新建風(fēng)陵渡黃河特大橋空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計

1、新建風(fēng)陵渡黃河特大橋空腹式箱梁連續(xù)剛 構(gòu)設(shè)計新建風(fēng)陵渡黃河特大橋空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計吳延偉天延1 帚(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司西安710043)? 橋涵設(shè)計 ?摘要對于高烈度地震區(qū)大跨橋梁的設(shè)計推薦了一種全新的橋式方案空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu),該結(jié)構(gòu)是鋼管桁架和預(yù)應(yīng)力混凝土板的組合結(jié)構(gòu).與常規(guī)鋼桁梁及混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋相比,該組合結(jié)構(gòu)具有較大的優(yōu)勢,是一種極具潛力的橋梁結(jié)構(gòu)形式.關(guān)鍵詞高烈度地震大跨度橋梁空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)抗震性能中圖分類號U445.4文獻標識碼B文章編號10094539(2009)09-002106DesignofConsecutiveBoxGirderRigidFrameB

2、ridgewithOpenSpandrel aboutNewFenglingduLargeBridgeinYellowRiverWuYanwei(ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Xi'an710043,China) AbstractTheauthorrecommendsabrandnewlongspanbridgestructureinhighintensityearthquake boxgirderrigidframebridgewithhoHowabdomen.Thestructureisakindofco

3、mbinedstruct urewithsteeltubetrussandprestressedconcreteboard.Comparedwithnormaltrussbridgesandconsecutiveconcreterigidf ramebridges,thestructure hasmanyadvantagesanditisreallyanewbridgestructurewithgreatpotentials.Keywordshighintensityearthquake;largespanbridge;boxgirderwithhollowabdomen;consecutiv

4、erigidframebridge;aseismicperformance1 工程概述既有風(fēng)陵渡黃河大橋位于黃河與渭河匯合口下游約 3km 處 ,是南同蒲一隴海聯(lián)絡(luò)線上一座大型橋梁.大橋始建于1966年 ,采用24孔 48m 拆裝式上承鋼桁梁橋長為1199.6m橋梁北端為山西省的風(fēng)陵渡,南端為陜西省的潼關(guān)老城.當(dāng)時該橋為聯(lián)絡(luò)線上橋梁,要求經(jīng)濟,快速建成,其技術(shù)標準與永久性結(jié)構(gòu)的指標相比較低.隨著鐵路運輸?shù)陌l(fā)展 ,該橋陸續(xù)出現(xiàn)了如下病害:橫聯(lián)上橫桿端部裂紋 ,高強度螺栓折斷,橫向振幅過大,桁梁死撓度等 .目前該橋已限速4年之久,為消除運輸瓶頸,解收稿日期:2009 07 16除行車隱患,確保行車

5、安全,鐵道部委托鐵一院就新建南同蒲黃河特大橋展開設(shè)計研究工作.新建風(fēng)陵渡黃河特大橋位于三門峽水庫上游115km,處在庫區(qū)的潼關(guān)河段，橋位附近河段處于黃河 ,渭河,洛河三河交匯處,又位于三門峽水庫影響區(qū) ,由于建庫后水庫蓄水淤積影響和黃河倒灌渭洛河的攔門坎影響,潼關(guān)以上淤積和潼關(guān)高程升降演變十分復(fù)雜,特別潼關(guān)卡口河段淤積抬高會對黃,渭 ,洛河造成嚴重后果.對于潼關(guān)河床高程升降,成為陜西省,河南省及水利部重點關(guān)注對象,因此在潼關(guān)段修建各種跨河建筑物需保證盡可能不會造成潼關(guān)河床抬高.大橋設(shè)計需符合本河段特點,滿足行洪,防凌,通航等多方面要求.鐵道建筑技術(shù)RAILWAYCONSTRUCTIONTECH

6、NOLOGY2009(921橋涵設(shè)計 ?2 橋式方案的比選3 補充橋式方案設(shè)計思路黃河特大橋主橋結(jié)構(gòu)形式主要基于黃河水文,大跨度橋梁的剛度控制標準是目前尚未解決地質(zhì),地形等特點及黃河河務(wù)部門對主河槽內(nèi)主孔的一個技術(shù)問題.由于上部結(jié)構(gòu)自重大,為了保證跨度要求,并考慮環(huán)境及美觀要求.黃委會明確要結(jié)構(gòu)的橫向剛度,需要增大下部結(jié)構(gòu)剛度,這就使求 ,本河段主河槽內(nèi)要采用100ITI 以上的大跨度,因得下部結(jié)構(gòu)造價顯著增加,且剛度增大使結(jié)構(gòu)抗震此最初設(shè)計研究主要圍繞鋼桁梁橋,預(yù)應(yīng)力混凝土性能變差;而鋼梁方案可以很好地解決下部結(jié)構(gòu)投連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)形式進行.由于橋址位于叩度地資過高的問題，但后期養(yǎng)護維修的工作

7、量大,同時震區(qū),橋式選擇需要充分考慮地震的影響.取消明橋面后,道碴槽板和鋼桁梁的連接目前國內(nèi)本橋橋墩較高,有條件采用連續(xù)剛構(gòu)梁,其結(jié)尚無成熟可靠的方式.構(gòu)特點是梁體連續(xù),梁墩固結(jié),主墩無支座,順橋向空腹式(采用鋼腹桿,混凝土頂?shù)装?)箱梁為這抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度大,行車舒適平穩(wěn),養(yǎng)一問題的解決提供了新的思路.該結(jié)構(gòu)是鋼管桁護工作量小,對線路線形,縱坡適應(yīng)性強,其線型優(yōu)架和預(yù)應(yīng)力混凝土板的組合結(jié)構(gòu) ,與鋼桁梁相比,美 ,立體感強,整體景觀效果好,氣勢宏偉,與周圍具有以下幾點優(yōu)勢:環(huán)境協(xié)調(diào)好,主橋后期運營養(yǎng)護費用較低,造價較(1)由于頂?shù)装寰鶠榛炷涟?因此結(jié)構(gòu)的用低 .但連續(xù)剛構(gòu)梁體重量大,

8、 一聯(lián)的橋長由于受地鋼量大幅降低,同時節(jié)點的構(gòu)造得以簡化,并且可震力,溫度力控制不能太長,而本橋主河道較寬,致以降低噪聲污染;使在主河槽內(nèi)需布置兩聯(lián)大跨連續(xù)剛構(gòu).此外若(2)結(jié)構(gòu)的剛度大大增強,對提高列車運行的要滿足黃委會要求，主河槽內(nèi)孑L跨不得小于1001TI,安全性和舒適度十分有利從而對高速鐵路的行車將連續(xù)剛構(gòu)邊跨設(shè)計為106m,則主跨需加大至更加有利；148m 以上,增加了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的難度.(3)采用這種結(jié)構(gòu)可以方便地采用各種軌道鋼桁梁橋優(yōu)點是采用簡支結(jié)構(gòu),受力簡單明結(jié)構(gòu).確 ,主河槽內(nèi)均可采用大跨跨越,且鋼梁桿件拼裝與普通混凝土箱梁相比, 空腹式箱梁具有以下方便 ,技術(shù)成熟,施工難度

9、小,施工周期短,采用下幾點優(yōu)勢.承式鋼桁梁建筑高度較低,控制線路高度較低,而 (1)在剪力較大的支點截面和梁端截面采用普且梁體重量輕,可節(jié)省下部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量并有良好通預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,這樣可以充分發(fā)揮混凝土箱的抗震性能.但鋼桁梁造價較高,由于其構(gòu)造要梁抗剪能力強的優(yōu)勢;而在剪力相對較小的中部斷求 ,一般需位于直線及緩坡上,因此為了保證橋下面則采用空腹式箱梁,以減輕梁體的重量,從而減凈空及設(shè)計水位的要求,將會導(dǎo)致引橋長度,高度小施工階段內(nèi)力,使整個結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)趨于合增加 ,工程費用較大.目前為了保證列車提速,鋼理.經(jīng)估算分析,采用空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)方案桁梁需考慮設(shè)道碴橋面,不再考慮明橋面,橋上

10、道后,支點彎矩可下降30%左右.碴槽的設(shè)置不但增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計難度,且由于二期(2)由于腹板的重量大大減小其結(jié)構(gòu)自重可恒載的增加，加大了結(jié)構(gòu)用鋼量及工程造價.另外以減少20%30%,從而使得下部結(jié)構(gòu)剛度控制的鋼桁梁運營時行車噪聲大,養(yǎng)護維修工作量大,是難度大大降低,明顯減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),提高結(jié)運營主管部門不愿意采用的一種橋型.構(gòu)在地震作用下的動力性能,進而降低下部結(jié)構(gòu)的經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較,初步選定推薦方案為預(yù)應(yīng)力工程造價.混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋.(3)由于梁段重量和模板數(shù)量的大幅減少,懸22 鐵道建筑技術(shù)RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009l9)?橋涵設(shè)計 ?臂施工難度大大

11、減小,上部結(jié)構(gòu)混凝土的單價明顯減低,施工速度顯著加快,見表1.表 1 兩種不同類型剛構(gòu)橋方案技術(shù)經(jīng)濟比較表 ,預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)4 孔 64m 簡支箱梁 +2 聯(lián)(106+148+106)4 孔 64m 簡支箱梁 +2 聯(lián)(106+148+106)mm 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+(6 孔 64m+1 空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)+(6 孔 64m+1 孔孔42rn)簡支箱梁+1聯(lián)(65+108+65)m42m)簡支箱梁+1聯(lián)(65+108+65)rn連續(xù)橋梁 孔跨連續(xù)梁橋+(1孔32m+2孔24m+4孔梁橋+(1孔32rf1+2孔24m+4孔32m)簡 32in)簡支T梁+1聯(lián)(42+

12、64+42)1X1連續(xù)支T梁+1聯(lián)(42+64+42)m連續(xù)梁橋+2梁橋 +2 孔 32m 簡支 T 梁孔 32m 簡支 T 梁橋梁長度2114.15m2114.15m混凝土 :17240.8m 混凝土 :14115.6m主橋梁部工程數(shù)量預(yù)應(yīng)力鋼束：1276.3t預(yù)應(yīng)力鋼束：684.9t鋼料:2795.4t 鋼料:4131.7t橋梁主要工程數(shù)量混凝土:23877.6m混凝土 :18810.6m主橋墩身及承臺車岡料:2815.1t車岡料:2129.8t混凝土 :32572.0m混凝土 :28185.0m主橋基礎(chǔ)鋼料:3166.0t 鋼料:2722.0t主橋工程造價1.1898億 1.1705億綜

13、合比較投資略高投資較省經(jīng)過綜合比較,最終確定空腹箱梁連續(xù)剛構(gòu)作為推薦橋式方案.4 空腹式連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)跨度采用(106+148+10675106)m,除支點兩側(cè)各21m及梁端10m范圍內(nèi)采用普通混凝土箱梁外,其余均采用空腹式箱梁.梁高除支點外側(cè)211TI采用變截面(13.5 8.5m)外，其余均采用等截面，梁高為8.5m,見圖1.1180蠹上節(jié)點截面(1:100)1180bO200什200一藏L翌喧竊下節(jié)點截面(1-1O0)圖 1 空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)箱梁構(gòu)造鐵道建筑技術(shù)RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009(9)墩頂截面(1:100)端部截面(1:1

14、00)蛋?橋涵設(shè)計 ?c.淼委,裝.,橋附簍8O.c1110簍烹;磊菜HDP"E'相應(yīng)設(shè)置隔板，增強剛度,加強節(jié)點的連接,并作為姜管,管道內(nèi).點以吻合索r-« l - l環(huán)笛芍倦,個玖議JT惟存術(shù)用力殺一.量f墩壁厚2_.m,基礎(chǔ)采用:一錨具：OVM15刊錨具.嬰用00:00mmt翌磊腹桿+itl及j節(jié)磊:Q345q.慢蘭合考慮受力及,.4;:HR-B-335,Q235o:簍mm5ffl50.m,m,.竺妻5;呈聶vcr34Jo)J凝土，其余墩臺身c30混凝土.簍量力的需要，在鋼箱中灌注混凝土 .拉桿采用6;裹吾及樁.:.空簍譬二:混凝土容重按26kN/ms,鋼材容

15、重下緣齒塊內(nèi).體外索采用鋼絞線索，每根體外索采用一一一?橋涵設(shè)計 ?全橋整體升降溫為20 ,鋼腹桿與混凝土頂,底板的溫差為15 .(4)離心力及制動力按橋規(guī)相關(guān)規(guī)定計算.(5)無縫線路縱向力橋上無縫線路采用與橋梁兩端路基上無縫線路一致的軌道結(jié)構(gòu)，道床縱向阻力70N/cm(計算伸縮力或軌面無載時計算撓曲力)或110N/cm(軌面有載時計算撓曲力,計算斷軌力).(6)風(fēng)力有車時按 W=K1 X K2 X 800，其值不大于1250Pa,取 1250Pa;無車時按=K1 XK2X 1400=1.3X1.3X1400=2056Pa取 2100Pa.(7)橫向搖擺力取F=100kN,作為一集中荷載取最不

16、利位置,以水平方向垂直中線作用于鋼軌頂面.5.2分析結(jié)果(見表2 一表 4)表 2 靜力計算主要結(jié)果1內(nèi)力/:kN?m)靜活載作用下跨中強度安全系數(shù)抗裂安全系數(shù)支點剪力截面彎矩豎向位移 /cm 梁端中支點中支點Max2.68E45.85l 1.O1E66.442.251.23Min1.58F44.18E4 1.48E6表 3 靜力計算主要結(jié)果2支座上緣支座下緣上弦頂板上緣上弦頂板下緣下弦底板上緣下弦底板下緣最大主壓最小主拉鋼束最大應(yīng)力正應(yīng)力/MPa正應(yīng)力/MPa正應(yīng)力/MPa正應(yīng)力/MPa正應(yīng)力/MPa正應(yīng)力/MPa應(yīng)力/MPa應(yīng)力/MPa應(yīng)力/MPaM3.55.814.17.311.28.5

17、16.3一 1.71150Min表 4 結(jié)構(gòu)前 10 階自振特性模態(tài)號頻率周期/s振型描述10.8137411.228893一階正對稱橫彎20.8382911.192903二階反對稱縱漂31.11320.898311一階邊跨橫彎41.1290280.885718一階邊跨橫彎51.3025970.767697二階正對稱縱漂61.7573750.569O31二階反對稱橫彎71.8295290.546589一階反對稱縱漂81.9822990.5O4465一階正對稱縱漂92.707320.369369二階正對稱橫彎103.0583640.326972一階反對稱縱漂注

18、 :同向和反向是針對兩座橋振型的相對位置關(guān)系而言.6 主要施工步驟（1）在剛構(gòu)主墩墩頂搭設(shè)支架,預(yù)壓消除支架的非彈性變形后,利用支架在剛構(gòu)墩墩頂立模施工箱梁 0 號梁段和1 號梁段.箱梁T 構(gòu)梁段施工采用懸臂灌注法施工,根據(jù)梁段的劃分利用掛籃分節(jié)段逐步完成.（2）空腹箱梁段步驟為:安裝鋼腹桿一移動掛籃一安裝模板,綁扎鋼筋,灌注混凝土一張拉（錨固 ,壓漿）縱向,豎向預(yù)應(yīng)力鋼束,各 T 構(gòu)懸臂灌注梁段至合龍前（并行施工梁端現(xiàn)澆梁段）.（3）合龍兩邊跨（在支架上合龍）:邊跨合龍段臨時鎖定采用體外鋼撐桿及臨時預(yù)應(yīng)力鋼束進行鎖定 .（4）合龍中跨（合龍前施加水平預(yù)頂力）:在中跨合龍前施加水平頂力1000

19、kN.中跨合龍段臨時鎖定采用體外鋼撐桿及臨時預(yù)應(yīng)力鋼束進行鎖定,并在腹板四角設(shè)置千斤頂預(yù)頂位置.7 空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)與預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁連續(xù)剛構(gòu)方案的比較7.1 靜力特性的比較（見表5）由計算結(jié)果可知,兩者的豎向剛度指標比較接鐵道建筑技術(shù)RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2009l9）25?橋涵設(shè)計 ?近 ,且均處于較好狀態(tài);但由于采用空腹結(jié)構(gòu)后,顯著減輕了結(jié)構(gòu)自重,組合T 構(gòu)的支點彎距較前者降低了25%,從而使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)更加合理.表 5 靜力特性比較內(nèi)力 靜活載作用下支點剪力截面彎矩 方案名稱跨中豎向位移/(kN?111)/(kN-m)/cm 梁端中支點中支點 普

20、通箱梁6.102685071178 19588l3 連續(xù)剛構(gòu)空腹式箱梁6.O826800585o0- 148Ooo0 連續(xù)岡 U構(gòu)7.2 動力特性的比較對兩種結(jié)構(gòu),按基礎(chǔ)采用24根和 28根樁分別進行了自振特性的分析,結(jié)構(gòu)的橫向一階周期結(jié)果如表 6 所示 .表 6 橫向一階頻周期比較基礎(chǔ)采用24 根樁基礎(chǔ)采用28 根樁空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)/s1.229普通箱梁連續(xù)剛構(gòu)/s1.264目前,為了保證行車的舒適度,一般仍需同步控制結(jié)構(gòu)的自振周期.而由計算結(jié)果可知,空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)的自振周期小于普通箱梁連續(xù)剛構(gòu)動力性能更為優(yōu)越.這就意味著空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)的自振周期更便于控制,可大大降低下部結(jié)構(gòu)由于控

21、制自振周期而增加的工程費用.7.3 地震力的比較空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)基礎(chǔ)采用24 根樁,普通箱梁連續(xù)剛構(gòu)采用28 根樁,可滿足目前我國所采用的橫向剛度控制標準,即橫向自振周期不大于1.7s.在此情況下,墩底截面在橫橋向地震作用下的內(nèi)力情況如表7 所示 .表 7 墩底截面地震力比較彎矩軸力 /kN 剪力 /kN/(kN?in)空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)240257110242.97603.O普通箱梁連續(xù)剛構(gòu)310903134347.3l0249.3空腹式箱粱連續(xù)剛構(gòu)減少/%232026由于上部結(jié)構(gòu)自重的減小,空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)的地震力明顯小于普通箱梁連續(xù)剛構(gòu),減小約20%,這將有效提高結(jié)構(gòu)在地震作用下的安

22、全性和可靠度 .7.4 工程數(shù)量的對比在滿足前述橫橋向剛度的情況下,兩種結(jié)構(gòu)的工程數(shù)量對比情況如表8 所示 .表 8 工程數(shù)量比較下部工程梁部工程工程項目墩身及承臺中18OcmC55混凝土預(yù)應(yīng)力鋼筋Q345q鋼料混凝土 /m 鉆孔樁 /m/m3 鋼筋 /t/t/t普通箱梁連續(xù)剛構(gòu)11938.864008620.41397.7638.20空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu) 9405.355387057.8l127.9342.593，普通與空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)差值2533.5862l562.6269.8295.7 938空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)用鋼量較多,但是梁體及8 結(jié)論下部工程圬工量大大節(jié)省,綜合比較,兩方案工程空腹

23、式箱梁連續(xù)剛構(gòu)及普通箱梁連續(xù)剛構(gòu)在投資大致相當(dāng).工程數(shù)量上雖然相差不大,但綜合其靜力及動力特7.5 施工難度及進度的對比性,地震力,施工的難易度及進度等比較結(jié)果,采用施工時,空腹式箱梁連續(xù)剛構(gòu)大部分梁部節(jié)段前者有明顯的優(yōu)勢.通過分析比較可以發(fā)現(xiàn),鋼混取消了腹板，模板的構(gòu)造得以大大簡化，施工更加喜囂票芨方便，從而使混凝土的質(zhì)量更加容易保證.同時,我國高烈度地區(qū)大跨橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一種新組合結(jié)構(gòu)采用8m 的節(jié)間長度能加快施工進度.（下轉(zhuǎn)第44頁 ）26 锘漕建笳桔術(shù)RAILWAYCONS 丁 .只 UCTIONTECHNOLOGY2009（91?隧道設(shè)計 ?（2）設(shè)備及安裝費對比雙線單洞方案施

24、工通風(fēng)設(shè)備主要有軸流風(fēng)機,風(fēng)管及其相關(guān)配套設(shè)備,單線雙洞方案施工通風(fēng)需施工橫通道10座（橫通道間距考慮為1km）,軸射流風(fēng)機,橫通道封堵及軸流風(fēng)機的防爆措施等.其費用分別計算見表10,表 11.表 10雙線單洞通風(fēng)設(shè)備費用軸流風(fēng)機風(fēng)管擊1.9軸流風(fēng)機風(fēng)管1.7軸流風(fēng)機風(fēng)管由1.7項目規(guī)格數(shù)量數(shù)量規(guī)格數(shù)量規(guī)格數(shù)量數(shù)量規(guī)格數(shù)量規(guī)格數(shù)量數(shù)量469kW2 臺 17962m427kW2 臺 382kW2 臺 20324m268kW2 臺 253kW4 臺 22686ITI單價 95萬元/臺29.6元/米85萬元/臺75 萬元/臺26.5元/米52萬元/臺50 萬元 /臺 26.5元 /米合計/萬元19053170150541042oo60表 11 單線雙洞通風(fēng)設(shè)備費用軸流風(fēng)機射流風(fēng)機風(fēng)管1.2橫洞封堵防爆風(fēng)機拆裝項目規(guī)格數(shù)量規(guī)格數(shù)量規(guī)格數(shù)量數(shù)量數(shù)量數(shù)量數(shù)量38kW2 臺 40kW2 臺 22kW10 臺 4040I1116 處 4臺 14次單價 8 萬元/臺10 萬元/臺5 頁元 ,臺 19元/米0.5萬元/處0.3萬臺 0.4萬元/臺臺元1620508816從上表可以看出,雙線單洞隧道方案較單線雙洞隧道方案投入的設(shè)備資金量大.(3)工期對