水柏鐵路北盤江大橋主橋設計特色

水柏鐵路北盤江大橋主橋設計特色陳克堅【摘要】水柏鐵路北盤江大橋主橋為236m上承式鋼管混凝土提籃拱.著重介紹該橋主橋結構設計中采用的鋼管混凝土提籃拱，鋼管拱肋上下弦管與腹桿連接節(jié)點板，拱肋橫聯(lián)*形橫聯(lián)，拱上剛架墩支座,拱頂帶肋鋼筋混凝土n形剛架等有特色的技術，以及轉體施工，轉體球鉸，拱肋內(nèi)混凝土灌筑次序，拱腳臨時轉動鉸等設計.【期刊名稱】《鐵道標準設計》【年(卷)，期】2004(000)006【總頁數(shù)】4頁(P40-43)【關鍵詞】北盤江大橋;鐵路橋梁;拱橋;鋼管混凝土;結構設計;轉體施工【作者】陳克堅【作者單位】鐵道第二勘察設計院橋隧處，四川，成都,610031【正文語種】中文【中圖分類】U448.221工程概況北盤江大橋位于貴州省六盤水市境內(nèi)的崇山峻嶺地區(qū)，從河底到橋面高達280m,在全線最低點跨越北盤江，是水柏鐵路全線重點控制工程。中心里程DK71+322,橋梁全長468.20m，孔跨布置為3x24mPC簡支梁+236m上承式鋼管混凝土提籃拱+5x24mPC簡支梁。主橋上承式鋼管混凝土提籃拱由2條拱助內(nèi)傾6.5°形成提籃拱。拱肋拱址處中心距為19.6m，拱頂中心距為6.156m,拱軸系數(shù)m=3.2，矢跨比1/4。拱肋為等截面，肋高5.4m，肋寬2.0m，每條拱肋由4根中1000x16mm鋼管組拼構成。2條拱肋間橫聯(lián)由鋼管組成的X形構件和直斜管構件組成，拱上結構為5x16mPPC簡支梁+82mn形鋼筋混凝土剛架+5x16mPPC簡支梁。拱上支墩為空心鋼筋混凝土剛架墩。鋼管拱肋桁架采用有平衡重平面轉體法施工，轉體重量104000kN。水城岸轉體135°，柏果岸轉體180°。全橋布置見圖1。圖1大橋總布置(單位：cm)2主橋結構設計特色采用鋼管混凝土提籃拱北盤江大橋所跨U形峽谷谷口寬約160m，陡壁岸坡穩(wěn)定性要求，無論采用哪種橋型，跨度均需要超過200m。對于同等跨度，在梁式橋和拱橋均適合的條件下，無疑拱橋是較合理、經(jīng)濟的橋型。采用鋼管混凝土拱橋相對于采用勁性骨架的鋼筋混凝土拱橋，盡管其用鋼量較大，但施工簡便，無需外包混凝土，省去了后者分步分環(huán)掛模灌筑混凝土的繁瑣施工工序。鋼管拱形成后，鋼管既是主要的受力構件，也是混凝土施工的模板。在鋼管內(nèi)頂升灌筑混凝土即可形成拱圈。同時，在拱圈形成過程中，鋼管混凝土拱橋變形小，施工穩(wěn)定性、安全性好。本橋拱圈形成過程中的跨中總撓度僅為10cm,施工變形控制及最終理想線形較容易實現(xiàn)，施工過程中拱橋結構的穩(wěn)定安全系數(shù)遠大于5。單線鐵路大跨度拱橋要解決的突出問題是橋梁的橫向剛度問題，即要求單線鐵路大跨度拱橋結構滿足運營條件下列車的安全性和乘坐旅客的舒適性。北盤江大橋主橋采用鋼管混凝土提籃拱，橫向穩(wěn)定性好，橫向剛度大，較好地適應了單線鐵路大跨度鐵路橋梁對橫向剛度的要求。同時，在橋梁造型上，適應了單線鐵路橋梁橋面較窄的特點，使橋面、拱上墩梁、拱圈三者線條較為流暢，增加了橋梁的整體美感。采用鋼管拱肋上、下弦管與腹桿連接節(jié)點板通常，鋼管混凝土拱橋的空腹段腹桿采用鋼管，腹桿與上下弦管連接采用管與管相貫焊接。本橋腹桿采用焊接工字鋼，腹桿與上下弦管連接采用節(jié)板，這主要是由于鐵路橋梁荷載的特殊性決定的。鐵路橋梁荷載的特點是有規(guī)律的重載，其荷載遠大于一般的公路荷載且規(guī)律性強，焊接接頭的疲勞問題十分突出。如采用管與管相貫焊接，按部分熔透的坡口焊接，相當部分腹桿接頭應力幅滿足不了美國ANSI/AWSP1.1—98中對此類接頭的允許應力幅的要求，相貫接頭即使采用完全熔透的坡口焊接，仍然有部分腹桿接頭應力幅不能滿足要求；況且完全熔透對于相貫接頭銳角根部的要求就目前的焊接技術來講是難以做到的。采用節(jié)點板連接，節(jié)點板與上下弦管焊接連接，與腹桿采用栓接。由于節(jié)點板本身的構造要求，尺寸較大，相鄰桿件內(nèi)力可相互抵消一部分，節(jié)點板與上下弦管焊接接頭疲勞不控制設計；同腹桿與上下弦管連接由管與管相貫焊接接頭的疲勞問題轉化為栓接接頭的疲勞問題，有效解決了腹桿與上下弦管接頭的疲勞問題。由于節(jié)點板與上下弦管焊接連接在工廠完成，腹桿與節(jié)點板栓接在工地上進行，關鍵焊縫在工廠完成，避免了工地上大量的焊接工作，更重要的是避免了管與管相貫連接時腹桿與上弦管的仰面焊接，焊接質量易于保障。通過工廠預拼裝后，鋼管拱架的線形也易于控制。采用*形拱肋橫聯(lián)本橋上下拱肋橫聯(lián)各由9組*形橫聯(lián)和少量直斜管組成。在提籃拱的橋型、拱肋截面確定以后，如何體現(xiàn)提籃拱橫向穩(wěn)定性好，橫向剛度大的優(yōu)勢，是需要分析研究的問題。設計時采用SAP93和SAP84程序擬定不同的橫聯(lián)形式、位置和尺寸進行了近50種整體模型的計算分析，優(yōu)化設計。計算結果表明，在拱肋尺寸確定以后，橫聯(lián)形式、位置及尺寸的選擇對提籃拱的橫向剛度有明顯的影響，尤其是橫聯(lián)的形式，采用直管和K形橫聯(lián)，單純增加直管和斜撐的截面有作用，但這樣既受到構造控制，效果也不明顯。而采用*形橫聯(lián)，對增加拱圈橫向自振頻率效果十分明顯；且在同等橫向剛度條件下，橫聯(lián)材料數(shù)量減少，橫聯(lián)結構經(jīng)濟性好。說明單線大跨度鐵路拱橋采用*形橫聯(lián)是成功的，可供今后類似橋梁設計所借鑒。拱肋橫聯(lián)平面布置見圖2。拱上剛架墩支座的布置圖2拱肋橫聯(lián)平面布置(單位：mm)拱上剛架墩最大墩高40.84m,剛架墩的設計原則是盡可能使剛架墩質量輕、橫向剛度大，以增加主橋結構的橫向自振頻率。為此，將拱上剛架設計成帶K形撐的鋼筋混凝土矩形空心墩。其壁厚僅為0.15-0.3m，雖然在施工中混凝土澆筑有—定難度，但卻較好地滿足了剛架墩設計原則。拱上剛架墩墩身較高，縱向受力也控制設計，為了減少剛架墩的截面尺寸，減輕結構質量，利用柔墩原理設計研究了剛架墩墩頂固定支座、活動支座的多種設置方案。在主力、制動力、溫度力作用下，進行了剛架墩受力對比分析計算，選取了對控制截面尺寸最有利的支座設置組合，最終采用方案為在最矮的剛架墩墩頂兩側均設置活動支座，其余剛架墩兩側及交界墩靠河一側和n形剛架上均設置固定、活動支座。交界墩與鄰近的3個剛架墩組成一聯(lián)，共同承受制動力弓I起的水平力；最矮墩與n形剛架之間的制動力由n形剛架承擔。由于最矮墩相對剛度最大，水平分配力最大；而且其橫向溫度力也大，墩底彎矩最控制設計。而在最矮墩墩頂兩側均設置活動支座，最矮墩只承受支座摩阻力引起的墩底彎矩，明顯改善了其受力狀態(tài)，從理論上分析也是合理的。通過固定、活動支座的合理設置，優(yōu)化了拱上剛架墩的設計，達到了橫向剛度大，自身質量輕的目的，效果良好。經(jīng)比較，這種位于鋼管混凝土拱圈上的輕型鋼筋混凝土空心剛架墩比位于巖石上的同等跨度的矩形混凝土橋墩圬工還節(jié)約10%以上。值得注意的是，雖然最矮墩的橫向剛度已經(jīng)很大，但由于其位置在拱的L/4處附近，拱圈在此處的變形相對較大，其橫向剛度仍需特別加強。初步設計時最矮墩未設置K形撐，后根據(jù)車橋耦合動力分析結果，在施工設計圖中增加了K形撐。拱上剛架墩布置見圖3。圖3拱上結構總布置(單位：cm)拱頂鋼筋混凝土n形剛架設計拱橋拱頂段結構設計可以有兩種選擇：一種是用拱上墩梁通過，一些公路拱橋有這樣的布置；一種是設置實體段。本橋根據(jù)提籃拱的特點，將拱頂段設計成n形剛架，其優(yōu)點在于既可減輕拱頂質量，增加結構橫向自振頻率，又可充分適應提籃拱的夕卜形特征，將n形剛架腹板與拱肋斜面平行，美化了橋梁的視覺效果。同時，通過對2條拱肋的豎橫向聯(lián)結，增強了結構的整體性，改善了提籃拱拱腳的結構內(nèi)力。為了盡一步優(yōu)化n形剛架的結構設計，減輕其質量，在n形剛架腹板、頂板上，每隔2.3~3.0m設置了鋼筋混凝土肋板。這種帶肋板的鋼筋混凝土n形剛架為鐵路橋梁上首次采用。轉體施工設計北盤江大橋橋址地處偏僻，不通航，交通不便，既有公路和施工便道坡陡彎急，經(jīng)試驗，運輸桿最長僅能達到8.6m左右，長大桿件無法運至工地，鋼管拱桁架構件只能分單元工廠制造，運至工地后組拼、焊接，工地焊縫長度達5.6km，工地焊接工作量巨大。為保證工地組拼焊接質量，生產(chǎn)安全，應盡可能減少高空作業(yè)。結合現(xiàn)場地形條件，經(jīng)懸臂拼裝和轉體施工方案比較，決定采用有平衡重平面轉體法施工，轉體施工重量達104000kN，為當時世界單鉸轉體施工最大重量。對于轉體施工技術，過去大噸位轉體均采用滑道體系。如比利時于1991年建成的本?艾因斜拉橋，采用滑道體系平轉法架梁，施工重量195000kN;國內(nèi)采用滑道法架設的橋梁最大重量為廣州丫髻沙大橋，轉體重量136800kN，但滑道體系對場地要求較高，必須要有寬闊平整的場地。而本橋場地狹窄，難以實施滑道體系轉體施工，采用單鉸轉體施工可大幅度減少現(xiàn)場平整施工場地的工程量。盡管單鉸轉體施工穩(wěn)定安全系數(shù)小于滑道體系轉體施工較多，但本橋在采用合理的工程措施后，最小穩(wěn)定安全系數(shù)大于1.5，可滿足鐵路橋規(guī)關于施工穩(wěn)定性的要求。本橋轉體實施時將轉體重心稍向后移，使前傾、后傾穩(wěn)定安全系數(shù)更為接近，提高了轉體施工的安全性。轉體立面布置見圖4。圖4轉體結構⑺轉體球鉸設計轉體球鉸設計與制造是轉體施工成敗的關鍵。早期的轉體施工由于轉體重量較輕，多采用混凝土鉸，通過打磨使混凝土表面光滑，再涂以黃油加四氟粉，增加潤滑。近期的轉體施工，隨著橋梁跨度的加大，轉體重量的增加，也有采用鋼板球鉸的。本橋單鉸轉體施工重量104000kN，較當時的單鉸轉體施工最大重量36000kN有了很大的增加，若沿用現(xiàn)有轉體球鉸形式，將會給轉體牽引帶來較大的困難。因此，如何降低轉體難度，減少轉體牽引力成為轉體球鉸設計研究的重點。本橋經(jīng)研究，借鑒球形支座設計原理，將填充式聚四氟乙烯復合滑片嵌入球鉸下鋼板，滑片經(jīng)轉體重量壓縮后仍露出下鋼板表面，上球鉸采用不銹鋼板，其間滑動摩擦因數(shù)僅為0.03-0.04,靜摩擦因數(shù)僅為0.05-0.06；同時，球鉸加工采用了精加工工藝，球鉸摩擦面表面不平整度不大于2mm,為轉體施工順利進行提供了良好條件。這種鋼與填充式聚四氟乙烯復合滑片作為摩擦副的轉體球鉸，大幅度減少了大噸位轉體施工的牽引力，降低了轉體難度，為世界轉體施工首次采用。球鉸凹面向上，使轉體結構更趨于穩(wěn)定。球面鉸的采用，給轉體合龍后的拱肋線形控制帶來了很大的方便，拱肋桁架合龍后，可通過千斤頂頂上盤來實現(xiàn)高精度合龍。北盤江大橋轉體施工非常平穩(wěn)順利，球鉸的作用很關鍵。這種球鉸形式摩擦因數(shù)小，加工精度有保障，十分適合于大噸位單鉸轉體，有很好的推廣應用前景，值得工程界關注。(8)拱肋內(nèi)混凝土的灌筑次序設計主橋拱肋內(nèi)灌筑C50微膨脹混凝土的數(shù)量較大，拱肋內(nèi)混凝土灌筑次序不僅對灌筑過程拱肋結構的受力和穩(wěn)定性影響大，而且對于成橋后的結構影響也大，尤其是對拱腳處的拱肋截面受力影響更大。不同的灌筑次序形成不同的成橋結構內(nèi)力。一般情況下，先灌筑的組件受力大，后灌筑的組件受力小。其原因在于先灌筑的組件，它的剛度先形成，剛度比后灌筑組件大，在后面的施工過程中它分配的內(nèi)力就大；而且，施工過程中混凝土收縮徐變弓I起內(nèi)力重分布，剛度大的組件分配的力也大。本橋通過幾種灌筑次序的對比分析，最終選擇的次序為：上弦管外側一上弦管內(nèi)側T下弦管外側T下弦管內(nèi)側T上弦管板間T下弦管板間T夕卜側腹板T內(nèi)側腹板。上下弦管板間的混凝土截面面積小于單根鋼管內(nèi)混凝土面積，如能先灌筑上下弦管板間混凝土再灌筑鋼管內(nèi)混凝土，理論上講應該更有利；但經(jīng)計算，鋼管結構承受徑向壓縮的能力遠小于承受徑向膨脹的能力，如先灌筑板間混凝土可能使鋼管受徑向壓縮而裂開。因此，未采用這一方案。本橋選擇的灌筑次序使拱腳截面處上弦管的壓力增大，下弦管壓力減少，能有效抵消拱腳處的負彎矩。經(jīng)計算，比較拱腳截面處由于不同灌筑次序而減少的負彎矩在25%以上，效果明顯，說明拱肋混凝土灌筑次序的比較選擇的必要性。⑼拱腳施工過程中采用臨時轉動鉸本橋在拱肋合龍前于拱腳截面設置了臨時轉動鉸，轉動鉸采用圓柱面支座，鋼管拱桁架合龍后再將其焊接鎖死。臨時轉動鉸的作用，主要可以在不增加拱肋內(nèi)力的條件下，較自由地調(diào)整拱肋線形。拱肋合龍前調(diào)整拱肋線形有3種方法：一是通過調(diào)整扣索力來調(diào)整拱肋線形，二是通過調(diào)整配重來調(diào)整拱肋線形，三是通過千斤頂頂上盤來調(diào)整拱肋線形。由于轉體上盤、交界墩、拱肋呈剛體運動，為保證交界墩的線形滿足設計要求，首先應通過第三種方法基本調(diào)整到位，但由于交界墩線形和鋼管拱合龍口相對高差的精度要求不一致，后者要求更高，因此，還需通過第一或第二種方法進行精確調(diào)整，以確保拱肋高精度合龍。為安全計，本橋扣索采用了雙錨具，扣索調(diào)整拱肋線形較為困難；而經(jīng)過計算，鋼管拱合龍前，在合龍口一端施加10kN的豎向力即可產(chǎn)生8mm的撓度，可見用調(diào)整配重的方法來精確調(diào)整拱肋線形是十分方便的。臨時轉動鉸的設置，使施工過程中的拱肋受力明確，拱腳無附加應力，拱肋桁架由支架拼裝狀態(tài)到扣索起拱狀態(tài)的體系轉換易于實現(xiàn)，拱肋線形控制簡便。3結語水柏鐵路北盤江大橋為我國首座鐵路鋼管混凝土拱橋，也是目前世界上跨度最大的單線鐵路拱橋。鋼管拱桁架，采用有平衡重單鉸平面轉體法施工，轉體施工重量104000kN，大橋技術含量高，設計施工難度大，在主橋結構設計中進行了一系列設計創(chuàng)新，為保證大橋的結構安全、使用性能、施工順