大跨度上承式铁路钢桁梁桥建设管理与创新

2020-06-20李敬伟赵前进

铁道建筑 2020年5期

李敬伟赵前进，2

（1.中国铁路昆明局集团有限公司，昆明 650000；2.中南大学，长沙 410083）

云南省是我国面向东南亚开放的重要桥头堡。随着“一带一路”建设以及国家解决区域发展不平衡矛盾的深入推进，云南省交通事业步入快速发展阶段，铁路建设任务繁重。西南山区铁路建设的桥隧占比高，跨越深谷河流的大跨度桥梁众多［1-2］。此前，山区大跨度桥梁多采用拱桥、悬索桥、斜拉桥、钢桁梁桥等桥型。拱桥通常受断层带等不利地质条件制约。悬索桥与斜拉桥技术难度大，工程造价和运营维护成本高，且因刚度偏弱在铁路桥梁建设中应用并不多。在“一带一路”倡议重点工程玉（溪）磨（憨）铁路元江双线特大桥建设中，首次应用了上承式大跨度连续钢桁梁。实践证明大跨度钢桁梁桥在西南山区铁路建设中具有较强的技术、经济优势，适应性强。

1 桥梁设计概况

1.1 工程背景

元江双线特大桥位于云南省玉溪市元江哈尼族彝族傣族自治县境内，是新建玉溪至磨憨铁路的重点控制性工程之一。该桥跨越红河深切“V”字形峡谷，桥址有背斜、断层、顺层、滑坡体等不良地质。桥位从元江1#，2#滑坡体之间穿过，其中菠萝山3号断层从1#，2#墩之间穿过，菠萝山1号断层从2#，3#墩之间穿过，菠萝山2 号断层从3#，4#墩之间穿过。峡谷两岸最大自然横坡60°，地势陡峭（图1），施工场地狭窄，交通运输困难。桥区雨季长达6 个月，峡谷瞬时风力最高达10级，施工和后期运营维护安全风险高，难度大。

图1 桥址地貌

1.2 技术标准

①设计速度为160 km/h 的客货共线线路；②正线数目为双线，线间距4.2 m；③设计活载为中-活载；④轨道类型为有砟轨道；⑤地震动参数，地震动峰值加速度0.16g，地震特征周期0.4 s。

1.3 结构设计

采用拱形桥台、钢混组合双柱刚架墩。墩身为钢筋混凝土薄壁空心墩，双柱通过钢结构交叉横联杆件连接，最大墩高154 m。上部结构为上承式连续钢桁梁，孔跨布置为（108.0+151.5+249.0+151.5+108.0）m。主桁中心间距为16.0 m，跨中桁高16.0 m，支点处桁高36.0 m，标准桁节长13.5 m，支点处变高桁节长15.0 m。行车道采用正交异性板，设置于主桁上弦顶面。桥面铺装层采用柔性保护层体系。桥梁全长768 m，钢结构总质量约2.1万t。

2 建设管理

2.1 工程造价控制

受地质断层带制约，桥位不适宜建造大跨度拱桥。通过对斜拉桥、下承式连续钢桁梁［3-4］和上承式连续钢桁梁3 种桥型方案进行经济性研究，选择了经济性最佳的上承式连续钢桁梁桥型。

2.2 设计技术创新

针对上承式钢桁梁尚无现行设计标准的现状，组织成立了由院士、国内知名专家组成的设计咨询团队，多次组织论证设计方案。通过有限元数字仿真分析、实体模型实验、车桥及风-车-桥耦合振动分析、地震作用计算与试验等手段开展科研攻关，确保设计成果科学可靠。

2.3 施工技术创新

图2 超高临时墩构造（单位：m）

大桥采用133.10 m 超高临时墩辅助（图2）、124.5 m 长大悬臂悬拼架设。为解决架设施工技术难题，评估各阶段安全风险，组织成立了由国内知名专家组成的技术顾问团队，对重大方案审查把关，并与高校联合开展施工关键技术攻关，并委托第三方检测和监控单位对施工质量控制把关，以确保施工方案科学合理、安全可靠。

3 方案优化

3.1 桥式方案选择

大桥横跨红河深切峡谷区，两岸与深切河谷构成明显的“V”形地貌，两岸坡陡峻，桥高238 m。在初步设计阶段对上承式拱桥方案、钢桁梁斜拉桥方案及连续钢桁梁方案进行了综合比较。随着地质勘探的深入进行，发现地质条件不适合修建大跨度拱桥，而斜拉桥方案受制于地形条件，其塔高约245 m，并且山区斜拉桥的养护及维修较为不便，经综合比选连续钢桁梁方案较为合理。

3.2 主桁结构选择

主桁结构研究时，对下承式方案（图3）和上承式方案（图4）进行了对比研究。上承式方案较下承式方案的最大墩高度减少16 m，桥梁结构重心更低，且材料用量更少，能够更好地满足桥梁抗震性能，因此选用上承式钢桁梁方案。

图3 下承式钢桁梁方案（单位：cm）

图4 上承式钢桁梁方案（单位：cm）

3.3 钢混组合双柱刚架墩的应用

由于主桁较宽，结合支座布置、施工场地等要求，限定墩顶横向宽度为24 m，纵向宽度为9 m。墩的结构形式可以采用双柱式桥墩和圆端型空心墩2种。若主墩均采用独柱式的圆端空心墩，比采用双柱式空心墩墩身混凝土圬工量多约8 200 m3，且对桩基要求高。采用双柱式钢筋混凝土空心桥墩通过墩顶横梁和中间钢结构横向连接系的结构形式（图5）可以将其承受的弯矩转化为2墩柱的轴向力，结构受力较好。

图5 钢混组合双柱刚架墩方案

3.4 桥面系优化

考虑主桁在铁路桥梁中首次创新性地采用上承式结构，且桥位处于高山峡谷，桥面横风影响大，根据车桥及风-车-桥耦合振动分析研究结论，为提高列车运营安全性、舒适性，在桥面系设置导风和防风功能为一体的导风栏杆。导风栏杆能有效减小横向风力，同时将横向风力部分转化为纵向力，从而减小风力对高速列车行车安全的影响。

3.5 基于BIM模型数字化智造技术的应用

对于钢桁梁构件加工制造，组织施工单位开展基于BIM 技术数字化智造研究与应用［5-6］。采用Tekla建立全桥信息模型，对全桥钢结构进行深化设计，并基于模型输出数控文件进行排版套料，实现了“模型→数控程序→自动切割下料或钻孔”的数字化加工流程，提高了制造精度。采用三维激光扫描技术对成品杆件进行扫描采集数据，与BIM 模型中理论值进行分析和对比，能够快速发现制造偏差，及时调整加工工艺。借助BIM 模型进行可视化、数字化预拼装，模拟建造过程，指导工厂拼装及检验拼装构件质量。工厂采用二维码管理系统，给每个零件每根杆件赋予二维码信息，实现项目及构件的原料、设计、生产、合格品入库、库存、发货、物流跟踪、收货、施工验收全流程的信息化管理，实现项目进度的实时管控，具有项目管理信息化、产品身份标识化、构件全程可跟踪、收发货凭证化等特点。

3.6 架设施工方案优化

原施工方案（图6）为：在玉溪台侧设置存梁场，跨峡谷设置缆索吊机用于水平运输，磨憨台侧悬拼作业面通过缆索吊机由小里程岸侧运输供梁，钢桁梁大悬臂悬拼采用扣索塔架辅助调整线形和合龙口。

图6 原施工方案示意

考虑桥址山坡陡峭，施工便道修建难度大，缆索吊塔架和后锚实施困难；且桥位处于峡谷风口，常年风力大，扣索塔架安拆施工安全风险极大。经过反复论证，对原施工方案进行了优化。优化施工方案（图7）为：取消原方案中的缆索吊机和扣索塔架系统，在磨憨台侧增设钢结构钢梁拼装场，并兼作存梁场，同时配套设置提梁龙门吊和运梁台车运输供梁；各墩顶增设钢桁梁高位预拼装及三维千斤顶同步起落梁系统，辅助调整悬拼线形和合龙口。