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1、中国第一座铁路钢管混凝土拱桥水柏铁路北盘江大桥 铁道部第二勘测设计院 马庭林 1 徐勇 2 何庭国 3 陈克坚 4 郭建勋 5 李慧君 6摘要: 本文简要介绍了我国第一座铁路钢管混凝土拱桥的结构设计和采用的转体施工方法。该桥是目前世界上最大跨度的铁路钢管混凝土拱桥，为目前国内最高的铁路桥梁, 施工所采用的单铰平面转体重量 104000N 为当今世界第一。 关键词：铁路桥梁，钢管混凝土，拱桥，转体施工Chinas First Concrete filled steel tube Arch Railway Bridge-Beipanjiang Long Bridge on Shuicheng-Ba
2、iguo LineMa Tinglin1 Xu Yong 2 He Tingguo3 Chen Kejian4 Guo Jianxun5 Li Huijun6(The 2nd Surveying & Designing Institute of the Ministry of Railways, China,610031)Abstract: This paper gives a brief introduction of the structural design of Chinas first concrete filled steel tube arch railway bridge an
3、d methods of construction by swing. This bridge is a deck concrete filled steel tube arch railway bridge with the largest span in the world at present. And it is the highest railway bridge in China at present. The weight of single hinged-horizontal swing in construction is 104000 kN, which is the fi
4、rst among the ranks in the world today. Keywords: railway bridge, concrete filled steel tube, arch bridge, construction by swing 1 前言自 1990 年在四川省旺苍东河建成跨度为 115下承式钢管混凝土拱桥以来，在我国陆续建成各式公路钢管混凝土拱桥有 90 余座，其中有采用钢管混凝土劲性骨架的钢筋混凝土箱形拱桥重庆万州长江大桥，其跨度达 420；有采用转体法施工的主跨达 360的广州丫髻沙大桥。 我国建成的铁路拱桥已有许多，其中有建于 1972 年的丰沙线永定河大桥
5、，其跨度为 150的中承式钢筋混凝土肋拱桥，有 1994 年建成的跨度为（180216180）的钢桁拱桥九江长江大桥。在此以前，钢管混凝土在铁路桥的应用上还是个空白，充分利用钢管混凝土承压能力强，适合拱桥受力特点和利用钢管在施工阶段能起到支架作用，结合特定地形、地质条件修建大跨度铁路钢管混凝土拱桥，对提高铁路桥梁的跨越能力和提高铁路桥梁建设水平都有非常重要的意义。2 大桥概述 北盘江大桥位于贵州省六盘水市境内的崇山峻岭地区，为水柏铁路（六盘水至柏果）全线重点控制工程。桥位处大桥与北盘江约呈 80交角。河谷深切呈“V”型，六盘水岸崖高约 158m，呈直立状，崖底约有 3m 倒悬；柏果岸陡壁约 7
6、1倾角，高约 177m，无倒悬。六盘水岸基岩零星出露，柏果岸顶桥址基岩裸露，两岸及谷底有零星块石，漂石。桥址远离公路，交通极为不便。北盘江属珠江水系,在黔桂交界处与南盘江汇合注入红水河，属山区剧烈下切河流，纵坡陡，河水湍急，含砂量较大，河水常年浑浊，多含煤粒。桥位处最大流量2540m3/s，最小流量 20.4m3/s，大气降水沿坡面及溶蚀裂隙流向陡崖，汇入北盘江中 。由于线路较高，桥梁工程不受水文影响。六盘水市冬春干燥寒冷，夏季潮湿,冬季多冷冻，年平均气温为 18.8，年平均降水量 1119.7 mm，盛行东南或东东南季风。北 盘 江 大 桥 在 线 路 标 高 1143.91 米 (全 线
7、最 低 点 )横 跨 北 盘 江 ， 从 94 年全线可行性研究开始，先后进行了十多个桥型方案的比选。经过多次专家论证与审查，确定北盘江大桥主桥桥型为上承式钢管混凝土拱。根 据 勘 测 资 料 并 考 虑 两 岸 岩 溶 发 育 的 分 布 状 况 和两 岸 基 础 埋 深 及 岸 坡 稳 定 等 因 素 ， 其 桥 跨 布 置 为 ： 324 米 PC 简 支 梁 + 236 米 上 承 式X 形 （ 提 篮 形 ） 钢 管 混 凝 土 拱 + 524 米 PC 简 支 梁 ， 桥 全 长 468.20 米 。 全桥布置见图 1。图 1 北盘江大桥立面布置图3 主桥结构3.1 主桥拱圈结构主
8、 桥 结 构 为 上 承 式 X 形 （ 提 篮 形 ） 钢 管 混 凝 土 拱 ， 拱 趾 中 心 跨 度 236 米 ， 其 拱 圈由 两 条 拱 肋 与 横 向 连 接 系 构 成 ， 拱 肋 横 向 内 倾 6.5。 拱 肋 拱 趾 处 中 心 距 19.6 米 ，拱 顶 中 心 距 6.156 米 ， 主 拱 立 面 投 影 拱 轴 线 为 悬 链 线 ， 拱 轴 系 数 3.2， 矢 跨 比1/4。 拱 肋 高 5.4 米 ， 宽 2.5 米 , 每 肋 由 4 肢 100016mm 钢 管 构 成 ， 其 上 下 弦 各由 两 肢 钢 管 与 其 间 的 两 块 12mm 厚 钢
9、 板 联 结 呈 哑 铃 形 ， 在 拱 肋 的 全 长 上 均 为 等 截 面 ； 从拱 趾 起 两 跨 16 米 梁 范 围 的 钢 管 拱 肋 上 下 弦 之 间 各 由 两 块 12mm 厚 钢 板 联 结 ， 构 成 实 腹段 ， 使 拱 肋 断 面 呈 箱 形 ； 为 加 强 混 凝 土 与 钢 板 的 连 接 ， 在 钢 板 上 布 置 一 定 数 量 的 栓 钉 。为 防 止 在 灌 注 混 凝 土 时 钢 板 受 侧 向 压 力 而 涨 鼓 变 形 ,在 上 下 弦 盖 板 及 拱 肋 腹 板 的 两 块钢 板 间 设 一 定 数 量 的 螺 杆 加 强 。 拱 肋 的 中
10、部 其 上 下 弦 之 间 通 过 H 形 杆 件 ， 通 过 焊 接 在上 下 弦 钢 管 的 节 点 板 由 高 强 度 螺 栓 连 接 形 成 桁 架 式 连 接 ， 拱 肋 上 下 弦 及 实 腹 段 内 均 灌 注C50 级 微 膨 胀 混 凝 土 。两 条 拱 肋 之 间 其 上 下 弦 采 用 60014mm 和 80014mm 钢 管 组 成 的 多 道 “ ”字 形 和 “N”字 形 的 平 联 连 接 ； 上 下 弦 平 联 之 间 采 用 45014mm 钢 管 斜 向 连 接 ， 以此 组 成 拱 肋 横 向 联 接 系 。 主桥拱肋及横向联接采用 Q345d 钢材。主
11、 桥 拱 肋 结 构 和 拱 圈 断面 结 构 如 图 2、 图 3 所 示 。图 2 主 桥 拱 肋 结 构 图 3 主 桥 拱 圈 断 面 结 构3.2 拱上结构 拱上结构为：516 米超低高度 PPC 简支梁 + 82 米拱顶 形刚架 + 516 米超低高度 PPC 简支梁。通过固定支座使3 交界墩与拱上号墩柱、4 交界墩与拱上号墩柱分别组成一联，拱上、号墩柱与拱顶 形刚架 I 号段组成一联，、号墩柱与拱顶 形刚架号段组成一联。梁上制动（牵引）力由上述结构共同承受。刚架墩墩柱为钢筋混凝土矩形空心墩，墩柱间采用钢筋混凝土 K 形撑连接，以增强刚架墩的横向刚度。墩柱横向内倾 6.5，与拱肋倾
12、角一致。拱上、号墩柱高 40.84 米，、号墩柱高 26.22 米，、号墩柱高 15.34 米，、号墩柱高 7.339 米。墩柱顶部空心截面横向宽度为 200cm，纵向宽度 140 cm，纵、横向壁厚均为 30 cm，、号墩柱纵向内外壁 1：100 放坡，壁厚不变。 墩柱间 K 形撑为矩形空心截面，K 撑的水平杆截面高 120 cm，宽 100 cm，壁厚 15 cm；斜杆截面高 80 cm，宽100 cm，壁厚 15 cm。墩柱与 K 撑均采用采 C30 混凝土。刚架墩结构如图 4 所示。拱顶 形刚架纵向分为 7 个节段(7.9m29m30.82 m29m7.9m)，每段间留3 厘米伸缩缝。
13、 形刚架顶板宽 7.0 m，厚度 25cm，除中间 30.82 m 段腹板厚度为 60cm外，其它节段腹板厚度均为 20cm。腹板横向倾斜 6.5，与拱肋倾斜一致。 形刚架纵向每 2.7 米3 米设置一道厚度为 20cm 的横隔板，横隔板下部掏空，呈 形。拱顶 形刚架结构如图 5 所示。拱上刚架墩底部设置加劲的钢箱墩座与拱肋连接，钢箱底部与拱肋上弦焊接，墩柱钢筋插入钢箱混凝土内连接； 形刚架腹板底部设置两道 10mm 厚钢板，腹板钢筋端部与钢板焊接，钢板与拱肋上弦盖板焊接，中间 30.82 m 节段腹板底部除采取钢板连接外，增设了波浪形剪力钢筋，以加强与拱肋上弦的连接。 形刚架横隔板内均设置一
14、道门形钢板，门形钢板的两个支腿与拱顶上弦钢板焊接。图 4 拱上刚架墩 图 5 拱顶 形刚架33 主桥结构计算 （1）全桥整体动力分析全 桥 横 向 刚 度 控 制 设 计 中 ,对 于 自 振 周 期 ， 按 横 向 第 1 自 振 周 期 不 大 于 1.65 秒 控制 设 计 ， 同 时 进 行 横 向 振 动 分 析 和 车 桥 耦 合 动 力 计 算 ， 其 脱 轨 系 数 、 横 向 振 幅 、 舒 适 度 、等 计 算 值 ， 都 满 足 有 关 规 定 。 主桥计算最大横向自振周期为 1.54 秒 ,满 足 控 制 设 计 要 求 。 机 车 与 车 辆 脱 轨 系 数 在 0.
15、5以 下 ,行 车 安 全 性 能 可 以 得 到 保 证 ； 行 车 舒 适 性 能 在 竖 向 及 横 向 达 到 “良 好 ”级 别 ；货 车 80km/h 通 过 时 ， 桥 梁 各 梁 跨 最 大 挠 度 冲 击 系 数 为 1.117， 最 大 横 向 水 平 位 移 为6.46mm， 最 大 竖 向 位 移 为 24.6mm， 最 大 横 向 加 速 度 为 0.246g， 最 大 竖 向 加 速 度 为0.152g， 都 在 允 许 范 围 内 。 （2）结构稳定性按 铁 路 桥 规 进 行 施 工 阶 段 拱 圈 及 运 营 阶 段 全 桥 的 稳 定 性 计 算 ， 采 用
16、 多 个 结 构 程 序 予以 计 算 ， 并 相 互 印 证 ， 满 足 铁 路 桥 规 的 要 求 。 （3）常规计算一 期 、 二 期 恒 载 按 施 工 过 程 拱 肋 加 载 的 实 际 历 程 进 行 结 构 计 算 和 内 力 、 位 移 的 叠加 ， 得 到 成 桥 结 构 内 力 和 位 移 。 拱 肋 混 凝 土 收 缩 按 降 温 15考 虑 。拱圈钢结构预拱度按拱圈实际位移设置，该位移包括：一期恒载位移、二期恒载位移、混凝土收缩位移（按 降 温 15考 虑 ） 及 50静活载的结构位移。活载计算采用 ANSYS 结构分析程序计算内力影响线，A LGOR 程 序 （ SAP9
