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钢结构之美 | 酉水大桥
2025-06-076



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获奖项目




酉水大桥

结构设计:中铁第四勘察设计院集团有限公司

申报大类:Profession



项目概况

业主:中铁第四勘察设计院集团有限公司

总承包商:中铁第四勘察设计院集团有限公司

建筑设计:文望青(中铁第四勘察设计院集团有限公司副总工)

业主:怀邵衡铁路有限责任公司

施工单位:中铁大桥局集团第五工程有限公司

建设地点:湖南,中国



评审委员会评语:

充分考虑到地形、地质和现有道路条件,这座桥梁设计采用创新的大跨度钢管混凝土桁架拱结构,为高速列车提供安全和舒适的乘坐体验。作为中国桥梁工程历史上的重要里程碑,它充分体现了在山区建设高速铁路拱桥的能力。

拱脚的精心布置避免了不必要的建筑基础设施,并保护了自然环境,而安装过程中采用了令人印象深刻的悬链线提升系统。

项目介绍:

在湖南省芙蓉镇的南面,流淌着沅江的最大支流——酉水。酉水之上,斜跨的酉水大桥便是2018年3月开工建设、2020年9月底建成合龙、2021年12月正式通车的高铁大桥。它的建成,展现了中国铁路工匠技艺的又一次辉煌,摹画了芙蓉镇经济发展的新图景。大桥毗邻“挂在瀑布上的千年古镇”芙蓉镇,因地制宜地采用非对称钢管混凝土拱桥结构跨越酉水河,造型独特、线条流畅,与苍翠秀丽的自然风光、诗情画意的千年古镇深度交汇、融合,大桥的竖直立柱、弧形拱肋、变高主梁,展现出线条、曲线和韵律的美感,它是兼具技术和结构美感的完美艺术品,为这座2,200年历史的湘西古镇打造了标志性建筑。

大桥采用主跨292m非对称上承式钢管混凝土拱桥,两侧拱脚竖向高差达43.5m,创世界之最。拱肋采用双管式钢管混凝土桁架,桁高7.0~11.0m,中心线按两个半形悬链线设计,张家界侧半跨矢跨比1/5,怀化侧半跨矢跨比1/3.627。大桥全长468.53m,采用两联(2×43m+32m+3×24m)、(3×24m+32m+2×59m+46m)刚构连续钢-混凝土组合梁结构。
张吉怀高铁,全长246.9km,设计时速350km,途经湖南怀化市、湘西州、张家界市三地,是湖南湘西首条高铁,设有张家界西、芙蓉镇、古丈西、吉首东、凤凰古城、麻阳西、怀化南站共7个车站,被誉为我国“最美扶贫高铁”。张吉怀铁路从规划、设计到建造,一直将生态、环保放在首位。“张吉怀高铁沿线有国家级和省级自然保护区8处、风景名胜区9处、地质公园3处、文物保护单位38处,在选线设计上,我们尽量避开这些单位。”铁四院张吉怀高铁总体设计负责人朱江介绍。
数据显示,张吉怀高铁全线的桥梁和隧道多达280座,桥隧比高达90.7%,平地上的线路不到10%。纵观全线,车站、隧道和桥梁基本都建在大山间、悬崖边、田野上,是名副其实的“云端高铁”。“工程难、环境美是项目最显著的两个特点。”朱江介绍,高铁沿线地质条件非常复杂,岩溶、暗河、滑坡及矿产采空区等不良地质体分布广泛,各等级的环境敏感点星罗棋布。如何解决这些问题?开山打通一个个隧道,暗河上架设一座座桥梁,填沟建起一座座站房。
在湖南省湘西自治州芙蓉镇,沅江最大支流酉水从中流过,在酉水之上有座新建酉水大桥,似一道飞虹跨越酉水河谷,这是张吉怀高铁全线的重难点和控制性工程。酉水河谷两岸山坡极其陡峭。设计人员巧妙利用地形特点,以主跨292m非对称上承式钢管混凝土拱桥,一跨飞越河谷,与苍山融为一体。由于两侧拱脚高差43.5m,设计与施工方紧密配合,在国内首次采用两片拱肋同时整节段吊装,是世界上最大跨度非对称式钢管混凝土拱桥。同时,主桥大体量采用免涂装耐候钢材料,材料环保又轻量,大幅度减少了运营后的养护维修工作。

芙蓉镇酉水大桥从建设到通车耗时4年,4年间铁路建设者们不断调研勘察,因地制宜,最终在桥梁成功建设的同时也创造出了两个世界之最:一是桥梁主跨为292m非对称上承式钢管混凝土拱桥,这个设计在同类桥梁中跨度居世界第一,是新建张吉怀高速铁路全线重点、难点和控制性工程;二是世界上首次采用双肢钢管混凝土桁架式拱肋的大跨度拱桥。

芙蓉镇酉水大桥位于山区深谷,酉水河两岸山坡陡峭,北侧岸坡较陡,约为70°,有不稳定岩堆;南侧岸坡度较缓且均匀,约为45°。湘西地质复杂,溶洞多,又经常出现塌方现象,酉水大桥之所以采用斜跨式建设的一个重要原因,也是因为整座山只有一个点位能用于支撑修建铁路。大桥设计巧妙地将上承式拱桥的两侧拱脚设置在既有道路旁,避开陡峭山体,既减小了桥梁规模,又充分利用既有道路,拱座施工不需另建便道,减少了对山体的开挖及植被的破坏,保护了山区生态环境,也避开了不稳定岩堆,减小了桥梁规模。营造了“青山、秀水、古镇、新桥”的意境。
对于主跨292m的高速铁路上承式拱桥,拱肋可选截面有钢桁架、劲性骨架钢筋混凝土等,经测算工程造价分别约为28,900万元、25,700万元,而钢管混凝土桁架拱桥的工程造价约为23,500万元,经济性良好。因此,大桥采用了钢管混凝土桁架拱肋,横向分为两片双管式钢管混凝土桁架,竖向刚度大、温度效应变形小,上下弦钢管内径1,500mm,与常规四管拱肋截面相比,构造简洁,具有更好的通透性和景观效果;同时,双管截面杆件数量少、自重轻,施工时纵向分段、横向两片连接成整体,整节段吊装。在列车活载及温度效应作用下,主跨跨中最大竖向变形139.0mm,挠跨比1/2,100。高速列车以设计时速通过芙蓉镇酉水大桥时,舒适性指标优秀,更好地满足了高速列车运行舒适性要求且结构简洁、景观效果好。桥墩及拱上较高的立柱均与主梁固接,既提高了结构整体刚度,又减小了墩柱尺寸,主梁采用钢-混凝土组合梁,实现了拱肋、立柱、主梁的全预制装配化施工。
据中铁大桥局张吉怀铁路项目施工负责人介绍,酉水大桥跨越湘西酉水河及S229省道,桥两端边坡陡峭、地形复杂,加上大桥结构特殊,在施工过程中需多次转换体系,技术特别复杂,施工难度极大。大桥钢管拱拱肋节段、拱上钢立柱以及组合梁的安装全部采用缆索吊进行吊装施工,施工安全风险极高。为此,建设者在施工中采用国内首次运用的两片拱肋同时整节段吊装施工,采用主跨865m、吊重300t的大型起重设备进行钢梁架设,在同类型的缆索吊设计中处于领先地位。
大桥采用节段预制与缆索吊装相结合的施工方法,大里程侧设置预拼场,扣索系统直接锚固于两岸山坡上。大桥采用的大直径双管式钢管混凝土桁架拱肋用钢量小,单个拱肋节段重量在300t以内,横向不再分块,整节段吊装施工,降低了施工难度,缩短了施工工期。
拱上立柱底部与拱肋通过节点板焊接形成安装底座。高度在20m以内的立柱采用整体吊装的方式施工,立柱高度大于20m的则分节段吊装,连接构造简单、施工快捷。组合梁钢结构通过大节段吊装施工,节段长24m,节段间采用高强螺栓连接。桥面板横向全宽预制,在挑臂与中间部分之间设置刚性梁,可有效承担桥面板自重,避免吊装过程中桥面板的损坏,提升了施工便捷性和施工速率。大桥多措并举,实现了拱肋及拱上结构全装配化施工,施工工期仅30个月。
张吉怀铁路芙蓉镇酉水大桥钢梁为单箱单室截面,钢梁具有重量大、长度长,焊接制造质量要求高、桥位安装要求精度高的特点。钢梁施工采用工厂内进行钢梁节段加工,运输至现场钢梁组拼场内组拼成整孔,然后利用缆索吊机对钢梁进行整孔吊装架设,最后孔跨间钢梁通过栓焊结合的方式连接。
由于桥址处常年风大、雾多,地势险要,面对施工条件恶劣、工程难度大、工期紧等困难,为了提质增速,中铁大桥局张吉怀铁路项目部积极开展“大干100天”活动,超前谋划、精心组织,桥梁主体构造采用预制构件,最大化地变空中作业为地面作业,变地面作业为工厂化作业,简化了现场施工工序,加快了施工进度,保证了施工质量。同时,采用多种方法减少焊接收缩、运输等对钢梁整拼的线性影响,雨天采用杆件预加热、制造防雨棚等多种措施确保焊接质量。针对钢梁架设,项目部提前安装钢梁纵向滑移装置、竖向顶升装置、临时支撑缓冲装置,充分利用风小、雾小时进行作业,抢抓时间完成钢梁架设作业。
突破了建设难关后,后续的铁路维护保障问题又成为横在建设者眼前的关键难题。湘西气候波谲云诡,自然灾害多发,特殊结构设计的拱桥在不同工况下会发生热胀冷缩,尤其在钢轨达到50℃高温时,极易出现胀轨,即轨道因过热膨胀而变形,造成列车无法运行。同时,在行车动力的自然反应影响下,也会对铁轨造成一定的磨损,进而威胁列车的行车安全。
为确保列车运行的绝对安全,建设者们在大桥上安装了健康监测系统,全天24h监测大桥的健康状况,及时发布预警信息。此外,芙蓉镇高铁线路工区还引入了日月明轨道检测仪和安博格轨道检测小车,可对酉水大桥上钢轨的轨距、水平、轨向、高低、里程、正失扭曲等数据进行全方位检测,收集数据的精确度达0.01mm。吉首东高铁线路车间芙蓉镇线路维修工区工长王显棠告诉记者,当GJY-T型轨检小车的数据出现急跳时,意味着行驶中的列车出现过抖动,这种情况下他们会迅速发出警报,对轨道进行整治。
酉水大桥采用一孔跨越山谷和酉水河,不在水中设墩,满足环保要求。创新地采用大跨度非对称上承式钢管混凝土拱桥,减少了对山体的开挖及植被的破坏,较好地保护了山区的生态环境。通过预制装配拱肋、立柱、主梁施工,缩短了工期,显著减少了施工期对环境的影响。拱肋及立柱均采用免涂装的耐候钢,降低了山区深邃峡谷内钢结构桥梁的维养工作量。
酉水大桥设计中充分考虑桥址处地质、地形和既有道路分布,创新性地采用大跨度非对称上承式钢管混凝土拱桥,在更好地满足了高速列车运行的安全性、舒适性要求的前提下,同时充分融入自然、保护环境,全面协调整合了自然景观、建筑艺术和科技等方面的要求,营造了“青山、秀水、古镇、新桥”的意境,是极富想象力和韵律美感的景观建筑,是中国桥梁工程史上的又一里程碑,为山区高速铁路拱桥的建设提供了开创性的范例。

在酉水段铁路建设者们的共同努力下,酉水大桥终于稳立于酉水之上,营造了一番“青山、秀水、古镇、新桥”的优美意境。但酉水大桥不仅是“高颜值”,其更为深刻的意义在于,其击破了湘西原本交通不便、基础设施落后的痛点,连接了张家界、吉首、怀化等山区城市,使整个大湘西地区连为一体。张吉怀高铁开通后,湖南长沙与芙蓉镇之间的通行时间从6h缩短到了2.5h,张家界到长沙仅需3h,湖南南北黄金旅游通道融入了广阔的国家高速铁路网,极大地提高当地的交通出行水平,使世界各地的旅客更好的领略湘西美景,也为湘西地区吸引了更多人才,带动湘西地区经济高速发展。


注:部分内容来自桥梁杂志公众号。

来源 | 建筑钢结构进展微信公众号



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