貴州水柏鐵路北盤江大橋橋型方案比選

貴州水柏鐵路北盤江大橋橋型方案比選

1主橋橋型設(shè)計(jì)北環(huán)江大橋位于貴州省崇山市。是柏樹鐵路（從六安到柏樹）的主要控制區(qū)。橋位處大橋與北盤江約呈80°交角。河谷深切呈“V”形,六盤水岸崖高約158m,呈直立狀,崖底約有3m倒懸;柏果岸陡壁約71°傾角,高約177m,無倒懸。六盤水岸基巖零星出露,柏果岸頂橋址基巖裸露,兩岸及谷底有零星塊石、漂石。橋址遠(yuǎn)離公路,交通極為不便。北盤江屬珠江水系,在黔桂交界處與南盤江匯合注入紅水河,屬山區(qū)劇烈下切河流,縱坡陡,河水湍急,含砂量較大,河水常年渾濁,多含煤粒。橋位處最大流量2540m3/s,最小流量20.4m3/s,大氣降水沿坡面及溶蝕裂隙流向陡崖,匯入北盤江中。由于線路較高,橋梁工程不受水文影響。六盤水市冬春干燥寒冷,夏季潮濕,冬季多冷凍,年平均氣溫為18.8℃,年平均降水量1119.7mm,盛行東南或東東南季風(fēng)。北盤江大橋在線路標(biāo)高1143.91m(全線最低點(diǎn))橫跨北盤江,從1994年全線可行性研究開始,先后進(jìn)行了十多個(gè)橋型方案的比選。經(jīng)過多次專家論證與審查,確定北盤江大橋主橋橋型為上承式鋼管混凝土拱。根據(jù)勘測(cè)資料并考慮兩岸巖溶發(fā)育的分布狀況和兩岸基礎(chǔ)埋深及岸坡穩(wěn)定等因素,其橋跨布置為:3×24mPC簡(jiǎn)支梁+236m上承式X形(提籃形)鋼管混凝土拱+5×24mPC簡(jiǎn)支梁,橋全長(zhǎng)468.20m。全橋布置見圖1。2主橋結(jié)構(gòu)2.1鋼管拱肋的安裝主橋結(jié)構(gòu)為上承式X形(提籃形)鋼管混凝土拱,拱趾中心跨度236m,其拱圈由2條拱肋與橫向聯(lián)接系構(gòu)成,拱肋橫向內(nèi)傾6.5°。拱肋拱趾處中心距19.6m,拱頂中心距6.156m,主拱立面投影拱軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)m=3.2,矢跨比1/4。拱肋高5.4m,寬2.5m,每肋由4肢?1000×16mm鋼管構(gòu)成,其上下弦各由2肢鋼管與其間的2塊12mm厚鋼板聯(lián)結(jié)呈啞鈴形,在拱肋的全長(zhǎng)上均為等截面;從拱趾起2跨16m梁范圍的鋼管拱肋上下弦之間各由2塊12mm厚鋼板聯(lián)結(jié),構(gòu)成實(shí)腹段,使拱肋斷面呈箱形;為加強(qiáng)混凝土與鋼板的連接,在鋼板上布置一定數(shù)量的栓釘。為防止在灌注混凝土?xí)r鋼板受側(cè)向壓力而漲鼓變形,在上下弦蓋板及拱肋腹板的2塊鋼板間設(shè)一定數(shù)量的螺桿加強(qiáng)。拱肋的中部其上下弦之間通過H形桿件,通過焊接在上下弦鋼管的節(jié)點(diǎn)板由高強(qiáng)度螺栓連接形成桁架式連接,拱肋上下弦及實(shí)腹段內(nèi)均灌注C50微膨脹混凝土。2條拱肋之間其上下弦采用?600×14mm和?800×14mm鋼管組成的多道“Ж”字形和“N”字形的平聯(lián)連接;上下弦平聯(lián)之間采用?450×14mm鋼管斜向連接,以此組成拱肋橫向聯(lián)接系。主橋拱肋及橫向聯(lián)接采用Q345d鋼材。主橋拱圈斷面結(jié)構(gòu)見圖2。2.2形剛架墩結(jié)構(gòu)拱上結(jié)構(gòu)為:5×16m超低高度PPC簡(jiǎn)支梁+82m拱頂Π形剛架+5×16m超低高度PPC簡(jiǎn)支梁。通過固定支座使3號(hào)交界墩與拱上①號(hào)墩柱、4號(hào)交界墩與拱上⑧號(hào)墩柱分別組成一聯(lián),拱上②、③、④號(hào)墩柱與拱頂Π形剛架I號(hào)段組成一聯(lián),⑤、⑥、⑦號(hào)墩柱與拱頂Π形剛架Ⅶ號(hào)段組成一聯(lián)。梁上制動(dòng)(牽引)力由上述結(jié)構(gòu)共同承受。剛架墩墩柱為鋼筋混凝土矩形空心墩,墩柱間采用鋼筋混凝土K形撐連接,以增強(qiáng)剛架墩的橫向剛度。墩柱橫向內(nèi)傾6.5°,與拱肋傾角一致。拱上①、⑧號(hào)墩柱高40.84m,②、⑤號(hào)墩柱高26.22m,③、⑥號(hào)墩柱高15.34m,④、⑦號(hào)墩柱高7.339m。墩柱頂部空心截面橫向?qū)挾葹?00cm,縱向?qū)挾?40cm,縱、橫向壁厚均為30cm,①、②、⑦、⑧號(hào)墩柱縱向內(nèi)外壁1∶100放坡,壁厚不變。墩柱間K形撐為矩形空心截面,K撐的水平桿截面高120cm,寬100cm,壁厚15cm;斜桿截面高80cm,寬100cm,壁厚15cm。墩柱與K撐均采用C30混凝土。剛架墩結(jié)構(gòu)見圖3。拱頂Π形剛架縱向分為7個(gè)節(jié)段(7.9+2×9+30.82+2×9+7.9)m,每段間留3cm伸縮縫。Π形剛架頂板寬7.0m,厚度25cm,除中間30.82m段腹板厚度為60cm外,其它節(jié)段腹板厚度均為20cm。腹板橫向傾斜6.5°,與拱肋傾斜一致。Π形剛架縱向每2.7~3m設(shè)置1道厚度為20cm的橫隔板,橫隔板下部掏空,呈Π形。拱頂Π形剛架結(jié)構(gòu)見圖4。拱上剛架墩底部設(shè)置加勁的鋼箱墩座與拱肋連接,鋼箱底部與拱肋上弦焊接,墩柱鋼筋插入鋼箱混凝土內(nèi)連接;Π形剛架腹板底部設(shè)置2道10mm厚鋼板,腹板鋼筋端部與鋼板焊接,鋼板與拱肋上弦蓋板焊接,中間30.82m節(jié)段腹板底部除采取鋼板連接外,增設(shè)了波浪形剪力鋼筋,以加強(qiáng)與拱肋上弦的連接。Π形剛架橫隔板內(nèi)均設(shè)置1道門形鋼板,門形鋼板的2個(gè)支腿與拱頂上弦鋼板焊接。2.3計(jì)算主橋結(jié)構(gòu)的成本2.3.1主橋安全性能計(jì)算值全橋橫向剛度控制設(shè)計(jì)中,對(duì)于自振周期,按橫向第一自振周期不大于1.65s控制設(shè)計(jì),同時(shí)進(jìn)行橫向振動(dòng)分析和車橋耦合動(dòng)力計(jì)算,其脫軌系數(shù)、橫向振幅、舒適度等計(jì)算值,都滿足有關(guān)規(guī)定。主橋計(jì)算最大橫向自振周期為1.54s,滿足控制設(shè)計(jì)要求。機(jī)車與車輛脫軌系數(shù)在0.5以下,行車安全性能可以得到保證;行車舒適性能在豎向及橫向達(dá)到“良好”級(jí)別;貨車80km/h通過時(shí),橋梁各梁跨最大撓度沖擊系數(shù)為1.117,最大橫向水平位移為6.46mm,最大豎向位移為24.6mm,最大橫向加速度為0.246g,最大豎向加速度為0.152g,都在允許范圍內(nèi)。2.3.2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性按鐵路橋規(guī)進(jìn)行施工階段拱圈及運(yùn)營(yíng)階段全橋的穩(wěn)定性計(jì)算,采用多個(gè)結(jié)構(gòu)程序予以計(jì)算,并相互印證,滿足鐵路橋規(guī)的要求。2.3.3結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析一期、二期恒載按施工過程拱肋加載的實(shí)際歷程進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和內(nèi)力、位移的疊加,得到成橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移。拱肋混凝土收縮按降溫15℃考慮。拱圈鋼結(jié)構(gòu)預(yù)拱度按拱圈實(shí)際位移設(shè)置,該位移包括:一期恒載位移、二期恒載位移、混凝土收縮位移(按降溫15℃考慮)及50%靜活載的結(jié)構(gòu)位移?；钶d計(jì)算采用ANSYS結(jié)構(gòu)分析程序計(jì)算內(nèi)力影響線,ALGOR程序(SAP93)計(jì)算校核。采用專用程序進(jìn)行影響線加載得到結(jié)構(gòu)活載內(nèi)力?；钶d作用下跨中最大豎向撓度為1.95cm。2.3.4競(jìng)計(jì)和總疲勞強(qiáng)度主橋拱圈疲勞強(qiáng)度控制的部位是拱肋腹桿節(jié)點(diǎn)板焊接根部和橫聯(lián)管管相貫焊接處?！癏”形腹桿與上下弦鋼管的焊接連接,依據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.2-99)驗(yàn)算疲勞強(qiáng)度。橫聯(lián)管管相貫接頭疲勞強(qiáng)度參考美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》ANSI/AWSD1.1-98進(jìn)行檢算;另外參考?xì)W洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)《鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)接頭疲勞強(qiáng)度進(jìn)行核算;由于該細(xì)節(jié)超越了“鐵路橋規(guī)”的范疇,采用做試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn),驗(yàn)證一些管管相貫處的容許疲勞應(yīng)力幅值。2.4查設(shè)備的設(shè)置根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)批復(fù)意見,全橋應(yīng)設(shè)計(jì)有相應(yīng)必要的檢查設(shè)施。拱圈部分檢查設(shè)備按檢查人員能較易到達(dá)拱肋任何位置的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。拱肋檢查設(shè)備共設(shè)3層通道。上層通道位于拱肋上弦頂面,全拱肋貫通;坡度較陡的位置,設(shè)鋼筋梯;在墩座和Π形剛架位置,可繞行通過。中層通道位于拱肋下弦頂面,全拱肋貫通。下層通道懸吊于拱肋下弦上,通道寬度149cm,凈高180cm,全鋼結(jié)構(gòu);行走道板為擴(kuò)張金屬網(wǎng),橫梁槽鋼設(shè)在擴(kuò)張金屬網(wǎng)之上,兼作踏步梯。在4號(hào)墩柱位置左右設(shè)置1對(duì)上下通道,通道上方接剛架墩頂帽圍欄,向下一直延伸到下層通道。2.5拱圈鋼結(jié)構(gòu)表面涂層橋址環(huán)境無工業(yè)污染源,處于大氣環(huán)境中,按使用要求對(duì)該橋進(jìn)行長(zhǎng)效防腐設(shè)計(jì),要求防腐蝕年T≥30(第一次維修壽命T1≥20年)。拱圈鋼結(jié)構(gòu)表面采用熱噴涂復(fù)合涂層體系,涂層類型為電弧熱噴鋁合金+封閉+涂裝,標(biāo)號(hào)為AL160LQB。鋁合金材料為5A02(GB/T3190),涂層標(biāo)準(zhǔn)厚度160μm。封閉涂料為H06-19鋅黃環(huán)氧樹脂底漆(ZBG51095-81),涂層標(biāo)準(zhǔn)厚度為40~50μm。外涂裝層采用厚漿型氯化橡膠面漆(QJ/DQ02-246-89),涂層標(biāo)準(zhǔn)厚度為150μm(兩度)。3轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)組成主拱肋采用單鉸平轉(zhuǎn)法施工,六盤水岸平轉(zhuǎn)135°,柏果岸平轉(zhuǎn)180°。整個(gè)轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由上盤、下盤、球鉸、交界墩、扣索和背索、牽轉(zhuǎn)系統(tǒng)等組成,轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)立面示意見圖5。上盤預(yù)應(yīng)力束、背索、扣索均采用1860MPa級(jí)?15.24鋼絞線。轉(zhuǎn)體時(shí)半拱鋼結(jié)構(gòu)自重約為12014kN,重心距拱腳臨時(shí)鉸中心水平距離48.86m,施工轉(zhuǎn)體實(shí)際總重為104000kN。3.1預(yù)應(yīng)力張拉與扣索張拉交替上盤平面呈“十”字形,橫向最大寬度26m,縱向最大長(zhǎng)度20.03m,球鉸支撐部位縱向向前突出3.5m,上盤厚度6m,上盤底部透視見圖6,上盤與交界墩構(gòu)造見圖7。上盤為三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),施工時(shí)上盤預(yù)應(yīng)力施加與扣索和背索張拉交替進(jìn)行。上盤縱向預(yù)應(yīng)力束采用48束19?15.24鋼絞線,錨下控制應(yīng)力為0.75fpk,沿上盤底布置成2層。上盤橫向預(yù)應(yīng)力采用13束12?15.24鋼絞線布置在球鉸區(qū)上盤頂面,在背索錨固端附近、交界墩底的上盤頂面、底面及拱腳承壓斜面下的橫向拉應(yīng)力較大區(qū)域布置59束4?15.24鋼絞線。上盤的交界墩前后剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力較大區(qū)域,布置了680根?32冷拉IV級(jí)鋼筋。橫向、豎向預(yù)應(yīng)力張拉錨下控制應(yīng)力均為0.70fpk。上盤底面距球鉸中心3.5m半徑的圓周上,等距離設(shè)6根保險(xiǎn)腿撐腳。每根撐腳由2根?1000×14的鋼管混凝土連接而成。下盤表面設(shè)滑道與之配合。撐腳與下盤滑道表面留5mm間隙。3.2基坑底及坑壁壓漿治理下盤為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),轉(zhuǎn)體完成后,與上盤共同形成主拱基礎(chǔ)。其上附設(shè)保險(xiǎn)腿滑道、牽引反力座等。針對(duì)基坑溶洞、溶槽及溶縫發(fā)育情況,對(duì)3號(hào)墩基坑底及坑壁進(jìn)行全面壓漿整治。4號(hào)墩基坑基礎(chǔ)以球鉸為中心9m×13m范圍基礎(chǔ)加深4m,開挖過程中遇溶縫、溶隙或溶洞采用混凝土灌注和壓漿處理?；灼溆嗖糠志植堪l(fā)育的溶縫和溶隙采用局部壓漿處理;對(duì)于較寬大溶槽在將軟弱層清除后,用C20混凝土回填。3.3鋼板壓制與制作球鉸傳遞轉(zhuǎn)體重量,兼作轉(zhuǎn)體定位軸,結(jié)構(gòu)示意見圖8,其中心位于交界墩中心前方7.23m處。轉(zhuǎn)體球鉸由上下2個(gè)球面組成,球面半徑R=8m,采用25mm厚鋼板壓制而成。上球面位于上盤底部,為凸面,下球面位于轉(zhuǎn)體下盤上,為凹面,球鉸直徑3.5m。為防止在加工、運(yùn)輸過程中變形,同時(shí)為加強(qiáng)與上下盤混凝土的連接,其背部設(shè)肋條。在下球面鋼板上鑲嵌聚四氟乙烯片,以減小上下球面之間的摩擦系數(shù)。下球鉸周圍灌注C40混凝土,上球鉸周圍填充C60混凝土。球鉸中心設(shè)?210mm鋼定位軸,定位軸套筒穿透上盤,必要時(shí)可取出定位軸。3.4盤頂頂帽和鋼絞線轉(zhuǎn)體施工時(shí)交界墩為主要的受力構(gòu)件,兼作為轉(zhuǎn)體平衡壓重,見圖7。其結(jié)構(gòu)為矩形空心墩,位于上盤頂面,墩高為53.878m,墩身采用C30混凝土,托盤及頂帽采用C40混凝土。由于轉(zhuǎn)體扣索和背索均錨固于其頂帽上,設(shè)計(jì)對(duì)頂帽進(jìn)行了加強(qiáng),頂帽厚度4m,縱向?qū)挾?.5m,橫向?qū)挾?.2m。頂帽設(shè)4層一共28束12?15.24的橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線,錨下控制應(yīng)力為0.75fpk。墩頂截面橫向壁厚60cm,縱向壁厚65cm;墩身縱橫兩個(gè)方向放坡,縱向外坡40∶1,內(nèi)坡50∶1;橫向外坡50∶1,內(nèi)坡55∶1。3.5主拱設(shè)計(jì)及車橋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)體時(shí)拱肋通過扣索懸吊于交界墩頂端,拱肋轉(zhuǎn)體到位后在合龍前可通過扣索來調(diào)整拱肋標(biāo)高?？鬯鞑捎?束12?15.24鋼鉸線作為承力索,設(shè)計(jì)總拉力為9501kN,鋼絞線工作應(yīng)力為0.38fpk。采取單端張拉,主拱上的扣點(diǎn)設(shè)為固定端,交界墩頂為張拉端。背索用于平衡交界墩上扣索拉力。背索采用42束19?15.24鋼絞線。上端錨固于交界墩頂帽,縱向與交界墩中心夾角為5.021°。采取單端張拉,張拉端設(shè)在墩頂,鋼絞線工作應(yīng)力為0.462fpk,背索總拉力為96000kN。3.6靜摩擦系數(shù)的計(jì)算牽轉(zhuǎn)系統(tǒng)由牽引索、反力座和連續(xù)頂推千斤頂三部分組成。根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)測(cè)試結(jié)果,鋼與聚四氟乙烯滑動(dòng)摩擦系數(shù)一般為:靜摩擦系數(shù)μ靜=0.07~0.08,動(dòng)摩擦系數(shù)μ動(dòng)=0.04~0.05。設(shè)計(jì)靜摩擦系數(shù)按0.1控制,動(dòng)摩擦系數(shù)按0.06計(jì)算。按球鉸承重面均勻受力,承重力P=120000kN,計(jì)算啟動(dòng)時(shí)牽轉(zhuǎn)力約為T1=1532.5kN,啟動(dòng)后牽轉(zhuǎn)力約為T2=919.5kN。牽引索為2對(duì)(4束)12-?15.24鋼絞線,張拉系統(tǒng)采用ZTD2000-250型連續(xù)牽引千斤頂及相應(yīng)的ZTDB油泵。牽引反力座設(shè)于下盤之上,共4個(gè)。3.7臨時(shí)打開按鈕為在拱肋合龍前能調(diào)整拱肋線形,保證拱肋精確地合龍,拱腳設(shè)置了臨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸。在拱肋合龍后,臨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸灌注混凝土封閉。3.8結(jié)構(gòu)分析計(jì)算將轉(zhuǎn)體上盤、交界墩整體離散為塊體單元模型,將交界墩背索拉力、拱肋扣索拉力及上盤預(yù)應(yīng)力等模擬為結(jié)構(gòu)外力,根據(jù)轉(zhuǎn)體施工步驟逐步施加到結(jié)構(gòu)上,采用ALGOR結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)上盤和交界墩整體分析計(jì)算。4上盤及拱肋混凝土安裝(1)澆注下盤混凝土,安裝下球鉸,制作保險(xiǎn)腿滑道,澆注牽引反力座、千斤頂?shù)鬃?現(xiàn)場(chǎng)拼裝鋼管拱桁。(2)安裝上球鉸,并做轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn);在砂箱上立模施工上盤,注意在上盤尾部縱向1m范圍設(shè)硬支承,但在背索錨固區(qū)不能設(shè)硬支承。(3)張拉上盤全部橫向、豎向預(yù)應(yīng)力鋼束。張拉第一批縱向預(yù)應(yīng)力鋼束,此時(shí)上盤中央向上微拱,上盤自重大部分轉(zhuǎn)移到尾部的硬支承和球鉸上面,上盤縱向呈簡(jiǎn)支狀態(tài)。(4)在上盤上修建交界墩,修建交界墩過程中上盤不再施加預(yù)應(yīng)力。(5)張拉上盤第二批縱向預(yù)應(yīng)力鋼束。(6)根據(jù)平衡的需要,在上盤堆放平衡重物。(7)拆除上盤模板及砂箱,為張拉背索提供操作空間。(8)按設(shè)計(jì)步驟,交替、分級(jí)張拉扣索、背索和上盤縱向預(yù)