东莞水道特大桥设计

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1、东莞水道特大桥设计摘 要 东莞水道特大桥为一大跨度钢管混凝土中承式拱桥，主跨达 280m。本文介绍了该桥的设计与计算要点，供同类桥梁设计时参考。关键词 钢管混凝土 桁拱 设计 东莞 1 自然条件 东莞地区属来热带季风气候，光线充足、气候温和。相对湿度 83.1%，常年平均气温21220C，7 月份平均气温 28.20C，极端最高气温 37.90C。1 月份平均气温 13.40C，极端最低气温-0.50C。流域濒临南海，受西南季风、东南信风和台风强盛活动影响，雨量充沛。但由于地形平坦，动力条件差，暴雨强度一般。多年平均降雨量 1700mm，最大年降雨量2442mm，最小年降雨量 1360mm，1

2、2 小时降雨量最大可达 259mm。时空分布不均，雨量多集中在 49 月份，占年降雨量的 80%左右。本地区常年风向为东、东南风，其次为南风和北风，最大风速 34m/s。夏秋季会受台风影响，平均每年发生台风 13 次，风力一般为 69级，阵风 11级，最大风力可达 12级。据地质钻探揭示，桥址东西两岸地质大致相同。表层为填筑土，其下为第四系冲积形成的淤泥、淤泥夹细砂、粗砂，第三系强风化、中风化及微风化泥灰岩，其中强风化泥灰岩仅在局部分布。基岩埋深，中风化泥灰岩 15.221.8m，微风化泥灰岩 18.629.0m。饱和单轴极限抗压强度，中风化泥灰岩为 14.9MPa，微风化泥灰岩为 24.5M

3、Pa。桥址地下水主要表现为上层滞水、第四系孔隙压水和岩深水 3种。场地地下水对混凝土在分解类腐蚀评价中具有弱腐蚀性，按规范要求应采取一级防护措施，混凝土应采用普通硅酸盐水泥，标号不低于 425号，水灰比不大于 0.6，最小水泥用量不小于370kg/m3，C3A8%。桥址处地震基本烈度为 6度，本桥按 7度考虑设防。场地内未发现第四系全新活动断层，整个区域稳定性尚好，但在场地四层中中砂在 7度地震作用下属轻微液化土层，为抗震不利地段；而在第六层弱风化泥灰岩中有小规模溶洞发育，但发育较弱。从安全角度出发，桥梁桩基础必须穿过岩溶发育地段进入稳定基岩。2 主要设计标准(1) 设计荷载：汽车-超 20，

4、验算荷载：挂车-120， 人群荷载：350kN/m2。(2) 桥面宽度：桥面全宽按双向八车道外加人行道设计。横桥向上下行分离为两座完全独立且对称的桥。每幅桥面宽 26.1m，具体组成为 4.8m（人行道与栏杆）+0.5m（防撞护栏）+15.5m（行车道）+0.5m（防撞护栏）+4.8m（过桥水管和检修道与栏杆） 。(3) 通航标准：内河级般道，每个通航孔道净高10m，净宽40m，共设两个通航孔。通航水位按 20年一遇洪水频率计算为 4.516m（黄海高程） 。(4) 主桥线型：纵坡 4%，竖曲线半径为 6500m。(5) 桥面横坡：双向 1.5%。(6) 地震烈度：基本烈度 6级，按 7度设防

5、。(7) 风力：基本风压强度 W0=1200Pa。3 桥型的选择东莞水道特大桥是广东省东莞市五环路跨越东莞水道的桥梁。根据道路的线型要求，该桥在跨越东莞水道时处于弯道上，而且桥梁中心线与河道中心线成 550C斜交角。航道局在航道平面图中给出了主航道的界线，主航道沿桥梁中心线长度为 155m，桥梁孔径最小要求为主航道内不得立墩。与此同时，鉴于桥址处河道水文情况复杂，东莞水利勘察设计院提出要求，如果在水中设墩，桥墩要沿水流方向布置，也就是主桥要做成斜交桥。经过多方案比选，最后采用三孔 50+280+50m中承式钢管混凝土系杆拱桥。这种桥型不但外型美观、宏伟、具有现代气息，而且构思新颖、结构合理。同

6、时也能满足东莞水道的通航要求，避免了桥梁深水基础的出现，降低了主桥的主梁建筑高度，从而减小了引桥长度，因此是该城市道路上大型桥梁的一个较好的桥型。大桥的总体布置见图 1。图 1 总体布置图 附件: 您所在的用户组无法下载或查看附件 帖子 4728 精华 8 威望 850 土木币 978 在线时间 0 小时 注册时间 2004-11-8 查看详细资料TOP scfeifei518 笨笨上校帖子 4728 精华 8 威望 850 土木币 978 在线时间 0 小时 注册时间 2004-11-8 发短消息 加为好友 68# 大 中 小 发表于 2005-8-25 10:12 只看该作者 东莞水道特大

7、桥设计 (续) 三孔中承式刚架系杆拱因要平衡推力而带有两个悬臂半拱，又称自平衡式拱、自平衡式、飞鸟式或飞燕式。飞鸟式钢管混凝土拱的最大特点是充分发挥了材料的性能，以抗压能力高的钢管混凝土作为拱肋，以抗拉能力强的高强钢绞线作为拉杆，通过边拱肋的重量，随着施工加载顺序逐步张拉系杆中的预应力索，以平衡主拱所产生的水平推力，最终形成对拱座基础只有较小水平推力的拱桥1。这就大大降低了由于巨大不平衡拱推力所增加的基础费用，从而使拱座基础变得象梁式桥一样的轻巧，为大江大河上及地质不良地区修建大跨度拱桥提供了新的桥型。飞鸟式钢管混凝土拱又因其造型美观而被城市桥梁大量采用。根据桥位自然条件，东莞水道特大桥采用了

8、主孔跨径达 280m的飞鸟式钢管混凝土拱桥。主桥如大鹏展翅，气势宏伟，造型美观，建成后将成为东莞市的一大景观与标志性建筑。4 主结构的设计要点主拱计算跨径 271.5m，计算矢高 54.3m，计算矢跨比 1/5，拱轴系数 1.5。预拱度在拱顶取值 0.45m。主跨拱肋采用钢管混凝土空间桁架结构，肋间中距 19.5m。主孔拱肋为等截面，拱肋全高为5.5m，全宽为 2.5m，上下弦管为 1000 16mm的 Q345c钢管混凝土，拱脚第一段钢管壁厚增至 1000 18mm。弦管间横向缀板为 12mm厚的 Q345c钢板。弦管及缀板内均填 50号微膨胀混凝土。腹管为 500 12mm的 Q345c的

9、空钢管。拱肋从拱脚至拱肋以上约 2m为钢管混凝土实心结构，全截面用混凝土填实。主拱肋构造见图 2。拱肋之间在拱顶处设一道平行风撑，拱顶两边共设 12道 K形风撑。边拱为主拱的平衡孔，拱肋为半跨 50m拱形结构，采用钢筋混凝土实心断面，端横梁位置断面尺寸为 4.0m 3.19m（高 宽） ，其它位置为 4.0m 2.5m（高 宽） 。边拱端部锚有强大的预应力钢绞线系杆，边跨为具有体外预应力索的梁式结构。每半幅桥共有吊杆 49对 98根。主拱肋间横梁和双吊杆横梁之间，吊点中心间距为 7.5m，为双吊杆结构；其余吊点中心间距均为 5m，为单吊杆结构。每根吊杆为 91 7mm镀锌高强度低松驰预应力钢丝

10、。钢丝的标准强度 Ryb为 1670MPa，吊杆为 PE双护层保护，上下端均采用可调式冷铸墩头锚。每片拱肋系杆采用 16束 31 j15.24钢绞线。钢绞线标准强度为 Ryb=1860MPa。PE 保护。系杆钢束设置在拱肋内外两侧和拱肋中间穿过，两端锚固于边拱的端横梁上，采用可换式专用锚具。桥面系由横梁、加劲纵梁和行车道板组成。纵梁为矩形截面，固结于横梁。吊杆横梁和立柱横梁为预应力混凝土 A类构件，箱形截面，梁长 26.1m，宽 0.8m，高为1.6221.722m；主拱肋间横梁为钢结构，箱形截面, 梁长 26.1m，宽 1.2m，高为 1.5m。边拱肋间横梁与端横梁均为 40号钢筋混凝土结构

11、。桥面行车道板在边拱端部四跨采用实心钢筋混凝土板；其余均采用钢筋混凝土 形板，板高0.350.45m。桥面后浇层采用 10cm厚 40号钢纤维混凝土浇注，内设钢筋网。桥面铺装为 5cmSMA改性沥青。主拱承台为整体实心钢筋混凝土结构，拱座为分离式实心钢筋混凝土结构，中间用系梁相连。主桥墩基础为 24根 1.8m的钻孔灌注桩，桩长 17.022.9m，为嵌岩桩。边墩为 1.8m双圆柱墩，由于地质情况不同，Z0 号墩基础为 1.2m的钻孔灌注桩，而 Z3号墩基础则为 1.5m的钻孔灌注桩。图 2 拱肋构造 帖子 4728 精华 8 威望 850 土木币 978 在线时间 0 小时 注册时间 200

12、4-11-8 查看详细资料TOP scfeifei518 笨笨上校帖子 4728 精华 8 威望 850 土木币 978 在线时间 0 小时 注册时间 2004-11-8 发短消息 加为好友 69# 大 中 小 发表于 2005-8-25 10:14 只看该作者 东莞水道特大桥设计 (续) 5 主结构的计算要点 5.1 计算模型 结构采用 ANSYS程序进行空间模型计算。计算模型中，桥梁上部由拱肋（钢管混凝土主拱肋、钢筋混凝土边拱肋） 、吊杆（单吊杆、双吊杆） 、立柱、纵梁、横梁（主拱肋间横梁、边拱肋间横梁、吊杆横梁、立柱横梁） 、桥面板、检修道板及人行道板组成；桥梁下部包括：主跨拱座、承台、

13、桩基础；边跨墩、台、基础。计算模型为上下部组成的桥梁整体空间模型。计算单元模型如图 3所示。空间模型共有 2866个节点，共 5836个单元。单元种类共 52类。 图 3 空间模型轴侧图 见附件 5.2荷载组合与荷载工况 按照公路桥涵设计规范 JTJ 021-852，运营阶段主要考虑 3种荷载组合。 设计荷载：1.2（0.9）恒载+1.4（汽车荷载+人群荷载） 设计荷载：1.2（0.9）恒载+1.4（汽车荷载+人群荷载）+温度荷载 设计荷载 III：1.2（0.9）恒载+1.1 挂车荷载 根据各截面内力影响线，拱肋主要截面的荷载工况有： 工况 1：拱脚推力最大 工况 2：拱脚负弯矩最大 工况

14、3：拱脚正弯矩最大 工况 4：L/8 截面负弯矩最大 工况 5：L/8 截面正弯矩最大 工况 6：L/4 截面负弯矩最大 工况 7：L/4 截面正弯矩最大 工况 8：拱顶正弯矩最大 工况 9：拱顶负弯矩最大 5.3强度与变形验算 通过计算求得各种工况下的内力，进而求得各种荷载的内力组合，对不同弦杆以钢管混凝土结构设计规程 CECS 28:903验算钢管混凝土单肢柱的轴向承载力，均满足要求。限于篇幅，本文不介绍具体的计算过程与结果。 计算得各工况下桥面最大挠度为 29.07cm，小于桥规2规定的容许挠度为L/800=35cm，因此，桥梁刚度满足设计要求。 5.4整体稳定性验算 运营阶段的整体稳定

15、性计算了弹性一类稳定。恒载作用下，结构的第一阶失稳模态如图 4所示，稳定系数为 5.706。 图 4 恒载作用有系杆情况结构失稳模态 见附件 活载作用下，结构的失稳破坏模态与恒载作用下的相同（见图 4） ，均为面外失稳，各荷载工况的弹性一类稳定系数见表 1。 表 1 活载作用下的弹性一类稳定系数 工况 稳定系数 拱圈轴力最大 5.491 拱脚正弯矩最大 5.554 拱脚负弯矩最大 5.641 L/8截面正弯矩最大 5.612 L/8截面负弯矩最大 5.567 L/4截面正弯矩最大 5.625 L/4截面负弯矩最大 5.566 拱顶正弯矩最大 5.573 拱顶负弯矩最大 5.597 从以上计算结果可知，最小稳定系数为 5.491，满足大于 46 的要求。计算结果也表明，运营阶段的一类失稳模态第一阶均为面外失稳，因此该桥的面外刚度小于面内刚度，面外稳定是全桥稳定的关键。