瓮马铁路乌江特大桥设计关键技术研究

王小飞，张 杰，王新国，周 继，罗春林

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063; 2.中国铁建股份有限公司桥梁工程实验室,武汉 430063)

1 工程概况

乌江特大桥是新建瓮马铁路南北延伸线的重点控制工程,位于贵州省黔南州瓮安县江界河国家风景区。大桥跨越两山之间深谷,两岸自然坡度60°～85°,相对高差约400 m,是典型的山区V形峡谷桥梁。桥址处年平均气温13.6 ℃,极端最低气温-9.2 ℃,年最大风速18 m/s。桥址处测时河宽220 m,水深100 m,航道标准现状Ⅳ级,规划Ⅲ级。两岸基岩为钙质角砾岩,基本承载力1 500 kPa,地震动峰值加速度0.05g,地震动反应谱特征周期为0.35 s[1]。

乌江特大桥通行客货共线铁路,设计速度120 km/h,有砟轨道。大桥采用主跨337 m上承式劲性骨架混凝土拱桥一跨跨越乌江峡谷,拱上结构为三联钢混组合连续梁,桥梁全长520.920 m。大桥建成后将成为国内最大跨度单线铁路拱桥。乌江特大桥立面布置见图1。

2 方案构思

山区铁路桥梁的桥位应选择边坡稳定且地质条件较好的区域,桥式方案应适应艰险山区的建设、运营、养护条件,并满足景观协调要求[2-4]。乌江特大桥跨越V形深切峡谷地形且桥位较高,两岸地形陡峭,地势起伏较大,桥台处基岩裸露,局部植被覆盖,多为树林、灌木及杂草,交通极为不便,且施工场地十分狭窄,后期运营及养护维修困难。当采用梁式桥、斜拉桥、悬索桥方案时,两岸陡坡无立墩条件,桥梁的最小跨度需大于500 m。因此无论从技术的合理性还是与自然环境的协调性看,上承式拱桥是跨越该V形山谷的最佳选择[5-9]。

上承式拱桥由钢或混凝土主拱、拱座基础、拱上立柱、交界墩、主梁组成,具有良好的空间工作性能[10-12]。本桥在方案设计阶段拟定3种上承式拱桥方案。

(1)方案一:主跨320 m上承式钢桁架拱桥,矢跨比1/4。方案一全桥布置见图2。该方案主拱采用桁架式双肢钢管截面,主拱通透性佳,景观性好。但T形刚构交界墩作用于主拱扩大基础顶面,需大规模开挖两岸岩体,施工难度较大;此外,乌江特大桥位于深山河谷之中,钢结构不仅易腐蚀,且杆件繁多,后期养护维修困难。综合考虑造价、施工、维养等因素,方案未采用。

图2 方案一效果图

(2)方案二:主跨320 m设置双副拱的上承式混凝土拱桥方案,矢跨比1/4。方案二全桥布置见图3。该方案混凝土主拱拱脚上方采用副拱结构替代传统交界墩,主拱与副拱均采用隧洞式基础,较传统扩大基础方案减少了山体开挖量,但隧洞式基础受力机制复杂、施工困难,且拱上结构景观性较差,方案未采用。

图3 方案二效果图

(3)方案三:主跨337 m设置交界墩的上承式劲性骨架混凝土拱桥方案,矢跨比1/5.48。方案三全桥布置见图4。该方案采用小矢跨比设计以减小交界墩高度,采用梯形断面扩大基础进一步减小山体开挖规模,同时小矢跨比设计与桥位附近的江界河大桥更加协调,景观效果佳。此外,劲性骨架混凝土拱桥具有刚度大、徐变小、后期养护维修工作量小等优点,能够满足铁路桥梁跨越山区V形峡谷的要求[13-16],为推荐桥式方案。各方案优缺点比较见表1。

表1 各桥式方案优缺点比较

图4 方案三效果图

3 结构设计

3.1 总体布置

根据桥址处地形、地质和景观条件,乌江特大桥采用1-337 m上承式劲性骨架混凝土拱桥,主梁孔跨布置为(45.7+47.7) m钢混组合梁+(6×41.5) m钢混组合梁+(46.7+2×39.6+41.5) m钢混组合梁,桥梁全长520.920 m。列车活载通过拱上立柱及交界墩传递给主拱圈及拱座基础。

3.2 主拱圈

目前国内几座大跨度铁路上承式混凝土拱桥的矢跨比均在1/4.6～1/4之间,在此区间结构的横竖向刚度均较大[16]。乌江特大桥为适应地形条件采用小矢跨比设计,主拱圈矢高61.5 m,计算跨度337 m,矢跨比1/5.48,拱轴线采用悬链线,拱轴系数m=2.0,在满足主拱结构受力的同时降低交界墩高度、减小拱座基础规模、提高桥墩纵向刚度,同时与下游江界河大桥景观协调。

主拱圈采用内含劲性骨架的钢筋混凝土结构,单箱双室矩形截面。拱截面横向外宽10.0 m,外高6.5 m,腹板厚1.0 m,顶板厚1.1 m,底板厚度由拱顶截面的1.1 m变为拱脚截面的1.5 m,并在拱脚设置2 m实体段和6 m壁厚过渡段。主拱圈截面见图5。

图5 主拱圈截面(单位:m)

拱上布置1～9号立柱(含拱脚立柱),纵桥向间距为(47.7+6×41.5+47.7) m。主拱圈在立柱对应位置设横隔板,其中2号、3号、7号、8号立柱下方为双隔板,隔板厚为0.8 m,4号～6号立柱下方为单隔板,隔板厚为1.2 m。拱肋箱体侧壁设通风孔,每个箱室内底板最低点设置泄水孔。

主拱圈劲性骨架为钢管混凝土桁架结构。桁架上、下弦为各3肢φ0.9 m的圆形钢管,采用Q370qD钢材,结合施工过程中结构受力,钢管壁由拱顶24 mm渐变至拱脚48 mm。弦管拱脚、1/4位置处设混凝土灌注孔,待骨架合龙后分两段接力连续灌注C60补偿收缩混凝土。桁架连接系为角钢组合件,上、下弦杆间通过腹杆、平联和横联形成整体空间桁架结构,保证骨架悬臂施工过程中和外包混凝土浇筑过程中的强度和稳定性。主拱圈劲性骨架构造如图6所示。

图6 主拱圈劲性骨架示意

主拱采用缆索吊装+斜拉扣挂法安装各节段劲性骨架,采用移动挂篮分环分三环、六工作面浇筑主拱圈外包混凝土[17]。具体方案为主拱截面划分为底板、腹板和顶板三部分,自下而上分三环浇筑;在拱脚、主拱1/6处、主拱2/6处设置工作面,向拱顶同步对称浇筑,底板、腹板、顶板的混凝土浇筑方量分别为4 300,4 200,3 700 m3。三环六面浇筑外包混凝土示意如图7所示。

图7 三环六面浇筑外包混凝土示意

3.3 主梁

为减轻拱上结构自重,主梁采用三联钢-混结合梁,跨径组成为(45.7+47.7) m+(6×41.5) m+(46.7+2×39.6+41.5) m。主梁由钢梁和混凝土桥面板采用剪力钉结合而成,全高3.2 m。主梁横截面见图8。

图8 主梁横截面(单位:cm)

钢梁采用Q370qD钢材,由两片工字形钢和横隔板栓接构成,便于工厂制造及运输。钢梁外高2.78 m(考虑2 cm的橡胶垫厚度),顶板翼缘板宽0.9 m,底板翼缘宽1.2 m,板厚48 mm。两片钢梁中心间距4.5 m,每间隔6.0 m设置1道横隔板,每隔1.5 m设置1道横肋,加强整体性及横向稳定性。

桥面板采用C60混凝土,全宽9.9 m,厚40 cm,分为预制板、横向贯通式湿接缝、纵向集束式湿接缝三部分制作。标准预制板纵向长5.4 m,为减小后期收缩徐变产生的不利影响,预制板制作完成至安装需间隔6个月以上。

主梁工字钢分节段运输至主桥两侧顶推场地,受场地长度限制,工字钢顶推施工与节段间焊接交替进行,直至形成整联并顶推至设计位置,待两幅工字钢均顶推就位后,原位栓接横隔板。混凝土预制板现场通过隧道便道运输至拱脚,通过缆索系统吊装就位,湿接缝现浇补偿收缩混凝土,通过剪力钉与钢梁连接。

根据受力需要,主梁施工采取顶落梁措施,并将桥面板纵向预应力分两类,一类为在负弯矩区混凝土板与钢梁结合前张拉的短索,一类为在主落梁后张拉的长索。该方法有效提升了预制混凝土板的预应力效率,降低了负弯矩区混凝土板拉应力。

3.4 拱上立柱

乌江特大桥拱上立柱采用钢筋混凝土结构,墩高由交界墩59.5 m变化至拱顶立柱2 m。拱顶4号～6号立柱由于墩高小于4.5 m,采用矩形截面实心墩,其余均为矩形截面空心墩。

立柱墩顶横向宽7 m,纵向宽由交界墩4.5 m变化至拱顶立柱2.5 m。为提高交界墩刚度和稳定性,顺桥向按60∶1放坡。为使梁底检查小车通过,立柱墩顶1.6 m范围变为双柱式结构,双柱横桥向净距2.4 m。

拱上立柱采用爬模法现浇施工。立柱底部均设置实心混凝土墩座,墩座与主拱圈一次浇筑,预留锚固钢筋与立柱连接。

3.5 拱座基础

拱座采用梯形断面扩大基础方案,拱座高26.48 m,顺桥向长29.49 m,横桥向宽14.0 m,基础基底及背面均埋置在稳定边坡线内,基础顶面及侧面倾斜设计,较常规水平顶面台阶状扩大基础减小混凝土方量20%。拱座采用C40混凝土,拱脚预埋段采用C50混凝土,基础混凝土浇筑为大体积圬工,设计采用分层多次灌注方案,并采用埋设散热水管等措施降低水化热[18]。

拱座基础开挖采用永临结合的方式,将隧洞式便道出口设置于基础中心高度处,便道范围内拱座按隧洞式开挖,利用隧洞式便道进行出渣运输,其余部分为明挖,该方案有效减少了山体开挖量,降低了施工风险。拱座基础截面见图9。

图9 拱座基础截面(单位:m)

4 结构分析

采用MIDAS Civil软件建立乌江特大桥施工阶段有限元模型。钢管混凝土、主拱圈外包混凝土、钢-混组合梁均采用施工阶段联合截面梁单元模拟,劲性骨架连接系及拱上立柱采用空间梁单元模拟,拱座基础采用柔度矩阵模拟。为准确计算主桥施工过程中多次体系转换对结构强度和刚度的影响,采用应力叠加法进行计算分析[19-20]。通过激活主拱圈相应附加截面模拟分环S分段浇筑外包混凝土,通过节点强制位移模拟主梁顶落梁施工。有限元模型如图10所示。

图10 有限元模型

4.1 刚度及变形

(1)主拱变形

列车竖向静活载作用下,拱顶向下挠曲0.023 4 m,拱肋1/4处正、负竖向位移绝对值之和为0.070 2 m,为计算跨度的1/4 800。温度+横风+摇摆力工况下,拱顶横向位移0.044 0 m,为计算跨度的1/7 659。

(2)主梁变形

恒载、静活载及温度作用下墩柱处桥面竖向挠度与主拱圈挠度接近,在0.63倍静活载+降温工况以及静活载+0.5倍降温工况下,主梁跨中相对桥墩支撑点最大下挠23 mm,刚度值1/2 033,主梁竖向变形如图11所示。最不利活载作用下,主梁梁端最大转角1.73‰,梁缝处最大转角之和3.50‰。成桥后三年,主拱拱顶竖向徐变值37 mm。

图11 主梁竖向变形

以上计算结果表明,主拱、主梁的竖向、横向刚度均较大,均满足铁路桥涵设计规范中相关计算限值。

4.2 主拱圈外包混凝土

根据乌江特大桥有限元仿真结果,考虑施工阶段内力叠加,取主拱拱脚实心段截面以及主拱圈不同壁厚截面进行检算。

主力作用下,拱顶基本处于受压状态,最大压应力14.6 MPa;拱脚处于下缘受压、上缘受拉状态,混凝土最大压应力18.1 MPa,最大主拉应力0.17 MPa,并在拱脚顶板处产生0.08 mm裂缝。主+附作用下,拱顶上缘受压,下缘受拉,混凝土最大压应力17.39 MPa,最大主拉应力0.02 MPa,拱顶下缘产生0.03 m的裂缝;拱脚受力状态恰好相反,下缘混凝土最大压应力19.96 MPa,上缘混凝土最大主拉应力0.02 MPa,并在拱脚顶板处产生0.13 mm裂缝。主拱圈截面检算结果见表2,计算结果表明,拱圈强度及裂缝宽度均满足规范要求。

表2 主拱圈截面检算结果

4.3 主梁

钢梁应力包络图如图12所示。主力作用下,钢梁跨中受拉,最大拉应力166 MPa;钢梁负弯矩区受压,最大压应力182 MPa(图12(a));主力和附加力共同作用下,钢梁最大拉应力增大至188 MPa,最大压应力增大至205 MPa(图12(b)),均小于主梁钢材的弯曲应力容许值210 MPa,满足规范要求。

图12 钢梁应力包络图(单位:MPa)

主梁混凝土板拉应力主要集中在墩顶负弯矩区,乌江特大桥在施工过程中预顶升负弯矩区钢梁,再安装混凝土桥面板、张拉负弯矩区预应力短索,最后现浇湿接缝,落梁后能够有效地在混凝土桥面板中存储一定的压应力。主梁混凝土板应力见表3,主力作用下,主梁混凝土桥面板最大压应力12.3 MPa,负弯矩区局部拉应力1.20 MPa;主+附作用下,桥面板最大压应力13.8 MPa,负弯矩区局部拉应力1.70 MPa,能够满足铁路桥涵混凝土结构设计规范中相关计算规定。

表3 主梁混凝土板应力 MPa

4.4 拱上立柱

主力作用下,拱上立柱最大压应力2.63 MPa,主+附作用下,拱上立柱最大压应力4.02 MPa,应力水平较低。通过屈曲分析,拱上立柱稳定安全系数为56,说明拱上立柱强度和稳定性均较好。此外,各墩柱纵向水平线刚度最小值452.9 kN/cm,满足规范中相关计算规定。

4.5 拱座基础

依据Winkler计算假定,按变形协调法对拱座基础进行检算[18]。主力作用下,主桥瓮安侧拱座基底最大应力为1 413 kPa,基础背面最大应力为1 418 MPa;遵义侧拱座基底最大应力为1 376 kPa,基础背面最大应力为1 370 MPa;均小于允许值1 500 kPa,满足规范要求。

4.6 主拱圈劲性骨架

主拱圈外包混凝土采用三环六面法施工,成环前劲性骨架承担全部荷载,成环后骨架与外包混凝土共同受力,主拱圈面特性不断变化,骨架受力为设计和施工控制因素[17]。

图13给出了外包混凝土浇筑过程中劲性骨架钢管应力变化曲线,图14给出了外包混凝土浇筑过程中劲性骨架管内混凝土的应力变化曲线。不同于普通铁路拱桥,乌江特大桥的小矢跨比特性使得拱顶承受更大弯矩,拱顶上弦控制劲性骨架受力[18]。在外包混凝土浇筑过程中,上弦钢管的最大压应力从57.2 MPa逐步增加至232 MPa,管内混凝土最大的压应力由4 MPa 增加至21.6 MPa,应力指标满足规范要求,施工方案安全可行。

图13 劲性骨架钢管应力变化曲线

图14 劲性骨架管内混凝土应力变化曲线

4.7 结构动力特性分析

乌江特大桥第1阶振型为主梁和拱圈对称横弯,频率为0.79 Hz,第2阶振型为交界墩纵弯振型,频率为0.79 Hz,主拱纵弯出现在第6阶,振动频率为1.79 Hz。施工阶段最不利状况出现在劲性骨架最大悬臂时,此时拱桥面外稳定安全系数为6.142;运营阶段拱桥面外稳定安全系数为12.1,面内稳定安全系数为15.5,均满足规范要求。

对乌江特大桥进行风-车-桥耦合振动分析,计算中考虑了温度变形和徐变变形。结果表明,该桥能够满足客货共线铁路的安全性和乘坐舒适性要求,当桥面平均风速达到20 m/s时,列车限速100 km/h通行,当桥面平均风速达到25 m/s时,列车限速70 km/h通行,当桥面平均风速达到30 m/s时,空载列车应停止运行。

5 结语

新建瓮马铁路乌江特大桥位于地形、地质条件复杂的V形沟谷中,主跨337 m的上承式劲性骨架钢筋混凝土拱桥具有刚度大、徐变小、后期养护维修工作量小等优点,能够满足铁路桥梁跨越山区V形峡谷的要求,是较为合理的方案。

该桥主拱采用小矢跨比设计,在满足结构受力的同时降低交界墩高度、减小拱座基础规模,并与下游江界河大桥相呼应,景观效果好。主梁采用工字形钢-混凝土板组合梁结构,钢梁栓焊结合,既减轻拱上结构自重,又便于工厂制造、运输和现场拼装,在运输不便的山区桥梁中具有明显优势;主梁施工采用顶落梁措施以及先张拉后结合的预应力措施,有效改善结构内力;拱座采用梯形断面扩大基础方案,较常规水平顶面台阶状扩大基础减小混凝土方量20%,并采用隧洞开挖+明挖的永临结合施工方案,减少了山体开挖量,降低了施工风险;主拱施工采用斜拉扣挂安装钢管混凝土劲性骨架,分三环、六工作面浇筑拱圈外包混凝土,有效解决了该桥由于自身结构太重带来的施工困难问题。计算分析表明,乌江特大桥刚度较大,受力性能优良,各项计算指标均能满足规范要求,能够满足客货共线铁路的安全性和乘坐舒适性要求。

该桥于2020年开工建设,预计2024年建成通车。大桥建成后将成为国内最大跨度单线铁路拱桥。该桥的设计关键技术可为上承式劲性骨架混凝土拱桥在山区铁路中的应用提供参考和借鉴。