宜昌长江大桥大跨连续刚构柔性拱新型组合桥式结构研究

1、宜万铁路宜昌长江大桥大跨度连续刚构柔性拱新型组合桥式结构研究铁道第四勘察察设计院1、概述新建宜万铁路于湖北省宜昌市跨越长江，宜昌长江河段属于山区性河流向平原河流转变的过渡段，呈顺直微弯分汊状。桥址河段中部胭脂坝将河道分为南北汊，北汊为主河道，见图1所示。桥址河段规划净空为两孔244m×18m。为满足通航需要，大桥通航孔跨确定为2×275。主桥采用130m2×275m130m连续刚构柔性拱组合桥式结构，其景观效果见图2。北引桥为10孔50简支梁、江心胭脂坝洲为14孔50简支梁、南汊为一联5610056连续梁、南引桥为9孔32简支梁，桥全长2519，全桥立面布置见图3

2、。北引桥、主桥和南汊桥按双线设计，江心胭脂坝洲桥和南引桥按预留双线设计，设计行车速度160km/h。图1 桥址平面图图2 130m+2×275m+130m连续刚构柔性拱效果图图3全桥立面布置图2、主桥结构设计研究1302×275130连续刚构柔性拱组合桥式，立面布置见图4，是一种创新的梁拱共同受力的组合桥式，在铁路桥梁中首次采用，为使桥式结构的梁、拱、墩刚度合理匹配，使结构达到最佳受力状态，对结构设计进行了研究比选。图4、130m+2×275m+130m连续刚构柔性拱组立面布置图（单位：毫米）2.1、主要结构构造2.1.1梁部横截面构造刚构柔性拱中大跨度预应力混凝

3、土连续刚构作为主要受力构件，为使梁部具有良好的受力性能，通过研究比选，采用斜腹板单箱双室倒梯形截面，见图5。根部梁高14.5m，端支点及中跨中处梁高4.8m。顶板宽14.4m，箱梁跨中处底板宽12.73m，渐变至根部为9.2m。顶板厚根据纵向预应力索布置需要确定，双层布索时为50cm，单层布索时为40cm。腹板厚度分为30cm、45cm、60cm，采用渐变段过渡，梁体根部厚度为100cm，底板厚度由中跨处的35cm渐变至根部140cm。a)主梁根部附近截面b)主梁跨中截面图5主梁横截面（单位：厘米）2.1.2拱肋构造拱肋计算跨径264m（拱轴线与梁顶面相交点之间），矢高52.8m，矢跨比1/5

4、.0，抛物线型拱。每孔两片拱肋，每片拱肋经过受力比较，采用4-750mm钢管混凝土桁架，拱肋截面如图6所示。拱肋上下弦管中心距离由拱脚处的4.0m渐变至拱顶处3.0m，两片拱肋中心距12.15m，有十一道横撑将两片拱肋连接。a)拱脚处截面b)拱顶处截面图6拱脚截面与拱顶截面（单位：厘米）2.1.3吊杆拱肋采用竖直平行吊杆传力，顺桥向间距10.0m，为便于运营期间吊杆的养护维修更换，每一吊点顺桥向设双吊杆。按吊杆所受荷载大小计算确定吊杆面积，靠近拱脚范围的三对吊杆为12-15.24mm钢绞线，其余采用15-15.24mm钢绞线，如图7所示。吊杆分两批张拉，采用单根张拉钢绞线无粘结外包PE镀锌钢绞

5、线新技术。图7吊杆布置图（单位：厘米）2.1.4主墩如图8所示，边主墩采用双薄壁墩结构，壁厚3.0m，横桥向宽12.0m，实心截面，中心距5.0m。中主墩采用空心单柱墩，顺桥向8.0m，横桥向宽12.0m。a)边主墩b)中主墩图8主墩横截面图（单位：厘米）2.1.5基础主墩均采用123.0m钻孔嵌岩桩。桩长与配筋按受力要求确定，承台为圆弧切角矩形，厚5m，桩基础布置见图9。a)立面b)平面图9桩基础布置图（单位：厘米）2.2、纵向预应力索布置墩柱顶梁体截面上缘布置128束31-15.24钢绞线，以满足梁部悬臂施工时受力要求。边跨底板布置28束19-15.24钢绞线，作为梁部施工完成后期张拉索。

6、考虑梁体受拱的推力作用，中跨中截面上下缘分别布置12束和40束19-15.24钢绞线。2.3、结构静力计算全桥按梁、墩、拱、吊杆顺序划分535个单元，425个节点。根据拟定的施工方法和步骤分57个阶段模拟实际施工过程进行全桥内力计算。按冲刷前河床线和局部冲刷线两个计算模型分别考虑土对桩基础水平抗力影响。计算模型同时考虑了钢管混凝土拱肋实际形成过程：其单元截面模拟成组合截面形式，钢管部分先期架设并参与受力，管内混凝土分仓、分段灌注并达到强度后才参与受力。梁部截面强度安全系数最小值为2.31。拱脚拱顶截面强度安全系数分别为2.27和2.47，按一类稳定检算拱肋稳定面内、面外安全系数分别为9.9和8

7、.1。主梁跨中截面静活载最大竖向挠度7.651，挠跨比达1/3564。3、结构分析研究刚构拱组合结构，具有预应力混凝土连续刚构和钢管混凝土拱共同受力的特点，结构内力受到各部位刚度、温度、收缩徐变的影响，同时还受到梁拱上部结构施工方案的影响，结构受力复杂，必须对这种新的桥式结构进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稳定体系，在主梁梁段悬灌时，可以张拉相应吊杆，主梁悬臂灌注时的受力得到了拱的协助。先拱后梁要求拱本身有一定的刚度及较强的稳定性，主梁高度较小。本桥作为刚性梁柔性拱，因拱肋较柔，施工过程中的稳定应优

8、先考虑。因此，通过受力分析比较，采用先梁后拱施工方案，连续刚构施工合拢形成稳定体系后再施工拱肋。该施工方案，拱肋的拼装在连续刚构梁顶面上进行，拼装完的拱肋通过扣索竖转就位。拱肋拼装、竖转、吊杆张拉均是在主梁合拢后进行，虽有两个主跨情况，施工同步性要求不高，施工过程中结构的自稳定性较强。3.2 结构体系受力及刚度分析研究3.2.1结构体系受力特点本桥组合结构体系中，主梁自重主要由连续刚构承受，二期恒载及活载由拱肋与主梁二者共同承受。拱作为以承受压力为主的构件，具有竖向刚度大的特点，形成组合结构以后，在竖向荷载作用下，一部分竖向力通过吊杆、拱肋直接传至主梁根部，因此使主梁跨中及根部弯矩得到显著减小

9、。刚性梁柔性拱在拱脚附近，梁体刚度大，与一般的下承式拱桥吊杆不同，靠近拱脚范围吊杆索力较小，而跨中范围的吊杆索力较大。3.2.2结构体系刚度研究由于拱梁均为变截面，按挠度理论分别将拱梁变截面换算为等量截面。拱肋换算等量截面惯性矩以柔性拱作为研究对象，固结两拱脚，模拟一跨度及支承形式完全相同的等截面拱，分别作用单位竖向均布荷载，见图10。当两者拱顶的挠度相等时，后者的截面惯性矩即为变截面柔性拱的换算等量惯性矩。同样的方法可求出变截面连续刚构的换算等量惯性矩。图10拱肋换算等量截面惯性矩方法示意图本桥拱肋换算等量刚度EaIa与连续刚构换算等量刚度EbIb之比经优化确定为1/15.6。在刚构拱体系中

10、，一方面，受柔性拱加劲，结构具有很大的竖向刚度；与相同孔跨组成的连续刚构相比较，这种结构可适当加大边墩刚度以充分满足结构防撞需要。另一方面，由于主跨结构刚度大，提供了较好的整体受力条件，本桥边跨跨度在120130范围时结构受力较优，结合通航需要，边跨采用130。3.3、收缩徐变影响及设计措施连续刚构柔性拱组合桥式，受收缩徐变影响较大、表现形式复杂。收缩徐变次内力对结构受力影响既是不利的，也是有利的。为使结构受力安全可靠，收缩徐变对结构长期受力行为的影响必须研究清楚。3.3.1钢管混凝土拱肋钢管与管内混凝土应力重分配钢管混凝土拱受施工过程影响，钢管自重由其自身承担，后期灌注的管内混凝土自重由钢管

11、与先期灌注并已凝固达到一定强度的混凝土共同承担，最终钢管混凝土形成整体截面共同承受外荷载。在荷载作用下，钢管混凝土结构中的钢材与管内混凝土共同受力，通过变形协调，根据各自的刚度进行分配。但受后期的收缩、徐变影响，管内混凝土要发生收缩、徐变，在外力不变的情况下，混凝土所承担的轴力及弯矩随收缩徐变的发展逐步减小，而钢管所承担的轴力及弯矩有所增加，引起钢管与混凝土应力重分配。当钢管截面占整个拱肋截面的28左右时，从施工至竣工后的三年内，混凝土收缩、徐变使钢管内混凝土的压力相对卸载303，钢管压力相应增大1。钢管与管内混凝土内力的相对变化与拱肋含钢量密切相关，因此，采用较小管径钢管、增加钢管根数、适当

12、增大钢管壁厚等措施以提高拱肋截面的含钢量，可以有效减小收缩、徐变对拱肋截面内力的不利影响。另外管内混凝土施工时适当加入微膨胀剂，也是有效措施之一。本桥拱肋采用四肢750的钢管，管内灌注微膨胀混凝土。3.3.2拱脚负弯矩及拱顶正弯矩的改善主梁发生收缩徐变时，将使主墩顶与拱脚产生往主跨方向的水平变位，拱脚受到往主跨方向的水平推力，拱肋上拱，拱脚的负弯矩与拱顶的正弯矩均有所减小。3.3.3梁拱内力重分配连续刚构柔性拱结构，主梁自悬臂施工至合拢，梁体的竖向初始变形均以下挠为主。成桥后，受收缩徐变影响，主梁继续下挠，但此时变形受到吊杆约束作用。因此，收缩徐变的发生，使得吊杆轴力增加，拱肋承受荷载增大，主

13、梁截面弯矩及应力均有所减小，收缩徐变引起梁拱内力的重分配。因此，混凝土组合桥式结构必须考虑收缩徐变对结构受力的影响。本桥重点考虑以下两方面因素。不同收缩徐变系数对结构影响分析考虑到徐变系数的变异性，对徐变系数终极值分别取1.5、2.0、2.5以及对钢管内混凝土分别计与不计收缩徐变等多种情况进行包络计算。通过分析比较，徐变系数、收缩应变终值由小变大时，主梁根部截面压应力有所改善，拱脚及吊杆的轴力有所增加，总体上来说，其变化幅度较小。如徐变终值从1.5增大至2.5时，主梁根部截面压应力变幅3.3；拱脚轴力变幅4.7。不同徐变系数、收缩应变终值对下部结构受力影响较大，边主墩承台底的水平力与弯矩均随徐

14、变系数、收缩应变终值增大而增大，墩身及桩基础配筋面积亦需加大。拱肋管内混凝土计与不计收缩、徐变对结构影响分析拱肋管内混凝土与普通混凝土结构受周边环境影响时不同的，与不计管内混凝土收缩徐变相比较，当计管内混凝土发生收缩、徐变时，拱肋产生向下变位，吊杆轴力减小，拱轴压力下降，主梁承担的竖向力增大，因此，拱肋截面的强度安全系数与整体稳定性均有所提高，梁体根部截面压应力有所增大。另一方面，计管内混凝土收缩、徐变，使得拱肋钢管与混凝土产生应力重分配，在总轴力减小的情况下，钢材应力反而增大。对于减小收缩徐变引起梁拱内力重分配影响，主要措施是减小主梁的初始变形，通过调整施工过程中预应力索的张拉吨位及张拉顺序

15、来改善主梁截面应力状态。另外，减小拱肋及吊杆的竖向刚度，增强其竖向变位的适应能力，也是减小因收缩徐变引起梁拱内力重分配的措施之一。3.3.4边主墩承台底产生较大的水平力及弯矩本桥连续刚构柔性拱结构体系，下部结构受力表现与连续刚构类似，在混凝土收缩徐变与体系降温影响下，边主墩桩基承受偏向大跨的弯矩。这部分的收缩徐变次内力与边主墩抗推刚度成正比，减小墩身抗推刚度是减小收缩徐变对下部结构影响的最有效措施之一。另外，主梁合拢前，在合拢口两侧的主梁断面上施加一定的水平对顶力，以抵消边主墩顶后期因收缩徐变产生的变形。3.4、竖向均布荷载作用下吊杆、拱、梁受力比值分析3.1.1吊杆受力比值如图11所示，对全

16、桥桥面施加竖向均布荷载q，竖向荷载直接作用在主梁上，使主梁、吊杆、拱肋发生变形，根据其各自的刚度，按变形协调进行分配。在该均布荷载作用下，跨中范围吊杆力增加较大，靠近拱脚附近的吊杆力增量相对较小，一个主跨全部吊杆力增量占该主跨范围所施加的总竖向荷载（q×275）的比值142.87。图11吊杆、拱、梁受力比较桥面加载图3.4.2梁拱截面受力比值在竖向均布荷载q作用下，梁拱截面受力如图12所示。图12竖向均布荷载q作用下梁拱内力图整个结构跨中截面总效应弯矩为M0i4342490689008×54.2540725.6kN-m。 拱顶截面弯矩分配系数：ai9068/（9068434

17、24）×10017.3主梁跨中截面弯矩分配系数：bi43424/（906843424）×10082.7。从上述计算结果可以看出，在竖向均布荷载作用下，结构跨中截面以上的总弯矩M0i已转化成为拱肋的压力与主梁内的拉力，充分体现了梁拱组合结构受力的优越性；由于拱肋相对较柔，梁体中所产生的弯矩远大于在拱肋中所产生的弯矩。3.5、材料弹性模量变化分析研究在一般桥梁结构分析中，材料的弹性模量变化对结构受力影响很小，对于刚构拱组合结构，当结构中不同部位的材料弹性模量发生相对变化时，梁拱受力分配会发生变化，因此需要对这种影响进行分析。分别将拱肋、梁部及墩柱基础弹性模量变化±10

18、，取最不利组合，通过分析比较，当拱肋弹性模量减小，主梁及下部结果弹性模量增加时，主梁受力稍有增加，拱肋及吊杆受力略有减小；主梁及下部结构弹模增大，边主墩承台底水平力与弯矩有一定变化，相比而言，导致配筋量增加较大，但不控制设计。因此可以认为，梁拱及下部结构弹模在一定范围变化，对梁拱受力影响很小，无明显变化。3.6、结构动力特性分析研究表1前10阶自振特性计算结果序 号自振频率(Hz)振型主要特点10.3416拱反对称横弯20.3498拱对称横弯30.5387拱梁反对称竖弯+拱梁纵飘40.5551拱梁反对称横弯50.6365拱梁对称横弯60.7448拱对称横弯70.7870拱对称横弯81.0131

19、拱梁对称竖弯91.0368拱梁反对称竖弯101.1165拱梁横弯3.7、极限承载能力分析考虑材料非线性影响，建立空间模型，分析结构极限承载能力。本桥主拱的反对称侧倾失稳是刚构拱的最终屈曲形式。在考虑初始缺陷的条件下，刚构拱最大承载能力为5.975×200kN/m，失稳时拱顶的横向位移达1.5cm，结构安全系数在2.5以上。3.8、结构非线性分析通过分别建立空间线性模型与非线性模型分析，在恒载与活载作用下：结构只进入几何非线性，材料非线性因素尚未体现。这种情况下，拱肋上下钢管的轴力增加不到线性计算的2%，腹杆拉、压轴力绝对值大约增加了4%，吊索应力的增加也在2%幅度范围以内。非线性引起的主梁跨中弯矩增加幅度大约3%，但引起的墩身截面的弯矩变化最大已达11%，在设计中必须予以考虑。 3.9、结构抗震分析根据桥址处地质资料，该场地土为II类场地土，采用反应谱法进行分析。取前200阶振型