设为首页收藏本站

桥梁网

登录  |  注册  |  订阅

搜索
查看: 22|回复: 0

[原创] 沪昆客专北盘江特大桥技术创新的运用 [复制链接]

Rank: 9Rank: 9Rank: 9Rank: 9Rank: 9

最后登录
2017-12-13
威望
6
金钱
210
注册时间
2015-12-16
阅读权限
200
帖子
181
精华
0
积分
554
UID
513380
weixinyu 发表于 2017-11-28 14:49:47 |显示全部楼层 |          |
一键分享 一键分享

文/徐勇 陈列 谢海清


8 `: \5 A! _. U$ ^; M7 |& Z

       上海(沪)至昆明(昆)客运专线铁路(简称沪昆客专)北盘江特大桥是世界最大跨度的混凝土拱桥,是中国艰险山区高速铁路的标志性工程。沪昆客专全长2264km,设计最高行车速度350km/h。北盘江特大桥位于该铁路西段的云贵高原腹地,这里高山林立、沟壑纵横,北盘江是西段需跨越的最大河流。大桥以445m跨度的上承式混凝土拱桥跨越北盘江。引桥及拱上孔跨布置为:1×32m预应力混凝土简支梁+(2×65m+8×42m+2×65m)预应力混凝土刚构-连续梁+2×37m预应力混凝土连续梁。桥梁全长721.25m,造价5.50亿元。

7 p) j# s4 p6 R  w7 F' r2 u" R. D

北盘江特大桥

$ e: z: v! H8 T, w  j( J) k

峡谷上的挑战

       大桥跨越地形陡峻的大峡谷,交通不便,场地狭窄,选择什么桥型、什么样的结构体系,才能够满足350km/h高速列车行车要求?445m跨径混凝土拱桥采用何种方法建造,才能保证大桥安全、按期、经济地建成?

7 ?" L; z7 V3 ?  ?

方案比选

       北盘江是沪昆客专必须跨越的河流,经过对河流上下游20 km范围内桥位勘察和比选,综合考虑峡谷的尺度大小、工程地质条件及铁路顺直程度等因素,最终选择了北盘江光照水电站大坝下游约2km的光照桥位。该桥位方案桥面至谷底高达300m,桥面标高受两端隧道施工风险及线路纵坡控制,不能再降低。

       北盘江桥按通行350km/h高速列车设计,桥式结构必须具备足够的竖、横向刚度。同时桥梁的工后变形必须严格控制,以保持轨道持续稳定和高平顺性,桥型选择必须充分考虑高速铁路的适应性。悬索桥由于刚度太弱,无法满足350km/h高速列车行车要求,该桥型首先被排除。若采用梁式桥跨越峡谷,或墩高太高、或跨度太大,方案也很难成立。剩下较为合适的桥型方案只有斜拉桥和拱桥,在本桥的初步设计阶段,主要研究了钢桁斜拉桥和上承式钢桁拱桥和上承式混凝土拱桥三个方案。

       钢桁斜拉桥方案孔跨布置为(168+336+228)m,按高低塔设计,造价估算为:6.21亿元。上承式钢桁拱桥方案拱跨445m,拱圈由两片提篮形钢桁拱构成,拱上梁采用钢-混结合梁,造价估算为:6.42亿元。单从造价上看,混凝土拱桥具有较明显的优势。混凝土拱桥方案采用米兰法施工,劲性骨架采用钢管混凝土桁架,工期约在4至4.5年之间。钢桁拱和钢桁斜拉桥均采用悬臂拼装施工,工期约3.5年左右。由于沪昆客专西段总工期受一座15km长的高瓦斯隧道(工期6年)控制,即使本桥5年工期也不影响全线铺架施组,所以本桥工期长短的优劣可以不考虑。

       除造价上具有优势外,混凝土拱桥还具有刚度大、变形小的优点,这与高速铁路桥梁要求最为吻合。最终,是否采用混凝土拱桥方案,最关键因素是能否接受混凝土拱桥施工的高难度,及由此带来的高风险。为此原铁道部(现中国铁路总公司)工程鉴定中心召集了多次专家会进行论证,最终决定迎接挑战,在北盘江上修建一座世界最大跨径的混凝土拱桥。


$ x3 [* w/ x2 H9 }( U. R/ p* H


+ C9 P, M6 u! q. D1 U; Q6 Q

图2 钢桁斜拉桥方案和钢桁拱方案


: V( u& V7 _3 a+ R# @( Q- R7 J8 k. z/ ~) L


2 O+ l; {' G% o: F# i

图3 北盘江桥总体布置图


8 g# k; E! d- m  o8 @  m6 t" U( ?( k) a
: u# I5 }7 }8 j) Y- {, k, n

巨型拱圈的建造方法

       在地形陡峻的峡谷中,如何建造2万多方混凝土的巨型拱圈是一个巨大挑战,设计主要研究了斜拉悬臂挂篮浇筑法和米兰法两种施工方法。对比这两种施工方法的可实施性、经济性及安全性后,最后选择了实施难度和安全风险均较小的米兰法。

       首先,架设一座上、下弦为钢管结构的桁架拱。该桁架拱合龙后向钢管内压注高强度混凝土,进一步提高桁架拱的承载能力和刚度。然后,依托该钢管混凝土桁架拱搭设模板,横向分块、纵向分段、多工作面同步依次浇筑拱圈底板、腹板及顶板混凝土。先浇筑部分与钢管混凝土桁架拱一起,共同承受后浇筑部分的结构恒载,从而逐步形成完整的箱形拱圈。钢管混凝土桁拱的桁片和上下平联,最终分别包裹在箱形拱圈的腹板和顶、底板内,成为拱圈结构的一部分而参与受力。本桥采用钢管混凝土桁架拱作为拱箱的内置骨架,在大幅提升骨架刚度和承载力的同时,大大减少了骨架钢材用量。

       前述的分环浇筑法结构上也有缺点,就是拱圈横截面上受力不均匀。该缺点有两个方面的弊端,一是材料性能没有被充分利用,二是对超大跨径的混凝土拱桥,拱圈横截面上先浇筑的部分应力容易超限。由于拱箱底板最先浇筑,所以拱圈设计最关键的部位通常是处于负弯矩区的拱圈底板,就本桥来讲最难控制的部位就是拱脚附近的拱圈底板。国内外一些超大跨度混凝土拱桥的设计研究,经常采取一种组合施工法,先拱脚斜拉悬臂浇筑一段,然后再使用米兰法施工,目的就是降低拱脚段正应力。本桥拱圈跨度445m,即使采用了铁路桥梁规范中最高等级的C60混凝土,其局部应力超限也难以避免。所以在本桥拱圈浇筑过程中,如何通过优化浇筑顺序,控制拱圈局部应力不超限是需要设计深入研究的问题。

3 B& ~, W3 F$ T! }- N

拱上结构及引桥的设计难题


" c6 A9 f0 J. x

       拱上采用8×42m预应力混凝土连续梁,受地形及两端长隧道等条件限制,引桥混凝土梁及拱上混凝土梁均需在支架上浇筑。由于拱圈建成后与两岸山坡又分别形成了两个深达110m的“山谷”,因此在交界墩前后采用了与交界墩固接的2×65m预应力混凝土变高度悬臂灌筑梁,避免了搭设支架浇筑梁体的困难。同时,采用2×65mT构后,拱上立柱高度大大降低,上海岸陡峻边坡上的桥墩基础设置条件也得到了改善。

       拱桥的行车道系(梁部)与主体承重结构(拱圈)分离,拱桥跨度越大,拱上墩就越高,高墩区梁部横向刚度也就越弱。另外,混凝土拱桥虽然刚度大,但是活载变形、温度变形及长期的收缩徐变变形都是不可避免的。为减少拱圈变形对轨道平顺性的影响,同时提高行车道系竖、横向刚度,将拱上8×42m连续梁与两端2×65mT构梁通过湿接头连成了一联,形成总长约600m刚构-连续梁。


( `+ B9 s9 D/ m* o3 e

结构设计创新

       确保满足350km/h速度下的行车安全性和舒适性要求,是高铁桥梁设计中最重要的控制因素。本桥委托了两家专业机构进行大桥的行车分析,桥梁行车分析通过建立“列车-轨道-桥梁”数值仿真模型,把温度和收缩徐变引起的桥梁变形处理为桥面附加不平顺,进行不同列车车型、不同车速以及不同桥面挡风结构下的风-车-桥动力响应计算。设计依据行车分析提出的大桥竖横向刚度控制值和桥面导风结构设计参数,再优化、确定上部结构的形式和尺寸。

* k# F- f4 h" `# j

拱圈

       拱圈跨度445m,矢高100m,拱轴线采用悬链线,拱轴系数m=1.6。拱圈采用单箱三室截面,高度9.0m;中央315m范围为18m等宽,靠近拱脚65m范围为18~28m变宽。拱箱中室宽度始终不变,拱箱变宽由两个边室的宽度变化来实现。拱圈混凝土采用C60。


2 A! w, h* C% {: c

拱上结构

       引桥及拱上梁均采用预应力混凝土箱梁, 桥面宽13.4m,箱宽8m,除2×65mT构梁采用7.5~4.0m变梁高外,其余梁高均为4.0m。梁部均采用C55混凝土。引桥墩和拱上墩全部采用双柱式,拱上最大墩高58.7m,交界墩墩高102m。所有墩柱均采用C40混凝土。拱-梁典型横断面如图4所示。


! [4 n+ t  R& e

图4 北盘江桥拱-梁典型横断面图


* }6 L2 |6 Y8 R) o0 a
! R& {# V- S2 M
7 |4 v0 x& h' f" C# s

钢管桁架拱

7 \: z$ }+ t5 n! ?

       钢管桁架拱跨径与拱圈相同,横向四片主桁构成,桁高8m,四片主桁的横向位置与拱圈四道腹板对应。桁架上、下弦采用外径750mm,壁厚24mm钢管。腹杆及所有横向连接杆均采用多肢角钢组合而成的缀杆,以加强与混凝土粘接。钢管采用Q370qD钢材,桁架拱架设合龙后,钢管内压注C80混凝土。钢管桁架纵向分为40个节段,节段长度约12m,每个节段设有一品横向连接系,如图5所示。钢管桁架拱总用钢量4300t。

- n; ~1 e7 [2 \7 G$ E; L9 d

0 S" B6 y; k& m% d" Y0 n5 W7 w/ D5 i: S: ]8 o# j6 V

( B) F7 @; C4 L

图5 北盘江桥钢管桁架节段示意图


5 b/ e" g( ~/ J1 R3 Q: i* Q! G4 |. n9 T( d" t: n6 G8 O

拱座


5 X- W. R9 Z* Q% Q  q% J9 U       两岸拱座下覆基岩为白云质灰岩,溶洞、溶槽发育,基岩完整性较差。上海岸设计基本承载力为0.90Mpa,昆明岸设计基本承载力为0.85Mpa。扩大式拱座基础横向宽56m,纵向宽上海岸29m,昆明岸34m。拱座总体上由三个混凝土块体构成(如图6),拱圈和交界墩置于上块体上,采用C40钢筋混凝土,下层两个块体采用C30素混凝土。0 Z- c/ ?% i6 c# R
2 `. \6 g1 q& L
5 Y7 @0 D3 @4 }" e

图6 北盘江桥拱座基础示意(炸开图)

  e) i+ b9 P0 f! `" M" q

- @5 r3 j4 V1 L/ N% j3 f0 m( U' l: @

施工工艺创新

7 P+ l% |0 b; O& a; h" g9 S5 i

钢管桁架拱架设

       钢结构杆件在1200公里外的武汉市工厂制造,通过公路以散件运输至工地。结合现场地形条件,采用拱座基坑开挖的弃渣填筑了一块约4000平方米的钢结构拼装场。钢管桁架以12m一个节段进行组拼,完成预拼装后节段再解开为三块,通过平板车运输至桥下吊装平台,分别吊装。钢管桁架的空中运输和拼装通过一座跨度约900m的缆索吊完成,起吊能力130吨。为减少空中作业,确保人员安全,拱圈的底模板随钢管桁架一起吊装就位。钢管桁架每安装两个节段,张拉一组钢绞线扣索和背索。

- G0 t/ a/ z7 v* V' R) d

图7 北盘江桥钢管混凝土桁架拱架设

+ m. l! W. T5 X3 i

钢管内混凝土压注

/ x3 e$ ?% E/ Y

       上下弦钢管在拱脚附近设置混凝土压注孔,拱顶设置抽气孔。钢管桁架拱合龙后,在两岸拱脚处采用混凝土泵车同步向拱顶对称压注C80混凝土,100m高度一次顶升到位。

拱圈混凝土浇筑

       根据计算,本桥若按常规顺序浇筑,拱脚附近底板最大压应力超出了规范容许值。拱脚附近底板应力超限,既有施工过程应力累加使得初始应力过大的原因,也有混凝土收缩、徐变造成的内部应力转移后期应力增加的原因,即使局部增加底板厚度也收效甚微。要解决底板应力超限问题,拱脚段拱箱必须尽量提早浇筑形成完整箱体,同时拱脚段拱箱要尽量减少分环浇筑次数,缩小分环间的混凝土浇筑龄期差。

       依托钢管混凝土桁架架设模板、浇筑拱箱混凝土,都是安全风险极高的高空作业,浇筑步骤多,浇筑时间长,所以浇筑顺序安排应有利于施工安全及后续浇筑工作的开展。结合优化拱圈受力及施工方面的要求,本桥最终采用的拱箱混凝土浇筑顺序如图8。

6 g7 f; [$ Z4 u8 ^+ b/ L

图8 北盘江桥1/2侧拱箱混凝土浇筑顺序示意图

9 c6 W1 K8 C+ T& E8 i, @, M! B

       因拱箱在纵向上左右对称,所以图8仅示意其中1/2侧拱箱混凝土浇筑顺序。如图8中所示,第一步,拱圈纵向共分为6段,即6个工作面同步浇筑拱箱边室底板混凝土,其中拱脚处45m段的中室底板也一同浇筑,从而形成了安全的施工通道和平台。第二步,开始浇筑左右两侧拱脚段拱箱,水平长度为45m,具体方法是两岸由拱脚向拱顶,5m一个节段,分段浇筑拱箱的腹板和顶板,每浇筑一个节段张拉一组斜向扣索和背索。第三步,将剩下未浇筑的拱圈再次分成6段,即6个工作面先同步浇筑腹板混凝土。待腹板浇筑完成后,6个工作面再同步浇筑边室顶板混凝土。第四步, 6个工作面先同步浇筑中室底板混凝土,待中室底板浇筑完成后,6个工作面再同步浇筑中室顶板混凝土,至此拱圈全部形成。拱脚段张拉的扣索和背索在拱箱全部浇筑形成之前,按照设计提供的步骤逐步拆除。

. [8 B% e2 d2 f+ I* x/ V  u

其他构件施工

       拱座基坑由上至下分层开挖,边开挖边开展边坡防护工程施工。拱座大体积混凝土采取分块、分层浇筑,每次浇筑的混凝土方量在1000方左右。混凝土内设散热钢管,采用循环水冷却降温。

       交界墩高102m,采取顶升爬模施工,引桥及拱上墩柱均采用大节段翻模施工。2×65mT构采取挂篮悬臂浇筑,拱上8孔42m梁以简支状态在支架上浇筑。梁体全部浇筑完成后,再通过湿接头将8孔42m简支梁、两侧的2×65mT构连接成(2×65m+8×42m+2×65m)预应力混凝土连续梁。

/ J' g  |7 e, ]; S

桥梁动态检测

       2016年9月28日至11月15日,中国铁道科学研究院高速铁路系统国家工程实验室对北盘江桥进行了动态检测,测试动车组以各种速度通过大桥时的动力响应。检测结果表明,本桥的横向振幅、竖向振幅及加速度等均满足《高速铁路桥梁运营性能检定规定》,符合设计预期。


, G9 R8 V+ m7 Y& U* w5 Y4 i

图9 不同车速下的桥面竖向加速度


1 U3 y& T# D) s5 o

图10 俯瞰照片


: z* @  t. O+ @; ~

混凝土拱桥的新跨越

       为满足高速铁路刚度和变形要求,同时适应艰险山区建桥条件,沪昆高铁北盘江桥采用了445m跨度上承式混凝土拱桥跨越北盘江大峡谷。大桥采用刚度大、用钢量节省的钢管混凝土桁架拱作为箱形混凝土拱圈的内置骨架;采取6工作面、分环同步浇筑与斜拉全断面2工作面依次浇筑相结合的成拱方法,以较小的经济代价建成了世界最大跨度的混凝土拱桥。北盘江桥通车后,列车最高以330km/h速度通过,运营状态良好。建成后的北盘江桥,优美而又刚劲,与高峡、大坝相互辉映,为峡谷增添了一道靓丽的风景线,成为了中国艰险山区高速铁路的标志性工程。


  o$ M% ^+ B% _/ [6 r8 {; K8 ^& m8 p


$ n+ |+ ~* Q* X# U9 ]: o
2 h( k( J! u! Z# M

作者单位:中国中铁二院工程集团有限责任公司


编辑:裴小吟

美编:欣钰

审校:廖玲

附件: 你需要登录才可以下载或查看附件。没有帐号?注册
百度谷歌雅虎搜狗搜搜

举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册



常务理事单位        

武汉一冶钢结构有限责任公司
北京市市政工程研究院
江苏沪宁钢机股份有限公司
中交第二公路工程局有限公司
无锡路桥集团有限公司
林同棪国际(中国)工程咨询有限公司
北京城建道桥建设集团有限公司
山东高速集团有限公司
上海市城市建设设计研究总院
湖北省交通规划设计院
四川省交通厅公路规划勘察设计研究院
四川公路桥梁建设集团有限公司
广东省长大公路工程有限公司
武桥重工集团股份有限公司
贵州桥梁建设集团有限责任公司
湖南省交通规划勘察设计院
中国船级社实业公司
北京中交桥宇科技有限公司
江苏法尔胜新日制铁缆索有限公司
华杰工程咨询有限公司
北京建达道桥咨询有限公司
天津市市政工程设计研究院
广州市市政工程设计研究院
贵州省公路工程集团有限公司
中铁大桥勘测设计院有限公司
上海市市政规划设计研究院
中交第二公路勘察设计研究院有限公司
武汉二航路桥特种工程有限公司
深圳市市政设计研究院有限公司
江阴大桥(北京)工程有限公司
广西交通规划勘察设计研究院
河南省桃花峪黄河大桥投资有限公司
江苏省交通工程集团有限公司
天津城建设计院有限公司
同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司
合诚工程咨询股份有限公司
广州交通投资集团有限公司
上海公路桥梁(集团)有限公司
中交第一公路勘察设计研究院有限公司
天津市路驰建设工程监理有限公司
天津二十冶建设有限公司
湖南路桥建设集团有限责任公司
上海隧道工程股份有限公司
山东高速路桥集团股份有限公司
安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司
衡水益通金属制品有限责任公司
武汉市市政建设集团有限公司
郑州新大方史托克机械设备有限公司
江苏宏远科技工程有限公司
汇通路桥建设集团有限公司
交通运输部公路科学研究院
江西省交通设计研究院有限责任公司
中铁十二局集团第四工程有限公司
山西省交通科学研究院
四川省交通运输厅交通勘察设计研究院
大连理工大学桥隧研发基地
中铁山桥集团有限公司
西安方舟工程咨询有限责任公司
陕西旭泰交通科技有限公司
江苏扬子大桥股份有限公司
港珠澳大桥管理局
上海振华重工(集团)股份有限公司
四川西南交大土木工程设计有限公司

理事单位        

行业相关机构        

媒体链接        

行业链接        

回顶部