李敬偉 趙前進(jìn)，2

（1.中國鐵路昆明局集團(tuán)有限公司，昆明 650000；2.中南大學(xué)，長沙 410083）

云南省是我國面向東南亞開放的重要橋頭堡。隨著“一帶一路”建設(shè)以及國家解決區(qū)域發(fā)展不平衡矛盾的深入推進(jìn)，云南省交通事業(yè)步入快速發(fā)展階段，鐵路建設(shè)任務(wù)繁重。西南山區(qū)鐵路建設(shè)的橋隧占比高，跨越深谷河流的大跨度橋梁眾多［1-2］。此前，山區(qū)大跨度橋梁多采用拱橋、懸索橋、斜拉橋、鋼桁梁橋等橋型。拱橋通常受斷層帶等不利地質(zhì)條件制約。懸索橋與斜拉橋技術(shù)難度大，工程造價和運營維護(hù)成本高，且因剛度偏弱在鐵路橋梁建設(shè)中應(yīng)用并不多。在“一帶一路”倡議重點工程玉（溪）磨（憨）鐵路元江雙線特大橋建設(shè)中，首次應(yīng)用了上承式大跨度連續(xù)鋼桁梁。實踐證明大跨度鋼桁梁橋在西南山區(qū)鐵路建設(shè)中具有較強的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢，適應(yīng)性強。

1 橋梁設(shè)計概況

1.1 工程背景

元江雙線特大橋位于云南省玉溪市元江哈尼族彝族傣族自治縣境內(nèi)，是新建玉溪至磨憨鐵路的重點控制性工程之一。該橋跨越紅河深切“V”字形峽谷，橋址有背斜、斷層、順層、滑坡體等不良地質(zhì)。橋位從元江1#，2#滑坡體之間穿過，其中菠蘿山3號斷層從1#，2#墩之間穿過，菠蘿山1號斷層從2#，3#墩之間穿過，菠蘿山2 號斷層從3#，4#墩之間穿過。峽谷兩岸最大自然橫坡60°，地勢陡峭（圖1），施工場地狹窄，交通運輸困難。橋區(qū)雨季長達(dá)6 個月，峽谷瞬時風(fēng)力最高達(dá)10級，施工和后期運營維護(hù)安全風(fēng)險高，難度大。

圖1 橋址地貌

1.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

①設(shè)計速度為160 km/h 的客貨共線線路；②正線數(shù)目為雙線，線間距4.2 m；③設(shè)計活載為中-活載；④軌道類型為有砟軌道；⑤地震動參數(shù)，地震動峰值加速度0.16g，地震特征周期0.4 s。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用拱形橋臺、鋼混組合雙柱剛架墩。墩身為鋼筋混凝土薄壁空心墩，雙柱通過鋼結(jié)構(gòu)交叉橫聯(lián)桿件連接，最大墩高154 m。上部結(jié)構(gòu)為上承式連續(xù)鋼桁梁，孔跨布置為（108.0+151.5+249.0+151.5+108.0）m。主桁中心間距為16.0 m，跨中桁高16.0 m，支點處桁高36.0 m，標(biāo)準(zhǔn)桁節(jié)長13.5 m，支點處變高桁節(jié)長15.0 m。行車道采用正交異性板，設(shè)置于主桁上弦頂面。橋面鋪裝層采用柔性保護(hù)層體系。橋梁全長768 m，鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量約2.1萬t。

2 建設(shè)管理

2.1 工程造價控制

受地質(zhì)斷層帶制約，橋位不適宜建造大跨度拱橋。通過對斜拉橋、下承式連續(xù)鋼桁梁［3-4］和上承式連續(xù)鋼桁梁3 種橋型方案進(jìn)行經(jīng)濟性研究，選擇了經(jīng)濟性最佳的上承式連續(xù)鋼桁梁橋型。

2.2 設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新

針對上承式鋼桁梁尚無現(xiàn)行設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，組織成立了由院士、國內(nèi)知名專家組成的設(shè)計咨詢團(tuán)隊，多次組織論證設(shè)計方案。通過有限元數(shù)字仿真分析、實體模型實驗、車橋及風(fēng)-車-橋耦合振動分析、地震作用計算與試驗等手段開展科研攻關(guān)，確保設(shè)計成果科學(xué)可靠。

2.3 施工技術(shù)創(chuàng)新

圖2 超高臨時墩構(gòu)造（單位：m）

大橋采用133.10 m 超高臨時墩輔助（圖2）、124.5 m 長大懸臂懸拼架設(shè)。為解決架設(shè)施工技術(shù)難題，評估各階段安全風(fēng)險，組織成立了由國內(nèi)知名專家組成的技術(shù)顧問團(tuán)隊，對重大方案審查把關(guān)，并與高校聯(lián)合開展施工關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，并委托第三方檢測和監(jiān)控單位對施工質(zhì)量控制把關(guān)，以確保施工方案科學(xué)合理、安全可靠。

3 方案優(yōu)化

3.1 橋式方案選擇

大橋橫跨紅河深切峽谷區(qū)，兩岸與深切河谷構(gòu)成明顯的“V”形地貌，兩岸坡陡峻，橋高238 m。在初步設(shè)計階段對上承式拱橋方案、鋼桁梁斜拉橋方案及連續(xù)鋼桁梁方案進(jìn)行了綜合比較。隨著地質(zhì)勘探的深入進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件不適合修建大跨度拱橋，而斜拉橋方案受制于地形條件，其塔高約245 m，并且山區(qū)斜拉橋的養(yǎng)護(hù)及維修較為不便，經(jīng)綜合比選連續(xù)鋼桁梁方案較為合理。

3.2 主桁結(jié)構(gòu)選擇

主桁結(jié)構(gòu)研究時，對下承式方案（圖3）和上承式方案（圖4）進(jìn)行了對比研究。上承式方案較下承式方案的最大墩高度減少16 m，橋梁結(jié)構(gòu)重心更低，且材料用量更少，能夠更好地滿足橋梁抗震性能，因此選用上承式鋼桁梁方案。

圖3 下承式鋼桁梁方案（單位：cm）

圖4 上承式鋼桁梁方案（單位：cm）

3.3 鋼混組合雙柱剛架墩的應(yīng)用

由于主桁較寬，結(jié)合支座布置、施工場地等要求，限定墩頂橫向?qū)挾葹?4 m，縱向?qū)挾葹? m。墩的結(jié)構(gòu)形式可以采用雙柱式橋墩和圓端型空心墩2種。若主墩均采用獨柱式的圓端空心墩，比采用雙柱式空心墩墩身混凝土圬工量多約8 200 m3，且對樁基要求高。采用雙柱式鋼筋混凝土空心橋墩通過墩頂橫梁和中間鋼結(jié)構(gòu)橫向連接系的結(jié)構(gòu)形式（圖5）可以將其承受的彎矩轉(zhuǎn)化為2墩柱的軸向力，結(jié)構(gòu)受力較好。

圖5 鋼混組合雙柱剛架墩方案

3.4 橋面系優(yōu)化

考慮主桁在鐵路橋梁中首次創(chuàng)新性地采用上承式結(jié)構(gòu)，且橋位處于高山峽谷，橋面橫風(fēng)影響大，根據(jù)車橋及風(fēng)-車-橋耦合振動分析研究結(jié)論，為提高列車運營安全性、舒適性，在橋面系設(shè)置導(dǎo)風(fēng)和防風(fēng)功能為一體的導(dǎo)風(fēng)欄桿。導(dǎo)風(fēng)欄桿能有效減小橫向風(fēng)力，同時將橫向風(fēng)力部分轉(zhuǎn)化為縱向力，從而減小風(fēng)力對高速列車行車安全的影響。

3.5 基于BIM模型數(shù)字化智造技術(shù)的應(yīng)用

對于鋼桁梁構(gòu)件加工制造，組織施工單位開展基于BIM 技術(shù)數(shù)字化智造研究與應(yīng)用［5-6］。采用Tekla建立全橋信息模型，對全橋鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行深化設(shè)計，并基于模型輸出數(shù)控文件進(jìn)行排版套料，實現(xiàn)了“模型→數(shù)控程序→自動切割下料或鉆孔”的數(shù)字化加工流程，提高了制造精度。采用三維激光掃描技術(shù)對成品桿件進(jìn)行掃描采集數(shù)據(jù)，與BIM 模型中理論值進(jìn)行分析和對比，能夠快速發(fā)現(xiàn)制造偏差，及時調(diào)整加工工藝。借助BIM 模型進(jìn)行可視化、數(shù)字化預(yù)拼裝，模擬建造過程，指導(dǎo)工廠拼裝及檢驗拼裝構(gòu)件質(zhì)量。工廠采用二維碼管理系統(tǒng)，給每個零件每根桿件賦予二維碼信息，實現(xiàn)項目及構(gòu)件的原料、設(shè)計、生產(chǎn)、合格品入庫、庫存、發(fā)貨、物流跟蹤、收貨、施工驗收全流程的信息化管理，實現(xiàn)項目進(jìn)度的實時管控，具有項目管理信息化、產(chǎn)品身份標(biāo)識化、構(gòu)件全程可跟蹤、收發(fā)貨憑證化等特點。

3.6 架設(shè)施工方案優(yōu)化

原施工方案（圖6）為：在玉溪臺側(cè)設(shè)置存梁場，跨峽谷設(shè)置纜索吊機用于水平運輸，磨憨臺側(cè)懸拼作業(yè)面通過纜索吊機由小里程岸側(cè)運輸供梁，鋼桁梁大懸臂懸拼采用扣索塔架輔助調(diào)整線形和合龍口。

圖6 原施工方案示意

考慮橋址山坡陡峭，施工便道修建難度大，纜索吊塔架和后錨實施困難；且橋位處于峽谷風(fēng)口，常年風(fēng)力大，扣索塔架安拆施工安全風(fēng)險極大。經(jīng)過反復(fù)論證，對原施工方案進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化施工方案（圖7）為：取消原方案中的纜索吊機和扣索塔架系統(tǒng)，在磨憨臺側(cè)增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)鋼梁拼裝場，并兼作存梁場，同時配套設(shè)置提梁龍門吊和運梁臺車運輸供梁；各墩頂增設(shè)鋼桁梁高位預(yù)拼裝及三維千斤頂同步起落梁系統(tǒng)，輔助調(diào)整懸拼線形和合龍口。

圖7 優(yōu)化后總體施工方案

4 結(jié)語

在“一帶一路”倡議重點工程——新建玉溪至磨憨鐵路元江特大橋建設(shè)中，中國鐵路昆明局集團(tuán)有限公司協(xié)調(diào)組織攻關(guān)，首次創(chuàng)新性地應(yīng)用鋼混組合雙柱剛架墩和大跨度上承式連續(xù)鋼桁梁橋，成功解決了橋位跨越地質(zhì)斷層帶的技術(shù)難題，有效降低了工程造價和建造技術(shù)難度。

在鋼桁梁構(gòu)件工廠加工制造中應(yīng)用基于BIM 模型的數(shù)字化智造技術(shù)，采用三維激光掃描技術(shù)對成品桿件進(jìn)行掃描采集數(shù)據(jù)，與BIM 模型進(jìn)行對比分析，提高了鋼桁梁加工制造精度，質(zhì)量驗收更有保障。

元江特大橋的成功實踐，為山區(qū)大跨度上承式連續(xù)鋼桁梁橋建設(shè)提供了參考和借鑒。