2012年6月 高速铁路技术 No.3,Vo1.3 第3卷第3期 HIGH SPEED RAILWAY TECHNOLOGY Jun.2012 文章编号:1674—8247(2012)03—0042—04 贵开铁路南江特大桥连续刚构设计 廖尚茂 马 杰 杜 新 罗 刚 (中铁二院工程集团有限责任公司, 贵阳550002) 摘要:南江特大桥跨越被誉为“喀斯特生态博物馆”的南江大峡谷,架设在地质构造复杂的危岩体上。本桥 以其结构复杂,设计、施工难度大成为全线的重点控制工程。主桥采用(92+176+92)nl连续刚构,针对本桥 安全防护的特殊性及重要性进行了专门的主桥施工安全防护设计。文章着重介绍了主桥的结构设计、整体结 构计算、横向环框分析、车桥耦合动力分析、施工安全防护等关键环节,使峡谷景区的桥梁施工安全得到了充 分的保证。 关键词:铁路桥;连续刚构;结构分析;安全防护 中图分类号:U442.5 3 文献标识码:B Design of Continuous Rigid—frame Bridge on Guiyang-Kaiyang Railway D LIAO Shang-illao MA Jie DU Xin LUO Gang (China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Guiyang 550002,China) Abstract:Nanjiang Bridge,straddling the grand Nanjiang valley that is honored as karst eco-museum,is built on danger— OUS rocks.The bridge is regarded as the controlled key project on the line for its complicated formation and puzzlement in design and construction.The main bridge adopts(92+1 76+92)m continuous irgid framework and has special safety protection in consideration of its specific characteristics.In this paper,primary focus is laid on the key links such as maim bridge design,calculation for the bridge structure,analysis of lateral frame and coupling dynamics of vehicle and bridge and construction safety protection,which provides suficientf guarantee for the safety construction in the valley are— aS. Key words:railway bridge;continuous rigid—framework;stucture analysis;safety protectiron 1 概述 南江特大桥位于贵阳市开阳县境内,为贵阳至开 阳铁路跨越著名风景区南江大峡谷而设。大峡谷呈 “V”型,为龙广河深割而形成。谷槽两壁陡峭,谷深达 200 m。峡谷陡倾呈喇叭型,下部狭窄,最底部宽超过 8 m,峡谷底部两岸倾角达70。一80。,局部见倒悬岩 腔,深2~4 m,谷底向上纵坡渐缓(45。~55。)并变得 宽阔,宽度变为150~300 m,局部为高20—30 m的悬 年流水,水量较大,雨季水流较急,已开发为漂流及旅 游观光地。桥址上覆第四系全新统坡残积(Q )红 黏土、碎石土,下伏基岩为寒武系中统石冷水组和高台 组(∈2 )白云岩、角砾状白云岩夹砂页岩,寒武系下 统清虚洞组(∈1q)白云岩、泥质灰岩。 由于本桥线位较高,桥梁工程不受水文影响。 本桥主要技术标准如下: 线路平纵面:直线;纵坡:3%0; 线路等级:I级; 正线数目:双线,线间距4.4 m; 崖,岩体竖向裂隙发育,形成危岩体。峡谷中龙广河常 收稿日期:201l-08—12 作者简介:廖尚茂(1966一),男,高级工程师。 设计荷载:“中一活载”; 设计速度:旅客列车160 km/h,预留进一步提速 条件。 第3期 廖尚茂,等:贵开铁路南江特大桥连续刚构设计 2012年6月 桥跨布置为(1×24+7×32)m简支梁+(92+ 176+92)m连续刚构+1×24 m简支梁,全长 649.5 m,从谷底至桥面高超过230 m,9号、1O号主墩 高分别为81 m、83 1TI。本桥以其结构复杂,设计、施工 难度大成为全线的重点控制工程。其主桥立面布置如 图1所示。 图1主桥立面布置图(单位:cm) 2 结构设计 2.1 梁部设计 主桥(92+176+92)m连续刚构上部结构为变截 面悬浇预应力混凝土箱梁,梁体采用C55混凝土,箱 梁截面为单箱单室,梁顶宽10.96 m,底板宽8.5 m;主 墩处梁高为12.8 m,边墩顶及跨中梁高为6.6 m,梁底 曲线采用2次抛物线过渡为直线;箱梁顶板厚62 em, 底板厚51~120 em,腹板厚55~120 em,梁端设一道 厚140 em的横隔板,纵向墩壁顶各设一道与墩壁等厚 的横隔板,横隔板中部设置人孔,以利检修人员通过。 箱梁横截面构造如图2所示。 (a)跨中截面 (b)中点点截面 图2箱梁构造图(单位:cm) 主梁采用三向预应力体系,顶板、腹板和底板均采 用19一+15.2 mnl高强度低松弛钢绞线(.厂n = 1 860 MPa),顶板设横向预应力,采用同种4一 15.2 钢绞线,扁型金属波纹管(内宽70 mm、高19 mm)成 孔,单端张拉。腹板内设置竖向预应力,采用+32 mm (PSB830)螺纹钢筋,内径45 mm的铁皮管成孔, YC60A型千斤顶张拉,JLM一32型锚具锚固,采用单端 张拉方式,张拉端设在梁顶。 2.2下部结构设计 连续刚构墩梁共同受力,墩与梁的相对刚度决定 两者的弯矩分配,且梁体的收缩、徐变及温度应力也与 刚构墩柱抗推刚度直接相关。为了既满足全桥的纵、 横向刚度要求,又尽可能地改善梁体内力分布,选择合 理的墩柱纵、横向刚度是连续刚构设计的一个重要内 容。 对于高墩连续刚构,主桥纵、横向刚度对于主墩的 刚度变化十分敏感。因此,主墩结构尺寸由梁的纵、横 向刚度控制设计。 墩梁连接部采用两空间箱体正交连接,墩顶不设 实体段,传力线路直接明确,构造简洁,施工方便。主 墩采用C40混凝土,矩形空心截面。墩身纵向内外壁 均采用直坡,外壁宽9 m,壁厚1.2 m;横向墩身外坡采 用18:1,横向内壁采用35:1,墩身在基顶上有3 m的 实体段。表1显示了不同横向墩身外坡对主桥横向刚 度的影响,为满足主桥横向刚度的要求,本桥最终采用 横向墩身外坡为18:1。 表1不同横向墩身外坡自振频率计算结果表 横向墩身外坡 横向墩身内坡 横向一阶自振周期 18:l 35:l 1.587 s 19:1 35:l 1.6o2 s 20:1 35:l 1.629 s 连续刚构主桥墩底竖向力及弯矩均较大,本桥若 采用扩大基础,基底的应力较大,地基容许应力不够。 故两主墩选择了承载力大又便于施工的嵌岩基础,基 础深11 m。墩身及基础构造如图3所示。 (a)正面图 (b)侧面图 图3主墩墩身构造图(单位:em) 2.3整体结构计算 整体结构计算考虑了岩石对嵌岩基础和墩身的约 束影响,进行了等效刚度模拟。换算过程中,根据等刚 第3期 廖尚茂,等:贵开铁路南江特大桥连续刚构设计 2012年6月 度原则,要求换算前后2种结构在单位水平力作用下 的水平位移及转角、单位弯矩作用下的位移及转角确 保一致。整体结构计算采用《钢筋混凝土和预应力混 体升降温和活载等作用。 计算结构模型划分为146个单元进行有限元分析 计算,分别按各施工阶段和运营阶段进行内力分析和 凝土桥梁计算程序》进行,并采用结构分析软件MIDAS 进行复核,分别进行了施工和运营阶段计算。施工过 程考虑了挂篮荷载、悬臂不平衡重,合龙段操作、体系 应力计算,并进行了截面强度、变形检算。各阶段应力 计算值如表2所示。梁端转角0.504%0,工后残余徐 变引起的梁体变形为边跨1.0 mm(向上),中跨 转换、风力等工况;运营阶段分别考虑了支点沉降、整 施工阶段正应力 最大 最小 13.7 一O.66 4.3 mm(向下)。 活载挠度 (mil.1) 43.5 表2结构计算主要指标表(单位:MPa) 运营阶段正应力 最大 最小 16.7 1.21 最大主拉应力 —2.38 最大主压应力 17.2 张拉控制应力 营运阶段钢绞线最大应力 1 302 1 108 在整体计算中还对比分析了岩石对嵌岩基础和墩 身的约束影响,计算主要结果如表3所示。 表3对比分析主要计算结果表(单位:MPa) 模型类型 跨中下 支点上 跨中 跨中下 缘最小 缘最小 挠度 缘最小 最大主 最大 应力 应力 (抗裂系 拉应力 主压 arm) 数 1.46 —2.38 17.2 1.45 —2.36 17.1 式中: 该点的有效预应力; 一该点的曲率半径。 径向力产生原理如图4所示。 未考虑岩石约束影响 2.81 2.83 43.9 考虑岩石约束影响 2.56 2.94 42.1 注:表中最大主拉应力均未考虑竖向预应力筋的影响 图4纵向预应力径向分力产生原理图 2.4箱梁横向环框分析 .一 本桥箱梁为单箱单室截面,箱体宽度达到8.5 In, 析采用MIDAS软件建立横向环框模型。横向环框内 力分析时,考虑了自重、二期恒载、横向预应力,列车荷 载采用双线特种荷载250 kN,并考虑双线列车折减系 数(0.9),计入箱梁的整体升降温和箱体内外温差影 响。 箱梁顶板按部分预应力设计,在主力的工况下最 应力为一1.0 MPa(拉应力),均满足规范要求。梁体 在钢束径向力作用下的弯矩如图5所示。 3 .5 -6 3463 .4 -6 3463 .46 346 346 63 55 35 6 35 3 0 00 0.0—5 306- D需通过计算确定顶、底板及腹板的配筋。箱梁横向分 小应力为一0.2 MPa(拉应力),在主+附工况下最小 - .-- - - - - ... .. ...,.,.—..., . 、.,. . .. 、—— . . + .,..... .,.由于箱梁底按二次抛物线变化,钢束沿底板布置 在曲线段将会产生较大的径向力,径向力对箱梁横向 受力产生最大的危害有两方面:一是对底板产生弯矩, 如底板的横向钢筋配置不足,将产生纵向裂缝;二是引 起箱梁底板内部竖向受拉,由于底板配置了较多的预 应力管道,使得底板混凝土人为地分为2层,极易造成 混凝土的劈裂。本桥箱梁底板布置有大量的钢束,钢 束在曲线梁段产生的径向力作用不容忽视。经计算分 析钢束径向力产生的作用,在底板弯矩中占60%左 右。任意点的径向分力集度为: q=T/r 图5钢束径向力作用下的弯矩图(单位:kN・in) 表4跨中截面底板配筋对比计算结果表(单位:MPa) 位置 采用配筋 混凝土应力 . 主力 主+附 钢筋应力 127.4 219.9 裂缝宽(ram) 0.143 0.259 混凝土应力 7.O 9.4 钢筋应力 163.7 27O.7 裂缝宽(ram) 0.182 0.319 跨中底板22号截面 跨中底板22号截面 ,/20@10em 616@lOcm 5.47 7.62 注:裂缝宽度允许值主力作用下为0.2 mm,主加附作用下为O.24 ITLrn。 第3期 廖尚茂,等:贵开铁路南江特大桥连续刚构设计 2012年6月 底板按钢筋混凝土构件设计,选取了跨中最不利 截面进行计算分析,底板分别采用+16@100 cm和 西20@100 cm 2个配筋方案进行计算对比。从表4计 算结果分析对比可知,若底板横向配筋采用西l6@100 cm,底板的钢筋应力和裂缝宽度均超标。因此,本桥 底板横向配筋加强为4,20@100 am。 2.5车桥耦合动力分析 (1)桥梁振动加速度满足垂向不大于0.35 g和横 向不大于0.14 g的要求,满足行车安全要求。 (2)各种车辆编组以各个速度通过时,轮重减载 率均小于0.6,脱轨系数均小于0.8,轮轴横向力小于 限值,行车安全性满足要求。 (3)采用德国低干扰谱转换的时域不平顺作为激 励源,CRH2动车组以200—250 km/h的速度通过时, 动拖车竖向舒适度为优,动拖车横向舒适度为优或良, 车体加速度合格。 (4)采用美国六级谱转换的时域不平顺作为激励 源,SS8机车和双层客车以140~160 km/h的速度通 过时,机车竖向舒适度为优,横向舒适度为良,拖车各 舒适度均为优,车体加速度合格。 (5)采用美国五级谱转换的时域不平顺作为激励 源,DF4机车和C62重货以60~80 km/h的速度通过 时,机车舒适度为良,重车平稳性指标也为良,车体加 速度合格。 3施工安全防护设计 南江特大桥跨越著名风景区南江大峡谷。南江大 峡谷属国家4A级旅游景区,是“贵阳八景”之一,被 誉为“喀斯特生态博物馆”,是贵州著名的旅游胜地。 南江特大桥横跨“V”型沟谷的两侧边,主墩地处三侧 陡峭的锥形山脊,不仅地势险峻,桥下还有多处旅游景 点,常有游人来往。为确保主桥施工及桥下南江大峡 谷旅游景区游人的安全,减小因本桥施工对景区营业 的影响,需要考虑本桥在施工过程中可能出现的种种 安全隐患,并采取可靠的安全防护措施。针对本桥安 全防护的特殊性及重要性进行了专门的主桥施工安全 防护设计。除边坡及基坑开挖需采取控爆和覆盖措 施,防止土石飞砸外,针对桥位景区的环境及主桥梁部 和基础的施工方法,采取了综合施工安全防护措施,安 全防护主要由便道防护、主桥主墩施工安全防护、主桥 边墩施工安全防护滴江大峡谷河面防护、南江大峡谷 谷底隧道出口道路防护五大部分组成。其中便道、主 墩及边墩防护采用C25混凝土基础,混凝土基础嵌入 基岩不少于1.0 m,基础上设工字钢,并在工字上覆钢 筋网和竹胶板,防止土石飞砸;河面防护采用+32锚 杆、间距1 m打人河岸两侧基岩13 m,河两岸相对锚杆 采用钢丝绳对拉,钢丝绳网格上方放置一层5 mm厚 钢板,再覆盖一层30 alTl厚弹性橡胶垫将整个河面完 全覆盖,主要作用为主跨悬灌施工过程中的安全防护; 隧道出口道路防护采用钢管棚架防护,保证隧道口道 路行人的安全。完善的综合施工安全防护措施,使峡 谷景区和桥梁施工的安全得到了保证,为安全地完成 南江特大桥的施工奠定了牢固的基础。 4 结语 (1)对于铁路高墩大跨连续刚构,其主墩本身的 刚度对于主桥纵、横向刚度十分敏感。因此,主墩的结 构尺寸由主桥的纵、横向刚度控制设计。 (2)连续刚构整体计算中,岩石或桩周土对基础 或墩身约束加大了下部结构的刚度,使跨中底板最小 应力明显减小,在整体计算中应模拟其效应。 (3)铁路桥梁对工后残余徐变要求严格,在满足 结构强度前提下,尽量优化钢束布置,使梁体在恒载作 后残余徐变缘应力差值最小’梁体受力均匀’ 、工口 。 一 (4)大跨度连续梁或连续刚构一般箱宽较宽,且 底板配有大量的钢束,底板钢束径向力作用明显,占到 底板总效应的60%左右,箱梁横向环框分析设计时应 计入其影响,加强箱梁底板配筋。 (5)南江特大桥跨越著名风景区南江大峡谷,针 对本桥安全防护的特殊性及重要性进行了专门的主桥 施工安全防护设计。 参考文献: [1] 漆宝瑞,盂庆国,韩春喧.南昆铁路(第三册)[M].成都:电子科 技大学出版社,2006. 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TZ 216—-2007 Technical Manual for Railway Constuctrion of Ballst・a・ (8)轨排精调后应尽快浇筑道床,浇筑过程中专 人监控轨道状态,怀疑或目视轨排有偏差时或轨排精 调完很长时间未浇筑混凝土、施工现场气温变化大于 l5cc时,必须复查轨道几何尺寸。 less Track on Passenger Dedicated Line[S]. [3]铁建设[2006]189号,客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定 [S]. Document Tie Jian She[2006]No.1 89,Temporary Provisions for Railway Engineering Survey of Ballastless Track on Passenger Dedica- (9)轨排调整过程中要重点检查螺杆调节器受力 情况,螺杆纵向因均匀受力,避免个别螺杆悬空,约束 力失效。横向根据情况可适当采取斜支撑加固轨排。 ted Line[S]. [4]郝瀛.铁道工程[M].北京:中国铁道出版社,2000. Hao Ying.Railway Engineering[M].Beijing:China Railway Pub— lishing House,2000. 1 3 结论 通过以上方法对需达2000型双块式无砟轨道进 行粗调、精调施工,全部达到规范的要求。 [5]卢祖文.客运专线铁路轨道[M].北京:中国铁道出版社,2005. Lu Zuwen.Railway Track on Passenger Dedicated Line[M].Bei— jing:China Railway Publishing House,2000. (上接第45页) [4] 何庭国,袁明,陈列,等.福厦铁路跨越乌龙江长联大跨连续梁 设计[J].桥梁建设,2008(4):43—46. He Tinggno,Yuan Ming,Chen Lie,et a1.Design of a Long Span and Long Continuous Unit Continuous Girder Bridge on Section of Fuzhou— [6] TB 10002.3—2005铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设 计规范[s]. 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