云桂铁路南盘江特大桥桥式方案研究

任 伟

（中铁二院工程集团有限责任公司 四川成都 610031）

1 工程概况

云桂铁路西起中国云南省昆明市，东至广西壮族自治区南宁市，是中国西南与华南地区客货交流的重要通道。铁路设计时速为客车250 km、货车120 km，铁路在云南省弥勒市与丘北县交界处跨越南盘江。在线路可能穿越的区域，地形多为深切的V形峡谷，无论从技术的合理性还是与自然环境的协调性看，上承式拱桥都是最佳的选择。在可行性研究阶段，南盘江大桥重点比选了两个桥位，二者相距约2 km。若采用上承式拱桥桥型，下游桥位主跨度约为400 m，上游桥位主跨约为360 m。随着地质勘探的深入，发现沿河谷的小里程岸坡上发育有一条连续的断层破碎带，带宽约60 m，影响拱座基础的设置。如果避开该断层破碎带的影响，下游桥位的主桥跨径需要增至500 m以上，而上游桥位的跨径为420 m左右。由于上游桥位跨度较小，同时也满足线路走向和高程的要求，因而被最终选中。

桥址区地处高山峡谷地区，地面高程960～1 520 m，相对高差80～560 m，地形陡峻，坡面植被茂密。其中大里程桥台陡坡段为林地，小里程桥台处灌木丛生。昆明岸桥下有7 m宽沥青路面公路，系丘北县至弥勒县的305省道，公路交通较为方便。桥位处属于亚热带湿润季风气候，年平均气温16.4℃，极端最高气温34.9℃，极端最低气温-7.6℃。月平均气温最高为7月份，为21.8℃；月平均气温最低为1月份，为8.8℃。年平均风速为1.8 m／s，最高风速18 m／s。桥址地层下伏基岩为灰岩及炭质灰岩。灰岩W3基本承载力为0.5 MPa；W2基本承载力为1.0 MPa。场地地震峰值加速度为0.1 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，场地类别为I类［1］。

2 桥式方案

钢拱桥、混凝土拱桥是拱桥的传统类型，应用最多。20世纪90年代以来，钢管混凝土拱桥在中国异军突起，具有用钢量较少、施工方便的优点。就上承式拱桥而言，钢拱桥最大跨径为518.3 m，是美国的新河谷桥；混凝土拱桥最大跨径为420 m，是中国的万县长江大桥；钢管混凝土拱桥最大跨径达到430 m，为中国的支井河大桥［2-4］。本桥跨径在420 m左右，拱圈采用混凝土、钢或钢管混凝土材料都是可行的。另外由于本桥跨径很大，为满足铁路桥较为特殊的横向刚度要求，拱圈需要较大的宽度，这与较窄的双线铁路桥面系是一对矛盾，采用提篮式双肋拱似乎更为合理。经过梳理，设计提出了上承式钢桁拱、上承式钢管混凝土拱、上承式钢筋混凝土双肋箱拱和上承式钢筋混凝土整体箱拱四个方案进行比选。

图1 上承式钢桁拱效果图

2.1 上承式钢桁拱方案

一般来说，钢拱桥跨径超过200 m时，拱肋采用桁式更为合理，结合横向刚度要求，采用内倾的提篮形桁式拱肋。钢桁拱跨径416 m，矢高f＝99 m，矢跨比1／4.2。引桥及拱上梁跨布置为3-42 m预应力混凝土连续梁+（60+104+60）m预应力混凝土连续刚构+8-39.5 m钢混连续梁+2-60 m预应力混凝土T构+1-42 m预应力混凝土简支梁，见图1。引桥采用较大跨径的连续刚构和T构，主要为降低拱上和引桥的墩高，同时避免大里程岸拱座开挖对相邻引桥基础的影响。方案中除拱肋采用钢结构外，拱上墩柱及拱上8-39.5 m连续梁也使用钢结构。钢桁拱方案技术相对成熟，施工工艺也相对简单，技术上没有太大的挑战。横向刚度控制设计是本桥的主要技术特点，也是设计的难点。因为横向刚度影响了杆件截面、拱肋桁高、拱肋间距及拱肋倾斜角度的选择，并最终决定大桥的钢材用量［5-6］。通过“车-桥耦合振动仿真分析”，经过多种拱圈宽度的比选，确定拱脚处拱肋中心距40 m，拱顶处16 m，拱肋及拱上墩内倾角度为6.911°。该方案主桥用钢量为28 831 t（包括拱圈、拱上墩柱和结合梁），全桥概算造价6.75亿元。

图2上承式钢管混凝土拱效果图

2.2 上承式钢管混凝土拱方案

钢管混凝土拱桥在中国近20多年发展极为迅速，目前最大跨径已达到530 m，为中国四川省合江大桥（中承 式）［7-9］。钢 管混凝土拱方案的总体布置与钢桁拱方案相同，不同之处主要为拱肋结构，见图2。拱肋上下弦均为Φ1 600×20 mm的双钢管，合龙后钢管内灌注C55混凝土；拱肋中央部分为桁式，拱上#1墩及以下部分为实腹式（内填C55混凝土）。这种结构布局主要为主桥降低结构重心，同时增强横向刚度。拱脚处两片拱肋的横向中心距为36 m，拱顶处为12 m，拱肋及拱上墩柱内倾角为6.911°。拱上墩柱及梁体与钢桁拱方案相同，主桥用钢量为20 035吨，全桥概算造价5.31亿元。

2.3 上承式混凝土双肋箱拱方案

就混凝土拱方案，本桥采用双肋箱拱和整体箱拱都是可行的，在横向刚度控制的情况下，采用提篮式肋拱似乎更节约材料［10］。方案总体布置与前者大致相同，跨度为416 m，矢高99 m，矢跨比1／4.2，拱轴线采用悬链线。双肋间于墩柱位置共设9道横梁，拱上墩柱及梁体均采用混凝土结构。拱肋为变宽、变高度箱形结构，拱顶宽度4.5 m，高度7 m；拱脚宽度7.5 m，高度11 m。拱肋内倾角度为6.054°，拱脚处拱肋横向中心距为30 m，拱顶为9 m。拱圈采用“米兰法”施工，以钢管混凝土桁架作为劲性骨架，桁架上、下弦一共设8根弦管，钢管桁架合龙之后，弦管内压注C80混凝土。该方案拱座基础形式与其它方案不同，为拱圈直接插入地基的嵌岩基础，如图3所示。该方案拱圈混凝土总量为23 559 m3，内置骨架用钢量为4 423 t，全桥概算造价为4.41亿元。

图3 上承式混凝土肋拱效果图

图4 上承式混凝土箱拱效果图

2.4 上承式混凝土整体箱拱方案

混凝土箱拱方案的总体布置与上述方案相同，拱圈拱轴线采用悬链线。拱圈为等高、变宽的三室混凝土箱，高度 8.5 m，中央286 m范围为18 m等宽；拱脚65 m范围为18～28 m变宽。拱上墩柱均直立，与梁部均都采用混凝土结构，如图4所示。拱圈采用“米兰法”施工。拱圈混凝土混凝土量为24 068 m3，劲性骨架钢材用量为4 011 t，全桥概算造价为4.46亿元。

3 桥型方案比选

在中国人工费相对较低的工程环境下，钢材用量几乎决定了桥梁造价的高低。四个方案中钢拱桥造价太高，因而被最先放弃；钢管混凝土拱方案造价比两个混凝土拱方案造价约高1亿元左右，但它也有自身的优点，其施工工期比混凝土拱桥方案至少要缩短2年。钢管混凝土拱桥在中国主要使用在公路桥梁上，铁路桥梁应用较少。本公司设计的2001年建成的水柏铁路北盘江大桥，为跨径236 m的钢管混凝土拱桥，其结构形式与本桥的钢管混凝土拱方案接近。该桥拱圈结构采用了平转法施工，钢管桁架拱及钢管联接系均在山坡的支架上拼装，所有钢管接头焊接完成后再实施转体和合龙，管结构拼装焊接质量得以保证。本桥由于缺乏转体施工的地形条件，钢管拱桁架必须采取高空吊装和焊接，能否实现高精度的拼装没有把握，这是疲劳问题突出的铁路桥非常忌讳的技术问题。除了造价偏高外，高空拼装焊接质量无法保证也是本桥钢管混凝土拱方案被否定的重要原因［11］。

根据云桂铁路全线总体施工组织计划，即使南盘江大桥工期长达5年，也不影响全线的工期安排，因而造价相对较低的混凝土拱方案优势更加凸显。提篮式混凝土双肋箱拱与混凝土整体箱拱相比，材料用量和造价都非常接近，如何抉择主要看二者的美观程度和施工难度差异。从美观角度看，两个混凝土拱桥方案似乎难分伯仲；从施工难度看，二者都采用“米兰法”施工，内置的钢管桁架拱也都采用高空拼装和焊接，相比而言整体箱拱的钢管桁架制造和吊装更为简单［12］。从施工的另外一个角度看，采用整体三室箱拱，后期施工中拱圈施工方案的优化空间较提篮式双肋拱也要大一些，例如采用斜拉悬臂挂篮浇筑法施工，三室整体箱也容易实现，而提篮拱相对要困难一些。另外，本桥设计时，世界第一和第二大跨径的混凝土拱桥，即万县长江大桥和克尔克桥的拱圈都采用的是整体三室箱截面。从技术稳妥性、施工便利性考虑，在初步设计阶段本桥最终选择了单箱三室的整体拱圈方案。

4 结束语

南盘江特大桥于2010年8月开工建设，2016年12月28日通车运营，目前运行状态良好。大桥主跨416 m上承式钢筋混凝土拱桥也是目前世界最大跨度客货共线铁路混凝土拱桥，本文中的桥式方案研究对山区超大跨度铁路拱桥的设计和选型有非常好的参考价值，可供类似工程借鉴。