京雄高速跨永定河大桥局部构造体系对比研究.pdf

世界桥梁2 0 2 3年第51卷第5期（总第2 2 7 期）76World Bridges,Vol.51,No.5,2023(Totally No.227)D0I:10.20052/j.issn.1671-7767.2023.05.012京雄高速跨永定河大桥局部构造体系对比研究彭亚东，何维利，杨冰，潘迪（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京10 0 0 8 2）摘要：京雄高速跨永定河大桥主桥为主跨30 0 m的中承式飞燕系杆拱桥。为确定合理的局部构造体系，结合该桥河道行洪和景观要求，提出4种局部构造体系：三跨固结体系、三跨活动体系、五跨固结体系和五跨活动体系，分别通过静力和动力时程分析，对比4种局部构造体系的受力和变形特点。结果表明：静力荷载作用下，三跨体系在边拱拱顶产生了很大的纵向弯矩，而五跨体系由于有辅助跨的平衡，主梁恒载产生的负弯矩较小，故其边拱拱顶和拱脚的弯矩均较小；E2地震作用下，五跨固结体系的主墩桩基轴拉力、主拱拱脚纵向弯矩、边拱拱顶和拱脚的横向弯矩明显小于五跨活动体系，且五跨固结体系在地震作用下的主梁位移也明显偏小；最终选取五跨固结体系为该桥局部构造体系。关键词：中承式系杆拱桥；局部构造体系；静力分析；动力时程分析；有限元法；桥梁设计中图分类号：U448.22；U 442.5文献标志码：A文章编号：16 7 1-7 7 6 7(2 0 2 3)0 5-0 0 7 6-0 61概述京雄高速是北京到雄安新区的重要交通枢纽，跨永定河大桥是该线路重点控制性、标志性工程，全长16 2 0 m，由东引桥、主桥、西引桥三部分组成，其中东引桥长410 m，主桥长52 0 m，西引桥长6 90 m。东、西引桥采用预应力混凝土连续箱梁，桥宽42 m；主桥为中承式飞燕系杆拱桥（见图1)，桥宽48 m。图1京雄高速跨永定河大桥效果图该桥设计车速10 0 km/h，采用双向8 车道，设计荷载等级为公路一I级，抗震设防分类A类，抗震设防烈度VI度，基本地震动峰值加速度0.2 g，场地类别类，地震动反应谱特征周期为0.4s。桥位处由地表自上而下为杂填土层（厚约1.5m）、粉土粉砂层（厚约11m）、卵石层（厚约17 m）、全风化岩层（厚约13m）、强风化岩层。跨永定河大桥位于永定河卢沟桥至梁各庄河道段，河道南北走向，上开口宽约1543m，规划河底高程十35m，规划河堤高程十57 m，河道生态水位十39十41m，30 0 年一遇设计洪水位十51.9 6 m。桥梁所在区域年平均气温12.4；极端最高气温40.3，极端最低气温一2 0.4。年平均风速1.9 m/s，最大风速14.3m/s。年最多积雪天数31d,最大积雪深度2 0 cm。京雄高速跨永定河大桥主桥主拱矢高7 5m，拱肋拱顶向桥中心靠拢，采用以“中国结”为设计意向收稿日期：2 0 2 2-0 3-2 4基金项目：国家自然科学基金项目（6 18 6 0 2 0 6 0 13）Project of National Natural Science Foundation of China(61860206013)作者简介：彭亚东（198 4一），男，高级工程师，2 0 0 7 年毕业于大连理工大学土木工程专业，工学学士，2 0 10 年毕业于大连理工大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士（E-mail：1517 10 353 q q.c o m）。Fig.1 Rendering of bridge carrying the Beijing-Xiong an的风撑相连接，造型上隐喻北京与雄安的紧密联系。主拱上部为异形变截面钢箱拱肋，主拱下部和边拱为混凝土箱形拱肋，边拱拱顶向桥中心内倾。中孔钢梁采用双边箱纵梁十横隔梁组成的纵横梁格体系，边孔钢梁分左、右两幅，每幅为单箱四室钢箱梁，辅助孔主梁同样分左、右两幅，每幅为单箱四室混凝土箱梁。主桥钢拱肋采用Q420qE钢，钢主梁采用Q345qE钢，混凝土主梁采用C50混凝土。为方便吊杆更换，该桥采用双吊杆设计，全桥共48 对整束挤压钢绞线吊杆。为抵抗主拱产生的水平推力，全桥共设置12 根可调可换整束挤压钢绞线系杆，每侧6根，系杆隐藏于主梁内。下部结构采用门形墩十承台群桩基础，主墩桩基为2.5m摩擦桩。京雄高速跨永定河大桥主桥采用主跨30 0 mExpressway over Yongding River京雄高速跨永定河大桥局部构造体系对比研究中承式飞燕系杆拱桥，但考虑河道行洪和景观要求，该桥不能采用常规中承式飞燕系杆拱桥的局部构造体系。为确定该桥合理的局部构造体系，本文从静力和动力两方面进行空间有限元分析，结合该桥河道行洪和景观要求提出4种局部构造体系：三跨固结体系、三跨活动体系、五跨固结体系和五跨活动体系，并从受力和变形两方面对比4种体系的优、缺点。2局部构造体系常规中承式飞燕系杆拱桥主、边拱在同一竖直面内，边拱上设置立柱支承主梁；主梁与拱分离，通过支座支撑在主、边拱的拱间横梁上，主梁为三跨连续结构；系杆通过系杆支架架设在主梁顶面，并锚固于边拱端部，通过边拱将系杆力传递至拱脚以抵消主拱产生的水平推力1-3。该桥由于道路竖向限制，在30 0 年一遇洪水位时，拱脚附近部分拱肋已没人水中，导致桥梁阻水程度较大。若采用常规方案在边拱上设置拱上立柱支承主梁，则难以满足河道阻水比小于5%的要求，且桥梁建筑景观也不允许设置边跨拉索。另外由于建筑景观要求，边拱拱顶向内倾斜，系杆需隐藏于主梁内不得外露，为抵消主拱水平推力，只能使边拱与主梁横梁固结并将系杆锚固于主梁横梁上，通过横梁将系杆力传递至边拱。但采用这种构造方式时，若与常规中承式飞燕系杆拱桥相同，主梁采用三跨连续结构，系统升、降温使主梁纵向伸缩，会在边拱产生很大的次内力，且由于箱梁内、外温度并不一致，系杆伸缩与主梁不同步，导致系杆力发生变化，增加系杆应力幅。为减小系统升、降温工况下主梁纵向伸缩产生的结构次内力和系杆力变化，在中孔钢梁和边孔钢梁间各设置1道伸缩缝，将主梁分为三跨结构，即边孔主梁十中孔主梁十边孔主梁。中孔主梁端部通过支座支承于主拱下横梁上，边孔主梁与主拱下横梁的连接方式可采用活动支座或固结2 种方式。鉴于此，提出2 种三跨体系：三跨固结体系。边孔主梁与主拱下横梁固结。三跨活动体系。边孔主梁通过支座支承于主拱下横梁上，边孔设置短系杆。2.1三跨体系2.1.1三跨固结体系三跨固结体系即主桥为由50 m边拱十30 0 m主拱十50 m边拱组成的中承式飞燕系杆拱桥。该局部构造体系主梁分为中孔钢梁、边孔钢梁、混凝土彭亚东，何维利，杨冰，潘迪横梁三部分，主梁内设置通长柔性系杆以抵消拱肋产生的水平推力，主梁除承受荷载外兼作柔性系杆通道。三跨固结体系如图2 所示。边孔钢梁中孔钢梁混凝土横梁伸缩缝伸缩缝?一50Fig.2 Configuration of fixed three-span system中孔钢梁由南、北2 根边箱纵梁和中纵梁、大横梁及横肋（含正交异性桥面系）构成见图3（a)。边孔钢梁左、右分幅，单幅为单箱四室钢箱梁见图3(b),两幅主梁横桥向设置8 0 cm间隙。中孔钢梁两端支承在主拱下横梁牛腿上，每端设置4个盆式橡胶活动支座（见图4）。边孔钢梁一端与主拱下横梁固结，一端通过钢-混结合段与混凝土横梁连接。边拱与混凝土端横梁固结，通长系杆锚固于混凝土横梁端部（见图5）。4800/2100.275+1925吊杆2%水管人孔360500109.275+人孔水管E360500图3主梁标准横断面Fig.3 Cross-section of main girder2.1.2三跨活动体系三跨活动体系与三跨固结体系区别在于边孔钢梁与拱肋下横梁不固结，边孔钢梁通过单向盆式活动支座支承于主拱下横梁上。为改善主拱拱脚成桥内力，设置边孔短系杆，短系杆一端锚固于混凝土横梁上，另一端锚固于主拱拱肋上（见图6)。77边孔钢梁混凝土横梁伸缩缝伸缩缝?300+50单位：m图2 三跨固结体系100+桥梁对称中心线检修车轨道1.540+(a)1/2中孔处4.800/219252%+440(b）1/2 边孔处100桥梁对称中心线440+660单位：cm一78边孔钢梁Fig.4 Details of girder-arch connection伸缩缝混凝土横梁通长系杆引桥主梁边孔钢梁边拱图5边拱端部构造Fig.5Details of ends of side arch引桥主梁图6 短系杆布置Fig.6 Layout of short tie2.2五跨体系三跨固结和三跨活动体系在构造上有以下弊端：主桥混凝土横梁通过活动支座支承在墩柱上，引桥主梁又通过活动支座设置于主桥混凝土横梁上，这种双层支座构造后期更换难度较大。主桥系杆锚固于混凝土横梁上，需要在引桥侧混凝土横梁内设置单独的检修室，构造较复杂。基于上述原因提出五跨固结和五跨活动体系。相对于三跨固结和三跨活动体系，五跨体系仅在两侧各增加1孔混凝土辅助跨，主桥系杆锚固于辅助墩处混凝土横梁上，辅助跨混凝土箱梁内腔作为系杆张拉和检修的空间（见图7）。辅助跨主梁为左、右分幅的单箱四室预应力混凝土箱梁，并通过钢-混结合段与边孔钢梁连接成整体。辅助跨主梁1/2 横断面如图8 所示。世界桥梁2023,51(5)520拱肋72.563.75.伸缩缝通长系杆中孔钢梁下横梁支座图4梁拱结合处构造通长系杆边孔钢梁短系杆支座下横梁246辅助跨边孔钢梁中孔钢梁混凝土梁混凝横梁6050Fig.7 Configuration of fixed five-span system桥梁对称中心线2%水管图8 辅助跨主梁1/2 横断面Fig.8 Cross-section of half main girder in auxiliary span3静力分析3.1有限元模型采用MIDASCivil软件建立有限元模型进行成桥静力分析（见图9）。吊杆、系杆采用桁架单元模拟，承台采用实体单元模拟，其余采用空间梁单元模拟。桩土作用采用土弹簧模拟，土弹簧刚度根据规范采用m法按土层特性和埋深计算。过渡墩、辅助墩、边孔钢梁（活动体系）、中孔钢梁支承处均设置盆式活动支座，支座采用一般弹簧单元模拟L-1。计算时考虑恒载、活载、整体升降温、主梁温度梯度、拱肋日照温差、不均匀沉降、风荷载和雪荷载(a）三跨体系(b）五跨体系图9静力分析有限元模型Fig.9 Finite element model for static analysis+65.25.72.5边孔钢梁辅助跨混凝土梁混凝土下横梁横梁前?30050单位：m图7 五跨固结体系4 200/24 800/21.925222560100单位：cm京雄高速跨永定河大桥局部构造体系对比研究等6-91。计算模型中单根吊杆初始张拉力550 kN，单根系杆初始张拉力438 0 kN。荷载及组合按公路桥涵设计通用规范JTGD602015)计算。3.2静力计算结果计算4种局部构造体系结构内力并进行对比，其中成桥状态下4种局部构造体系关键部位纵向弯矩如表1所示。表1成桥状态下4种局部构造体系关键部位纵向弯矩Table 1 Longitudinal bending moments at key locationsof four types of local structural systems after局部构造体系主拱拱顶主拱L/4处主拱拱脚边拱拱顶三跨活动53.650三跨固结41017五跨活动54395五跨固结41785注：弯矩取绝对值；L为主跨跨径。由表1可知：成桥状态下三跨固结和三跨活动体系在边拱拱顶产生了较大的纵向弯矩，该弯矩主要由主梁恒载产生的负弯矩所导致；而五跨体系由于有辅助跨的平衡，主梁恒载产生的负弯矩较小，故其边拱拱顶和拱脚的弯矩均较小。同时，计算结果表明三跨体系边拱拱顶在正常使用状态下的裂缝宽度很难满足公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG33622018）的要求，故排除三跨体系，后续仅比较基本组合下五跨体系的各关键部位内力，其中弯矩结果如表2所示。由表2 可知：基本组合下五跨固结体系的主拱Table 2 Bending moments at key locations of five-span system under basic load combination局部构造体系主拱拱顶主拱L/4处主拱拱脚边拱拱顶边拱拱脚主拱拱顶主拱L/4处主拱拱脚边拱拱顶边拱拱脚五跨活动108351五跨固结94 122注：弯矩取最大绝对值。下同。局部构造体系主拱拱顶主墩桩基主拱拱脚边拱拱顶边拱拱脚主拱拱顶主墩桩基主拱拱脚边拱拱顶边拱拱脚五跨活动-29611五跨固结-31 623注：轴力以受拉为正，受压为负。顺桥向位移/mm局部构造辅助墩横梁边孔钢梁体系中心五跨活动29五跨固结30注：位移取最大绝对值。彭亚东，何维利，杨冰，潘迪拱脚纵向弯矩较大，五跨活动体系的边拱拱顶纵向弯矩和主拱拱脚横向弯矩较大。根据静力计算结果可知，五跨固结和五跨活动体系各有优劣，在合理配筋范围内均能满足规范要求，故需进一步通过动力时程分析进行对比。4动力时程分析根据公路桥梁抗震设计规范（JTG/T2231-01一2 0 2 0）9.3.3条规定，动力时程分析应建立主completion of bridge桥与相邻引桥孔耦联的空间计算模型10-12 7。五跨体纵向弯矩/(kNm)系动力时程分析有限元模型如图10 所示。边拱拱脚33 616759517266610775427 699113 28533974175282786692492纵向弯矩/(kNm）7864711603466883195160表3E2地震作用下结构内力计算结果Table 3 Calculated displacement of structure under E2 earthquakes轴力极值/kN25086-6015318754-49476表4E2地震作用下结构位移计算结果Table 4Calculated displacement of structure under E2 earthquakes中孔钢梁辅助墩横梁边孔钢梁梁端梁端312443418179115 23710798344885513181361760846表2 基本组合下五跨体系关键部位弯矩1178241062946800412198888855857029215789202横桥向位移/mm中孔钢梁辅助墩横梁边孔钢梁中心梁端67674616图10 五跨体系动力时程分析有限元模型Fig.10 Finite element model of five-span system fordynamic time-history analysis动力时程分析有限元模型中将地震安评报告提供的3条水平地震波分别以顺桥向、横桥向2 个方向加载，并结合1条竖向地震波，共12 个荷载工况。由于规范要求特大桥在E2地震作用下材料不能屈服，限于篇幅，本文仅列举E2地震作用下的计算结果13-141，E2地震作用下，结构内力计算结果如表3所示，结构位移计算结果如表4所示。由表3可知：在E2地震作用下五跨固结和五跨活动体系的主、边拱轴力基本相当，但五跨活动体横向弯矩/(kNm)1083022166248831399纵向弯矩极值/(kNm）1047204873822323002梁端中心411048918567696594361208166578竖向位移/mm中孔钢梁梁端梁端798130302033724449286074232415853331752194.90120807080系在主墩桩基的轴拉力明显大于五跨固结体系。另外，五跨活动体系在地震作用下不仅主拱拱脚纵向弯矩较大，计算可得其边拱拱顶和拱脚的横向弯矩也较大。由表4可知：在E2地震作用下五跨活动体系的结构位移更大。五跨固结体系由于梁拱固结作用，结构在地震作用下的内力较小，且位移响应也更小，而五跨活动体系由于没有主梁的约束，主拱和边拱的内力和位移都更为不利。综上所述，依据静力和动力时程分析结果，三跨体系系杆检修不方便、混凝土横梁需要设置双层支座，边拱拱顶有较大弯矩，抗裂性能很难满足要求，故排除三跨体系；五跨体系系杆检修方便，与三跨体系相比，辅助跨存在使得边拱拱顶弯矩较小，受力性能较优；与五跨活动体系相比，五跨固结体系构造简单，便于系杆锚固和检修，且静力荷载作用下边拱拱顶弯矩小于三跨体系，地震作用下结构位移和内力响应小于五跨活动体系，京雄高速跨永定河大桥主桥选取五跨固结体系为最终局部构造体系。5结论京雄高速跨永定河大桥主桥为主跨30 0 m中承式飞燕系杆拱桥，本文提出4种满足河道行洪和景观要求的局部构造体系，从静力和动力两方面进行比较分析，确定合理的局部构造体系。主要结论如下：（1）静力荷载作用下，三跨固结和三跨活动体系在边拱拱顶产生了很大的纵向弯矩，该弯矩主要由主梁恒载产生的负弯矩所导致，而五跨体系由于有辅助跨的平衡，主梁恒载产生的负弯矩较小,故其边拱拱顶和拱脚的弯矩均较小。（2）E2 地震作用下，五跨活动体系的主墩桩基轴拉力、主拱拱脚纵向弯矩、边拱拱顶和拱脚的横向弯矩明显大于五跨固结体系，且五跨活动体系在地震作用下的主梁位移也明显偏大。（3）五跨固结体系构造简单，便于系杆锚固和检修，且静力荷载作用下边拱拱顶弯矩小于三跨体系，地震作用下结构位移和内力响应小于五跨活动体系，故选取五跨固结体系为最终局部构造体系。参考文献(References):1杨灿，张铭，张家元大跨度中承式钢箱桁架拱桥抗震体系研究J.世界桥梁，2 0 2 2，50（1）：8 6-9 2.（YA NG Ca n，ZH A NG M i n g，ZH A NG Ji a y u a n.Research on Seismic Protection System of Long-Span世界桥梁2023,51(5)Half-Through Steel Box Truss Arch BridgeJJ.WorldBridges,2022,50(1):86-92.in Chinese)2邵长宇现代拱桥M北京：人民交通出版社股份有限公司，2 0 2 1.(SHAO Changyu.Modern Arch BridgesM.Beijing:China Communications Press Co.Ltd.,2021.inChinese)3王泉清，赵健，安路明，等大跨度中承式钢桁拱桥抗震性能分析J.世界桥梁，2 0 2 2，50（1）：93-99.(WANG Quanqing,ZHAO Jian,AN Luming,et al.Seismic Performance Analysis of Long-Span Half-Through Steel Truss Arch BridgeJJ.World Bridges,2022，50(1):9 3-9 9.in C h in e s e)4 田卿，何俊荣，尹邦武，等中承式钢箱提篮拱桥设计J.世界桥梁，2 0 2 0,48(1)：11-16.(TIAN Qing，H E Ju n r o n g，YI N Ba n g w u，e ta l.Design of Half-Through Steel Box Basket-Handle ArchBridgeJJ.World Bridges，2 0 2 0，48（1)：11-16.i nChinese)5胡会勇，赵健，任延龙，等广州明珠湾大桥主桥总体设计J.桥梁建设，2 0 2 1，51（3）：93-99.(HU Huiyong，,ZH A O Jia n,REN Ya n lo n g,e t a l.Overall Design of Main Bridge of Mingzhu Bay Bridge inGuangzhouJl.Bridge Construction，2 0 2 1,51（3):93-99.in Chinese)6上官兵，胡会勇，赵健，等广州明珠湾大桥结构体系设计关键技术J桥梁建设，2 0 2 2,52（4）：1-7.(SHANGGUAN Bing，H U H u i y o n g，ZH A O Ji a n,et al.Key Technologies for Structural System Design ofMingzhu Bay Bridgein GuangzhouJJ.BridgeConstruction,2022,52(4):1-7.in Chinese)7 赵健,安路明,刘银涛，等广州明珠湾大桥斜拉扣挂体系设计J世界桥梁，2 0 2 2，50（3）：14-19.(ZHAO Jian,AN Luming,LIU Yintao,et al.Designof Cable-Stayed Cantilever Assembly System of MainBridge of Mingzhu Bay Bridge in GuangzhouJ.WorldBridges，2 0 2 2，50(3):14-19.in C h in e s e)8 陈亮，邵长宇，汤虎，等济南齐鲁黄河大桥42 0 m跨网状吊杆系杆拱桥设计J桥梁建设，2 0 2 2,52（3）：113-120.(CHEN Liang,SHAO Changyu,TANG Hu,et al.Design of 420 m-Span Network Arch Main Bridge ofQilu Huanghe River Bridge in JinanJJ.BridgeConstruction,2022,52(3):113-120.in Chinese)9肖德存，梅新咏，苏杨成贵铁路宜宾金沙江公铁两用桥主桥钢箱系杆拱桥设计J.世界桥梁，2 0 2 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100082,China)Abstract:The bridge carrying the Beijing-Xiongan Expressway over Yongding River is a half-through tied-arch bridge with a main span of 300 m,featuring its flying-bird-type steel box archribs.To accommodate the flood diversion of the waterway and landscaping requirements,fourtypes of local structural systems were compared,including the fixed three-span system,three-span system with bearings,fixed five-span system,and five-span system with bearings.Staticand dynamic time-history analyses were conducted to analyze the load bearing behaviors anddeformation characteristics of the four local structural systems.The results show that under staticloads,there exists great longitudinal bending moments at the crowns of side arches in the three-span system,while in the five-span system,due to the balancing effect of auxiliary spans,thehogging moment induced by the dead loads of main girder is relatively smaller,correspondingly,the bending moments at the crowns of side arches and arch springing are smaller.Under E2earthquakes,the axle tensile forces in the piles supporting the main piers,longitudinal bendingmoments at the main arch springing as well as the transverse bending moments at the crowns andspringing of side arches are obviously smaller than those of the five-span system with bearings.Inaddition,the deck displacement of the fixed five-span system under the action of earthquakes areobviously smaller,finally,the fixed five-span system was selected for the bridge.Key words:half-through tied arch bridge;local structural system;static analysis;dynamictime-history analysis;finite element method;bridge design(编辑：赵兴雅）彭亚东，何维利，杨冰，潘迪JJ.Railway Standard Design,2017,61(3):88-91.in Chinese)13张永亮，冯鹏飞，陈兴冲，等.高阶振型对大跨度钢桁拱桥地震反应的影响J.振动与冲击，2 0 2 0，39（6）：2 2 5-229,242.（ZH A NG Yo n g lia n g，FENG Pe n g f e i，C H ENXingchong,et al.Influence of High-Order Modes onthe Seismic Response of a Long-Span Steel Truss ArchBridgeJ.Journal of Vibration and 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