鐵路混凝土部分斜拉橋設(shè)計(jì)綜述及發(fā)展方向

宋子威　王德志　薛兆鈞　羅世東

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司　武漢　430063)

鐵路混凝土部分斜拉橋設(shè)計(jì)綜述及發(fā)展方向

宋子威王德志薛兆鈞羅世東

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢430063)

摘要部分斜拉橋因其建造經(jīng)濟(jì)、造型美觀(guān)、施工方便、整體剛度大等優(yōu)點(diǎn)，在鐵路橋型中得到很大的發(fā)展。文中在廣泛收集資料的基礎(chǔ)上，列舉國(guó)內(nèi)一些建成或在建的鐵路混凝土部分斜拉橋?qū)嵗瑥慕Y(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造設(shè)計(jì)等角度論述鐵路混凝土部分斜拉橋設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題及最新發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞鐵路混凝土部分斜拉橋設(shè)計(jì)發(fā)展方向

1概述

部分斜拉橋又稱(chēng)為“矮塔斜拉橋”，是由法國(guó)Mathivat教授于1988年提出的一種新的橋梁結(jié)構(gòu)形式。由于部分斜拉橋優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能、良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展非常迅速。對(duì)于修建斜拉橋索塔受到限制或梁高受到限制的橋梁，部分斜拉橋是一種很好的選擇，在跨徑處于梁式橋與斜拉橋之間的橋梁和對(duì)剛度要求較高的鐵路橋中均具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力[1-2]。

部分斜拉橋在我國(guó)起步稍晚，2001年9月竣工的80 m+132 m+80 m漳州戰(zhàn)備大橋是第一座公路混凝土部分斜拉橋[3]。之后，公路混凝土部分斜拉橋發(fā)展迅速，目前已建成近百座公路部分斜拉橋。鐵路部分斜拉橋發(fā)展相對(duì)緩慢，我國(guó)第一座鐵路部分斜拉橋?yàn)槭徍L(zhǎng)江大橋，為主跨312 m鋼桁主梁部分斜拉橋。近年來(lái)，隨著中國(guó)鐵路飛速發(fā)展，鐵路混凝土部分斜拉橋進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。已經(jīng)建成的鐵路混凝土部分斜拉橋有京滬高速鐵路津滬聯(lián)絡(luò)線(xiàn)矮塔斜拉橋,主跨64 m+115 m+115 m+64 m；廣珠城際西江特大橋，主跨100 m+210 m+210 m+100 m；在建的混凝土部分斜拉橋有福平鐵路烏龍江特大橋，主跨144 m+288 m+144 m；成昆鐵路改造工程金沙江特大橋，主跨120 m+208 m+120 m；廣珠城際東平水道特大橋，主跨96 m+176 m+96 m；懷邵衡鐵路沅江特大橋，主跨90 m+180 m+90 m。表1中列舉了近年來(lái)鐵路混凝土部分斜拉橋的設(shè)計(jì)及建造情況。

表1　國(guó)內(nèi)若干鐵路混凝土部分斜拉橋參數(shù)

本文在借鑒同行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4-5]的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者設(shè)計(jì)工作體會(huì)。對(duì)鐵路混凝土部分斜拉橋的設(shè)計(jì)作一概括總結(jié)，為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供參考。

2結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)

2.1　體系設(shè)計(jì)

從橋塔個(gè)數(shù)來(lái)說(shuō)，根據(jù)實(shí)際橋位情況，部分斜拉橋的孔跨布置可分為單塔雙跨、雙塔三跨、三塔四跨等不同布置形式，已建成的部分斜拉橋以雙塔三跨居多。從結(jié)構(gòu)體系上，部分斜拉橋是由塔、梁、墩和索4種基本構(gòu)件組成的組合體系，不同的結(jié)合方式產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)體系。由于鐵路橋剛度要求高及懸臂灌注法施工的特點(diǎn)，鐵路混凝土部分斜拉橋一般采用塔墩梁固結(jié)的剛構(gòu)體系或塔梁固結(jié)的支座體系。

剛構(gòu)體系為塔墩梁固結(jié)，主梁可視為多點(diǎn)彈性支承的剛構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度大，避免大噸位支座，施工時(shí)也不需要臨時(shí)固結(jié)措施，適合于懸臂施工。但該體系固結(jié)處負(fù)彎矩大，使固結(jié)處附近主梁截面需要加大，對(duì)地震、溫度荷載作用較為敏感。支承體系為塔梁固結(jié)、塔墩分離形式，主梁在塔墩上設(shè)置豎向支承，支座均為活動(dòng)支座，這種體系接近主梁具有彈性支承的連續(xù)梁，主梁的內(nèi)力大小與主梁與橋塔的抗彎剛度比值有關(guān)。取消了承受很大彎矩的梁下塔柱部分，代之以一般橋墩，顯著減小了主梁中央段承受的軸向拉力，梁身受力也很均勻，索塔和主梁的溫度應(yīng)力也較小。2種橋梁結(jié)構(gòu)體系各有優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)因地制宜對(duì)結(jié)構(gòu)體系的選擇作慎重考慮，選擇最合適的結(jié)構(gòu)體系。

2.2　邊跨中跨比值

主梁的邊跨和中跨比值是影響結(jié)構(gòu)受力行為的重要因素，合理的邊中跨比值可使結(jié)構(gòu)取得較好的力學(xué)行為和經(jīng)濟(jì)效益。由于部分斜拉橋的主梁支承方式是連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)形式且無(wú)邊索錨固作用，為了方便懸臂灌注法施工和使邊支點(diǎn)不產(chǎn)生拉力，中跨比值應(yīng)與連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)取值大致相當(dāng)，一般在0.55～0.6之間較為合理。如邊中跨比值較小，則邊跨需要進(jìn)行壓重，給設(shè)計(jì)帶來(lái)不必要的麻煩。

對(duì)于鐵路橋梁，豎向剛度值是重要的指標(biāo)，直接影響列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性和乘坐舒適性。在影響主梁豎向剛度的指標(biāo)中，結(jié)構(gòu)體系、梁高對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度影響最大，斜拉索、橋塔高度對(duì)整體剛度的影響有限。

3構(gòu)造設(shè)計(jì)

部分斜拉橋上部結(jié)構(gòu)由主梁、橋塔、拉索、索鞍等組成，分別就構(gòu)造設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

3.1　主梁設(shè)計(jì)

箱形截面因其整體剛度大、抗彎、抗扭能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是鐵路混凝土連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計(jì)首選形式。如圖1，箱形截面主要有單箱單室，單箱雙室，無(wú)翼緣箱形等截面形式。目前，已建成的混凝土部分斜拉橋主梁大都采用與連續(xù)梁橋相同的預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面。由于斜拉索的幫扶作用，部分斜拉橋的梁高一般較同等跨度的連續(xù)梁或者連續(xù)剛構(gòu)小，其跨度之比約為1/8～1/20，表2中列舉了國(guó)內(nèi)幾座部分斜拉橋的梁高信息。部分斜拉橋采用變截面形式的較多，如二次拋物線(xiàn)，變截面更能符合梁的受力分布規(guī)律且與施工的受力狀態(tài)吻合，是較為經(jīng)濟(jì)的布置形式。

a)單箱單室　b)單箱雙室(一)　c)單箱雙室(二)圖1　箱形截面形式

3.2　橋塔設(shè)計(jì)

由于混凝土塔高的限制和雙索面形式的，橋塔在構(gòu)造上一般采用雙柱式橋塔[6]。為適應(yīng)在塔端設(shè)置轉(zhuǎn)向裝置，鐵路部分斜拉橋一般采用鋼筋混凝土實(shí)體橋塔。橋面以上塔高與中跨跨度之比為1/8～1/6，比公路的1/8～1/12略大，這主要是因?yàn)殍F路荷載較公路大，活載占恒載的比例大的原因。部分斜拉的整體剛度是由主梁來(lái)提供的，索塔只起到使斜拉索轉(zhuǎn)向的作用，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度沒(méi)有太大的貢獻(xiàn)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，塔柱只要滿(mǎn)足自身的受力要求即可。

3.3　斜拉索設(shè)計(jì)

斜拉索根據(jù)側(cè)面形狀可分為放射形、扇形、豎琴形。由于部分斜拉橋橋塔高度一般較矮，為尋求更好的斜拉索利用效率及景觀(guān)效果，一般布置成扇形或豎琴形形式。對(duì)于大部分的鐵路部分斜拉橋而言均采用雙排索。拉索布置成單索面時(shí)，對(duì)抗扭不起作用。目前建成的鐵路部分斜拉橋大都采用雙索面放射形布置，見(jiàn)表3。

表3　國(guó)內(nèi)若干鐵路混凝土部分斜拉橋斜拉索信息

目前斜拉橋拉索主要采用2種體系，即鋼絞線(xiàn)體系和平行鋼絲體系。采用平行鋼絲體系，無(wú)論是否在塔上張拉，塔上的錨頭部分也會(huì)占據(jù)較大的空間，從而導(dǎo)致塔身截面過(guò)大，不但浪費(fèi)材料，而且影響景觀(guān)效果。若采用鋼絞線(xiàn)體系，通過(guò)預(yù)埋在塔里的轉(zhuǎn)向裝置(鞍座)轉(zhuǎn)向至主梁里錨固，并在主梁里進(jìn)行張拉，不但節(jié)省空間，而且換索也很方便，是近年來(lái)部分斜拉橋普遍采用的一種斜拉索體系。國(guó)內(nèi)外工程目前采用的鋼絞線(xiàn)體系索主要是全封閉鍍鋅或噴涂環(huán)氧鋼絞線(xiàn)，錨具采用夾片群錨可更換的新型拉索體系。

國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)于拉索疲勞問(wèn)題未作規(guī)定，目前的設(shè)計(jì)主要借鑒國(guó)外相關(guān)規(guī)范，如日本規(guī)范，歐洲規(guī)范。常規(guī)斜拉橋的斜拉索容許應(yīng)力取0.4倍的極限應(yīng)力，安全系數(shù)取2.5；而在部分斜拉橋中，由于斜拉索傾角較小，主梁剛度較大，拉索主要承受恒載，斜拉索應(yīng)力幅比一般的斜拉橋中的應(yīng)力幅小。因此其斜拉索的應(yīng)力采用體外預(yù)應(yīng)力索的容許應(yīng)力，取0.6倍的極限應(yīng)力，安全系數(shù)取1.67[7]。

3.4　無(wú)索區(qū)設(shè)置

不同于密索體系斜拉橋，部分斜拉橋有明顯3處無(wú)索區(qū)，即塔旁無(wú)索區(qū)、跨中無(wú)索區(qū)、邊跨無(wú)索區(qū)，見(jiàn)圖2。由于部分斜拉橋橋塔較矮，在跨中和邊跨設(shè)置斜拉索，則斜拉索傾角較小，對(duì)主梁提供的豎向反力較小，斜拉索利用率低。另外，部分斜拉橋主梁是由多點(diǎn)彈性支承的連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)體系，索塔處主梁梁高加大且有支座或橋墩支承，不需設(shè)置拉索。表3中列舉了幾座鐵路部分斜拉橋無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)。

圖2　無(wú)索區(qū)長(zhǎng)度示意

3.5　索梁錨固

斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)區(qū)域受力集中、構(gòu)造復(fù)雜，是控制設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，掌握索梁錨固結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況是十分重要的。常見(jiàn)的斜拉索與混凝土主梁的錨固形式主要由混凝土錨固塊錨固。圖3為混凝土雙索面斜拉橋的一種非常普遍的錨固形式。斜拉索的水平分力可通過(guò)厚邊腹板來(lái)傳遞，垂直分力可通過(guò)在斜腹板內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的豎向預(yù)應(yīng)力筋來(lái)適應(yīng)。

圖3　兩側(cè)設(shè)置錨固塊三維圖

3.6　索塔錨固

拉索在橋塔上錨固主要有錨箱和鞍座2種方式。鋼錨箱形式尺寸較大，制作復(fù)雜，造價(jià)較高，目前已建部分斜拉橋中，除個(gè)別部分斜拉橋拉索在塔上直接錨固外，余均采用貫通式索鞍錨固形式。常用鞍座結(jié)構(gòu)有雙套管結(jié)構(gòu)和分絲管結(jié)構(gòu)2種形式。鞍座區(qū)在設(shè)計(jì)上要設(shè)置抗滑裝置，不允許斜拉索在使用中產(chǎn)生任何滑移，同時(shí)又要允許在換索時(shí)能夠方便地進(jìn)行更換。早期的部分斜拉橋普遍采用內(nèi)外管形式，該錨固形式具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但也存在受力不明確、換索困難、鞍座下混凝土應(yīng)力集中等問(wèn)題。目前應(yīng)用較多的是采用成品的分絲管索鞍形式。索與索之間互不干擾，受力明確，鞍座下混凝土局部應(yīng)力較小。

根據(jù)其抗滑裝置形式不同，可以分為環(huán)氧砂漿握裹式和交叉抗滑鍵2種形式[8]。其中環(huán)氧砂漿握裹式采用內(nèi)管內(nèi)灌注環(huán)氧砂漿進(jìn)行封閉錨固，這種形式的鞍座廠(chǎng)家生產(chǎn)容易、現(xiàn)場(chǎng)穿索方便快捷，但存在拉索不能進(jìn)行單根調(diào)整張拉，換索困難等問(wèn)題?？够I通過(guò)擠壓形式固結(jié)在鋼絞線(xiàn)上，滿(mǎn)足抗滑要求。該種裝置可以滿(mǎn)足單根調(diào)索，后期換索較為簡(jiǎn)單。圖4是應(yīng)用較為廣泛的一種抗滑裝置示意圖。

圖4　交叉抗滑鍵裝置結(jié)構(gòu)示意圖

4發(fā)展方向

鐵路混凝土部分斜拉橋的應(yīng)用，豐富了鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)形式，但在國(guó)內(nèi)仍屬于起步階段?？梢灶A(yù)見(jiàn)，鐵路混凝土部分斜拉橋會(huì)在以下幾個(gè)方面取得進(jìn)展。

4.1　鋼箱混合梁部分斜拉橋

隨著跨度增大,單純采用混凝土主梁會(huì)因?yàn)樽灾氐淖饔?經(jīng)濟(jì)性大打折扣。為獲得更大跨越能力及經(jīng)濟(jì)性,主梁可采用預(yù)應(yīng)力混凝土-鋼箱混合梁。主梁塔墩附近采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，中跨附近采用鋼箱梁,可減輕主梁自重，增大跨越能力。日本的木曾川橋和揖斐川橋,是最早采用混凝土和鋼混合結(jié)構(gòu)的部分斜拉橋，主跨為160 m+3×275 m+160 m，154 m+4×271.5 m+127 m。

4.2　高塔型部分斜拉橋

為發(fā)揮部分斜拉橋的優(yōu)勢(shì)同時(shí)盡量提高索的豎向分力，高塔型部分斜拉橋?qū)⑹遣糠中崩瓨虻囊粋€(gè)發(fā)展趨勢(shì)，有的橋塔高與中跨跨度之比達(dá)1/4。這種橋型不僅保留了部分斜拉橋斜拉索的高利用率，同時(shí)由于斜拉索水平傾角的增加，提高了斜拉索的豎向荷載分擔(dān)率，而且還可以適當(dāng)降低主梁的高度，減輕主梁自重，減少地震荷載的效應(yīng)。

5結(jié)語(yǔ)

本文從結(jié)構(gòu)體系、構(gòu)造設(shè)計(jì)等角度論述鐵路混凝土部分斜拉橋設(shè)計(jì)中需要注意一些問(wèn)題及最新發(fā)展方向，可為今后同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

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Design Summary and Trend of Partial Cable-stayed Concrete Railway Bridge

SongZiwei,WangDezhi,XueZhaojun,LuoShidong

(China Railway Si Yuan Survey and Design Group Corporation, Wuhan 430063, China)

Abstract：In recent years as of its benefits like economic to build, attractive appearance, easy construction and so on, partial cable-stayed bridge is with great development among railway bridge types. Based on the reference data information and analysis, several partial cable-stayed bridges cases either construction completed or under construction are listed in this paper, and some points on the latest developing directions and issues that need to be pay attention to during the design process of railway concrete partial bridge are given based on the construction system and structural design.

Key words:railway; concrete; partial cable-stayed bridge; design; trend

收稿日期：2015-10-08

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.009