Ponti di grande luce per linee ferroviarie ad alta velocità: il ponte Dashengguan sul fiume Yangtze Alessio Pipinato Università degli Studi di Padova, Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile, Ambientale ABSTRACT: The Beijing-Shangai high speed railway started the construciton in 2008 and has been recently completed: this high-speed new railway line is 1318 km long with a design speed of 350 km/h, including structures as the relevant Yangtze river crossing in Jiangsu province. The new Dashengguan bridge is located in 1.5km upstream of the existing 3 rd Nanjing Yangtze road bridge, the alignment of which was based on the general construction scheme of the Beijing-Shangai high speed railway, the Shangai-Wuhan-Chengdu express railway, the urban rail transit system, and the local geological and hydrological conditions. This article deals with the description of the Dashengguan bridge, as it could be considered the world s longest span high speed railway bridge ever built. Keywords: long span; bridges; high speed railways. 1 Figura 1: Dashengguan Yangtze River Bridge, in fase di costruzione.
INTRODUZIONE Una delle più rilevanti infrastrutture ferroviarie ad alta velocità recentemente realizzate al di fuori dell Europa, è rappresentata dalla linea ad alta velocità Beijing-Shanghai, lunga 1318 km e caratterizzata da una velocità di progetto di 350 km/h. Tra le strutture di rilevo della nuova linea ferroviaria, si distingue il ponte Dashengguan, nella sua parte principale composto da due archi centrali di grande luce (336m) per consentire la navigazione del fiume. Esso rappresenta uno dei più rilevanti ponti dedicati all alta velocità ferroviaria in Cina, e probabilmente il più lungo ponte ferroviario mai costruito per le linee di alta velocità. Il ponte è stato completato e recentemente è entrato in esercizio. Esso si colloca a circa 1,5 km dal 3 ponte stradale sullo Yangtze di Nanjing. 2 Figura 2: La rete ferroviaria ad alta velocità in Cina (2011).
IL PROGETTO del PONTE La scelta tipologica del ponte è ricaduta sulla tipologia ad arco reticolare, sia per minimizzare l impatto delle pile nei confronti della corrente fluviale, sia per conferire all impalcato stesso le necessarie rigidezze verticali e laterali al fine di minimizzare le vibrazioni, e per ottimizzare i fattori relativi alla sicurezza ed il comfort dei passeggeri (Shunquan et al. 2008). Per tale motivo la scelta è stata effettuata al fine di selezionare la tipologia strutturale che potesse avere la migliore capacità di minimizzazione delle vibrazioni del ponte; al tempo stesso all impalcato era richiesta la massima capacità di integrarsi con l ambiente circostante, riducendo l impatto con il paesaggio. Il ponte accoglie sei linee ferroviarie, due per la direttissima ad alta velocità Beijing-Shanghai, due per la linea espressa Shangai-Wuhan-Chengdu, e le ultime due per linee urbane, per rispettive velocità di progetto di 300 km/h, 200 km/h e 80 km/h. Procedendo da nord verso sud, il ponte è costituito da 4 campate a travata di 84 m, seguite da sei campate ad arco, per un totale di 1,615 km. Il progetto del ponte soddisfa le richieste in termini funzionali, geometrici e di carico normative. L altezza variabile dell arco in acciaio, i pendini rigidi e la soluzione di impalcato integrale adottati per il ponte conferiscono al ponte stesso una elevata resistenza e rigidezza verticale flessionale capace di assicurare il comfort richiesto per i treni passanti ad alta velocità. D altro canto la altezza variabile dell arco struttura in acciaio incontra al tempo stesso anche i requisiti di carico del ponte nelle fasi transitorie costruttive, e facilita l assemblaggio delle travate grazie all uso di gru provvisorie realizzate in sommità delle travate stesse (vedi figura seguente). 3 Figura 3:Schemi di costruzione del ponte.
I viadotti di approccio in quota sono invece stati realizzati mediante l uso di impalcati in ccap, che in totale portano la lunghezza del ponte a 9,3 km. Per quanto riguarda il ponte ad arco principale, lo schema strutturale è quello della travata Pratt: l arco ha una altezza di 84m, ed è costituito da una reticolare spaziale alta 12 m in chiave e 57m agli appoggi. L altezza totale dell arco è quindi di 96m. Per conferire alla struttura una totale integrità, stabilità e rigidezza verticale e laterale, sono stati realizzati controventi longitudinali e trasversali nella reticolare. Diverse tipologie di acciaio sono state impiegate nella realizzazione del ponte, in relazione allo stato tensionale di progetto: un particolare tipo di acciaio S420 è stato appositamente creato, ed esso è caratterizzato da una eccellente saldabilità e un alta resistenza alla corrosione atmosferica. Esso è stato utilizzato in particolare per elementi della reticolare che dovranno resistere a notevoli carichi di compressione e in dettagli specifici soggetti ad alte concentrazioni di tensione. Per le altre tipologie di elementi strutturali, sono stati impiegati le tipologie S370, S345, S235. Sono inoltre stati impiegati elementi a sezione variabile in modo da ottimizzare la struttura in relazione ai carichi sopportati. Ad eccezione della lastra ortotropa dell impalcato, tutti gli elementi reticolari sono connessi reciprocamente mediante bulloni ad alta resistenza. La massima compressione assiale è di circa 9300 t, la membrana più scarica trasmette un carico assiale di 116t, l elemento più lungo è di 52m. Come anticipato, l impalcato è a lastra ortotropa su un graticcio di travi longitudinali e parallele, connesse alla reticolare inferiormente mediante giunti saldati, da cui si dipartono poi i pendini di sospensione. Le tre reticolari principali, suddividono l impalcato in 4 parti, come descritto meglio nell immagine che segue: le parti centrali ed interne all impalcato accolgono le 4 linee ad alta velocità, mentre quelle esterne le linee urbane e regionali. 4 a) b) Figura 4:Sezione schematica trasversale del ponte (a) e vista tridimensionale dell impalcato (b). L impalcato centrale portante l alta velocità è finito con una soletta in cca, connessa con la sottostante lastra ortotropa a formare una struttura composta, conferendone maggiore resistenza,
rigidezza, e capacità dissipativa. La sezione trasversale ammonta a circa 42 m. La relativamente ridotta luce del ponte centrale, 108m, è relazionata alla luce massima raggiungibile da questa tipologia strutturale, in relazione alle deformazioni limite di impalcato consentite al fine di mantenere la velocità di picco dei treni ad alta velocità passanti. Gli apparecchi di appoggio sferici sono ad alta capacità portante, in grado di sopportare un carico di circa 8000t; sono stati inseriti anche dei dispositivi di controllo della deformazione delle rotaie, per controllare e aggiustare eventuali deformazioni indotte dai carichi e dalle variazioni termiche. In totale sono state realizzate 240 pile, e tutte le fondazioni sono su pali. La prima delle pile del ponte principale (n.6), è situata a nord del fiume, dove la profondità media è di 17m, mentre la pila con massima immersione è caratterizzata da 52 m di profondità d acqua. I pali delle pile principali sono 46, con un diametro di 2.8m e lunghezze variabili dai 107 ai 112m, in roccia per circa 65m. Tutti i pali terminano in una zattera di fondazione di 34x76m, alta 6 metri. L elevazione delle pile principali è cava, a doppia cellula, di 12x40m, con muri di spessore 1.5-2m. La fase costruttiva ha richiesto speciali tecniche realizzative: ad esempio le pile 7-8 sono state realizzate in casseforme sospese, la pila 6 è stata realizzata mediante un cassone sospeso. Tutte le casseforme avevano forma curva, e realizzate mediante lamiere in acciaio a doppio strato, con dimensioni in pianta di 80x38m e un altezza di 26.5m. La parte inferiore di questi elementi speciali alta 14,5m e dal peso di 3100 tonnellate è stata fabbricata a terra in stabilimento e portata via nave in sito. Il posizionamento è stato effettuato mediante gru da pontone, e sistemi di posizionamento speciali, con una tolleranza di 50mm. Anche le casseforme speciali per i conci di pila bicellulari sono stati realizzati a terra, con un peso approssimativo di 100t per 12 pezzi per ciascuna pila, posizionati anch essi mediante gru da pontone. Il cemento armato per le pile è di classe C35, ed è stato approvvigionato mediante due stazioni di pompaggio con una produzione oraria di 150mc, ed una richiesta di materiale per pila di circa 800mc. Terminata la sottostruttura, la realizzazione della struttura reticolare in elevazione è stata effettuata mediante avanzamento progressivo a sbalzo dagli appoggi, spostando di volta in volta delle gru montate sulla sommità della reticolare dall ultimo concio posto in opera. Per ridurre lo stato tensionale nelle reticolari, sono state montate ove necessario delle pile e torri provvisorie, rimosse al termine della costruzione; un sistema di cavi di sospensione ha consentito inoltre di riportare alla pila la maggior parte degli sforzi dovuti alla notevole sospensione a mensola della reticolare in via di realizzazione. La chiusura del concio centrale è quindi stata realizzata in un ordine specifico: prima è stata chiusa la parte a sud lunga 192m, quindi la parte a nord dell impalcato. Poi è stata 5
chiusa la parte a sud di luce 336m e la relativa parte a nord. Tutte le reticolari sono state assemblate in stabilimento, uno posto a nord e uno a sud del fiume, quindi portate in sito con barconi di trasporto. L impalcato a piastra ortotropa è stato successivamente installato a conci una volta terminata la struttura principale. a) b) c) Figura 2: Dashengguan Yangtze River Bridge, vista dall impalcato della campata centrale (a); costruzione in avanzamento a sbalzo (b); sezione degli elementi di sospensione (c). 6 a) b) Figura 3: Dashengguan Yangtze River Bridge, nodi tipo di attacco tra l arco e la controventatura di parete (a); torre provvisoria per la fase di costruzione a sbalzo (b).
Figura 4: Dashengguan Yangtze River Bridge, vista dell arco centrale (a) e dell appoggio (b). 7 Figura 10: Dashengguan Yangtze River Bridge, travatura reticolare tipo, vista dall impalcato.
Figura 11: Dashengguan Yangtze River Bridge, sezione tipo della reticolare inferiore di impalcato. RIFERIMENTI e APPROFONDIMENTI BIBLIOGRAFICI Shunquan Q., Wusong W., Weijun S. Yiqiao Z. (2008). Rail revolution. Bridge design and engineering, Issue 51, SQ 2008, Pp. 24-25, London. You, Q., et al, Sutong Bridge The Longest Cable-Stayed Bridge in the World, SEI Volume 18, Number 4, November 2008 Cui, B., Key Techniques Applied in the Design of Nanjing No.3 Yangtze River Bridge, Proceeding of the Fifth PRC-US Workshop on New Technologies in Long-span Bridges Construction, 2008 Zhang, K., et al, Model Test of Half-Through CFST Tied-Arch Bridge in the process of Arch Rib Erection, SEI Volume 18, Number 4, November 2008 Tang, M.C., et al, 2004, Design of the main spans of the Chongqing Caiyuanba Bridge, IABSE Symposium Shanghai 2004, SHA111. Shao, C., et al,donghai Bredge The First Super Long Open Sea Crossing in China, SEI Volume 18, Number 1, Februry 2008 Wang, R., Overall Design of Hangzhou Bay Cross-sea Bridge, Proceeding of the Fifth PRC- US Workshop on New Technologies in Long-span Bridges Construction, 2008 Lou, Z., et al., Towards Great Nations in Bridge Engineering, Proceedings of the Annual Conference in Bridge Engineering, Beijing Jianda Highway and Bridges Consulting Company Ltd., 2008 8