m,见图l. 1180 蠹上节点截面(1:100) ll80 bO200 什 200 一藏L[翌喧窃 下节点截面(1-lO0) 图1空腹式箱梁连续刚构箱梁构造 铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009(9) 墩顶截面(1:100)端部截面(1:100) 蛋 ? 桥涵设计? c. 淼委,装 .,桥附篓8O.c11…10篓烹;磊菜HDP"E'相应设置隔板, 增强刚度,加强节点的连接,并作为姜管,管道内.点以吻合索 r—黼l…l环笛芍倦,个玖议不惟存术用力杀一. 量 f一一墩壁厚2_.m,基础采用 …:…一,…锚具:OVM15刊锚具.婴用00:00mmt~ 一 , 翌磊腹杆~+itl及j节磊:Q345q.慢兰合考虑受力及, . 4;:HR…B…335,Q235o :篓mm…5f…'fl50.m,m,.竺妻5;呈蕞vcr34~Jo)J凝土,其余墩台身c30混凝土. 篓量力的需要,在钢箱中灌注混凝土.拉杆采用6;裹吾及桩.…… :.空篓譬二:混凝土容重按26kN/ms,钢材容重下缘齿块内.体外索采用钢绞线索,每 根体外索采用一',…一………—一 ? 桥涵设计? 全桥整体升降温为20?,钢腹杆与混凝土顶, 底板的温差为15?. (4)离心力及制动力 按桥规相关规定计算. (5)无缝线路纵向力 桥上无缝线路采用与桥梁两端路基上无缝线 路一致的轨道结构,道床纵向阻力70N/cm(计算伸 缩力或轨面无载时计算挠曲力)或110N/cm(轨面 有载时计算挠曲力,计算断轨力). (6)风力 有车时按W=K1×K2×800,其值不大于1250Pa, 取1250Pa; 无车时按=K1×K2×1400=1.3X1.3X 1400=2056Pa,取2100Pa. (7)横向摇摆力 取F=100kN,作为一集中荷载取最不利位置, 以水平方向垂直中线作用于钢轨顶面. 5.2分析结果(见表2一表4) 表2静力计算主要结果1 内力/:kN?m) 静活载作用下跨中强度安全系数抗裂安全系数支点剪力截面弯矩 竖向位移/cm梁端中支点中支点 Max2.68E45.85l一1.O1E6 6.442.251.23 Min1.58F44.18E4一1.48E6 表3静力计算主要结果2 支座上缘支座下缘上弦顶板上缘上弦顶板下缘下弦底板上缘下弦底板下缘最大 主压最小主拉钢束最大应力 正应力/MPa正应力/MPa正应力/MPa正应力/MPa正应力/MPa正应力/MPa应力 /MPa应力/MPa应力/MPa M3.55.814.17.311.28.5 16.3一1.71150 Min1.52.37.83.46.51.4 表4结构前10阶自振特性 模态号频率周期/s振型描述 l0.8137411.228893一阶正对称横弯 20.8382911.192903二阶反对称纵漂 31.11320.898311一阶边跨横弯 41.1290280.885718一阶边跨横弯 51.3025970.767697二阶正对称纵漂 61.7573750.569O31二阶反对称横弯 71.8295290.546589一阶反对称纵漂 81.9822990.5O4465一阶正对称纵漂 92.707320.369369二阶正对称横弯 103.0583640.326972一阶反对称纵漂 注:同向和反向是针对两座桥振型的相对位置关系而言. 6主要施工步骤 (1)在刚构主墩墩顶搭设支架,预压消除支架 的非弹性变形后,利用支架在刚构墩墩顶立模施工 箱梁0号梁段和1号梁段.箱梁T构梁段施工采用 悬臂灌注法施工,根据梁段的划分利用挂篮分节段 逐步完成. (2)空腹箱梁段步骤为:安装钢腹杆一移动挂 篮一安装模板,绑扎钢筋,灌注混凝土一张拉(锚 固,压浆)纵向,竖向预应力钢束,各T构悬臂灌注 梁段至合龙前(并行施工梁端现浇梁段). (3)合龙两边跨(在支架上合龙):边跨合龙段 临时锁定采用体外钢撑杆及临时预应力钢束进行 锁定. (4)合龙中跨(合龙前施加水平预顶力):在中 跨合龙前施加水平顶力1000kN.中跨合龙段临时 锁定采用体外钢撑杆及临时预应力钢束进行锁定, 并在腹板四角设置千斤顶预顶位置. 7空腹式箱梁连续刚构与预应力混凝土箱 梁连续刚构方案的比较 7.1静力特性的比较(见表5) 由计算结果可知,两者的竖向刚度指标比较接 铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009l9)25 ? 桥涵设计? 近,且均处于较好状态;但由于采用空腹结构后,显 着减轻了结构自重,组合T构的支点弯距较前者降 低了25%,从而使结构的内力状态更加合理. 表5静力特性比较 内力 静活载作用下支点剪力截面弯矩 方案名称跨中竖向位移/(kN ?111)/(kN-m) /cm 梁端中支点中支点 普通箱梁6 . 102685071178—19588l3连续刚构 空腹式箱梁6 . O826800585o0—148Ooo0连续刚构 7.2动力特性的比较 对两种结构,按基础采用24根和28根桩分别 进行了自振特性的分析,结构的横向一阶周期结果 如表6所示. 表6横向一阶频周期比较 基础采用24根桩基础采用28根桩 空腹式箱梁连续刚构/s1.229 普通箱梁连续刚构/s1.264 目前,为了保证行车的舒适度,一般仍需同步 控制结构的自振周期.而由计算结果可知,空腹式 箱梁连续刚构的自振周期小于普通箱梁连续刚构, 动力性能更为优越.这就意味着空腹式箱梁连续 刚构的自振周期更便于控制,可大大降低下部结构 由于控制自振周期而增加的工程费用. 7.3地震力的比较 空腹式箱梁连续刚构基础采用24根桩,普通箱 梁连续刚构采用28根桩,可满足目前我国所采用的 横向刚度控制标准,即横向自振周期不大于1.7s. 在此情况下,墩底截面在横桥向地震作用下的内力 情况如表7所示. 表7墩底截面地震力比较 弯矩轴力/kN剪力/kN /(kN?in) 空腹式箱梁连续刚构240257110242.97603.O 普通箱梁连续刚构310903134347.3l0249.3 空腹式箱粱连续刚构减少/%232026 由于上部结构自重的减小,空腹式箱梁连续刚 构的地震力明显小于普通箱梁连续刚构,减小约 20%,这将有效提高结构在地震作用下的安全性和 可靠度. 7.4工程数量的对比 在满足前述横桥向刚度的情况下,两种结构的 工程数量对比情况如表8所示. 表8工程数量比较 下部工程梁部工程 工程项目墩身及承台中18OcmC55混凝土预应力钢筋Q345q钢料 混凝土/m钻孔桩/m/m3钢筋/t/t/t 普通箱梁连续刚构11938.864008620.41397.7638.20 空腹式箱梁连续刚构9405.355387057.8l127.9342.5938? 普通与空腹式箱梁连续刚构差值2533.5862l562.6269.8295.7—938 空腹式箱梁连续刚构用钢量较多,但是梁体及8结论 下部工程圬工量大大节省,综合比较,两方案工程空腹式箱梁连续刚构及普通箱梁连续刚构在 投资大致相当.工程数量上虽然相差不大,但综合其静力及动力特 7.5施工难度及进度的对比性,地震力,施工的难易度及进度等比较结果,采用 施工时,空腹式箱梁连续刚构大部分梁部节段前者有明显的优势.通过分析比较可以发现,钢混 取消了腹板,模板的构造得以大大简化,施工更加喜嚣票茇方便,从而使混凝土的质量更加容易保证.同时,我国高烈度地区大跨桥梁结构的设计提供了一种新 组合结构采用8m的节间长度能加快施工进度.(下转第44页) 26锘漕建笳桔术RAILWAYCONS丁.只UCTIONTECHNOLOGY2009(91 ? 隧道设计? (2)设备及安装费对比 双线单洞方案施工通风设备主要有轴流风机, 风管及其相关配套设备,单线双洞方案施工通风需 施工横通道l0座(横通道间距考虑为1km),轴射 流风机,横通道封堵及轴流风机的防爆措施等.其 费用分别计算见表10,表11. 表10双线单洞通风设备费用 方案一方案二方案三 轴流风机风管击1.9轴流风机风管1.7轴流风机风管由1.7 项目 规格数量数量规格数量规格数量数量规格数量规格数量数量 469kW2台17962m427kW2台382kW2台2O324m268kW2台253kW4台22686ITI 单价95万元/台29.6元/米85万元/台75万元/台26.5元/米52万元/台50万元/台26.5元/米 合计/万元1905317O150541042oo60 表11单线双洞通风设备费用 轴流风机射流风机风管1.2横洞封堵防爆风机拆装 项目规格数量规格数量规格数量数量数量数量数量 38kW2台40kW2台22kW1O台4040Illl6处4台14次 单价8万元/台lO万元/台5页元,台19元/米0.5万元/处0.3万台0.4万元/台 台元1620508816 从上表可以看出,双线单洞隧道方案较单线双 洞隧道方案投入的设备资金量大. (3)工期对比 对于单洞双线隧道方案,其方案一,方案二,方 案三均采用洞口长管路压人式通风方案,各工区互 不影响,施工进度较快.对于单线双洞铁路隧道方 案,利用两座平行巷道互为送排风道,采用巷道式 通风方案,各洞口工区存在一定的干扰影响,施工 进度较慢,另外,因增加了风机移位,横通道开挖, 封堵等工序也对工期存在影响.假定正常施工进 度为180米/月,则单线双洞方案按180×0.95= 171月,经计算单洞双线隧道方案一开挖为50 个月,方案二开挖为29.3个月,方案三开挖为21.8 个月,单线双洞为52.6个月. -—?卜一—?卜-—卜"—+_一—?卜一—-卜*—卜一十一+一—+_一十一+--+一—? 卜"+*+ 4结束语 通过对于12km,18km长度隧道不同施工通风 方案的计算分析可知:施工通风仅为各不同长度隧 道的影响因素之一,并不是影响隧道方案的主要因 素.对于特长隧道,虽然对于单洞双线方案采用洞 口长管路压入式通风施工费用较大,但增加辅助坑 道后,施工工期,风机功率显着降低,与单线双洞方 案差异很小,因此隧道的设计方案应从工程的总投 资,工期等其他因素综合比较. 参考文献 1TB1003—2005铁路隧道设计规范[S] (上接第26页)社,1992 的桥式选择,还将为大跨度桥的设计展现一个全新4杨美良体外预应力连续T梁桥设计[J]?桥梁建设, 的设计理念.20o6(4) 5陈列.高墩大跨预应力混凝土桥桥式方案及合龙顺序选 参考文献择[J]. 桥梁建设,2005(i) 1范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,20016刘玉擎.组合结构桥梁[M].北京:人民交通出版社,2005 2李富文.钢桥[M].北京:中国铁道出版社,19927赵霞.基于钢混协作关系的体外预应力混凝土梁桥建模 3李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版方法[J].武汉理工大学,2008(5) 44铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOL0GY2009f9J