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[原创] 巨力之拱——蒙西至华中地区铁路煤运通道三荆段洛河大桥 [复制链接]

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weixinyu 发表于 2017-4-10 15:13:15 |显示全部楼层 |          |
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文/文望青 许三平 罗春林

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蒙西至华中地区铁路煤运通道北起东乌铁路浩勒报吉站,途经内蒙古、陕西、河南、湖北、湖南、江西六省,终点到达江西省吉安地区, 全长约1800余公里。其中三门峡至荆门段正线长度464.366km,沿线地貌表现为“北高南低、北山南原”的特征。

本项目以煤运为主,规划煤炭运输能力初期1亿吨,设计最高达2亿吨。对于大宗货物运输的重载铁路,由于列车轴重的提高,大大增加了作用在轨道、桥梁等结构上的荷载。结合本线的运输特点,设计活载采用1.2倍(2005)ZH活载(图1)。


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图1 活载图式

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桥址概况

       洛河大桥位于河南省卢氏县境内,桥梁跨越西子湖水利风景区故县水库,位于水库大坝上游约13.2km处。桥址位于低山区及山间谷地,地势起伏较大,轨面至河床高差约104.0m,桥址处水库水深约35.0m,不通航。山坡上植被欠发育,基岩裸露,主要为弱风化安山岩,基本承载力[σ0]=1000kPa。地震动峰值加速度Ag=0.1g。


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桥式方案及桥梁总体布置

世界上第一座钢管混凝土拱桥于1937年出现在前苏联,我国的第一座钢管混凝土拱桥——四川旺苍大桥于1990年建成通车。此后,这种桥型在我国可谓异军突起, 得到了迅速的发展。钢管混凝土拱桥在公路桥梁的跨径已突破500m,在普速铁路、高速铁路的大跨度拱桥上,也得到了广泛的应用。钢管混凝土拱桥的承载能力大,完全适用于重载铁路桥梁。针对重载铁路的特点,要对吊杆疲劳(中、下承式)、桥梁钢构件以及拱肋腹杆的疲劳性能等问题引起足够的重视。蒙西至华中地区铁路煤运通道三荆段洛河大桥就采用了上承式钢管混凝土拱桥这一桥型。

桥式方案应结合线路平纵要素,桥址地形、地质等情况选用合理的结构体系和结构形式。本桥大、小里程两侧分别与黄柏岭隧道(长7450m)、庙坪隧道(长4001m)进出口相接。桥面高程结合隧道纵断面及本桥的设计要求, 轨底设计高程为597.763m。

本桥为典型的V字地形,河流两岸地形陡峭,岩石埋深浅,跨越的洛河水库水深较深,采用有推力拱的桥梁型式非常合适。考虑到本项目重载铁路活载大的特点,并结合地形、设计高程、河流水位等因素,采用主跨220m上承式钢管混凝土拱桥一跨过河,避免了在水中设置深水基础及桥墩,同时也满足了防洪、环保等要求。

全桥桥式布置:2×16.5m简支T梁+220m上承式拱桥+ 2×16.5m简支T 梁。其中220m上承式拱桥拱上建筑布置: 5×16.5m简支T 梁+66.3 m π 形刚架+5×16.5m简支T梁。

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图2 桥梁总体布置

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拱肋

拱肋采用提篮式钢管混凝土拱结构, 计算跨度L=220m, 矢高f=44.0 m ( 拱平面内) , 矢跨比f / L =1/5。拱轴线采用悬链线,拱轴系数m=3.0。主拱结构由两根拱肋与横向联结系组成,拱肋横向内倾角为6.5°,拱肋中心距在拱顶为6.0m,在拱脚为15.962m。

单片拱肋由4根弦管组成,弦管外径为1.2m,钢管横向中心距2.0m,横向两个弦管与平联板形成哑铃式。拱脚处拱肋高度8.2m,拱顶处拱肋高度5.2m。拱肋高度按李特规律变化,截面惯性矩从拱顶到拱脚逐渐增大。

拱肋在靠近拱脚长度15.8m范围内(水平距离)为实腹段,上、下弦管之间设置两块腹板形成腹腔,腹腔内灌注混凝土。拱顶部分为空腹Pratt桁式拱肋。

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图3 拱肋典型截面


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在实腹段腹板内侧以及上、下平联板内侧设置直径为φ16mm剪力钉,以加强钢结构与混凝土结构连接。在实腹段腹板以及上、下平联板均设置φ16mm拉杆螺栓,以抵抗混凝土灌注时的压力。在拱肋节点及桥墩与拱肋连接位置的弦管内均设置加劲环,起加劲弦管的作用;加劲环环向开孔,以利于混凝土灌注时的通透性。

在公路桥中,桁式拱肋的腹杆一般采用圆形钢管,与主弦管相贯焊接,其优点是制造安装方便,与拱肋主钢管配合协调。但是对于铁路桥,有的腹杆承受以拉为主的变幅应力,相贯线焊接难以满足本桥的疲劳性能要求。针对本桥作为重载铁路桥梁的特点,腹杆采用H形杆件,杆件与拱肋相接处采用异形块(节点板)相焊接,以提高疲劳性能。

全桥共设21道横撑,横撑均为一字形。其中两侧靠近拱脚的3道为四肢桁架结构,其余为双肢结构。两根横撑主管连接拱肋上下弦内管,横撑上下主管以竖向斜杆连接。横撑主管规格为Φ900钢管,支管规格为Φ500钢管,均为空钢管结构。


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图4 腹杆与弦杆连接构造

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拱上建筑

拱上建筑梁部采用本项目标准16m跨度预制简支T梁, 梁长16.5m,梁缝宽度10cm。

拱顶π形刚架采用钢筋混凝土结构,总长66.3m,纵向分成16个节段,每个节段长度约4m,每个节段之间设置3cm 断缝。π形刚架的腹板横向倾斜,倾斜角度与拱肋倾斜角一致,腹板在桥面板处的间距保持一致。

通过对单肢钢管混凝土柱桥墩、四肢钢管混凝土桁式墩、钢筋混凝土排架墩等方案进行深入的研究比选,本桥采用了桥墩刚度满足无缝线路的受力要求、结构自重较轻、景观效果较好的钢筋混凝土排架墩方案。排架墩采用钢筋混凝土矩形截面空心墩,墩高6.2~31.1m,排架墩立柱底部设置钢箱墩座与拱肋弦管连接。

图5 缆索吊及扣锚系统总体立面布置图

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图6 缆索吊及扣锚系统总体平面布置图

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拱座

拱座采用扩大基础,基础基底及背面均埋置在稳定边坡线内,持力层为弱风化安山岩,基本承载力为1000kPa。拱座基础高13.5m,纵向最大尺寸14.6m,横桥向宽度24.0m。


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桥梁施工

结合本桥桥址处地形陡峭、桥隧施工相互干扰、环保要求高、材料运输困难等特点,采用缆索吊装斜拉扣挂法施工。主拱肋采用工厂制造,单元件运输至荆门侧山顶预拼场,在预拼场组拼成节段并预拼,大型缆索吊机运输, 斜拉扣挂法安装的施工方案。主拱肋合龙后,采用顶升法压注拱肋内混凝土。拱肋施工完成后,再施工拱上桥墩及拱顶π形刚架结构,最后缆索吊装简支T梁。通过对“大跨度不等高缆索吊系统的设计与施工技术”、“山区高陡坡上承式钢管拱安装技术”等专题进行深入研究,其成果将用于解决本桥施工中遇到的种种难题。

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图7 缆索吊施工

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结合重载铁路的特点,本桥设计对重载铁路大跨度钢管混凝土拱桥的结构体系、结构空间效应、拱肋及腹杆构造及设计参数、拱上建筑构造、结构疲劳性能等方面进行深入研究,为桥梁满足“安全、适用、经济、美观”的要求提供了保证。


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图8 施工现场空中俯瞰

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洛河大桥于2015年8月正式开工建设,目前正进行钢管拱拱肋的安装工作,预计于2018年2月建成,建成后将成为目前已知的国内最大跨度重载铁路桥梁。本桥桥型造型优美,宏伟壮观,与周围环境融为一体。在不久的将来,大桥将屹立于群山环抱之中,成为西子湖水利风景区一道靓丽的风景。

(作者单位:中铁建大桥院)

(编辑:陈晨)

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