甕馬鐵路烏江特大橋設計關鍵技術研究

王小飛，張 杰，王新國，周 繼，羅春林

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063; 2.中國鐵建股份有限公司橋梁工程實驗室,武漢 430063)

1 工程概況

烏江特大橋是新建甕馬鐵路南北延伸線的重點控制工程,位于貴州省黔南州甕安縣江界河國家風景區。大橋跨越兩山之間深谷,兩岸自然坡度60°～85°,相對高差約400 m,是典型的山區V形峽谷橋梁。橋址處年平均氣溫13.6 ℃,極端最低氣溫-9.2 ℃,年最大風速18 m/s。橋址處測時河寬220 m,水深100 m,航道標準現狀Ⅳ級,規劃Ⅲ級。兩岸基巖為鈣質角礫巖,基本承載力1 500 kPa,地震動峰值加速度0.05g,地震動反應譜特征周期為0.35 s[1]。

烏江特大橋通行客貨共線鐵路,設計速度120 km/h,有砟軌道。大橋采用主跨337 m上承式勁性骨架混凝土拱橋一跨跨越烏江峽谷,拱上結構為三聯鋼混組合連續梁,橋梁全長520.920 m。大橋建成后將成為國內最大跨度單線鐵路拱橋。烏江特大橋立面布置見圖1。

2 方案構思

山區鐵路橋梁的橋位應選擇邊坡穩定且地質條件較好的區域,橋式方案應適應艱險山區的建設、運營、養護條件,并滿足景觀協調要求[2-4]。烏江特大橋跨越V形深切峽谷地形且橋位較高,兩岸地形陡峭,地勢起伏較大,橋臺處基巖裸露,局部植被覆蓋,多為樹林、灌木及雜草,交通極為不便,且施工場地十分狹窄,后期運營及養護維修困難。當采用梁式橋、斜拉橋、懸索橋方案時,兩岸陡坡無立墩條件,橋梁的最小跨度需大于500 m。因此無論從技術的合理性還是與自然環境的協調性看,上承式拱橋是跨越該V形山谷的最佳選擇[5-9]。

上承式拱橋由鋼或混凝土主拱、拱座基礎、拱上立柱、交界墩、主梁組成,具有良好的空間工作性能[10-12]。本橋在方案設計階段擬定3種上承式拱橋方案。

(1)方案一:主跨320 m上承式鋼桁架拱橋,矢跨比1/4。方案一全橋布置見圖2。該方案主拱采用桁架式雙肢鋼管截面,主拱通透性佳,景觀性好。但T形剛構交界墩作用于主拱擴大基礎頂面,需大規模開挖兩岸巖體,施工難度較大;此外,烏江特大橋位于深山河谷之中,鋼結構不僅易腐蝕,且桿件繁多,后期養護維修困難。綜合考慮造價、施工、維養等因素,方案未采用。

圖2 方案一效果圖

(2)方案二:主跨320 m設置雙副拱的上承式混凝土拱橋方案,矢跨比1/4。方案二全橋布置見圖3。該方案混凝土主拱拱腳上方采用副拱結構替代傳統交界墩,主拱與副拱均采用隧洞式基礎,較傳統擴大基礎方案減少了山體開挖量,但隧洞式基礎受力機制復雜、施工困難,且拱上結構景觀性較差,方案未采用。

圖3 方案二效果圖

(3)方案三:主跨337 m設置交界墩的上承式勁性骨架混凝土拱橋方案,矢跨比1/5.48。方案三全橋布置見圖4。該方案采用小矢跨比設計以減小交界墩高度,采用梯形斷面擴大基礎進一步減小山體開挖規模,同時小矢跨比設計與橋位附近的江界河大橋更加協調,景觀效果佳。此外,勁性骨架混凝土拱橋具有剛度大、徐變小、后期養護維修工作量小等優點,能夠滿足鐵路橋梁跨越山區V形峽谷的要求[13-16],為推薦橋式方案。各方案優缺點比較見表1。

表1 各橋式方案優缺點比較

圖4 方案三效果圖

3 結構設計

3.1 總體布置

根據橋址處地形、地質和景觀條件,烏江特大橋采用1-337 m上承式勁性骨架混凝土拱橋,主梁孔跨布置為(45.7+47.7) m鋼混組合梁+(6×41.5) m鋼混組合梁+(46.7+2×39.6+41.5) m鋼混組合梁,橋梁全長520.920 m。列車活載通過拱上立柱及交界墩傳遞給主拱圈及拱座基礎。

3.2 主拱圈

目前國內幾座大跨度鐵路上承式混凝土拱橋的矢跨比均在1/4.6～1/4之間,在此區間結構的橫豎向剛度均較大[16]。烏江特大橋為適應地形條件采用小矢跨比設計,主拱圈矢高61.5 m,計算跨度337 m,矢跨比1/5.48,拱軸線采用懸鏈線,拱軸系數m=2.0,在滿足主拱結構受力的同時降低交界墩高度、減小拱座基礎規模、提高橋墩縱向剛度,同時與下游江界河大橋景觀協調。

主拱圈采用內含勁性骨架的鋼筋混凝土結構,單箱雙室矩形截面。拱截面橫向外寬10.0 m,外高6.5 m,腹板厚1.0 m,頂板厚1.1 m,底板厚度由拱頂截面的1.1 m變為拱腳截面的1.5 m,并在拱腳設置2 m實體段和6 m壁厚過渡段。主拱圈截面見圖5。

圖5 主拱圈截面(單位:m)

拱上布置1～9號立柱(含拱腳立柱),縱橋向間距為(47.7+6×41.5+47.7) m。主拱圈在立柱對應位置設橫隔板,其中2號、3號、7號、8號立柱下方為雙隔板,隔板厚為0.8 m,4號～6號立柱下方為單隔板,隔板厚為1.2 m。拱肋箱體側壁設通風孔,每個箱室內底板最低點設置泄水孔。

主拱圈勁性骨架為鋼管混凝土桁架結構。桁架上、下弦為各3肢φ0.9 m的圓形鋼管,采用Q370qD鋼材,結合施工過程中結構受力,鋼管壁由拱頂24 mm漸變至拱腳48 mm。弦管拱腳、1/4位置處設混凝土灌注孔,待骨架合龍后分兩段接力連續灌注C60補償收縮混凝土。桁架連接系為角鋼組合件,上、下弦桿間通過腹桿、平聯和橫聯形成整體空間桁架結構,保證骨架懸臂施工過程中和外包混凝土澆筑過程中的強度和穩定性。主拱圈勁性骨架構造如圖6所示。

圖6 主拱圈勁性骨架示意

主拱采用纜索吊裝+斜拉扣掛法安裝各節段勁性骨架,采用移動掛籃分環分三環、六工作面澆筑主拱圈外包混凝土[17]。具體方案為主拱截面劃分為底板、腹板和頂板三部分,自下而上分三環澆筑;在拱腳、主拱1/6處、主拱2/6處設置工作面,向拱頂同步對稱澆筑,底板、腹板、頂板的混凝土澆筑方量分別為4 300,4 200,3 700 m3。三環六面澆筑外包混凝土示意如圖7所示。

圖7 三環六面澆筑外包混凝土示意

3.3 主梁

為減輕拱上結構自重,主梁采用三聯鋼-混結合梁,跨徑組成為(45.7+47.7) m+(6×41.5) m+(46.7+2×39.6+41.5) m。主梁由鋼梁和混凝土橋面板采用剪力釘結合而成,全高3.2 m。主梁橫截面見圖8。

圖8 主梁橫截面(單位:cm)

鋼梁采用Q370qD鋼材,由兩片工字形鋼和橫隔板栓接構成,便于工廠制造及運輸。鋼梁外高2.78 m(考慮2 cm的橡膠墊厚度),頂板翼緣板寬0.9 m,底板翼緣寬1.2 m,板厚48 mm。兩片鋼梁中心間距4.5 m,每間隔6.0 m設置1道橫隔板,每隔1.5 m設置1道橫肋,加強整體性及橫向穩定性。

橋面板采用C60混凝土,全寬9.9 m,厚40 cm,分為預制板、橫向貫通式濕接縫、縱向集束式濕接縫三部分制作。標準預制板縱向長5.4 m,為減小后期收縮徐變產生的不利影響,預制板制作完成至安裝需間隔6個月以上。

主梁工字鋼分節段運輸至主橋兩側頂推場地,受場地長度限制,工字鋼頂推施工與節段間焊接交替進行,直至形成整聯并頂推至設計位置,待兩幅工字鋼均頂推就位后,原位栓接橫隔板?；炷令A制板現場通過隧道便道運輸至拱腳,通過纜索系統吊裝就位,濕接縫現澆補償收縮混凝土,通過剪力釘與鋼梁連接。

根據受力需要,主梁施工采取頂落梁措施,并將橋面板縱向預應力分兩類,一類為在負彎矩區混凝土板與鋼梁結合前張拉的短索,一類為在主落梁后張拉的長索。該方法有效提升了預制混凝土板的預應力效率,降低了負彎矩區混凝土板拉應力。

3.4 拱上立柱

烏江特大橋拱上立柱采用鋼筋混凝土結構,墩高由交界墩59.5 m變化至拱頂立柱2 m。拱頂4號～6號立柱由于墩高小于4.5 m,采用矩形截面實心墩,其余均為矩形截面空心墩。

立柱墩頂橫向寬7 m,縱向寬由交界墩4.5 m變化至拱頂立柱2.5 m。為提高交界墩剛度和穩定性,順橋向按60∶1放坡。為使梁底檢查小車通過,立柱墩頂1.6 m范圍變為雙柱式結構,雙柱橫橋向凈距2.4 m。

拱上立柱采用爬模法現澆施工。立柱底部均設置實心混凝土墩座,墩座與主拱圈一次澆筑,預留錨固鋼筋與立柱連接。

3.5 拱座基礎

拱座采用梯形斷面擴大基礎方案,拱座高26.48 m,順橋向長29.49 m,橫橋向寬14.0 m,基礎基底及背面均埋置在穩定邊坡線內,基礎頂面及側面傾斜設計,較常規水平頂面臺階狀擴大基礎減小混凝土方量20%。拱座采用C40混凝土,拱腳預埋段采用C50混凝土,基礎混凝土澆筑為大體積圬工,設計采用分層多次灌注方案,并采用埋設散熱水管等措施降低水化熱[18]。

拱座基礎開挖采用永臨結合的方式,將隧洞式便道出口設置于基礎中心高度處,便道范圍內拱座按隧洞式開挖,利用隧洞式便道進行出渣運輸,其余部分為明挖,該方案有效減少了山體開挖量,降低了施工風險。拱座基礎截面見圖9。

圖9 拱座基礎截面(單位:m)

4 結構分析

采用MIDAS Civil軟件建立烏江特大橋施工階段有限元模型。鋼管混凝土、主拱圈外包混凝土、鋼-混組合梁均采用施工階段聯合截面梁單元模擬,勁性骨架連接系及拱上立柱采用空間梁單元模擬,拱座基礎采用柔度矩陣模擬。為準確計算主橋施工過程中多次體系轉換對結構強度和剛度的影響,采用應力疊加法進行計算分析[19-20]。通過激活主拱圈相應附加截面模擬分環S分段澆筑外包混凝土,通過節點強制位移模擬主梁頂落梁施工。有限元模型如圖10所示。

圖10 有限元模型

4.1 剛度及變形

(1)主拱變形

列車豎向靜活載作用下,拱頂向下撓曲0.023 4 m,拱肋1/4處正、負豎向位移絕對值之和為0.070 2 m,為計算跨度的1/4 800。溫度+橫風+搖擺力工況下,拱頂橫向位移0.044 0 m,為計算跨度的1/7 659。

(2)主梁變形

恒載、靜活載及溫度作用下墩柱處橋面豎向撓度與主拱圈撓度接近,在0.63倍靜活載+降溫工況以及靜活載+0.5倍降溫工況下,主梁跨中相對橋墩支撐點最大下撓23 mm,剛度值1/2 033,主梁豎向變形如圖11所示。最不利活載作用下,主梁梁端最大轉角1.73‰,梁縫處最大轉角之和3.50‰。成橋后三年,主拱拱頂豎向徐變值37 mm。

圖11 主梁豎向變形

以上計算結果表明,主拱、主梁的豎向、橫向剛度均較大,均滿足鐵路橋涵設計規范中相關計算限值。

4.2 主拱圈外包混凝土

根據烏江特大橋有限元仿真結果,考慮施工階段內力疊加,取主拱拱腳實心段截面以及主拱圈不同壁厚截面進行檢算。

主力作用下,拱頂基本處于受壓狀態,最大壓應力14.6 MPa;拱腳處于下緣受壓、上緣受拉狀態,混凝土最大壓應力18.1 MPa,最大主拉應力0.17 MPa,并在拱腳頂板處產生0.08 mm裂縫。主+附作用下,拱頂上緣受壓,下緣受拉,混凝土最大壓應力17.39 MPa,最大主拉應力0.02 MPa,拱頂下緣產生0.03 m的裂縫;拱腳受力狀態恰好相反,下緣混凝土最大壓應力19.96 MPa,上緣混凝土最大主拉應力0.02 MPa,并在拱腳頂板處產生0.13 mm裂縫。主拱圈截面檢算結果見表2,計算結果表明,拱圈強度及裂縫寬度均滿足規范要求。

表2 主拱圈截面檢算結果

4.3 主梁

鋼梁應力包絡圖如圖12所示。主力作用下,鋼梁跨中受拉,最大拉應力166 MPa;鋼梁負彎矩區受壓,最大壓應力182 MPa(圖12(a));主力和附加力共同作用下,鋼梁最大拉應力增大至188 MPa,最大壓應力增大至205 MPa(圖12(b)),均小于主梁鋼材的彎曲應力容許值210 MPa,滿足規范要求。

圖12 鋼梁應力包絡圖(單位:MPa)

主梁混凝土板拉應力主要集中在墩頂負彎矩區,烏江特大橋在施工過程中預頂升負彎矩區鋼梁,再安裝混凝土橋面板、張拉負彎矩區預應力短索,最后現澆濕接縫,落梁后能夠有效地在混凝土橋面板中存儲一定的壓應力。主梁混凝土板應力見表3,主力作用下,主梁混凝土橋面板最大壓應力12.3 MPa,負彎矩區局部拉應力1.20 MPa;主+附作用下,橋面板最大壓應力13.8 MPa,負彎矩區局部拉應力1.70 MPa,能夠滿足鐵路橋涵混凝土結構設計規范中相關計算規定。

表3 主梁混凝土板應力 MPa

4.4 拱上立柱

主力作用下,拱上立柱最大壓應力2.63 MPa,主+附作用下,拱上立柱最大壓應力4.02 MPa,應力水平較低。通過屈曲分析,拱上立柱穩定安全系數為56,說明拱上立柱強度和穩定性均較好。此外,各墩柱縱向水平線剛度最小值452.9 kN/cm,滿足規范中相關計算規定。

4.5 拱座基礎

依據Winkler計算假定,按變形協調法對拱座基礎進行檢算[18]。主力作用下,主橋甕安側拱座基底最大應力為1 413 kPa,基礎背面最大應力為1 418 MPa;遵義側拱座基底最大應力為1 376 kPa,基礎背面最大應力為1 370 MPa;均小于允許值1 500 kPa,滿足規范要求。

4.6 主拱圈勁性骨架

主拱圈外包混凝土采用三環六面法施工,成環前勁性骨架承擔全部荷載,成環后骨架與外包混凝土共同受力,主拱圈面特性不斷變化,骨架受力為設計和施工控制因素[17]。

圖13給出了外包混凝土澆筑過程中勁性骨架鋼管應力變化曲線,圖14給出了外包混凝土澆筑過程中勁性骨架管內混凝土的應力變化曲線。不同于普通鐵路拱橋,烏江特大橋的小矢跨比特性使得拱頂承受更大彎矩,拱頂上弦控制勁性骨架受力[18]。在外包混凝土澆筑過程中,上弦鋼管的最大壓應力從57.2 MPa逐步增加至232 MPa,管內混凝土最大的壓應力由4 MPa 增加至21.6 MPa,應力指標滿足規范要求,施工方案安全可行。

圖13 勁性骨架鋼管應力變化曲線

圖14 勁性骨架管內混凝土應力變化曲線

4.7 結構動力特性分析

烏江特大橋第1階振型為主梁和拱圈對稱橫彎,頻率為0.79 Hz,第2階振型為交界墩縱彎振型,頻率為0.79 Hz,主拱縱彎出現在第6階,振動頻率為1.79 Hz。施工階段最不利狀況出現在勁性骨架最大懸臂時,此時拱橋面外穩定安全系數為6.142;運營階段拱橋面外穩定安全系數為12.1,面內穩定安全系數為15.5,均滿足規范要求。

對烏江特大橋進行風-車-橋耦合振動分析,計算中考慮了溫度變形和徐變變形。結果表明,該橋能夠滿足客貨共線鐵路的安全性和乘坐舒適性要求,當橋面平均風速達到20 m/s時,列車限速100 km/h通行,當橋面平均風速達到25 m/s時,列車限速70 km/h通行,當橋面平均風速達到30 m/s時,空載列車應停止運行。

5 結語

新建甕馬鐵路烏江特大橋位于地形、地質條件復雜的V形溝谷中,主跨337 m的上承式勁性骨架鋼筋混凝土拱橋具有剛度大、徐變小、后期養護維修工作量小等優點,能夠滿足鐵路橋梁跨越山區V形峽谷的要求,是較為合理的方案。

該橋主拱采用小矢跨比設計,在滿足結構受力的同時降低交界墩高度、減小拱座基礎規模,并與下游江界河大橋相呼應,景觀效果好。主梁采用工字形鋼-混凝土板組合梁結構,鋼梁栓焊結合,既減輕拱上結構自重,又便于工廠制造、運輸和現場拼裝,在運輸不便的山區橋梁中具有明顯優勢;主梁施工采用頂落梁措施以及先張拉后結合的預應力措施,有效改善結構內力;拱座采用梯形斷面擴大基礎方案,較常規水平頂面臺階狀擴大基礎減小混凝土方量20%,并采用隧洞開挖+明挖的永臨結合施工方案,減少了山體開挖量,降低了施工風險;主拱施工采用斜拉扣掛安裝鋼管混凝土勁性骨架,分三環、六工作面澆筑拱圈外包混凝土,有效解決了該橋由于自身結構太重帶來的施工困難問題。計算分析表明,烏江特大橋剛度較大,受力性能優良,各項計算指標均能滿足規范要求,能夠滿足客貨共線鐵路的安全性和乘坐舒適性要求。

該橋于2020年開工建設,預計2024年建成通車。大橋建成后將成為國內最大跨度單線鐵路拱橋。該橋的設計關鍵技術可為上承式勁性骨架混凝土拱橋在山區鐵路中的應用提供參考和借鑒。