云桂鐵路南盤江特大橋橋式方案研究

任 偉

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川成都 610031）

1 工程概況

云桂鐵路西起中國(guó)云南省昆明市，東至廣西壯族自治區(qū)南寧市，是中國(guó)西南與華南地區(qū)客貨交流的重要通道。鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為客車250 km、貨車120 km，鐵路在云南省彌勒市與丘北縣交界處跨越南盤江。在線路可能穿越的區(qū)域，地形多為深切的V形峽谷，無論從技術(shù)的合理性還是與自然環(huán)境的協(xié)調(diào)性看，上承式拱橋都是最佳的選擇。在可行性研究階段，南盤江大橋重點(diǎn)比選了兩個(gè)橋位，二者相距約2 km。若采用上承式拱橋橋型，下游橋位主跨度約為400 m，上游橋位主跨約為360 m。隨著地質(zhì)勘探的深入，發(fā)現(xiàn)沿河谷的小里程岸坡上發(fā)育有一條連續(xù)的斷層破碎帶，帶寬約60 m，影響拱座基礎(chǔ)的設(shè)置。如果避開該斷層破碎帶的影響，下游橋位的主橋跨徑需要增至500 m以上，而上游橋位的跨徑為420 m左右。由于上游橋位跨度較小，同時(shí)也滿足線路走向和高程的要求，因而被最終選中。

橋址區(qū)地處高山峽谷地區(qū)，地面高程960～1 520 m，相對(duì)高差80～560 m，地形陡峻，坡面植被茂密。其中大里程橋臺(tái)陡坡段為林地，小里程橋臺(tái)處灌木叢生。昆明岸橋下有7 m寬瀝青路面公路，系丘北縣至彌勒縣的305省道，公路交通較為方便。橋位處屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均氣溫16.4℃，極端最高氣溫34.9℃，極端最低氣溫-7.6℃。月平均氣溫最高為7月份，為21.8℃；月平均氣溫最低為1月份，為8.8℃。年平均風(fēng)速為1.8 m／s，最高風(fēng)速18 m／s。橋址地層下伏基巖為灰?guī)r及炭質(zhì)灰?guī)r?；?guī)rW3基本承載力為0.5 MPa；W2基本承載力為1.0 MPa。場(chǎng)地地震峰值加速度為0.1 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，場(chǎng)地類別為I類［1］。

2 橋式方案

鋼拱橋、混凝土拱橋是拱橋的傳統(tǒng)類型，應(yīng)用最多。20世紀(jì)90年代以來，鋼管混凝土拱橋在中國(guó)異軍突起，具有用鋼量較少、施工方便的優(yōu)點(diǎn)。就上承式拱橋而言，鋼拱橋最大跨徑為518.3 m，是美國(guó)的新河谷橋；混凝土拱橋最大跨徑為420 m，是中國(guó)的萬縣長(zhǎng)江大橋；鋼管混凝土拱橋最大跨徑達(dá)到430 m，為中國(guó)的支井河大橋［2-4］。本橋跨徑在420 m左右，拱圈采用混凝土、鋼或鋼管混凝土材料都是可行的。另外由于本橋跨徑很大，為滿足鐵路橋較為特殊的橫向剛度要求，拱圈需要較大的寬度，這與較窄的雙線鐵路橋面系是一對(duì)矛盾，采用提籃式雙肋拱似乎更為合理。經(jīng)過梳理，設(shè)計(jì)提出了上承式鋼桁拱、上承式鋼管混凝土拱、上承式鋼筋混凝土雙肋箱拱和上承式鋼筋混凝土整體箱拱四個(gè)方案進(jìn)行比選。

圖1 上承式鋼桁拱效果圖

2.1 上承式鋼桁拱方案

一般來說，鋼拱橋跨徑超過200 m時(shí)，拱肋采用桁式更為合理，結(jié)合橫向剛度要求，采用內(nèi)傾的提籃形桁式拱肋。鋼桁拱跨徑416 m，矢高f＝99 m，矢跨比1／4.2。引橋及拱上梁跨布置為3-42 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁+（60+104+60）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)+8-39.5 m鋼混連續(xù)梁+2-60 m預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)+1-42 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，見圖1。引橋采用較大跨徑的連續(xù)剛構(gòu)和T構(gòu)，主要為降低拱上和引橋的墩高，同時(shí)避免大里程岸拱座開挖對(duì)相鄰引橋基礎(chǔ)的影響。方案中除拱肋采用鋼結(jié)構(gòu)外，拱上墩柱及拱上8-39.5 m連續(xù)梁也使用鋼結(jié)構(gòu)。鋼桁拱方案技術(shù)相對(duì)成熟，施工工藝也相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)上沒有太大的挑戰(zhàn)。橫向剛度控制設(shè)計(jì)是本橋的主要技術(shù)特點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。因?yàn)闄M向剛度影響了桿件截面、拱肋桁高、拱肋間距及拱肋傾斜角度的選擇，并最終決定大橋的鋼材用量［5-6］。通過“車-橋耦合振動(dòng)仿真分析”，經(jīng)過多種拱圈寬度的比選，確定拱腳處拱肋中心距40 m，拱頂處16 m，拱肋及拱上墩內(nèi)傾角度為6.911°。該方案主橋用鋼量為28 831 t（包括拱圈、拱上墩柱和結(jié)合梁），全橋概算造價(jià)6.75億元。

圖2上承式鋼管混凝土拱效果圖

2.2 上承式鋼管混凝土拱方案

鋼管混凝土拱橋在中國(guó)近20多年發(fā)展極為迅速，目前最大跨徑已達(dá)到530 m，為中國(guó)四川省合江大橋（中承 式）［7-9］。鋼 管混凝土拱方案的總體布置與鋼桁拱方案相同，不同之處主要為拱肋結(jié)構(gòu)，見圖2。拱肋上下弦均為Φ1 600×20 mm的雙鋼管，合龍后鋼管內(nèi)灌注C55混凝土；拱肋中央部分為桁式，拱上#1墩及以下部分為實(shí)腹式（內(nèi)填C55混凝土）。這種結(jié)構(gòu)布局主要為主橋降低結(jié)構(gòu)重心，同時(shí)增強(qiáng)橫向剛度。拱腳處兩片拱肋的橫向中心距為36 m，拱頂處為12 m，拱肋及拱上墩柱內(nèi)傾角為6.911°。拱上墩柱及梁體與鋼桁拱方案相同，主橋用鋼量為20 035噸，全橋概算造價(jià)5.31億元。

2.3 上承式混凝土雙肋箱拱方案

就混凝土拱方案，本橋采用雙肋箱拱和整體箱拱都是可行的，在橫向剛度控制的情況下，采用提籃式肋拱似乎更節(jié)約材料［10］。方案總體布置與前者大致相同，跨度為416 m，矢高99 m，矢跨比1／4.2，拱軸線采用懸鏈線。雙肋間于墩柱位置共設(shè)9道橫梁，拱上墩柱及梁體均采用混凝土結(jié)構(gòu)。拱肋為變寬、變高度箱形結(jié)構(gòu)，拱頂寬度4.5 m，高度7 m；拱腳寬度7.5 m，高度11 m。拱肋內(nèi)傾角度為6.054°，拱腳處拱肋橫向中心距為30 m，拱頂為9 m。拱圈采用“米蘭法”施工，以鋼管混凝土桁架作為勁性骨架，桁架上、下弦一共設(shè)8根弦管，鋼管桁架合龍之后，弦管內(nèi)壓注C80混凝土。該方案拱座基礎(chǔ)形式與其它方案不同，為拱圈直接插入地基的嵌巖基礎(chǔ)，如圖3所示。該方案拱圈混凝土總量為23 559 m3，內(nèi)置骨架用鋼量為4 423 t，全橋概算造價(jià)為4.41億元。

圖3 上承式混凝土肋拱效果圖

圖4 上承式混凝土箱拱效果圖

2.4 上承式混凝土整體箱拱方案

混凝土箱拱方案的總體布置與上述方案相同，拱圈拱軸線采用懸鏈線。拱圈為等高、變寬的三室混凝土箱，高度 8.5 m，中央286 m范圍為18 m等寬；拱腳65 m范圍為18～28 m變寬。拱上墩柱均直立，與梁部均都采用混凝土結(jié)構(gòu)，如圖4所示。拱圈采用“米蘭法”施工。拱圈混凝土混凝土量為24 068 m3，勁性骨架鋼材用量為4 011 t，全橋概算造價(jià)為4.46億元。

3 橋型方案比選

在中國(guó)人工費(fèi)相對(duì)較低的工程環(huán)境下，鋼材用量幾乎決定了橋梁造價(jià)的高低。四個(gè)方案中鋼拱橋造價(jià)太高，因而被最先放棄；鋼管混凝土拱方案造價(jià)比兩個(gè)混凝土拱方案造價(jià)約高1億元左右，但它也有自身的優(yōu)點(diǎn)，其施工工期比混凝土拱橋方案至少要縮短2年。鋼管混凝土拱橋在中國(guó)主要使用在公路橋梁上，鐵路橋梁應(yīng)用較少。本公司設(shè)計(jì)的2001年建成的水柏鐵路北盤江大橋，為跨徑236 m的鋼管混凝土拱橋，其結(jié)構(gòu)形式與本橋的鋼管混凝土拱方案接近。該橋拱圈結(jié)構(gòu)采用了平轉(zhuǎn)法施工，鋼管桁架拱及鋼管聯(lián)接系均在山坡的支架上拼裝，所有鋼管接頭焊接完成后再實(shí)施轉(zhuǎn)體和合龍，管結(jié)構(gòu)拼裝焊接質(zhì)量得以保證。本橋由于缺乏轉(zhuǎn)體施工的地形條件，鋼管拱桁架必須采取高空吊裝和焊接，能否實(shí)現(xiàn)高精度的拼裝沒有把握，這是疲勞問題突出的鐵路橋非常忌諱的技術(shù)問題。除了造價(jià)偏高外，高空拼裝焊接質(zhì)量無法保證也是本橋鋼管混凝土拱方案被否定的重要原因［11］。

根據(jù)云桂鐵路全線總體施工組織計(jì)劃，即使南盤江大橋工期長(zhǎng)達(dá)5年，也不影響全線的工期安排，因而造價(jià)相對(duì)較低的混凝土拱方案優(yōu)勢(shì)更加凸顯。提籃式混凝土雙肋箱拱與混凝土整體箱拱相比，材料用量和造價(jià)都非常接近，如何抉擇主要看二者的美觀程度和施工難度差異。從美觀角度看，兩個(gè)混凝土拱橋方案似乎難分伯仲；從施工難度看，二者都采用“米蘭法”施工，內(nèi)置的鋼管桁架拱也都采用高空拼裝和焊接，相比而言整體箱拱的鋼管桁架制造和吊裝更為簡(jiǎn)單［12］。從施工的另外一個(gè)角度看，采用整體三室箱拱，后期施工中拱圈施工方案的優(yōu)化空間較提籃式雙肋拱也要大一些，例如采用斜拉懸臂掛籃澆筑法施工，三室整體箱也容易實(shí)現(xiàn)，而提籃拱相對(duì)要困難一些。另外，本橋設(shè)計(jì)時(shí)，世界第一和第二大跨徑的混凝土拱橋，即萬縣長(zhǎng)江大橋和克爾克橋的拱圈都采用的是整體三室箱截面。從技術(shù)穩(wěn)妥性、施工便利性考慮，在初步設(shè)計(jì)階段本橋最終選擇了單箱三室的整體拱圈方案。

4 結(jié)束語

南盤江特大橋于2010年8月開工建設(shè)，2016年12月28日通車運(yùn)營(yíng)，目前運(yùn)行狀態(tài)良好。大橋主跨416 m上承式鋼筋混凝土拱橋也是目前世界最大跨度客貨共線鐵路混凝土拱橋，本文中的橋式方案研究對(duì)山區(qū)超大跨度鐵路拱橋的設(shè)計(jì)和選型有非常好的參考價(jià)值，可供類似工程借鑒。