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1、第3 0卷第 4 期 土木 工 程 学报 1 997年 8 月 虎门大桥设计与施工 戴竞 交通部公路规划设计院 【 提要】虎门大桥是广 深珠高速公路上的特大桥梁 , 建设规模宏伟 。 主航道桥是我国第 一座现代化公路悬索桥 , 辅航道 桥是目前世界跨径最 大预应力混凝土连续 刚构 桥 。 本 文扼 要 叙述该桥桥位选择 , 桥型方案比较 , 悬索桥与预应 力混凝土连续刚构桥设计与施工 。 【关键词】悬索桥连续刚构桥悬臂施工 一 、 概 况 虎门大桥是广深 珠高速 公 路的重 要组 成部分 , 地 处广东 东莞与番 禺之间 , 距广州 约4 2 km , 跨越 珠江入海口 , 为联系粤东 、 粤
2、西 、 深 圳与珠海两经济特区 , 香港 与澳门两特区 的 交通枢 纽 , 对珠江三角洲的经济发展 , 具有重要 的意义 。 该 桥 由交通部公 路规划 设计院设计 , 广东 省公路工程 总公 司总承包施工 。 于 1992年1 0 月 28日开工 , 于1997年 6 月竣工 。 (一)地形 桥址两岸为低山 、 丘 陵区 , 东岸有青山头 , 西岸有黄山 普 , 江心有上横档岛与下横档 岛 。 在3km范 围 内 , 河道狭 窄 , 江面宽约3 . sk m 。 _ 上 、 下横档 岛与东岸之间为一峡谷 , 称虎门 水道 , 水深 2 1m 。 两 岛与西岸之间为蒲州水道 , 最大水 深1
3、0 一1 9 m , 一般 4 6 m 。 江底沉 积物为 细砂和 砂砾 。 珠江东岸山上有威远古炮台 , 是 鸦片战争重要历史纪念地 。 (二)气象 池 区属亚热 带海洋性气候 , 年平均气温为2 2 . 2 。 年平均降雨量为 1 66 9m m , 49 月 为雨 季 , 平均有14 5 天雨天 。 每年 7 9 月为台风季节 , 太平洋强台风多次在珠江口登 陆 , 最大风速超过40m/ s 。 (三) 水文 珠 江口最大潮差3 . 5 4m , 设计高潮 位为2 . 7 2m , 低潮位为 一2 . 0 3m 。 涨 潮 流速 为 2 . 0 1刀 /“ , 落潮流速为2 、 sm /
4、“ 。 江底冲淤 , 变化不 大 。 (四 )地质 桥址地质状况总体 评价较好 , 基岩埋深浅 , 覆盖层薄 。 以距东岸边约 10 0 m有一 断 层为 界 , 东西 两侧地质构造差异较大 。 东 侧基 岩为侏罗纪造山运动后的破碎带 , 层 位错乱 , 软硬 分层 , 深度无规则 。 软岩为强风化和弱风化泥质粉砂岩 , 硬岩为弱风化石英砂岩 。 西 侧卜卧 基岩为花岗岩 , 虽岩性较好 , 但岩面倾斜 , 且高差较 大 , 部分区域基岩裸露 。 (五)技术标准 技术标准按高速公路确定 。 桥面宽度为 6 车道 , 设中央分隔带 、 路缘带及紧急停车带 , 净宽3 0m , 外加两侧0 . 5
5、m 防撞墙 。 设计荷载为汽车超2 0 级 , 挂车1 2 0 验算 。 行车 速度1 2 0 kmh / 。 桥下 通航净孔 主航道宽3 0 0m , 高6Om ; 辅航道宽1 6 om、 高切功 。 风速在1 0 m高处 . 4 颇率 1 /1 00 的10m i n 平均最大风速为5 0 . Z m/ s , 桥面设计风速为 6 1m/8 。 地 震烈度为 7度 。 二 、 桥位选择 按照广深珠高速 公路 的走向 , 在珠江人海口 5k m范 围 内 , 选择 4 个桥 位和 一个隧 道 位 置 。 根据地质资料 , 在上 、 下横档 岛 之间 , 有 一条在水 下 平均深 3 0m的海
6、脊线 , 是合理 的 桥 铂线 。 该线东起威远山北麓 , 越虎门水道 , 经金锁排 , 越蒲州 水道 , 直 达西岸的南北 台 , 其 优点为 : ( 1 )两岸接线顺适 , 路线 最短 ; (2 ) 岩层顶面 浅 , 桥墩基础工程最省 ; (3 )主航 选与桥轴线 垂直 , 水较深 , 有利 于航运 ; ( 4 )流速较大 , 河槽稳定 ; ( 5 ) 避免与 建筑物 于扰 。 三 、 桥型方案比较与总体布置 主 航道桥拟定四个比较 方案 : 第工方案为钢与钢筋混凝土组 合 式斜拉桥 , 跨径为 231十57 0 十2 31m 三跨连续 。 第 n方案为预应力混凝土斜拉桥 , 践径为 2
7、4 2+57 0 + 2 4 2m三 跨连续 。 两班方案为加劲钢箱梁悬 索桥 , 单跨88 8m 。 第拼方案为水下隧道与预应 力混凝 土连续梁桥的组合 。 l遂道方案造价高 , 养护费用大 , 故未 采用 。 悬索桥方案 与斜拉 桥方案比较 , 其优缺点为 : ( i )斜拉桥东桥墩在 2 2 m 深 水中 , 覆盖层厚2 0 m , 深水基础施工困难 , 工期 较长 。 悬索 桥 东西 两塔架基础均 在水面上 , 施工便易 。 (2 )悬索桥单 跨越 过主 槽 , 通航无阻 , 亦无船只碰 价桥墩的 危险 。 (3 )悬 索桥整个施工期较短 。 ( 4 )斜拉桥抗凤稳定性较好 , 但施工
8、 期间悬 臂伸出甚长 , 遇巨风危险性较大 。 ( 5 )两方案的工程费较接近 。 故决定 选用悬索桥方案 。 辅航 道 桥 拟定三个比较方案 : 第 I 方案为主跨2 0 0m预应力混凝土连续刚构 桥 。 第 n方案为主跨2 70m预应力 混凝土 连续刚构桥 。 第1 1 1方案为主跨26 0m预应力 混凝土斜拉 桥 。 考虑 到三个方案 工程 费和施工 期相 差不 大 , 同时 顾及航运 发 展的远 景现划 , 选用主跨为 竺7Om 的 预应力混 凝土 连续刚构桥方案 。 全 桥灼 总体布置 白东 至西 为 : 3 x 70m预 应 力硷箱梁连续刚构桥十88 8 m钢箱梁 悬索桥+ 钦 火
9、 泌珊顶应力硷T梁连续刚 构 桥 十 (15 0 十27 0十150 m)预应力硷箱 梁 连续刚构桥 + 1 6 x som预应力脸T梁 连续刚构桥十15 x 3 0m预应力硷T梁连续冈 d构桥 + 4 8 x 2 0 m预应力硷空心 板桥 。 总长为4 5 88m(图 1 ) 。 四 、 悬索桥没计 主航道采用单跨双凌悬索桥 。 主缆跨径为30 2 十88 8+ 34 8 . 5m , 竖向支座间跨 径为铭3m 。 加劲梁为3田和 m高扁平流线型闭合钢箱 , 1 宽35 . 石m , 商览比 万 万甲万万 1 二 . 0自 具有较好的抗风稳 定 性 。 比较 每根主缆 由 1 01 束预 制
10、平行丝股 组成 , 直径6 8 7 . 2mm , 两缆间距为3 3 m 。 由刚度和经济 , 主缆 矢度用 10 . 于 。 吊索采 用直径5 2m m镀铃钢丝绳 , 节间为1 2m 。 桥塔为钢筋混凝 J: 门式架 。 锚旋为重 力式(图2) 。 二 叮 “ “ t性:, _ 水袱方问 _ J 写。 夕 图 1 虎门大桥桥跨布谓 一一 夕洲洲腼硫赢霖熏濡赢而耐胖擞 、 一一 , , , l俪腼腼 默然 而扣 翩翩翩 l l l , ;, . 0 0 .。 二 位夕2 9 . 5 0 一 15 . 0 0 ! ! !日日门 门日日门门 争帐) 图 2 慧索桥总体布置图 (一)结构分析 _ 1
11、 . 结构整体分析 大跨悬索桥为几何非线性 , 结构分析应考虑 由初始内力和 结构 大位移的非线性影响 , 用 空间非线性静力和动力计算程序完成整体分析 , 求得在恒载 、 活载 、 温度 、 风力等荷载组合 状态下 , 加劲梁内力 、 挠度 、 梁端水平位移 与转角 、 塔 顶 水平位移 、 塔的内力等 。 加劲梁二 期恒载弯矩 如图3 , 加劲梁弯矩 包络图如图 4 , 加劲 梁挠度包 络 图如图 5 。 . 2 索塔与锚旋 分析 索塔顺 桥向受 力分析 , 考虑主 缆约束作 用 , 并在自重 、 轴 向力 、 水 平力共作用下 , 按压 弯构件计算 。 横桥向按框架结构分析 。 锚破进
12、行稳定计算 , 施工阶段及成 桥状态有限 元分析 , 主缆钢框架锚固系统的定位积谈 度验算 , 锚 淀大体积混凝土温度裂缝控制 验算 。 3 . 钢加劲梁分析 ( 1) 加劲梁作为悬索桥的组 成部分参与全桥共同作用 , 通过全桥整体分析 , 求得各种 荷载组 合下加劲梁的弯矩 、 剪力和 扭矩 。 ( 2 ( 3 豹内力 。 桥面体系按正交异性板分析 。 桥面板作为支承在纵 、 横肋 上的各 向 翼性连续板 , 用框架理论计算轮轴荷载产生 l3 2, 。 ( 月99 6 . 0 一 厂 认 “ “ 厂仁 ” 晰 ” “”势 一寸个 “ / 六 :l - - - 1 1 1 1 1 1 1 1
13、1 1 1 1 1 1 1 1 1 点卜 刀 . 0 钊丫沙L . l 卜e eLI 兔 L I 、J 口 、川 黝朋椒赶 曰曰。 三 一 一 76冈 。 0 7 843 。 0 , 二1, 仁 一写 . )。 908 5 .0 t 、:8咬) . U了 (单位 : kN m) 图 3 加劲梁二期恒载弯矩图 单位 : m 图 5 加劲梁挠 度包络图 扬扬扬摹潺潺潺潺潺潺潺潺潺潺潺潺潺潺潺 l l l l l l l一 _ _ _ 去 2 卜卜卜 习习习县县 , 、/巨. 公。谈谈谈谈谈谈谈谈谈 牙牙牙牙牙牙牙牙牙牙牙牙牙牙牙牙牙 _ d d d d d d d d d i 卜卜卜卜卜卜 易易易
14、易易易易易易易易易易易易易易易易易易易易易易 j j j 矛矛一f f f 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 七七七七七l 2 7 7 7 二 乡乡乡乡乡乡 : ;。 .。5; ; ;. . . . . 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 叮叮叮叮叮 l . . . . . . . . . . . . . . . . . . 月月r一 己己己 l l l l l l l l l_ , : : :, l l l l l 一一一一一 i 一一一 。 。 。 。
15、。二7., _ _ _ _ _ _ _ _ _ J J J J J J J 门门门门门门门门 一一一一一一一一一一一一一一一一一 甘甘甘甘甘甘妞 妞 ! ! ! 门门门门门门门 J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J 日日日 石石石石石石 ( 单位 : kN m ) 图 4 加劲梁弯矩包络图 ( 二 )索塔 景景景 不 嘴西有 图 6 索塔构造图 索 塔是钢筋 混凝土 门式 框架结 构 , 自基顶起高1 4 7 . 5 5m 。 塔柱 截面 为空心 薄壁 箱型 , 顶部5 . 6 x 5 . 6m , 底 部 5 . 6 X S . sm 。 两 塔柱间设置三道横系梁 , 箱 型壁厚6 0 c m , 预 应力束布置 在腹板 内 , 锚于壁 外 (图6) 。 东 西索 塔 基础 地质情况不 . iI J , 东塔 基岩较差 , 软硬 夹层不规则 , 有 s m覆 盖层 , 每个塔柱 采 用 1 6根 功2 . 0m钻孔 灌 柱桩 , 长 3 3m 。 两承台间设9 . 0 x 5 . 0 m箱型连 系梁 。 两塔基础在弱风化花岗岩上 , 塔底 采用1
