落布溪提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工综合技术研究

工 程 名 称：宜万铁路W4标落布溪大桥 参 加 单 位：中铁航空港集团重庆第四分公司 铁道科学研究院铁建所
目
一、工程概况及背景 二、国内外现状
录
三、研究过程、主要研究内容、解决的关键技术 四、主要研究成果 五、创新点 六、科技查新结论
七、监理、用户意见
八、技术经济、社会效益
一、工程概况及背景
宜万铁路是沪汉蓉铁路通道的重要组成部分，线路始于湖北宜昌， 终于重庆万州，全长377km，是我国在地质条件极为复杂的艰险山区 修建的一条高标准干线铁路。该铁路是目前中国桥隧距离占干线比重 最大的铁路，地质条件极其复杂，被业界称为桥隧博物馆和地质博物 馆。落布溪大桥位于湖北省宜昌市点军区境内，是我国目前跨度最大 的上承式钢管混凝土劲性骨架铁路提篮拱桥，列为宜万铁路的重、难 点工程。大桥一孔跨越深谷，全长252.3m，其中：主跨为1孔178m上 承式拱桥，边跨为1孔24m后张梁和1孔32m后张梁。落布溪大桥桥型图 见图1。
为解决以上施工技术难题，圆满完成科研任务， 中铁三局集团公司组织骨干技术力量，加大科技投入， 成立了“落布溪提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱 桥施工综合技术研究 ”课题组，开展科技攻关，于 2005～2008连续四年将该项目列入局科研计划，铁道 第四勘察设计院也将落布溪大桥设计列入院控科研项 目。期间，业主委托国内桥梁权威机构——铁道科学 研究院铁建所对大桥施工的整个过程进行监测指导。 经过近三年的实物工程和科研资料整理 ，最终形成 《落布溪提篮式钢管混凝土劲性骨架上承式拱桥施工 综合技术研究工作报告》。 通过本次立项研究，既确保了本桥满足设计和行 车要求，同时也期望能够为我国以后建设同类桥梁积 累一些宝贵的施工经验和科研资料。
1
2 3 4 5 6
福建连江安海桥
四川内江新龙坳立交 桥 攀枝花金沙江大桥 四川白勉峡大桥 盐源金河雅砻江大桥 广西邑宁邑江大桥
70
117.8 160 105 170 312
1/8
1/4 1/4 1/5 1/6 1/6
m=2.24
m=1.167 m=1.543 m=2.24 m=1.688 m=1.347
2、提篮式钢管混凝土劲性骨架拱桥特点和应用 钢管混凝土劲性骨架拱桥中，钢管主要作为施工的劲性骨架，其参与建 成后的结构受力，但不以使用荷载为控制，而是以施工荷载为控制。由于钢 管混凝土主要起施工过程中的劲性骨架作用，且端面配有较多的普通钢筋， 这类桥梁习惯上仍称其钢筋混凝土结构。本文所研究的落布溪大桥亦属于此 类钢管混凝土劲性骨架拱桥。 部分钢管混凝土劲性骨架拱桥一览表。 序号 桥名 跨径（m） 矢跨比 拱轴线型 结构型式
近年来，在公路桥梁中，该种桥型广泛采用，且取得一定的成 果，积累了很多宝贵的资料，然而，毕竟该种桥型的应用是在很多 理论基础不尽完善、可供参考的相应国家规范还没有出台的基础上 完成的，还有很多领域值得进一步完善或重新探索；更主要的是， 该种大跨度结构首次在铁路中应用，许多问题还值得重新探讨和认 识。例如：与公路桥梁相比，铁路桥梁荷载等级高，尤其是火车过 桥活载产生动力问题；大桥建造时所要求的精度控制高，抗震、抗 风等级以及工后沉降等方面要求都比较严格。 落布溪大桥跨度大，结构较为复杂，技术要求高，技术难题多， 如：拱座大体积混凝土开裂问题，拱脚钢管的精确预埋，提篮式钢 管拱肋整体现场加工，大吨位缆索吊的设计及整体吊装方案的确定， 钢管拱骨架的架设安装和线形控制，C45微膨胀混凝土的配合比设计 及小管径内法兰泵送顶升工艺，钢管拱外包混凝土施工方案的确定， 拱上立柱的精确定位及现浇连续梁的施工难题等。这些技术难题不 但要制定操作性强的施工方案，而且要进行大量的仿真计算，确保 方案的科学合理。更为重要的是，需要制定合理有效的监控监测方 案，对大桥的整个施工过程中应力、应变等进行准确监测，以保证 大桥的施工安全。
落布溪大桥桥型立体图示
大桥主要结构：
拱座：明挖扩大基础；桥台：挖方内桥台； 拱座墩：矩形变截面实体墩； 两条提篮式拱肋：拱顶内倾3.5m，倾角5.057°，单箱单室箱形截面 （拱脚以上3m为实体段），拱脚处肋高6.0m，拱顶处肋高3.5m，高度按立特 规律变化，拱肋宽为2.5m； 拱肋劲性骨架：上下弦杆采用φ426x12mm（φ426x20mm）的无缝钢管， 竖杆、上下平联、斜撑采用∠140×90×12mm和∠80×80×10mm角钢，两拱 肋之间横撑采用φ203×10mm无缝钢管；拱肋劲性骨架合拢成型后钢管内灌 注C45微膨胀混凝土； 拱上立柱：双斜式矩形墩柱，两立柱布臵在倾斜的拱肋平面内，两柱间 设带空洞的连接板和系梁，采用C30混凝土； 拱顶框架：中部47.5m段采用钢筋混凝土框架梁，每隔9.5m设一道横向 断缝； 连续箱梁：框架两端采用5跨（跨长14m）等高度（1.8m）钢筋混凝土连 续箱梁。 I级双线铁路，桥面直线上坡，线间距为4.2m，轨面纵坡17.7‰，设计 行车速度160km/h，轨道为长钢轨无缝线路。为设计及施工方便，本桥采用 拱圈正臵，调整拱上立柱高度的方法以形成线路纵坡。
二、国内外现状
1、钢管混凝土拱桥的发展过程 人们对拱的概念源于天然拱，从天然拱到人工建造石拱桥，经历了漫长 的岁月。拱桥的祖先是石拱桥。我国石拱桥历史悠久，在世界桥梁发展史上 占有重要的地位，比较著名的有:建于隋唐时代的河北赵州桥和1192年落成 的卢沟桥等。2001年建成的山西丹河新桥，主跨达到146m，为我国当今最大 跨径的石拱桥。 18世纪，钢铁产量提高、波特兰水泥发明，产生钢筋混凝 土。 按使用的建筑材料分，拱桥发展历程：石拱桥、铁拱桥、钢拱桥、混凝 土拱桥、钢筋混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥、钢混组合结构类拱桥。 钢管混凝土性能：强度高、塑性好、质量轻、耐疲劳、耐冲击等。 钢管混凝土应用于拱桥的优点：（1）施工方便、节省费用；（2）自重小、 安装简便；（3）跨越能力大，适应能力强；（4）造型美观，体现民族特色。 最早修建钢管混凝土拱桥：前苏联，1937年建跨度101m的列宁格勒涅瓦 河下承式拱桥；1939年建跨度140m的西伯利亚依谢季河上承式铁路拱桥。 1990年，我国第一座钢管混凝土拱桥：四川旺苍东河大桥的建成，此后 我国钢管混凝土拱桥发展迅猛，结构形式多样，有板拱、桁拱、肋拱、箱拱、 桁架拱、刚架拱；截面形式有单圆形、哑铃形、多肢桁式、横哑铃形桁式和 箱肋形等。施工方法有支架法、一般吊装法、缆索吊装和转体施工法等。
石板拱
中承式 中承式 上承式 上承式 中承式
7
8 9
浙江金华骛江大桥
江西德兴太白桥 四川万县长江大桥源自168130 420
1/5
1/9 1/5
—
抛物线 m=1.6
中承式
箱肋刚 上承式
在大跨拱桥当中，横向的稳定性几乎绝对控制着桥梁及其施工的安全。 以万县长江大桥为例，其劲性骨架除自重作用的工况外，其余所有的施工工 况，全部为横向稳定控制。计算还显示，活载在其强度设计中仅占5%左右， 即恒载绝对控制设计。和平行拱肋相比，提篮拱在横向稳定性方面有独到的 优势。提篮拱桥是将通常的中（下）承式拱桥的拱肋向桥轴线方向倾斜（甚 至在拱顶合拢）而形成的一种空间拱式结构。它通过改变拱结构的静力计算 图式来获得较大的横向稳定性。提篮拱具有以下特色： (1) 具有比常见的上承式拱大得多的面外稳定性 有资料显示，下承式拱的横向稳定承载力通常是上承式拱的9～60倍。 计入非保向力的影响，结论基本相同。而提篮拱的临界荷载又比相同情况下 的平行肋拱的临界荷载高20%～200%。 (2) 放松了对拱桥的宽跨比的要求 现有的桥梁规范是通过宽跨比来保证拱桥的横向稳定性的。首先，这一 规定并不能完全保证拱桥的横向稳定性；其次，对于大跨度拱桥，这种硬性 的规定有时达到了不合理、甚至是做不出来的程度。 (3) 具有良好的施工稳定性及抗震性能 在采用劲性骨架米兰法施工时，骨架的横向稳定性也是主要的控制因素 之一，在这方面，提篮拱的性能要优于平行拱肋。同时，理论分析和实际震 害调查都表明，由于提篮拱的静力计算图式的改进，其抗震性能也得到了很 大的提高。
4、钢管混凝土劲性骨架吊装扣索索力确定研究现状 采用缆索吊装施工法进行钢管混凝土桥拱肋骨架吊装时，扣索索力的计 算至关重要，它的大小直接关系到节段标高控制和扣索数目的确定，因此桥 梁工作者一直都在探索如何更精确的求解扣索的索力。目前确定扣索索力的 方法归纳起来主要有两大类：力矩平衡法和有限元零位移法。在后面的章节 中我们将进行重点介绍。 5、大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥施工监控的意义及现状 随着钢管混凝土拱桥跨径的不断增大，结构体系愈来愈复杂，施工难度 越来越大，桥梁施工过程的监控工作显得越来越重要。中国应用钢管混凝土 建成的很多大跨度拱桥，就是采用钢管混凝土作拱架，在其上挂模板建造混 凝土箱形截面而成的。这时钢管混凝土即成配筋，为一般钢筋混凝土结构。 与其他类型桥梁不同的地方，它的刚度和强度是逐渐组合形成的，因此这就 增加了求解各施工阶段的变形值及预拱度的复杂性，再加上各种因素的直接 或间接影响，如设计计算中所采用材料的弹性模量、基准温度及施工荷载等 参数，与实桥工程的相应参数存在偏差；施工中不可避免地存在测量误差、 施工误差，使得桥梁各施工阶段的实际状态与设计状态存在偏差。在空钢管 拱肋架设过程中如果上述偏差逐渐积累，而不加以控制和调整，拱肋的标高 将会显著地偏离设计目标，造成合拢困难，从而影响成桥的内力和线形。而 且在钢管拱肋外包混凝土施工过程中也存在结构整体、局部失稳及局部内力 超标现象，需要对此进行监测和预警，一旦超标，及时对施工方案进行调整， 以保证施工安全。
3、钢管混凝土劲性骨架拱桥在铁路中的应用 我国幅员辽阔，地形、地貌复杂多样。铁路犹如一条巨龙穿梭在祖国的 大江南北，并且形成密集、复杂的铁路网。尤其近年来，随着我国铁路网中 长期的规划，多条新建铁路、客运专线、高速铁路相继开工，在这种历史背 景下，如何在短时间里经济、高效得修建具有中国特色的高标准铁路，如何 面对新形势下所出现的新课题成了摆在铁路研究、设计和建设者们面前所共 同面对的问题。 近些年，钢管混凝土拱桥在铁路建设中逐步开始应用，我国跨度最大的 铁路上承式钢管混凝土拱桥为水柏铁路的北盘江大桥，跨度为236ｍ，2001 年建成。 钢管混凝土劲性骨架拱桥在公路行业应用较广泛，但在铁路桥中应用较 少。以钢管混凝土作为劲性骨架的铁路拱桥国内更是屈指可数。比较著名的 有赣龙线的吊钟岩大桥，该桥为单线铁路桥，主跨140m，结构形式与落布溪 大桥类似。目前，落布溪大桥建设成功后成为国内跨度最大的上承式钢管混 凝土劲性骨架铁路拱桥。由于参考规范的不同，建筑等级、质量要求的不同， 许多已经成熟的科研成果和施工工艺只可以用来参考，尚不能照搬；另外还 有很多领域需要进一步思考和研究。所以对落布溪大桥施工实践的研究和总 结对推动钢管混凝土劲性骨架拱桥从公路行业向铁路行业发展有着重要的意 义。