甕馬鐵路烏江特大橋設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

王小飛，張 杰，王新國，周 繼，羅春林

(1.中鐵第四勘察設(shè)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(fēng)景區(qū)。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(qū)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(fēng)速18 m/s。橋址處測時河寬220 m,水深100 m,航道標準現(xiàn)狀Ⅳ級,規(guī)劃Ⅲ級。兩岸基巖為鈣質(zhì)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(yīng)譜特征周期為0.35 s[1]。

烏江特大橋通行客貨共線鐵路,設(shè)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(jié)構(gòu)為三聯(lián)鋼混組合連續(xù)梁,橋梁全長520.920 m。大橋建成后將成為國內(nèi)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(gòu)思

山區(qū)鐵路橋梁的橋位應(yīng)選擇邊坡穩(wěn)定且地質(zhì)條件較好的區(qū)域,橋式方案應(yīng)適應(yīng)艱險山區(qū)的建設(shè)、運營、養(yǎng)護條件,并滿足景觀協(xié)調(diào)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(yǎng)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(shù)的合理性還是與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)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(chǔ)、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(shè)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(gòu)交界墩作用于主拱擴大基礎(chǔ)頂面,需大規(guī)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(jié)構(gòu)不僅易腐蝕,且桿件繁多,后期養(yǎng)護維修困難。綜合考慮造價、施工、維養(yǎng)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(shè)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(jié)構(gòu)替代傳統(tǒng)交界墩,主拱與副拱均采用隧洞式基礎(chǔ),較傳統(tǒng)擴大基礎(chǔ)方案減少了山體開挖量,但隧洞式基礎(chǔ)受力機制復(fù)雜、施工困難,且拱上結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)計以減小交界墩高度,采用梯形斷面擴大基礎(chǔ)進一步減小山體開挖規(guī)模,同時小矢跨比設(shè)計與橋位附近的江界河大橋更加協(xié)調(diào),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(yǎng)護維修工作量小等優(yōu)點,能夠滿足鐵路橋梁跨越山區(qū)V形峽谷的要求[13-16],為推薦橋式方案。各方案優(yōu)缺點比較見表1。

表1 各橋式方案優(yōu)缺點比較

圖4 方案三效果圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 總體布置

根據(jù)橋址處地形、地質(zhì)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(chǔ)。

3.2 主拱圈

目前國內(nèi)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(qū)間結(jié)構(gòu)的橫豎向剛度均較大[16]。烏江特大橋為適應(yīng)地形條件采用小矢跨比設(shè)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(shù)m=2.0,在滿足主拱結(jié)構(gòu)受力的同時降低交界墩高度、減小拱座基礎(chǔ)規(guī)模、提高橋墩縱向剛度,同時與下游江界河大橋景觀協(xié)調(diào)。

主拱圈采用內(nèi)含勁性骨架的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),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?yōu)楣澳_截面的1.5 m,并在拱腳設(shè)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(yīng)位置設(shè)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(cè)壁設(shè)通風(fēng)孔,每個箱室內(nèi)底板最低點設(shè)置泄水孔。

主拱圈勁性骨架為鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)。桁架上、下弦為各3肢φ0.9 m的圓形鋼管,采用Q370qD鋼材,結(jié)合施工過程中結(jié)構(gòu)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(shè)混凝土灌注孔,待骨架合龍后分兩段接力連續(xù)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(lián)和橫聯(lián)形成整體空間桁架結(jié)構(gòu),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(wěn)定性。主拱圈勁性骨架構(gòu)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(jié)段勁性骨架,采用移動掛籃分環(huán)分三環(huán)、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(huán)澆筑;在拱腳、主拱1/6處、主拱2/6處設(shè)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(huán)六面澆筑外包混凝土示意如圖7所示。

圖7 三環(huán)六面澆筑外包混凝土示意

3.3 主梁

為減輕拱上結(jié)構(gòu)自重,主梁采用三聯(lián)鋼-混結(jié)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(jié)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(gòu)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(shè)置1道橫隔板,每隔1.5 m設(shè)置1道橫肋,加強整體性及橫向穩(wěn)定性。

橋面板采用C60混凝土,全寬9.9 m,厚40 cm,分為預(yù)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(yù)制板縱向長5.4 m,為減小后期收縮徐變產(chǎn)生的不利影響,預(yù)制板制作完成至安裝需間隔6個月以上。

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

根據(jù)受力需要,主梁施工采取頂落梁措施,并將橋面板縱向預(yù)應(yīng)力分兩類,一類為在負彎矩區(qū)混凝土板與鋼梁結(jié)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(yù)制混凝土板的預(yù)應(yīng)力效率,降低了負彎矩區(qū)混凝土板拉應(yīng)力。

3.4 拱上立柱

烏江特大橋拱上立柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),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?qū)? m,縱向?qū)捰山唤缍?.5 m變化至拱頂立柱2.5 m。為提高交界墩剛度和穩(wěn)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?yōu)殡p柱式結(jié)構(gòu),雙柱橫橋向凈距2.4 m。

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

3.5 拱座基礎(chǔ)

拱座采用梯形斷面擴大基礎(chǔ)方案,拱座高26.48 m,順橋向長29.49 m,橫橋向?qū)?4.0 m,基礎(chǔ)基底及背面均埋置在穩(wěn)定邊坡線內(nèi),基礎(chǔ)頂面及側(cè)面傾斜設(shè)計,較常規(guī)水平頂面臺階狀擴大基礎(chǔ)減小混凝土方量20%。拱座采用C40混凝土,拱腳預(yù)埋段采用C50混凝土,基礎(chǔ)混凝土澆筑為大體積圬工,設(shè)計采用分層多次灌注方案,并采用埋設(shè)散熱水管等措施降低水化熱[18]。

拱座基礎(chǔ)開挖采用永臨結(jié)合的方式,將隧洞式便道出口設(shè)置于基礎(chǔ)中心高度處,便道范圍內(nèi)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(fēng)險。拱座基礎(chǔ)截面見圖9。

圖9 拱座基礎(chǔ)截面(單位:m)

4 結(jié)構(gòu)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(lián)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(chǔ)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(zhuǎn)換對結(jié)構(gòu)強度和剛度的影響,采用應(yīng)力疊加法進行計算分析[19-20]。通過激活主拱圈相應(yīng)附加截面模擬分環(huán)S分段澆筑外包混凝土,通過節(jié)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?lián)锨?.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(fēng)+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?lián)?3 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(zhuǎn)角1.73‰,梁縫處最大轉(zhuǎn)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(jié)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(shè)計規(guī)范中相關(guān)計算限值。

4.2 主拱圈外包混凝土

根據(jù)烏江特大橋有限元仿真結(jié)果,考慮施工階段內(nèi)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(tài),最大壓應(yīng)力14.6 MPa;拱腳處于下緣受壓、上緣受拉狀態(tài),混凝土最大壓應(yīng)力18.1 MPa,最大主拉應(yīng)力0.17 MPa,并在拱腳頂板處產(chǎn)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(yīng)力17.39 MPa,最大主拉應(yīng)力0.02 MPa,拱頂下緣產(chǎn)生0.03 m的裂縫;拱腳受力狀態(tài)恰好相反,下緣混凝土最大壓應(yīng)力19.96 MPa,上緣混凝土最大主拉應(yīng)力0.02 MPa,并在拱腳頂板處產(chǎn)生0.13 mm裂縫。主拱圈截面檢算結(jié)果見表2,計算結(jié)果表明,拱圈強度及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

表2 主拱圈截面檢算結(jié)果

4.3 主梁

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

圖12 鋼梁應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)

主梁混凝土板拉應(yīng)力主要集中在墩頂負彎矩區(qū),烏江特大橋在施工過程中預(yù)頂升負彎矩區(qū)鋼梁,再安裝混凝土橋面板、張拉負彎矩區(qū)預(yù)應(yīng)力短索,最后現(xiàn)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(yīng)力。主梁混凝土板應(yīng)力見表3,主力作用下,主梁混凝土橋面板最大壓應(yīng)力12.3 MPa,負彎矩區(qū)局部拉應(yīng)力1.20 MPa;主+附作用下,橋面板最大壓應(yīng)力13.8 MPa,負彎矩區(qū)局部拉應(yīng)力1.70 MPa,能夠滿足鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中相關(guān)計算規(guī)定。

表3 主梁混凝土板應(yīng)力 MPa

4.4 拱上立柱

主力作用下,拱上立柱最大壓應(yīng)力2.63 MPa,主+附作用下,拱上立柱最大壓應(yīng)力4.02 MPa,應(yīng)力水平較低。通過屈曲分析,拱上立柱穩(wěn)定安全系數(shù)為56,說明拱上立柱強度和穩(wěn)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(guī)范中相關(guān)計算規(guī)定。

4.5 拱座基礎(chǔ)

依據(jù)Winkler計算假定,按變形協(xié)調(diào)法對拱座基礎(chǔ)進行檢算[18]。主力作用下,主橋甕安側(cè)拱座基底最大應(yīng)力為1 413 kPa,基礎(chǔ)背面最大應(yīng)力為1 418 MPa;遵義側(cè)拱座基底最大應(yīng)力為1 376 kPa,基礎(chǔ)背面最大應(yīng)力為1 370 MPa;均小于允許值1 500 kPa,滿足規(guī)范要求。

4.6 主拱圈勁性骨架

主拱圈外包混凝土采用三環(huán)六面法施工,成環(huán)前勁性骨架承擔(dān)全部荷載,成環(huán)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(shè)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(yīng)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(nèi)混凝土的應(yīng)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(yīng)力從57.2 MPa逐步增加至232 MPa,管內(nèi)混凝土最大的壓應(yīng)力由4 MPa 增加至21.6 MPa,應(yīng)力指標滿足規(guī)范要求,施工方案安全可行。

圖13 勁性骨架鋼管應(yīng)力變化曲線

圖14 勁性骨架管內(nèi)混凝土應(yīng)力變化曲線

4.7 結(jié)構(gòu)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(xiàn)在第6階,振動頻率為1.79 Hz。施工階段最不利狀況出現(xiàn)在勁性骨架最大懸臂時,此時拱橋面外穩(wěn)定安全系數(shù)為6.142;運營階段拱橋面外穩(wěn)定安全系數(shù)為12.1,面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)為15.5,均滿足規(guī)范要求。

對烏江特大橋進行風(fēng)-車-橋耦合振動分析,計算中考慮了溫度變形和徐變變形。結(jié)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(fēng)速達到20 m/s時,列車限速100 km/h通行,當橋面平均風(fēng)速達到25 m/s時,列車限速70 km/h通行,當橋面平均風(fēng)速達到30 m/s時,空載列車應(yīng)停止運行。

5 結(jié)語

新建甕馬鐵路烏江特大橋位于地形、地質(zhì)條件復(fù)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(yǎng)護維修工作量小等優(yōu)點,能夠滿足鐵路橋梁跨越山區(qū)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(shè)計,在滿足結(jié)構(gòu)受力的同時降低交界墩高度、減小拱座基礎(chǔ)規(guī)模,并與下游江界河大橋相呼應(yīng),景觀效果好。主梁采用工字形鋼-混凝土板組合梁結(jié)構(gòu),鋼梁栓焊結(jié)合,既減輕拱上結(jié)構(gòu)自重,又便于工廠制造、運輸和現(xiàn)場拼裝,在運輸不便的山區(qū)橋梁中具有明顯優(yōu)勢;主梁施工采用頂落梁措施以及先張拉后結(jié)合的預(yù)應(yīng)力措施,有效改善結(jié)構(gòu)內(nèi)力;拱座采用梯形斷面擴大基礎(chǔ)方案,較常規(guī)水平頂面臺階狀擴大基礎(chǔ)減小混凝土方量20%,并采用隧洞開挖+明挖的永臨結(jié)合施工方案,減少了山體開挖量,降低了施工風(fēng)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(huán)、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(jié)構(gòu)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(yōu)良,各項計算指標均能滿足規(guī)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(shè),預(yù)計2024年建成通車。大橋建成后將成為國內(nèi)最大跨度單線鐵路拱橋。該橋的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)可為上承式勁性骨架混凝土拱橋在山區(qū)鐵路中的應(yīng)用提供參考和借鑒。