成貴鐵路西溪河大橋設(shè)計

李　銳, 郭占元, 鄢　勇, 吳再新, 張志勇, 童登國

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

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成貴鐵路西溪河大橋設(shè)計

李銳, 郭占元, 鄢勇, 吳再新, 張志勇, 童登國

(中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

【摘要】成貴鐵路西溪河大橋主橋為上承式鋼管混凝土提籃拱橋，跨度240 m，矢高55 m，采用半拱單鉸平面轉(zhuǎn)體方法施工，轉(zhuǎn)體重量為14 000 t。文章詳細介紹西溪河大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工方法。

【關(guān)鍵詞】鐵路橋;鋼管混凝土;提籃拱;單鉸轉(zhuǎn)體法

1工程概況

西溪河大橋位于貴州省畢節(jié)市大方縣與黔西縣交界處，跨越深切河谷西溪河，河谷下切深度約260 m，河谷兩岸懸崖絕壁高約180 m。橋址處兩岸絕壁高度相差較大，成都岸絕壁高約100 m，貴陽岸絕壁高約140 m。河谷的懸崖頂以上為河谷斜坡，自然坡度20°～45°。橋址上下游約100 m長的河段河谷較順直，線路與河谷近于正交。橋址處鄉(xiāng)村便道通至距兩岸橋頭1 km外的村莊，交通不便。

橋址區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，夏季盛行東南風，冬春季盛行西北風，具有低緯度、高海拔高原山區(qū)氣候的特點。橋址區(qū)工程場地為深切割的河谷地貌，西溪河兩岸為陡崖，主要出露第三疊系灰?guī)r，基巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部地段發(fā)育溶洞，岸坡局部形成倒懸體，場地無斷裂構(gòu)造通過，地質(zhì)構(gòu)造相對穩(wěn)定。

西溪河大橋軌面高程1 425.245 m，距離西溪河峽谷底約260 m,該橋作為成貴鐵路重點控制工程，從全線可研階段開始即先后進行多個橋式方案的必選，經(jīng)過多次專家論證及方案審查，最終確定主橋采用主跨240 m的上承式鋼管混凝土提籃拱。根據(jù)勘測資料，綜合考慮西溪河兩岸地質(zhì)及地貌情況，全橋布置采用3×32 m預應(yīng)力混凝土簡支梁+240 m上承式鋼管混凝土提籃拱+4×32預應(yīng)力混凝土簡支梁，全長493.6 m。全橋總布置如圖1所示。

圖1　全橋總布置(單位:cm)

2主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1主拱圈結(jié)構(gòu)

主橋結(jié)構(gòu)為上承式X形鋼管混凝土提籃拱，拱址中心跨度240 m。拱圈由兩條拱肋與橫向連接系構(gòu)成，拱肋橫向內(nèi)傾7.5°，拱趾處中心距23.192 m，拱頂拱肋中心距8.71 m，主拱在其傾斜平面內(nèi)拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=2.2，矢跨比約1/4.364。拱肋高5.7 m、寬3.0 m，每肋由4肢φ1 100×20鋼管構(gòu)成，其上下弦各由兩肢鋼管與其間的兩塊20 mm厚鋼板聯(lián)結(jié)呈啞鈴形，在拱肋的全長上均為等截面；從拱趾起拱肋兩端各約53.0 m范圍上下弦之間各由兩塊16 mm厚鋼板聯(lián)結(jié)，構(gòu)成實腹段，使拱肋斷面呈箱形。為防止在灌注混凝土時鋼板受側(cè)向壓力而漲鼓變形，在上、下弦蓋板及拱肋腹板的兩塊鋼板間設(shè)一定數(shù)量的螺桿加強。拱肋的中部其上、下弦之間通過H形腹桿(H 600 mm×500 mm×20 mm×20mm)連接形成拱式桁架。兩條拱肋之間其上、下弦采用φ800×20(平聯(lián)直管)以及φ600×16(平聯(lián)斜管)鋼管組成的多道“Ж”字形的平聯(lián)連接；上、下弦平聯(lián)之間采用φ450×16(豎管)鋼管斜向連接，以此組成拱肋橫向聯(lián)接系。主拱圈斷面如圖2所示。

圖2　主拱圈斷面(單位:mm)

2.2拱上結(jié)構(gòu)設(shè)計

拱上橋道系采用三聯(lián)4×21.15 m等高度箱型鋼—混結(jié)合梁，梁高2.35 m，鋼梁在正彎矩區(qū)為雙U形截面，在負彎矩區(qū)為閉口箱型斷面，鋼梁采用分離的雙箱單室，兩箱中心距4.6 m，與雙線線間距一致。鋼梁單個箱體腹板中心距為2.4 m，腹板厚16 mm，上翼緣后20 mm，下翼緣厚32 mm。下翼緣沿縱向設(shè)計加勁肋，上翼緣僅在負彎矩區(qū)段設(shè)置縱向加勁肋板。腹板僅設(shè)置豎向加勁肋，兩個箱體之間沿縱向每隔6 m左右設(shè)置工型斷面的鋼橫梁(工地連接)，將兩者聯(lián)成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。3號交界墩與拱上(1)、(2)、(3)及(4)號墩柱組成一聯(lián)，固定支座設(shè)于3號交界墩和(1)、(2)號墩柱，(3)號及(4)號墩柱設(shè)縱向活動支座；4號交界墩與拱上(9)、(10)、(11)號墩柱組成一聯(lián)，固定支座設(shè)于4號交界墩和(10)、(11)號墩柱，(8)號及(9)號立柱設(shè)縱向活動支座；拱上(4)、(5)、(6)、(7)、(8)號墩柱組成一聯(lián)，固定支座設(shè)于(6)號墩柱，(4)、(5)、(7)、(8)號墩柱設(shè)縱向活動支座，梁上制動(牽引)力由上述結(jié)構(gòu)各聯(lián)中制動墩共同承受。拱上鋼混結(jié)合梁結(jié)構(gòu)如圖3所示。拱上剛架墩墩柱為鋼筋混凝土矩形空心墩，墩柱間采用鋼筋混凝土K形撐連接，以增強剛架墩的橫向剛度。墩柱橫向內(nèi)傾7.5°，與拱肋傾角一致。拱上(1)、(11)號墩柱高39.635 m，(2)、(10)號墩柱高24.287 m，(3)、(9)號墩柱高13.256 m，(4)、(8)號墩柱高5.850 m，(5)、(6)、(7)號墩柱與蓋梁采用一體化設(shè)計。(1)～(3)號墩柱以及(9)～(11)號墩柱頂部空心截面橫向?qū)挾葹?00 cm，縱向?qū)挾?40 cm，縱、橫壁厚均為30 cm。底部空心截面橫向?qū)挾葹?00 cm，縱向?qū)挾?00 cm，縱、橫壁厚均為30 cm，在墩柱四個角部混凝土內(nèi)，分別設(shè)置加勁角鋼，增強墩柱的剛度。墩柱間K形撐為鋼筋混凝土空心截面，K撐的水平桿截面高120 cm、寬100 cm，壁厚15 cm；斜桿截面高80 cm、寬100 cm，壁厚15 cm。墩柱與K撐均采用C45鋼筋混凝土。拱上剛架墩結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3　拱上鋼混結(jié)合梁斷面(單位:mm)

圖4　拱上剛架墩結(jié)構(gòu)示意(單位:cm)

(5)號～(7)號墩柱采用π形蓋梁設(shè)計，鋼筋混凝土實心截面。(5)號及(7)號蓋梁截面縱寬2.0 m，(6)號蓋梁截面縱寬2.5 m。π形蓋梁高均為1.5 m，斜腿橫向厚均為2.1 m，斜腿傾角7.5°。拱上立柱底部設(shè)置加勁的鋼箱墩座與拱肋連接，鋼箱底部與拱肋上弦焊接，墩柱型鋼骨架插入鋼箱混凝土內(nèi)連接。拱頂墩柱結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　拱上π型蓋梁結(jié)構(gòu)(單位:cm)

2.3主橋檢查設(shè)施

主橋部分檢查設(shè)備按檢查人員能較易到達拱肋任何位置的原則進行設(shè)計。拱肋檢查設(shè)備共設(shè)三層通道。上層通道位于拱肋上弦頂面，全拱肋貫通；坡度較陡的位置，設(shè)鋼筋梯；在墩座和π形蓋梁位置，可繞行通過。中層通道位于拱肋下弦頂面，全拱肋貫通。下層通道懸吊于拱肋下弦上，檢查設(shè)備均為全鋼結(jié)構(gòu)。

2.4鋼結(jié)構(gòu)涂裝

橋址環(huán)境無工業(yè)污染源，處于大氣環(huán)境中，按使用要求對該橋進行長效防腐設(shè)計，要求防腐蝕年T≥30(第一次維修壽命T1≥30年)。主橋拱肋外表面、鋼—混結(jié)合梁等鋼構(gòu)件外表面均采用TB/T 1527-2011《鐵路鋼橋保護涂裝及供貨技術(shù)條件》第7套體系，拱肋腹桿、橫撐等運營期不填充混凝土的鋼管構(gòu)件內(nèi)表面采用一道車間底漆處理，鋼板結(jié)合梁鋼構(gòu)件內(nèi)表面采用TB/T 1527-2011《鐵路鋼橋保護涂裝及供貨技術(shù)條件》第4套體系，拱肋檢查梯等外露鋼材均采用TB/T 1527-2011《鐵路鋼橋保護涂裝及供貨技術(shù)條件》第5套體系，以增強結(jié)構(gòu)耐久性?？紤]主橋施工周期長，拱肋鋼結(jié)構(gòu)裸露時間較長，對于需填充C50無收縮自密實混凝土的拱肋鋼構(gòu)件內(nèi)部，均需在灌注混凝土之前進行除銹處理。

2.5主橋建筑材料

主橋拱肋、橫向聯(lián)接系、鋼-混結(jié)合梁的鋼梁均采用Q345qE鋼材。拱肋上下弦管內(nèi)、橫聯(lián)綴板以及實腹段內(nèi)均灌注C50微膨脹混凝土，其余鋼管不填筑混凝土。鋼-混結(jié)合梁橋面板采用C50收縮補償混凝土?；炷凉こ虘?yīng)滿足TZ 210-2005《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》的相關(guān)要求。所有鋼材的技術(shù)性能應(yīng)符合GB/T 714-2008《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T 1591-2008《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》和GB 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》的相關(guān)要求。

3轉(zhuǎn)體施工設(shè)計

西溪河大橋主拱肋采用單鉸平轉(zhuǎn)法施工。單鉸平轉(zhuǎn)系統(tǒng)以半拱為一轉(zhuǎn)體單位，樂山岸逆時針平轉(zhuǎn)133°，貴陽岸順時針平轉(zhuǎn)120°。整個轉(zhuǎn)體系統(tǒng)由交界墩、上盤、下盤、球鉸、扣索和背索、牽轉(zhuǎn)系統(tǒng)、豎向臨時轉(zhuǎn)動鉸及半跨主拱圈等部分組成。轉(zhuǎn)體時半拱鋼結(jié)構(gòu)部分的自重約為G=13 600 kN。設(shè)計轉(zhuǎn)體球鉸承載力約為140 000 kN。轉(zhuǎn)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　轉(zhuǎn)體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1上盤結(jié)構(gòu)

上盤支承交界墩和拱肋，并錨固背索，轉(zhuǎn)體時上盤單點支撐在轉(zhuǎn)動球鉸上。上盤橫向?qū)挾?0 m，縱向長度21.568 m，球鉸部位縱向突出3.0 m，上盤厚度6.5 m。采用三向預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，預應(yīng)力鋼束的施加和背索、扣索的張拉交替進行。上盤縱向預應(yīng)力鋼束采用66束19φ15.24鋼絞線，設(shè)置2個備用預應(yīng)力孔道，沿上盤底面均勻布置成兩層，兩端張拉。鋼束錨下張拉控制應(yīng)力均為1 302 MPa。上盤橫向預應(yīng)力鋼束采用16束15φ15.24鋼絞線布置在球鉸區(qū)上盤頂面。在背索錨固端附近、交界墩墩底的上盤頂面、底面及拱腳承壓斜面的橫向拉應(yīng)力較大區(qū)域布置100束4φ15.24鋼絞線。鋼束錨下張拉控制應(yīng)力均為1 302 MPa。上盤的交界墩前后剪應(yīng)力和主拉應(yīng)力較大區(qū)域，布置了618根φ32 PSB 830預應(yīng)力用精軋螺紋鋼。豎向預應(yīng)力鋼筋錨下張拉控制力為600.8 kN。轉(zhuǎn)體上盤結(jié)構(gòu)如圖7所示。

轉(zhuǎn)體系統(tǒng)上盤豎向、橫向預應(yīng)力鋼束在張拉完成后及時壓漿。上盤縱向預應(yīng)力鋼束在張拉完成后不壓漿處理，待轉(zhuǎn)體完成后拆除縱向預應(yīng)力鋼束并壓漿封閉預應(yīng)力孔道。

圖7　轉(zhuǎn)體上盤結(jié)構(gòu)(單位:cm)

3.2下盤結(jié)構(gòu)

下盤為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)體完成后，與上盤連接共同形成主拱基礎(chǔ)。下盤在球鉸正下方，為一個橫橋向30 m、順橋向9.0 m、厚度3 m的條形基礎(chǔ)，其上部1 m在順橋向前端加大形成直徑18.0 m的圓盤。下盤上附設(shè)保險腿滑道、牽引反力座等。撐腳與保險腿滑道表面預留10 mm間隙，保險腿滑道上鋪設(shè)8mm厚鋼板，鋼板上涂潤滑黃油及聚四氟乙烯復合材料滑板，以降低保險腿與滑道之間的滑動摩擦系數(shù)。

3.3球鉸結(jié)構(gòu)

球鉸為轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動中心，同時承受并傳遞轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的全部重量。轉(zhuǎn)體球鉸由上、下兩個球面組成，分別用50 mm厚的鋼板加工成40 mm厚的球面，球面半徑8.0 m，上球面位于上盤底部，為凸面，下球面位于轉(zhuǎn)體下盤上，為凹面，球鉸直徑3.98 m。為防止球鉸在加工、運輸過程中變形，同時加強與上、下盤之間混凝土的連接，其背部設(shè)置多根徑向及環(huán)向加勁肋條。在下球面鋼板上鑲嵌聚四氟乙烯復合材料滑動片，以減小上、下球面之間的摩擦系數(shù)，球鉸摩擦副材料承受壓應(yīng)力不小于60 MPa。下球鉸周圍灌注C40混凝土，上盤鉸周圍填充C60混凝土，球鉸中心設(shè)置φ270鋼定位軸。球鉸結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8　球鉸結(jié)構(gòu)(單位:mm)

3.4交界墩

交界墩作為扣索塔架通過扣索支承拱圈，同時也起平衡壓重的作用。交界墩為轉(zhuǎn)體施工控制設(shè)計，設(shè)計采用矩形空心墩?？招亩赵O(shè)置于上盤頂面，墩高52.95 m，采用C40混凝土。由于轉(zhuǎn)體扣索、背索均錨固于其頂帽上，針對頂帽進行了加強設(shè)計。頂帽及托盤采用C40鋼筋混凝土，高度為5.5 m，縱向?qū)?.2 m，橫向因兩側(cè)布置背索而加寬為11.0 m。墩頸縱向?qū)?.2 m，橫向?qū)?.4 m，墩頸壁厚為0.6 m，墩身縱、橫兩個方向放坡，縱橫向外坡50∶1，內(nèi)坡60∶1。

為抵抗因背索張拉引起的彎矩作用和劈裂力，頂帽頂部在橫橋向布置36束12φ15.24鋼絞線，張拉控制應(yīng)力為1 302 MPa。橫向預應(yīng)力鋼束張拉完成后孔道不壓漿，轉(zhuǎn)體施工完成后拆除橫向預應(yīng)力后再進行孔道灌漿封閉。

3.5扣索

拱圈的脫架通過張拉扣索來完成，轉(zhuǎn)體時拱肋通過扣索懸吊于交界墩上，拱肋轉(zhuǎn)體到位后在合龍前也可通過扣索來調(diào)整拱肋標高。扣索前端用P錨錨固在拱肋下弦節(jié)點預設(shè)的錨梁上，然后通過上弦節(jié)點處的轉(zhuǎn)向塊，拉錨于交界墩頂帽上。在轉(zhuǎn)向塊處，扣索分散開成一排，避免相互打絞。

扣索采用8束15-7φ5的1 860 MPa級低松馳鋼鉸線。在交界墩墩頂頂帽端單端張拉，主拱上的扣點設(shè)計為固定端。

3.6背索

背索采用56根21-7φ5的1 860 MPa級低松馳鋼鉸線，上端錨固于交界墩頂帽。采用單端張拉，張拉端設(shè)置在墩頂。

3.7牽引系統(tǒng)

牽引系統(tǒng)由牽引索、反力座及連續(xù)張拉千斤頂三部分組成。設(shè)計靜摩擦系數(shù)按0.1控制，動摩擦系數(shù)按0.06控制。

牽引索為兩對(4束)12-7φ5的1 860 MPa級鋼鉸線，張拉系統(tǒng)采用ZLD200型連續(xù)牽引千斤頂及相應(yīng)的ZTB25油泵。牽引反力座設(shè)于下盤之上，共4個。下盤據(jù)轉(zhuǎn)動中心7.5 m半徑的周圍均勻設(shè)置了14個千斤頂?shù)鬃?，千斤頂?shù)鬃?0 cm。轉(zhuǎn)體時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的需要在合適的下盤底面上設(shè)千斤頂，調(diào)節(jié)上盤水平，保證轉(zhuǎn)體平衡進行。

3.8拱腳臨時豎向轉(zhuǎn)動鉸

在拱腳設(shè)豎向臨時轉(zhuǎn)動裝置以利于調(diào)整支架拼裝時拱腳鋼管內(nèi)力及拱肋線型，拱肋合龍后封閉臨時轉(zhuǎn)動裝置。

4主橋施工步驟

(1)澆筑下盤混凝土，安裝下球鉸，制作保險腿滑道，澆筑牽引反力座、千斤頂反力座等；現(xiàn)場在膺架上組拼鋼管桁架。

(2)安裝上球鉸，并做轉(zhuǎn)動試驗；澆筑球鉸上方錐體及牽轉(zhuǎn)盤，埋設(shè)牽引索。

(3)在砂箱上立模施工上盤，在上盤尾部縱向1 m范圍內(nèi)設(shè)置硬支承。

(4)張拉交界墩范圍內(nèi)豎向預應(yīng)力鋼束和配重水箱范圍內(nèi)橫向預應(yīng)力鋼束。

(5)在上盤上修建交界墩至20 m高度，張拉余下的上盤橫向預應(yīng)力鋼束。

(6)張拉第一批縱向預應(yīng)力鋼束，此時上盤中央向上微拱，上盤自重大部分轉(zhuǎn)移到尾部的硬支承和球鉸上面，上盤縱向呈簡支狀態(tài)。

(7)張拉余下的上盤豎向預應(yīng)力鋼束，澆筑交界墩上段至頂帽底面。

(8)張拉上盤第二批縱向預應(yīng)力鋼束。

(9)根據(jù)平衡的需要，在上盤堆放平衡重；張拉交界墩頂所有橫向預應(yīng)力鋼束。

(10)退砂箱，拆除上盤模板，為張拉背索、安裝牽引反力座提供操作空間。

(11)按設(shè)計步驟，分批、分級、交替張拉扣索、背索和上盤縱向預應(yīng)力束。此階段須監(jiān)測上盤、交界墩、球鉸、扣索及背索等重要部位的應(yīng)力狀況，監(jiān)測交界墩頂?shù)奈灰萍吧媳P的變形情況等。

(12)在鋼管拱桁架脫架之前，再一次核實平衡重的重量和位置；拱圈脫架，此時全部的轉(zhuǎn)體重心應(yīng)轉(zhuǎn)移到球鉸上面。

(13)拆除上盤尾部的硬支承；清理球鉸，清理場地，清除轉(zhuǎn)體障礙物。

(14)啟動連續(xù)張拉千斤頂，實施轉(zhuǎn)體。

(15)調(diào)整拱肋線形，優(yōu)先滿足合龍口高程，臨時合龍拱肋并調(diào)整高程。

(16)連接上下盤間的鋼筋；混凝土封閉上下盤間的空隙；混凝土回填上盤周圍的基坑。

(17)混凝土封閉拱腳臨時轉(zhuǎn)動裝置。

(18)分批、分級、交替拆除扣索、背索和大部分上盤縱向預應(yīng)力鋼束。

(19)按順序壓注管內(nèi)混凝土：①上外側(cè)鋼管；②上內(nèi)側(cè)鋼管；③下外側(cè)鋼管；④下內(nèi)側(cè)鋼管；⑤上蓋板；⑥下蓋板；⑦外側(cè)腹板；⑧內(nèi)側(cè)腹板。

(20)施工拱上剛架墩(π形蓋梁)。

(21)施工拱上結(jié)合梁。

(21)附屬設(shè)施施工，全橋施工完成。

5結(jié)束語

成貴鐵路西溪河大橋是成貴線的重點工程，主跨240 m上承式鐵路鋼管混凝土提籃拱橋為目前國內(nèi)之最。主拱圈采用半拱平轉(zhuǎn)法施工，單鉸轉(zhuǎn)體重量達14 000 t。該橋技術(shù)含量高, 設(shè)計施工難度大, 并結(jié)合西南山區(qū)鐵路特點，對主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方法進行了一系列設(shè)計創(chuàng)新和優(yōu)化, 為保證大橋的結(jié)構(gòu)安全、性能優(yōu)越、施工順利創(chuàng)造了良好的條件。對今后同類型橋梁設(shè)計，具有非常寶貴的指導或參考價值。

【文獻標志碼】B

【中圖分類號】U442.5+3

[定稿日期]2015-04-17