大跨度三塔鋼箱-桁結(jié)合梁斜拉橋受力性能研究

馮叢

（蒙西華中鐵路股份有限公司，北京 100073）

近幾十年來，斜拉橋在工程領(lǐng)域快速發(fā)展，數(shù)量多，跨度大，結(jié)構(gòu)形式多樣［1］，但為數(shù)不多的幾座三塔雙主跨斜拉橋都是公路橋梁［2-6］，鐵路橋梁少，且索塔只起到加勁作用或只參與承受活載，跨度不大。斜拉橋是一種柔性結(jié)構(gòu)，鐵路橋梁活載大，對(duì)橋梁的豎向剛度要求遠(yuǎn)高于公路橋梁［7-9］；三塔斜拉橋由于中塔無端錨索錨固，容易產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而使橋梁的柔性比普通雙塔單主跨斜拉橋更大［10-12］。新建的洞庭湖特大橋主梁首次采用適合重載鐵路大跨度三塔斜拉橋受力特點(diǎn)的鋼箱-桁組合結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式新穎，鋼梁制造安裝精度要求高，施工技術(shù)難度大。建成后將成為國內(nèi)外首座重載鐵路三塔雙主跨斜拉橋。

1 工程概況

蒙華鐵路是國家鐵路網(wǎng)的重要組成部分和“北煤南運(yùn)”新的戰(zhàn)略運(yùn)輸大通道，洞庭湖特大橋是蒙華鐵路的重難點(diǎn)控制性工程。洞庭湖特大橋位于湖南省岳陽市，全長10 444.66 m，主橋長1 290.24 m，橋跨布置為2×32 m簡支T梁+92 m鋼管混凝土系桿拱橋+110×32 m簡支T梁+4×52 m簡支箱梁+83×32 m簡支T梁+（75+3×120+75）m連續(xù)梁+（98+140+406+406+140+98）m三塔雙索面鋼箱-桁結(jié)合梁斜拉橋+84 m簡支鋼桁梁+57×32 m簡支T梁。其主橋立面見圖1。

1.1 桁式布置

主梁為鋼箱-桁結(jié)合梁結(jié)構(gòu)，主桁采用內(nèi)傾布置，上弦中心間距12.0 m，下弦中心間距14.0 m。全聯(lián)桁架為不帶豎桿的華倫式桁架，主桁高12.0 m，節(jié)間長度14.0 m，斜桿立面傾角59.744°，全橋共計(jì)92個(gè)節(jié)間，全橋以4號(hào)塔為中心對(duì)稱布置。鋼梁斷面見圖2。

圖1 洞庭湖特大橋主橋立面（單位：m）

圖2 洞庭湖特大橋鋼梁斷面（單位：mm）

1.2 主桁構(gòu)件

主桁上弦桿為箱形截面，腹桿為箱形和H形2種截面形式，下弦平面采用正交異性鋼板的板桁組合結(jié)構(gòu)整體道砟橋面，共同承受主桁內(nèi)力。為提高結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能，在下弦鋼箱外側(cè)設(shè)風(fēng)嘴。主桁單根桿件最大質(zhì)量71.5 t，采用工廠內(nèi)整體節(jié)點(diǎn)焊接，架設(shè)時(shí)節(jié)點(diǎn)之外采用高強(qiáng)度螺栓等強(qiáng)拼接。

1.3 索梁錨固結(jié)構(gòu)

在下弦鋼箱節(jié)點(diǎn)邊腹板上設(shè)計(jì)索梁錨固結(jié)構(gòu)，即鋼錨箱，并布置在下弦鋼箱外側(cè)的風(fēng)嘴內(nèi)。索力傳遞路徑為：拉索導(dǎo)管底部的錨墊板→鋼錨箱主承壓板→下弦鋼箱邊腹板→鋼箱梁。

1.4 橋面結(jié)構(gòu)

橋面采用正交異性板整體道砟結(jié)構(gòu)。橋面板采用縱向分塊、橫向與下弦邊箱節(jié)段拼裝成整體的鋼箱梁，鋼箱節(jié)段最大質(zhì)量281 t。

2 三塔雙主跨鐵路斜拉橋的變形和受力行為

以洞庭湖特大橋三塔雙主跨鐵路斜拉橋方案設(shè)計(jì)圖為基準(zhǔn)，不考慮加強(qiáng)措施，采用空間有限元法分析三塔雙主跨鐵路斜拉橋的變形和受力行為。

2.1 豎向荷載作用下的變形和受力行為

恒載作用下橋梁的變形可通過設(shè)置預(yù)拱度、調(diào)整索力、調(diào)整道砟高度等方法補(bǔ)償或消除，不會(huì)影響線路的平順性?；钶d作用下橋梁的變形是無法補(bǔ)償?shù)模髁κ潜粍?dòng)產(chǎn)生的。橋梁變形隨列車位置的改變而改變，只能通過提高橋梁剛度加以控制。以跨中撓度最不利活載作用下的變形和受力行為對(duì)象，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。本項(xiàng)目實(shí)施時(shí)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》尚未發(fā)布，所以采用1.2倍中-荷載（2005）之貨運(yùn)專線荷載作為設(shè)計(jì)荷載，豎向活載為滿橋面均布荷載160 kN/m，布置于左邊塔與中塔跨度之間。

2.1.1 豎向剛度

下弦鋼箱和內(nèi)縱梁的最大撓度分別為826.2，828.8 mm，內(nèi)縱梁的撓度比下弦鋼箱多2.6 mm；下弦鋼箱的撓跨比為1/436。

2.1.2 橋塔變形和受力行為

左、中、右橋塔塔頂水平位移分別為215.7 mm（向右）、387.3 mm（向左）、22.5 mm（向右），左邊塔和中塔都向受載跨跨中偏移；中塔的塔頂水平位移約為受載跨邊塔的1.8倍，非受載跨邊塔的水平位移很小。橋塔的最大彎矩發(fā)生在塔底，中塔最大彎矩為1 748×103kN·m，約為受載跨邊塔的3.2倍；非受載跨邊塔的彎矩很小，可忽略不計(jì)。

2.1.3 主梁受力行為

上弦桿最大軸拉力小于最大軸壓力，最大軸壓力發(fā)生在主跨跨中，其值為16 012 kN；下弦鋼箱、內(nèi)縱梁的最大軸拉力發(fā)生在主跨跨中，其值分別為12 212.1，265.7 kN。橫梁彎矩最大值發(fā)生在主跨跨中，其值為732.8 kN·m。

2.2 橫向荷載作用下的變形和受力行為

按照TB 10002—2017計(jì)算無車時(shí)風(fēng)荷載垂直作用在全橋的迎風(fēng)面作用（包含主桁、橋塔和斜拉索），風(fēng)荷載強(qiáng)度w=1.3×1.13×1.3×462.4 Pa=883.0 Pa，有車時(shí)的風(fēng)荷載小于無車時(shí)不另行計(jì)算；搖擺力取100 kN，將其橫橋向作用于406 m的一個(gè)主跨跨中。

2.2.1 主梁橫向位移

風(fēng)荷載作用下下弦鋼箱主跨跨中的橫橋向位移為44.42 mm，搖擺力作用下下弦鋼箱受載跨跨中的橫橋向位移為5.54 mm。

2.2.2 橋塔的橫向位移和彎矩

風(fēng)荷載作用下左邊塔、中塔塔頂?shù)臋M橋向位移分別為10.27，11.79 mm；左邊塔、中塔的塔底最大彎矩分別為85.39，120.04 kN·m。

3 主體結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1 主桁剛度、橋塔剛度對(duì)撓度的影響

主桁剛度和橋塔剛度對(duì)主桁撓度均有很大的影響（主桁撓度相當(dāng)于軌道的撓度），且主桁剛度對(duì)撓度的影響更大。主桁剛度、橋塔剛度越小，增大其值對(duì)減小撓度越有效，但增大到一定程度后對(duì)減小主桁撓度影響不大。

根據(jù)靜活載作用下的撓跨比（未考慮加勁措施）ωmax/L=1/700～1/450，最大撓度范圍為58～902 mm。在滿足撓跨比的要求下，綜合強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性，確定主桁剛度和橋塔剛度的較佳匹配區(qū)間為3.424≤α≤9.129，2.268≤β≤6.047。其中：α為主桁柔跨比；β為主塔柔高比。

3.2 三主塔剛度對(duì)橋梁豎向剛度的影響

3.2.1 塔高對(duì)塔頂水平位移、塔頂彎矩的影響

增高橋塔可增大斜拉索的傾角和索力的豎向分力，從而減小主跨撓度。通過分析中塔塔頂順橋向水平位移、中塔塔底彎矩與塔高的關(guān)系曲線可知，隨著塔高的增大，塔頂順橋向水平位移略有下降但幅度較小，塔底彎矩有所增大但幅度也較小。

3.2.2 單獨(dú)增大中塔剛度對(duì)撓度和塔底彎矩的影響

單獨(dú)增大中塔剛度能一定程度降低靜活載作用下的撓度和撓跨比，但中塔剛度的增大導(dǎo)致塔底彎矩迅速增大，其增大速率遠(yuǎn)大于撓度降低的速率。另外，單獨(dú)增大中塔剛度對(duì)橋塔的受力并無好處，且需增大橋塔尺寸，相應(yīng)的材料用量、圬工量等會(huì)大幅度增加。

3.3 斜拉索剛度對(duì)橋梁行為的影響

索應(yīng)力大可以減小斜拉索的垂度、振幅和端部折角，增大索力的豎向分力，使拉索端部不易碰撞發(fā)生疲勞破壞；索應(yīng)力幅小可增大列車運(yùn)營的平穩(wěn)性，提高列車舒適度和拉索的疲勞壽命。鐵路斜拉橋的斜拉索剛度應(yīng)滿足“索應(yīng)力大，而應(yīng)力幅小”的要求，必須在增大索面積的同時(shí)增大橋梁的恒載，減小活載與恒載之比。根據(jù)計(jì)算分析，斜拉索剛度合理取值范圍為1.17×104～2.34×104kN/m。

3.4 橋面系剛度對(duì)撓度的影響

橋面系包含邊箱、縱梁、橫梁、鋼橋正交異性板及其加勁肋。橋面系剛度比與主桁最大撓度關(guān)系曲線見圖3?？芍辉黾愉摌蛘划愋园宓膭偠葘?duì)減小主桁撓度的作用不明顯，而同時(shí)增大鋼橋正交異形板和邊箱的剛度，能明顯減小主桁撓度。因此，橋面系正交異性板只需要滿足強(qiáng)度和局部剛度要求即可。

圖3 主桁最大撓度與橋面系剛度比關(guān)系曲線

4 中塔穩(wěn)定索對(duì)三塔雙主跨豎向剛度的影響

三塔雙主跨斜拉橋的關(guān)鍵問題是中塔容易產(chǎn)生順橋向偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致橋梁整體豎向剛度相比同等跨度的雙塔單主跨斜拉橋偏低，設(shè)置中塔穩(wěn)定索能有效增大中塔剛度。中塔穩(wěn)定索布置如圖4所示，中塔穩(wěn)定索的一端錨于中塔塔頂距離最上端錨索2.0 m的位置，另一端錨于邊塔塔橫梁上方1.8 m塔身分支處。

圖4 中塔穩(wěn)定索布置

4.1 中塔穩(wěn)定索對(duì)撓度的影響

主桁下弦鋼箱最大撓度與中塔穩(wěn)定索剛度比的關(guān)系曲線見圖5。圖中，“0”表示未設(shè)置中塔穩(wěn)定索，“1”表示設(shè)置面積A90為121 cm2的中塔穩(wěn)定索?？芍?，隨著中塔穩(wěn)定索剛度比的增大，主桁下弦鋼箱最大撓度逐漸減小，中塔穩(wěn)定索剛度比越小，最大撓度減小速率越快。設(shè)置中塔穩(wěn)定索后主桁下弦鋼箱最大撓度由932 mm減小至813 mm，降幅為13%；當(dāng)中塔穩(wěn)定索剛度比為2時(shí)（即索面積為241 cm2），主桁下弦鋼箱最大撓度減小到747 mm，降幅為20%。

圖5 主桁下弦鋼箱最大撓度與中塔穩(wěn)定索剛度比的關(guān)系曲線

4.2 中塔穩(wěn)定索對(duì)塔頂水平位移的影響

中塔穩(wěn)定索的設(shè)置主要限制了中塔順橋向水平位移，中塔塔頂順橋向水平位移與中塔穩(wěn)定索剛度比的關(guān)系曲線見圖6?？芍?，隨著中塔穩(wěn)定索剛度比的增大，中塔塔頂水平位移很快減小，中塔穩(wěn)定索剛度比越小，水平位移減小速率越快。設(shè)置中塔穩(wěn)定索后中塔塔頂水平位移由503 mm減小至375 mm，降幅為26%；當(dāng)中塔穩(wěn)定索剛度比為2時(shí)（即索面積為241 cm2），中塔塔頂水平位移減小到295 mm，降幅為41%。

圖6 中塔塔頂順橋向水平位移與中塔穩(wěn)定索剛度比的關(guān)系曲線

4.3 中塔穩(wěn)定索對(duì)中塔順橋向彎矩的影響

設(shè)置中塔穩(wěn)定索后中塔順橋向最大彎矩位于塔橫梁處，而非塔底處不同中塔穩(wěn)定索剛度比下中塔順橋向彎矩的變化曲線見圖7?？芍S著中塔穩(wěn)定索剛度比的增大，中塔順橋向彎矩很快減小，中塔穩(wěn)定索剛度比越小，彎矩減小速率越快。設(shè)置中塔穩(wěn)定索后中塔順橋向塔橫梁處彎矩由904×103kN·m減小至752×103kN·m，降幅為17%；當(dāng)中塔穩(wěn)定索剛度比為2時(shí)（即索面積為241 cm2），中塔順橋向塔橫梁處彎矩減小到664×103kN·m，降幅為26%。

圖7 不同中塔穩(wěn)定索剛度比下中塔順橋向彎矩的變化曲線

4.4 中塔穩(wěn)定索參數(shù)確定

增設(shè)中塔穩(wěn)定索后對(duì)撓度、塔頂水平位移、中塔順橋向彎矩等力學(xué)特性進(jìn)行分析，可得中塔穩(wěn)定索面積為241 cm2（普通索面積的2倍）時(shí)能保證較小的材料用量，且施工、養(yǎng)護(hù)、維修和更換方便，與普通索基本無異，基本不影響景觀。

5 結(jié)論

1）鋼箱-桁組合結(jié)構(gòu)適用于大跨度鐵路斜拉橋，可有效提高橋梁的豎向剛度，保證列車運(yùn)營的安全性與舒適性。

2）三塔斜拉橋的關(guān)鍵技術(shù)問題是采取合理的加勁措施控制中塔的順橋向偏轉(zhuǎn)，通過調(diào)整和優(yōu)化索、塔、桁、橋面系等幾何尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)可提高橋梁整體剛度，使局部剛度和各構(gòu)件的受力狀態(tài)均達(dá)到合理狀態(tài)。

3）相比于增加主桁、斜拉索和橋面系剛度來提高三塔雙主跨整體豎向剛度的方式，設(shè)置中塔穩(wěn)定索更有效。