铁路钢拱桥500m级的跨越——大瑞铁路怒江大桥主桥钢结构设计

自21世纪以来，随着我国铁路建设的步伐持续往艰险山区迈进，铁路大跨度钢桁拱桥因其跨越能力强、抗震性能优异、施工架设较为方便，在跨越深山峡谷桥梁中得到广泛应用。本文以大瑞铁路怒江大桥为工程依托，对钢桁拱结构进行研究，提出了四片桁拱圈、双柱式拱上立柱及拱上钢箱梁等结构形式及构造，研究形成了钢结构制造及安装方案。

大理至瑞丽铁路线路全长330km，为国家Ⅰ级单线电气化铁路，设计时速140公里，有砟轨道。大瑞铁路是国家“一带一路”倡议中泛亚铁路西线中缅国际铁路通道的重要组成部分，它将填补云南西部不通铁路的历史，对促进当地地域经济、完善铁路网布局、开发旅游资源有着深远的意义。

怒江大桥是大瑞铁路的标志性工程，位于云南省保山市，线路跨过怒江后进入高黎贡山隧道，其桥位和标高主要由高黎贡山隧道的选址和两岸地形地质条件综合决定。桥梁全长1024.2m，桥高约230m，引桥及拱上梁孔跨布置（7×41）m连续钢混结合梁＋（14×37.2）m拱上连续钢箱梁＋（5×41）m连续钢混结合梁。

主桥为跨度490m上承式钢桁拱桥，矢高109.5m，矢跨比1/4.47，拱轴线为悬链线，拱轴系数m=2.0。桥上设客运车站，四线，线间距5m，桥面设计基本风速29m/s，桥区地震动峰值加速度0.248g，反应谱周期0.45s。

图1 怒江大桥立面图（单位：cm）

1.结构形式

平行拱和提篮拱是拱肋的两种基本结构形式。与平行拱相比，提篮拱的杆件种类相对较多，制造施工难度相对较大，但是提篮拱横向刚度和面外稳定性更好，抵抗横向地震力的能力更强。

对于铁路桥梁来说，钢桁拱桥采用提篮拱，能够增大桥梁的横向刚度，提高列车过桥的安全性和舒适性，且考虑高烈度地震区大跨度钢桁拱桥横向地震力控制设计，因此，拱圈采用提篮拱。

根据拱圈拱顶或拱脚有无设铰，钢桁拱桥可分为有铰拱和无铰拱。有铰拱能够释放拱圈弯矩，减小基础沉降和温度变化等引起的附加内力，但其刚度较小，且铰接处后期维养工作量较大。

与有铰拱相比，无铰拱具有刚度大、构造简单，后期维护工作量少等优点。另外，随着桥梁跨度的加大，无铰拱的附加内力产生的不利影响会相对减小。因此，拱圈采用无铰拱。

2.截面形式

拱圈截面按桁片可分为两片式及多片式。该桥跨度大，结构恒载达1188kN/m，为四线ZKH活载，主桁杆件受力大，若采用两片桁，弦杆杆件尺寸需3400×4400mm（宽×高），杆件制造、运输及安装困难大。为减小主桁最大杆力，解决钢杆件的制造、运输及安装难题，设计采用四片桁（图2），弦杆杆件尺寸减小至2000×2000mm，单片主桁杆件的最大杆力为105760kN，杆件最大重量98.6t。

图2 拱圈截面（单位：mm）

在结构构造方面，拱圈为提篮式无铰拱，拱肋内倾3.658°，每两片桁组成一肋，每肋的两片桁间距3.4m，通过短横撑连接成整体，拱肋中到中间距拱脚处为32m，拱顶处为18m。主桁为N形桁架，肋高为变高度，拱脚处为16m，拱顶处为11m，节间水平投影长度12.4m。

图3 主桁典型杆件示意（单位：mm）

主桁（图3）弦杆采用箱形截面，高、宽均为2000mm，板厚28～52mm。为满足局部稳定的要求，每块板设置两道纵向加劲肋。主桁腹杆采用H形截面，腹板高2000m，翼缘宽900mm或1100mm。为满足局部稳定的要求，腹板设置四道纵向加劲肋。

3.主桁节点形式

主桁采用整体式焊接节点，最大板厚60mm。由于桥位位于山区偏僻处，部分主桁的整体节点尺寸超宽、超高，受到公路运输限制，无法顺利运送到桥位。常规做法是对这部分整体节点采用拼装式节点来解决，但拼装式节点存在工厂化程度低、工地预拼工作量大、钢材和高强螺栓用量多等不足，并不是解决钢杆件运输问题的合理方案。

图4 横向分离式的整体节点形式

怒江大桥研究提出一种横向分离式的整体节点形式（图4），可解决超宽、超高整体节点的运输难题。其具体构造为：超宽节点与平联分别在工厂制造，不再焊接成一体，各自运到桥位，然后吊装到杆件位置后采用高强螺栓连接；整体节点板形状不规则，高度将近4m，超出常规钢板高度，公路运输困难，将整体节点板分成两块运输到桥位附近钢结构加工厂，焊接成整体后再运送到桥位。

4.弦杆拱脚钢混组合结构

针对弦杆结构研究了2个方案。方案1：钢拱圈方案，弦杆全部采用钢箱梁。方案2：钢混组合方案，弦杆拱脚1/16L范围内灌注混凝土。计算结果对比见表1。

由表1可知，与钢拱圈方案相比，钢混组合方案活载下主拱竖向最大挠度减少22mm，刚度增加13.8%；活载作用下拱上相邻立柱竖向最大位移差值减少10mm，减小幅度19.2%，钢混组合方案能够提高大桥刚度，从而更好地满足列车运行安全要求。因此，拱圈拱脚部分弦杆采用内灌混凝土的钢混组合结构。

在结构构造方面，拱圈上弦杆3个节间和下弦杆2个节间杆件采用钢混组合结构，钢箱内灌C50自密实补偿收缩混凝土。混凝土与钢箱采用剪力钉连接。

图5 上弦钢混结合段示意（单位：mm）

钢混结合段(图5）设置在上弦杆第4个节间和下弦杆第3个节间内，分别为钢混段、过渡段(图6）及钢箱段。钢混段和过渡段箱内加劲肋上设PBL剪力键。钢混段和过渡段范围横隔板开有若干孔洞，保证混凝土灌注密实，使钢混结合段受力传递均匀，刚度过渡匀顺，确保结构的安全。

图6 过渡段横断面

5.联结系形式

为保证拱圈共同受力及有较强的横向刚度，拱肋间需采用有效的水平联结。平联在每个节间设置，其形式采用K形（图7）。根据平联的长细比及杆件受力要求，平联采用箱形截面，高度1000mm，宽度800、1000mm两种。拱圈每侧两片桁之间设置短横撑，短横撑采用箱形截面，与弦杆等高齐平，高度2000mm、宽度2000mm。

图7 平联形式示意

横联在拱上立柱节点位置处设置，全桥共13处。横联形式采用V形（图8），横联杆件采用箱形截面，高度720mm、宽度720mm。

图8 横联形式示意

6.拱脚预埋段构造

拱脚预埋段采用锚栓锚固承压式（图9）。拱座内预埋型钢组成的钢骨架，拱座表面与弦杆底设置100mm厚承压板，并通过锚栓将弦杆与拱座锚固连接。每个弦杆处锚栓设置24根，锚栓直径60、100mm两种，长度5000mm。锚栓施加预拉力，按照预拉力不大于极限拉力的35%为原则，分别为660kN、1840kN两种。承压板下设置3层钢筋网，与拱座间空隙采用环氧砂浆填实。

图9 拱脚预埋段构造图（单位：mm）

锚栓上端采用双螺母，拧紧后点焊，为提高耐久性，锚栓在防腐后将螺母和支承托座用混凝土外包密闭。为保证锚栓预压力的有效传递，在浇筑混凝土前，在锚栓表面涂抹黄油或聚硫密封剂并缠绕玻璃布，实现锚栓和混凝土之间的无粘结连接。

拱上立柱有桁架式和刚架式。桁架立柱具有刚度大、稳定性好的优点，但其构造复杂，杆件数量多，用钢量大，通透性较差。刚架立柱优点是构造简洁，杆件数量少，用钢量少，通透性好，但纵向刚度相对较小。综合考虑，拱上立柱采用刚架立柱。

为解决刚架立柱纵向刚度小的问题，研究了三个方案。方案1：主拱跨中处拱上立柱采用纵向固定支座，其余拱上立柱均设置纵向活动支座。方案2：拱上立柱顶部采用纵向连接杆件，将所有拱上立柱纵向串联，连接杆件采用钢箱梁，截面尺寸2000×2000×24mm。方案3：所有拱上立柱均采用纵向固定支座。计算结果对比见表2。

由表2可知，方案1中，拱上立柱纵向线刚度最小为7kN/cm，纵向刚度非常小，对拱上立柱及桥上轨道受力极其不利，因此对方案1予以放弃。

与方案2相比，方案3拱上立柱纵向线刚度更大，无需增加纵向连接杆件，用钢量少，景观效果较好。因此，从纵向线刚度、用钢量及景观效果方面考虑，拱上立柱采用方案3，即所有拱上立柱均采用纵向固定支座。

图10 拱上立柱结构示意（单位：mm）

拱上立柱（图10）全桥共13个，纵向对称布置，高度最高88.621m，最低4.575m，由帽梁、立柱和横联组成。

帽梁顶、底板宽度均为2000mm，各设置三道纵向加劲肋，腹板高2200mm，端部变小至1100mm。隔板板间距不大于2.6m。

为节省用钢量，拱脚附近较高立柱为双柱式，全桥共8个，柱底采用分叉式构造与主桁连接。立柱截面尺寸纵向2600、2800mm两种，横向2600mm。立柱间设交叉形斜撑，杆件为H形截面，截面高1100mm、宽800mm。跨中较矮立柱为四柱式，全桥共5个，柱底分别与主桁四片桁连接。立柱截面尺寸纵向2600mm、横向2000mm。

帽梁上设混凝土垫石，垫石尺寸1500×1800mm（横×纵）。主桥拱圈不设预拱度，通过拱上立柱伸长来设置，误差通过混凝土垫石调整，混凝土垫石顶面标高误差要求不大于1mm。

该桥跨度大、荷载重，且位于高地震烈度区，拱上梁应优先选用结构重量轻的结构形式。与混凝土梁相比，钢箱梁结构重量轻，抗震能力好，因此拱上梁采用钢箱梁。

拱上梁研究了三个分联方案。方案1：三联方案，拱上梁跨度（5×37.2+4×37.2+5×37.2）m，分联处采用纵向活动支座，其余拱上立柱均采用纵向固定支座。方案2：二联方案，拱上梁跨度（7×37.2+7×37.2）m，分联处采用纵向活动支座，其余拱上立柱均采用纵向固定支座。方案3：一联方案，跨度14×37.2m，拱上立柱均采用纵向固定支座。计算结果对比见表3。

由表3可知，二联方案中，罕遇地震下，拱圈最大应力452MPa＞370MPa，拱圈不能保持弹性；拱上立柱最大应力641MPa＞490MPa，拱上立柱不能保持弹塑性，故两联方案若要满足抗震要求，需加大杆件尺寸，用钢量相应增大，经济性较差，因此对方案2予以放弃。

地震作用下，一联方案拱圈及拱上立柱受力，活载下主梁挠度基本相当，但其梁端转角减小，拱上立柱纵向线刚度增大，列车行车的安全性和舒适性更好。因此，拱上梁采用一联14×37.2m连续钢箱梁。

图11 拱上梁结构示意（单位：mm）

在结构构造方面，拱上梁（图11）采用钢箱梁，桥面宽12.45m，梁高3m。两箱梁并置形成四线桥，桥面总宽24.9m。桥面中间2线布置正线，两侧各1线布置停靠线，并设置旅客站台。

钢箱梁采用分离式等高双主钢箱梁，梁高3m,箱梁的腹板中心距为2.4m,腹板厚16mm；钢梁顶板厚16mm；钢梁底板一般厚度为24mm,支座处根据受力需要加厚至32mm。

由于桥址地处偏僻、交通不便，受公路运输所限，钢杆件节段无法直接运输到桥位，因此，怒江大桥在桥位附近建临时钢结构制造厂，钢板通过高速公路运输到钢结构制造厂，在钢结构制造厂加工成杆件节段，最后再运输至桥位进行安装。

图12 钢结构安装示意

图13 怒江大桥实景图

拱圈、拱上立柱及拱上梁采用缆索吊装+多扣塔斜拉扣挂悬臂拼装架设技术(图12、13)，设计吊装重量不超过100吨。拱圈采用节段悬臂拼装施工，每节段拼装顺序为先悬臂拼装内侧两片桁，再拼装内侧桁片间的平联和横联，最后拼装外侧两片桁。拱上梁及拱上立柱采用分节段吊装施工。

怒江大桥建成后将成为世界第一大跨度铁路拱桥，具有跨度大、荷载重、温度变形大、地震烈度高、峡谷风大、建设运输条件差的特点，工程技术难度和风险国内罕见。

项目针对大跨度钢桁拱桥的钢结构设计开展技术攻关，为破解四线大跨度钢桁拱运输安装难题，首创了大跨度钢桁拱桥拱圈四片桁和横向分离式整体节点等结构形式，形成了钢桁拱桥钢构件轻量化设计技术。针对大跨度钢拱桥温度大变形给铁路拱桥运营安全带来的严峻挑战，首次在拱圈弦杆采用钢箱混凝土的钢混组合结构，拱上梁采用一联连续结构，增大钢桁拱桥刚度，减少相邻墩变形差，解决了大跨度钢桁拱桥变形控制难的难题。针对大跨度钢桁拱桥的连接问题，首次在立柱与拱圈之间采用分叉式构造，在拱脚采用大直径锚栓构造，创新了大跨度钢桁拱桥的连接构造。

上述一系列新技术、新结构的采用，可为后续类似工程设计提供参考，有力推动了我国大跨度铁路钢桁拱桥的技术进步。