水柏铁路北盘江大桥主桥设计特色

水柏铁路北盘江大桥主桥设计特色陈克坚【摘要】水柏铁路北盘江大桥主桥为236m上承式钢管混凝土提篮拱.着重介绍该桥主桥结构设计中采用的钢管混凝土提篮拱，钢管拱肋上下弦管与腹杆连接节点板，拱肋横联*形横联，拱上刚架墩支座,拱顶带肋钢筋混凝土n形刚架等有特色的技术，以及转体施工，转体球铰，拱肋内混凝土灌筑次序，拱脚临时转动铰等设计.【期刊名称】《铁道标准设计》【年(卷)，期】2004(000)006【总页数】4页(P40-43)【关键词】北盘江大桥;铁路桥梁;拱桥;钢管混凝土;结构设计;转体施工【作者】陈克坚【作者单位】铁道第二勘察设计院桥隧处，四川，成都,610031【正文语种】中文【中图分类】U448.221工程概况北盘江大桥位于贵州省六盘水市境内的崇山峻岭地区，从河底到桥面高达280m,在全线最低点跨越北盘江，是水柏铁路全线重点控制工程。中心里程DK71+322,桥梁全长468.20m，孔跨布置为3x24mPC简支梁+236m上承式钢管混凝土提篮拱+5x24mPC简支梁。主桥上承式钢管混凝土提篮拱由2条拱助内倾6.5°形成提篮拱。拱肋拱址处中心距为19.6m，拱顶中心距为6.156m,拱轴系数m=3.2，矢跨比1/4。拱肋为等截面，肋高5.4m，肋宽2.0m，每条拱肋由4根中1000x16mm钢管组拼构成。2条拱肋间横联由钢管组成的X形构件和直斜管构件组成，拱上结构为5x16mPPC简支梁+82mn形钢筋混凝土刚架+5x16mPPC简支梁。拱上支墩为空心钢筋混凝土刚架墩。钢管拱肋桁架采用有平衡重平面转体法施工，转体重量104000kN。水城岸转体135°，柏果岸转体180°。全桥布置见图1。图1大桥总布置(单位：cm)2主桥结构设计特色采用钢管混凝土提篮拱北盘江大桥所跨U形峡谷谷口宽约160m，陡壁岸坡稳定性要求，无论采用哪种桥型，跨度均需要超过200m。对于同等跨度，在梁式桥和拱桥均适合的条件下，无疑拱桥是较合理、经济的桥型。采用钢管混凝土拱桥相对于采用劲性骨架的钢筋混凝土拱桥，尽管其用钢量较大，但施工简便，无需外包混凝土，省去了后者分步分环挂模灌筑混凝土的繁琐施工工序。钢管拱形成后，钢管既是主要的受力构件，也是混凝土施工的模板。在钢管内顶升灌筑混凝土即可形成拱圈。同时，在拱圈形成过程中，钢管混凝土拱桥变形小，施工稳定性、安全性好。本桥拱圈形成过程中的跨中总挠度仅为10cm,施工变形控制及最终理想线形较容易实现，施工过程中拱桥结构的稳定安全系数远大于5。单线铁路大跨度拱桥要解决的突出问题是桥梁的横向刚度问题，即要求单线铁路大跨度拱桥结构满足运营条件下列车的安全性和乘坐旅客的舒适性。北盘江大桥主桥采用钢管混凝土提篮拱，横向稳定性好，横向刚度大，较好地适应了单线铁路大跨度铁路桥梁对横向刚度的要求。同时，在桥梁造型上，适应了单线铁路桥梁桥面较窄的特点，使桥面、拱上墩梁、拱圈三者线条较为流畅，增加了桥梁的整体美感。采用钢管拱肋上、下弦管与腹杆连接节点板通常，钢管混凝土拱桥的空腹段腹杆采用钢管，腹杆与上下弦管连接采用管与管相贯焊接。本桥腹杆采用焊接工字钢，腹杆与上下弦管连接采用节板，这主要是由于铁路桥梁荷载的特殊性决定的。铁路桥梁荷载的特点是有规律的重载，其荷载远大于一般的公路荷载且规律性强，焊接接头的疲劳问题十分突出。如采用管与管相贯焊接，按部分熔透的坡口焊接，相当部分腹杆接头应力幅满足不了美国ANSI/AWSP1.1—98中对此类接头的允许应力幅的要求，相贯接头即使采用完全熔透的坡口焊接，仍然有部分腹杆接头应力幅不能满足要求；况且完全熔透对于相贯接头锐角根部的要求就目前的焊接技术来讲是难以做到的。采用节点板连接，节点板与上下弦管焊接连接，与腹杆采用栓接。由于节点板本身的构造要求，尺寸较大，相邻杆件内力可相互抵消一部分，节点板与上下弦管焊接接头疲劳不控制设计；同腹杆与上下弦管连接由管与管相贯焊接接头的疲劳问题转化为栓接接头的疲劳问题，有效解决了腹杆与上下弦管接头的疲劳问题。由于节点板与上下弦管焊接连接在工厂完成，腹杆与节点板栓接在工地上进行，关键焊缝在工厂完成，避免了工地上大量的焊接工作，更重要的是避免了管与管相贯连接时腹杆与上弦管的仰面焊接，焊接质量易于保障。通过工厂预拼装后，钢管拱架的线形也易于控制。采用*形拱肋横联本桥上下拱肋横联各由9组*形横联和少量直斜管组成。在提篮拱的桥型、拱肋截面确定以后，如何体现提篮拱横向稳定性好，横向刚度大的优势，是需要分析研究的问题。设计时采用SAP93和SAP84程序拟定不同的横联形式、位置和尺寸进行了近50种整体模型的计算分析，优化设计。计算结果表明，在拱肋尺寸确定以后，横联形式、位置及尺寸的选择对提篮拱的横向刚度有明显的影响，尤其是横联的形式，采用直管和K形横联，单纯增加直管和斜撑的截面有作用，但这样既受到构造控制，效果也不明显。而采用*形横联，对增加拱圈横向自振频率效果十分明显；且在同等横向刚度条件下，横联材料数量减少，横联结构经济性好。说明单线大跨度铁路拱桥采用*形横联是成功的，可供今后类似桥梁设计所借鉴。拱肋横联平面布置见图2。拱上刚架墩支座的布置图2拱肋横联平面布置(单位：mm)拱上刚架墩最大墩高40.84m,刚架墩的设计原则是尽可能使刚架墩质量轻、横向刚度大，以增加主桥结构的横向自振频率。为此，将拱上刚架设计成带K形撑的钢筋混凝土矩形空心墩。其壁厚仅为0.15-0.3m，虽然在施工中混凝土浇筑有—定难度，但却较好地满足了刚架墩设计原则。拱上刚架墩墩身较高，纵向受力也控制设计，为了减少刚架墩的截面尺寸，减轻结构质量，利用柔墩原理设计研究了刚架墩墩顶固定支座、活动支座的多种设置方案。在主力、制动力、温度力作用下，进行了刚架墩受力对比分析计算，选取了对控制截面尺寸最有利的支座设置组合，最终采用方案为在最矮的刚架墩墩顶两侧均设置活动支座，其余刚架墩两侧及交界墩靠河一侧和n形刚架上均设置固定、活动支座。交界墩与邻近的3个刚架墩组成一联，共同承受制动力弓I起的水平力；最矮墩与n形刚架之间的制动力由n形刚架承担。由于最矮墩相对刚度最大，水平分配力最大；而且其横向温度力也大，墩底弯矩最控制设计。而在最矮墩墩顶两侧均设置活动支座，最矮墩只承受支座摩阻力引起的墩底弯矩，明显改善了其受力状态，从理论上分析也是合理的。通过固定、活动支座的合理设置，优化了拱上刚架墩的设计，达到了横向刚度大，自身质量轻的目的，效果良好。经比较，这种位于钢管混凝土拱圈上的轻型钢筋混凝土空心刚架墩比位于岩石上的同等跨度的矩形混凝土桥墩圬工还节约10%以上。值得注意的是，虽然最矮墩的横向刚度已经很大，但由于其位置在拱的L/4处附近，拱圈在此处的变形相对较大，其横向刚度仍需特别加强。初步设计时最矮墩未设置K形撑，后根据车桥耦合动力分析结果，在施工设计图中增加了K形撑。拱上刚架墩布置见图3。图3拱上结构总布置(单位：cm)拱顶钢筋混凝土n形刚架设计拱桥拱顶段结构设计可以有两种选择：一种是用拱上墩梁通过，一些公路拱桥有这样的布置；一种是设置实体段。本桥根据提篮拱的特点，将拱顶段设计成n形刚架，其优点在于既可减轻拱顶质量，增加结构横向自振频率，又可充分适应提篮拱的夕卜形特征，将n形刚架腹板与拱肋斜面平行，美化了桥梁的视觉效果。同时，通过对2条拱肋的竖横向联结，增强了结构的整体性，改善了提篮拱拱脚的结构内力。为了尽一步优化n形刚架的结构设计，减轻其质量，在n形刚架腹板、顶板上，每隔2.3~3.0m设置了钢筋混凝土肋板。这种带肋板的钢筋混凝土n形刚架为铁路桥梁上首次采用。转体施工设计北盘江大桥桥址地处偏僻，不通航，交通不便，既有公路和施工便道坡陡弯急，经试验，运输杆最长仅能达到8.6m左右，长大杆件无法运至工地，钢管拱桁架构件只能分单元工厂制造，运至工地后组拼、焊接，工地焊缝长度达5.6km，工地焊接工作量巨大。为保证工地组拼焊接质量，生产安全，应尽可能减少高空作业。结合现场地形条件，经悬臂拼装和转体施工方案比较，决定采用有平衡重平面转体法施工，转体施工重量达104000kN，为当时世界单铰转体施工最大重量。对于转体施工技术，过去大吨位转体均采用滑道体系。如比利时于1991年建成的本•艾因斜拉桥，采用滑道体系平转法架梁，施工重量195000kN;国内采用滑道法架设的桥梁最大重量为广州丫髻沙大桥，转体重量136800kN，但滑道体系对场地要求较高，必须要有宽阔平整的场地。而本桥场地狭窄，难以实施滑道体系转体施工，采用单铰转体施工可大幅度减少现场平整施工场地的工程量。尽管单铰转体施工稳定安全系数小于滑道体系转体施工较多，但本桥在采用合理的工程措施后，最小稳定安全系数大于1.5，可满足铁路桥规关于施工稳定性的要求。本桥转体实施时将转体重心稍向后移，使前倾、后倾稳定安全系数更为接近，提高了转体施工的安全性。转体立面布置见图4。图4转体结构⑺转体球铰设计转体球铰设计与制造是转体施工成败的关键。早期的转体施工由于转体重量较轻，多采用混凝土铰，通过打磨使混凝土表面光滑，再涂以黄油加四氟粉，增加润滑。近期的转体施工，随着桥梁跨度的加大，转体重量的增加，也有采用钢板球铰的。本桥单铰转体施工重量104000kN，较当时的单铰转体施工最大重量36000kN有了很大的增加，若沿用现有转体球铰形式，将会给转体牵引带来较大的困难。因此，如何降低转体难度，减少转体牵引力成为转体球铰设计研究的重点。本桥经研究，借鉴球形支座设计原理，将填充式聚四氟乙烯复合滑片嵌入球铰下钢板，滑片经转体重量压缩后仍露出下钢板表面，上球铰采用不锈钢板，其间滑动摩擦因数仅为0.03-0.04,静摩擦因数仅为0.05-0.06；同时，球铰加工采用了精加工工艺，球铰摩擦面表面不平整度不大于2mm,为转体施工顺利进行提供了良好条件。这种钢与填充式聚四氟乙烯复合滑片作为摩擦副的转体球铰，大幅度减少了大吨位转体施工的牵引力，降低了转体难度，为世界转体施工首次采用。球铰凹面向上，使转体结构更趋于稳定。球面铰的采用，给转体合龙后的拱肋线形控制带来了很大的方便，拱肋桁架合龙后，可通过千斤顶顶上盘来实现高精度合龙。北盘江大桥转体施工非常平稳顺利，球铰的作用很关键。这种球铰形式摩擦因数小，加工精度有保障，十分适合于大吨位单铰转体，有很好的推广应用前景，值得工程界关注。(8)拱肋内混凝土的灌筑次序设计主桥拱肋内灌筑C50微膨胀混凝土的数量较大，拱肋内混凝土灌筑次序不仅对灌筑过程拱肋结构的受力和稳定性影响大，而且对于成桥后的结构影响也大，尤其是对拱脚处的拱肋截面受力影响更大。不同的灌筑次序形成不同的成桥结构内力。一般情况下，先灌筑的组件受力大，后灌筑的组件受力小。其原因在于先灌筑的组件，它的刚度先形成，刚度比后灌筑组件大，在后面的施工过程中它分配的内力就大；而且，施工过程中混凝土收缩徐变弓I起内力重分布，刚度大的组件分配的力也大。本桥通过几种灌筑次序的对比分析，最终选择的次序为：上弦管外侧一上弦管内侧T下弦管外侧T下弦管内侧T上弦管板间T下弦管板间T夕卜侧腹板T内侧腹板。上下弦管板间的混凝土截面面积小于单根钢管内混凝土面积，如能先灌筑上下弦管板间混凝土再灌筑钢管内混凝土，理论上讲应该更有利；但经计算，钢管结构承受径向压缩的能力远小于承受径向膨胀的能力，如先灌筑板间混凝土可能使钢管受径向压缩而裂开。因此，未采用这一方案。本桥选择的灌筑次序使拱脚截面处上弦管的压力增大，下弦管压力减少，能有效抵消拱脚处的负弯矩。经计算，比较拱脚截面处由于不同灌筑次序而减少的负弯矩在25%以上，效果明显，说明拱肋混凝土灌筑次序的比较选择的必要性。⑼拱脚施工过程中采用临时转动铰本桥在拱肋合龙前于拱脚截面设置了临时转动铰，转动铰采用圆柱面支座，钢管拱桁架合龙后再将其焊接锁死。临时转动铰的作用，主要可以在不增加拱肋内力的条件下，较自由地调整拱肋线形。拱肋合龙前调整拱肋线形有3种方法：一是通过调整扣索力来调整拱肋线形，二是通过调整配重来调整拱肋线形，三是通过千斤顶顶上盘来调整拱肋线形。由于转体上盘、交界墩、拱肋呈刚体运动，为保证交界墩的线形满足设计要求，首先应通过第三种方法基本调整到位，但由于交界墩线形和钢管拱合龙口相对高差的精度要求不一致，后者要求更高，因此，还需通过第一或第二种方法进行精确调整，以确保拱肋高精度合龙。为安全计，本桥扣索采用了双锚具，扣索调整拱肋线形较为困难；而经过计算，钢管拱合龙前，在合龙口一端施加10kN的竖向力即可产生8mm的挠度，可见用调整配重的方法来精确调整拱肋线形是十分方便的。临时转动铰的设置，使施工过程中的拱肋受力明确，拱脚无附加应力，拱肋桁架由支架拼装状态到扣索起拱状态的体系转换易于实现，拱肋线形控制简便。3结语水柏铁路北盘江大桥为我国首座铁路钢管混凝土拱桥，也是目前世界上跨度最大的单线铁路拱桥。钢管拱桁架，采用有平衡重单铰平面转体法施工，转体施工重量104000kN，大桥技术含量高，设计施工难度大，在主桥结构设计中进行了一系列设计创新，为保证大桥的结构安全、使用性能、施工顺