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世界上最大跨度钢箱桁架推力拱桥——香溪长江公路大桥主桥设计

发布者: 桥上行走 | 发布时间: 2020-10-14 10:04| 查看数: 20218| 评论数: 4|帖子模式

她是在同类桥梁中，该桥技术难度为世界第三，净空高度亚洲第一。

大桥建设创造了——
一个世界第一：目前世界上最大跨度钢箱桁架推力拱桥；
一项国内领先：采用的扣挂体系与缆索吊机规模在国内领先；
四大技术创新：复杂地质条件下的边坡稳定与综合整治技术、大跨钢箱桁架拱的扣挂体系研究与施工技术、大型缆索吊机标准化研究与施工技术、大跨度钢箱桁架拱的安装与线形控制技术。

总体布置
大桥全长883. 2 m ，桥跨组合为：2 X 35 m 预应力混凝土 T 梁桥(南引桥）+ 531. 2 m 中承式钢桁架拱桥（主桥）+ 9 X 30 m 预应力混凝土 T 梁桥（北引桥）。主桥两侧过渡墩之间的跨度为531.2 m ，拱轴计算跨径为519 m。大桥按双向4 车道设计，桥面全宽27. 3 m(不含两侧各2. 5 m 的人行道），汽车荷载为公路一 I 级[1]。宜昌香溪长江公路大桥桥型布置见图。

主桥拱肋采用空间变截面桁架式结构，主桁下弦杆中心线净跨径为508 m ，下弦中心矢高为127. 0m ，矢跨比为1/4。主拱轴线采用悬链线形，拱轴系数为2.0。桁架拱采用2 片主桁，上、下游两榀主桁平行布置，主桁的横向中心距为25. 3 m。主桁采用易于控制腹杆稳定的柏式桁架，拱顶、拱脚截面径向高分别采用12. 0 m、14. 0 m。主桁采用变节间布置，桥面以上主桁节间长度为12. 0 m ，吊索间距为12. 0 m ;桥面以下主桁节间长度为11. 8 m ，拱上立柱间距为11.8 m。桥面梁纵向布置为：1 5 m + 7 X11.8 m + 2 8X 12 m + 7 X 11.8 m+ 1 5 m。

主跨桥面处于只= 2 5 000 m 的竖曲线上，拱跨结构对称布置。

结构设计
主桥结构体系采用全推力中承式无铰拱。桥面梁支承于吊杆、肋间横撑及拱上立柱上。桥面梁与P1P3 号拱上立柱之间在横桥向一侧设置固定铰支座、另一侧设置单向活动支座；与P4P6 号拱上立柱、1 号肋间横撑及过渡墩之间在横桥向一侧设置单向活动支座、另一侧设置双向活动支座；与2 号肋间横撑之间设置固定型高阻尼橡胶支座，与拱上立柱及肋间横梁之间设置横向限位装置。

根据主桁的受力情况，主桁弦杆采用等宽度、等高度、变厚度杆件，杆件采用箱形焊接截面，按照四面拼接设计。主桁杆件采用Q370qD 和Q420qD两种材质。为方便加工制造，主桁上、下弦杆箱内宽统一为1 600 mm，箱内高统一为1 800 mm，上弦杆壁厚为2856 mm，下弦杆壁厚为2456 mm。主術腹杆截面根据部位不同采用箱形或H 形截面，腹杆高度统一为1 600 mm。H 形截面腹杆的翼板宽700 mm、厚 2428 mm，腹板厚 1620 mm。

为保证主桁杆件的局部稳定，在拱肋弦杆的箱内每块板上均设有2 道纵肋，拱肋H 形腹杆的腹板两侧各设有2 道纵肋。拱肋主桁总体布置见图。

为增加主拱肋的整体性、降低工地杆件拼装难度、增强结构的抗腐蚀性，设计采用整体式节点，在工厂内把主桁杆件和节点板焊成一体。拱肋腹杆与上、下弦整体节点板通过高强度螺栓连接。

拱肋弦杆在节点位置附近通过腹板的变高形成整体节点板，节点板变宽处通过圆弧匀顺过渡。为便于节点传力和保证拱肋箱形杆件的局部稳定，在各节段拱肋箱内设置多道横隔板，横隔板壁厚为20 mm，整体节点板内横隔板间距1 100 mm，弦杆直线段内横隔板最大间距3 100 mm。

该桥拱肋弦杆的顶板、底板、腹板均采用焊接的连接方式，合龙段杆件与已安装节段间采用栓接的连接方式，合龙顺序为先合龙下弦杆，再合龙上弦杆及斜杆。考虑到现场节段间环缝施工时弦杆内各纵肋施焊条件较差，箱内各纵肋采用高强度螺栓进行连接。

拱脚是主桁结构受力最大的部位，根据该桥钢桁架无铰拱的受力特点，拱脚连接构造采用端部承压板式。在拱脚弦杆端部设置20Q m m 厚的承压板，同时在端部区域弦杆的顶板、底板、腹板的内、外侧设置一定数量的加劲钢板，并与承压板有效连接，完成弦杆端部的刚度过渡；承压板底部设置开孔板连接件，连接件下部设置一定数量的局部承压钢筋网。拱脚弦杆外侧设置预应力钢拉杆，钢拉杆下端通过钢锚板在混凝土拱座内锚固，钢拉杆上端通过弦杆四周设置的加劲小钢箱进行张拉锚固。拱脚构造见图.

为使主桁初始几个节段安装时的悬臂结构能进行转角调整，拱脚设置了施工临时铰。施工时，可根据拱脚预埋段的实际施工精度及现场施工控制情况合理选择拱脚封固时机。

桥面以上部分的拱肋上弦平面设置菱形纵向联结系、拱肋下弦之间不设置纵向联结系；桥面以下部分的拱肋上、下弦平面内采用较为简洁的K 形水平纵向联结系。桥面以下部分每个拱肋节间布置1 道桁架式横联，桥面以上部分每2 个拱肋节间设置1道桁架式横联。

桥面与拱肋相交区域受桥面净空的影响，拱肋联结系无法正常设置。通过在拱肋上弦增设1 处桁式桥门架，进一步增强了该区的横向联系，拱肋与桥面相交区域的一阶失稳模态由面外失稳改善为面内失稳，失稳特征值也有所提高。纵向联结系杆件主要采用焊接箱形截面；桥面以上拱肋上弦之间的水平撑杆采用焊接H 形截面；横联杆件主要采用焊接H 形截面。

拱上立柱采用钢排架结构，立柱采用等截面钢箱。立柱钢箱横桥向尺寸为1 600 mm;顺桥向尺寸根据不同的立柱高度取1 2001 600 mm。钢箱截面壁厚均为16 mm，长立柱底部局部加厚至20mm。

拱上立柱的结构形式与钢塔类似，尤其是长立柱的阻尼比较小，在常见风速下，易产生较大的涡激振动振幅。计算分析表明：P1P4 号立柱排架存在顺桥向弯曲涡激振动，P1 和P2 号立柱排架存在一阶扭转涡激振动，设计通过在长立柱内部加装调频质量阻尼器进行振动模态的控制。

桥面梁采用构造简单、质量轻的格子梁体系。桥面结构由钢横梁、钢纵梁、钢筋混凝土桥面板组成，在钢纵、横梁顶面上布置似2 圆柱头焊钉与钢筋混凝土桥面板形成结合梁结构。

钢横梁根据不同的布设位置分为吊杆横梁、肋间横梁、立柱横梁、端横梁。吊杆横梁间距12. 0 m ，立柱横梁间距11.8 m。一般来说，格子梁体系的横向整体性相对较差[3]，在每2 道吊杆横梁及立柱横梁间设置1 道加劲小横梁，以增强桥面结构的整体性。钢横梁全宽27. 3 m ，横桥向中心梁高2 . 1 m。

钢纵梁在横桥向共设置9 道（拱上立柱区段除外），其中外侧2 根纵梁为主纵梁，其余为中纵梁，纵梁横桥向间距2. 82. 85 m。主纵梁高1 890 mm，与其所在位置的钢横梁高度相同，中纵梁高0.81.2 m。

主桥桥面由厚20 c m 的C5 0 钢筋混凝土预制板+ 湿接缝现浇混凝土 + 防水层+ 10 cm 厚改性沥青混凝土组成，现浇接缝混凝土采用5 0 号补偿收缩钢纤维混凝土。

主桥拱肋与桥面钢横梁间采用整束挤压钢绞线吊杆，吊杆锚具采用整束挤压锚头。吊杆拉索索体采用抗拉强度1 860 M P a的3 7 根彡15. 2 环氧喷涂无粘结钢绞线，缠包后热挤HDPE管。吊杆采用单吊杆体系，吊杆中心距横桥向为25. 3 m ，顺桥向为12. 0 m .

吊杆上端为固定端，锚固在拱肋下弦杆的吊索锚箱上。吊杆的张拉端设置在桥面钢横梁的底部，采用构造简单的锚管式构造。

为解决端部C1 号短吊杆变位、疲劳问题，设计采用增加吊杆自由长度的方法。将该吊杆的上锚固端延伸至拱肋主桁上弦顶部，对应的主桁腹杆设计成截面较大的箱形杆件以适应吊杆的纵向变位。

拱座采用分离式钢筋混凝土结构，底面设计成阶梯形，有利于拱座与地基间的传力。北岸拱座处上、下游地形差异较大，上、下游拱座高度分别为28m、23 m ，基底尺寸均为28. 03 m X 6. 5 m。南岸拱座高26 m ，基底尺寸为28. 03 m X 6. 5 m。

拱座基础采用明挖扩大基础。拱座基础所处山体卸荷裂隙发育、存在软弱夹层及局部断层，地形地质条件异常复杂，设计采用抗滑桩、锚索、压浆等综合加固措施保证拱座边坡的稳定。

上、下游拱座基础之间设置1 道横系梁，横系梁长 18. 8 m、宽 7 m、厚 3. 4：m。

主要施工方法

根据该桥桥位实际情况，上部结构安装选择斜拉扣挂、缆索吊装的方法M 。该施工方法与该桥山区峡谷地形条件相适应，安装便捷、供料方式的选择范围大。

拱肋主桁的安装采取节段整体吊装、两岸对称悬拼的方式。主桁上下弦杆、整体节点、腹杆在厂内拼装成整体节段，然后再将整体节段船运至工地吊装拼接。节段最大吊重约为270 t ( 2 个主桁节间组成1 个整体吊装节段）。单榀拱肋主桁共划分为22个整体吊装节段(南、北两岸各1 1 个整体吊装节段）和1 个跨中合龙段。

南、北岸扣塔设置在引桥1 号、4 号墩处，并设置永久、临时结合的群桩基础，扣塔顶部设置吊装缆塔。

关键技术研究

( 1 ) 结构体系选取。为确定合理的结构体系和总体布置，设计研究比较了无铰拱和两铰拱2 种结构体系在结构性能上的优劣，分析了矢跨比、主桁桁高、拱轴系数等对结构性能的影响。分析表明:无铰拱在拱脚区段由体系温差、风载等产生的结构内力相对较大，该区段主桁弦杆应力水平较高，但可通过拱肋结构参数的优化、主桁截面的合理选择来降低其效应，使其满足设计要求。因此，该桥最终采用无铰拱结构体系。

( 2 ) 桥面结构合理支承方式确定。大跨度中承式钢拱桥由于拱上结构的支座吨位小，支座的水平承载力相对较低，合理的桥面结构支承方式设计尤为重要。为提高结构的抗震性能，设计分析比较了多种桥面结构的支承方式，最终确定采用纵向部分固结+ 纵向限位+ 横向多点拉索减震的桥面结构支承方式。该支承方式在国内大跨度拱桥中首次采用，有效地兼顾了长立柱的稳定性和支座纵向承载能力，同时在罕遇地震作用下可充分利用多个拱上长立柱的水平刚度以及拱梁之间的弹性约束较好地限制桥面梁的纵向位移。

( 3 ) 结构极限承载力研究。国内外学者对大跨度钢桁拱桥的极限承载力研究相对较少[91°]。该桥设计过程中开展了全施工过程非线性稳定性分析、极限承载能力及典型节点极限承载力研究。研究表明:面外几何初始缺陷对钢桁拱桥的极限承载力影响较小，面内几何初始缺陷的影响相对较大;材料强度是影响钢桁拱桥极限承载力的关键因素温度变化对钢桁拱桥极限承载力影响较小，温降有利于提高结构的极限承载力。

( 4 ) 拱脚构造设计。拱脚处弦杆断面承受较大的轴力及弯矩，钢一混结合面处应力分布情况复杂，需通过合理构造措施保障拱脚弦杆传力的可靠性。该桥设计了厚承压板格构十预应力的拱脚连接构造，钢一混结合段结构相对简单、传力途径清晰，将钢拱肋与混凝土拱座的连接转换成一个局部承压构造，同时施工也较为便利，该构造在国内大跨径钢桁架拱桥中首次采用。

世界上最大跨度钢箱桁架推力拱桥——香溪长江公路大桥主桥设计

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