鐵路大跨度斜拉橋剛度參數(shù)研究及建造技術(shù)展望

王芳， 劉文薦

（中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心，北京 100844）

1 概述

20 世紀(jì)以來，斜拉橋比梁式橋跨越能力大，具有良好的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，已成為大跨徑橋梁體系最主要的橋型［1］。隨著新材料的應(yīng)用、焊接技術(shù)的提高以及斜拉橋理論的發(fā)展，斜拉橋迎來了蓬勃的發(fā)展機(jī)遇。法國在1975 年建成了圣-納扎橋（主跨404 m），是首座突破400 m 的斜拉橋；日本在1998 年架設(shè)了多多羅大橋（主跨890 m），是20世紀(jì)最大跨徑的斜拉橋；21 世紀(jì)開始，世界各地出現(xiàn)了千米級的斜拉橋，包括已建的俄羅斯島大橋（主跨1 104 m）、蘇通長江大橋（主跨1 088 m）和昂船洲大橋（主跨1 018 m）。與懸索橋相比，斜拉橋具有結(jié)構(gòu)剛度大、抗風(fēng)穩(wěn)定性好、纜索用量小、在活載作用下?lián)隙刃〉葍?yōu)點(diǎn)［2］；與拱橋相比，斜拉橋具有用鋼量小、造價(jià)便宜、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)外部分大跨度斜拉橋統(tǒng)計(jì)見表1。

目前國內(nèi)外大跨度斜拉橋以公路橋居多，其主要原因?yàn)椋鸿F路橋除應(yīng)具有跨越江河的能力外，還需為橋上運(yùn)行的列車提供相對嚴(yán)格和舒適的線路條件。因此，鐵路斜拉橋要具有更大的剛度。

影響斜拉橋剛度的因素較多，如塔、索、梁自身剛度及溫度效應(yīng)、徐變作用。通過統(tǒng)計(jì)分析，目前國內(nèi)外大跨度斜拉橋設(shè)計(jì)中反映主梁剛度指標(biāo)的參數(shù)為：豎向撓跨比、橫向撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角3個(gè)。研究提出參數(shù)取值參考范圍，討論目前鐵路大跨度斜拉橋主要結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)，探討我國鐵路大跨度斜拉橋的建設(shè)技術(shù)發(fā)展。

表1 國內(nèi)外部分大跨度斜拉橋統(tǒng)計(jì) m

2 剛度參數(shù)

盡管大跨度斜拉橋已在世界范圍內(nèi)得到飛速發(fā)展，但由于鐵路列車活載大、運(yùn)行速度高，且對行車過程中穩(wěn)定性和舒適性要求高，因而要求鐵路大跨度斜拉橋除具備合理的結(jié)構(gòu)受力體系，較好的抗風(fēng)、抗震性能外，還需具有較大的豎向、橫向剛度及較小的梁端轉(zhuǎn)角。諸多限制條件導(dǎo)致鐵路大跨度斜拉橋發(fā)展相對公路斜拉橋滯后，但隨著鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，需滿足鐵路橋梁具有更大跨度的要求。目前，鐵路斜拉橋建造跨度已延伸到1 000 m 以上，滬通長江大橋的建設(shè)，標(biāo)志著斜拉橋建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新的紀(jì)元［3-5］。斜拉橋向超大跨徑發(fā)展時(shí)，為滿足跨度要求減少恒載自重，主梁變得更纖細(xì)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度下降，受溫度荷載、施工荷載的影響更大。

鐵路斜拉橋主要有以梁式橋斜拉加勁為主的混凝土矮塔斜拉橋，以結(jié)合梁、鋼箱與混凝土箱梁組合的混合梁斜拉橋，大跨度鋼箱梁、鋼桁梁斜拉橋等形式。根據(jù)目前研究，混凝土箱梁斜拉橋跨度超過300 m后，恒載顯著增大，斜拉索拉力較大且主塔所承受的壓應(yīng)力隨之增大，混凝土收縮徐變引起的線形變化對行車性能的影響變大，失去技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢。因此，本次研究主要針對鋼混結(jié)合梁及鋼梁大跨度斜拉橋。

鐵路大跨度橋梁的橫向剛度，一般以寬跨比、橫向撓跨比和一階橫向頻率表示。寬跨比作為單一的幾何指標(biāo)，不能全面考慮到主梁結(jié)構(gòu)形式、截面形式的差異，僅作為一般的參考指標(biāo)；一階橫向頻率是橋梁結(jié)構(gòu)固有頻率，可以直接反映橋梁的橫向剛度，頻率越大，結(jié)構(gòu)剛度越大；橫向撓跨比考慮到橋梁整體結(jié)構(gòu)，同時(shí)也與豎向剛度指標(biāo)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，可以較為全面地反映結(jié)構(gòu)橫向剛度。本次研究主要選取橫向撓跨比作為分析參考指標(biāo)。

2.1 國內(nèi)外規(guī)范要求

各國規(guī)范對大跨度橋梁豎向撓跨比的限值要求是：我國規(guī)范要求為1/1 000；德國規(guī)范要求為速度＞200 km/h、孔數(shù)≤2時(shí)為1/1 700，孔數(shù)≥3時(shí)為1/1 000；日本規(guī)范中按照速度目標(biāo)值，時(shí)速260、300、360 km 的單跨豎向撓跨比限值分別為1/700、1/900、1/1 100，多跨豎向撓跨比分別為1/1 400、1/1 700、1/2 000。橫向撓跨比的限值要求則規(guī)定得較為籠統(tǒng)：美國UIC 776—2R規(guī)范中對設(shè)計(jì)速度為120～200 km/h 規(guī)定限值為L/4 000；日本新干線標(biāo)準(zhǔn)則籠統(tǒng)地規(guī)定橋梁橫向撓度限值為豎向撓度限值的一半；我國相關(guān)規(guī)范要求，速度≤350 km/h時(shí)，限值為L/4 000。

2.2 主梁剛度參數(shù)

大跨度斜拉橋的設(shè)計(jì)一般由剛度控制，目前我國鐵路給出的剛度標(biāo)準(zhǔn)僅適用于跨度168 m 以下的橋梁。同時(shí)規(guī)范規(guī)定，針對特殊結(jié)構(gòu)和重要橋梁，應(yīng)進(jìn)行車橋耦合分析。反應(yīng)安全性、舒適度和平穩(wěn)性的相關(guān)參數(shù)如脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軸橫向力、車體加速度等指標(biāo)應(yīng)滿足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)定（見表2）。

表2 國內(nèi)外大跨度斜拉橋主梁剛度參數(shù)

由表2可知，國內(nèi)外大跨度斜拉橋中，豎向撓跨比集中在1/888～1/396，橫向撓跨比集中在1/4 300～1/997，梁端轉(zhuǎn)角集中在0.129‰～1.900‰ rad。對于主梁采用結(jié)合梁的斜拉橋，邊跨混凝土梁自重和剛度大，可增強(qiáng)主跨的錨固作用，減小主跨梁體內(nèi)力和變形；采用整體混凝土和鋼箱橋面，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性好，橫向剛度大；邊跨混凝土梁的壓重作用消除了邊跨支座負(fù)反力；混凝土邊跨提供的穩(wěn)固支撐降低了活載引起的主跨彎矩和斜拉索力變幅。對于主梁采用鋼桁梁的鐵路斜拉橋跨度大，為提高結(jié)構(gòu)剛度，往往采用質(zhì)量較大的橋面系。典型的鋼桁梁橋面系，一種為縱橫梁體系，在縱梁上鋪設(shè)混凝土橋面板，在橋面板設(shè)置碎石道床軌道；另一種為正交異性鋼橋面板，并與主桁結(jié)構(gòu)共同受力，在正交異性鋼橋面板上結(jié)合一層混凝土板，既可防止鋼橋面板銹蝕，又可共同參與受力。由于主梁質(zhì)量增加，斜拉索面積相應(yīng)增加，對提高豎向剛度非常有效［4］。

2.3 小結(jié)

從國內(nèi)外已經(jīng)建成的鐵路大跨度斜拉橋情況看，橋梁的撓跨比遠(yuǎn)大于規(guī)范中關(guān)于鐵路中小跨度橋梁的規(guī)定值，但這些橋梁的運(yùn)營情況良好［5］。由于鐵路特別是高速鐵路對大跨度橋梁梁端轉(zhuǎn)角控制嚴(yán)格，我國大部分斜拉橋采用了偏小的邊中跨比，在不增加邊跨等高段梁高情況下，改善梁端轉(zhuǎn)角。

結(jié)合已建成的大跨度鐵路鋼桁梁斜拉橋及現(xiàn)有規(guī)范，考慮荷載差異，大跨度鐵路鋼桁梁斜拉橋豎向剛度可適當(dāng)降低，建議豎向撓跨比設(shè)計(jì)值可取為1/800～1/500；設(shè)計(jì)風(fēng)速時(shí)橫向撓跨比可放寬到1/2 000～1/1 000。

以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果對于鐵路大跨度斜拉橋剛度設(shè)計(jì)可提供一定的參考，但要確定一個(gè)通用限值，不僅應(yīng)當(dāng)參考國內(nèi)外規(guī)范要求，還應(yīng)結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)剛度對車輛走行性的影響進(jìn)行綜合分析。

3 斜拉橋主塔基礎(chǔ)及主梁建造技術(shù)

斜拉橋的主塔、索、梁和基礎(chǔ)是影響斜拉橋整體剛度的重要因素，塔頂?shù)淖兾恢苯佑绊懭珮虻恼w剛度。

3.1 主塔基礎(chǔ)

鐵路大跨度斜拉橋多采用沉井基礎(chǔ)和大直徑鉆孔樁基礎(chǔ)。沉井基礎(chǔ)剛度大，結(jié)構(gòu)安全可靠，承受水平荷載能力強(qiáng)，特別適用基礎(chǔ)承受水平力大、持力層埋深較淺的地質(zhì)條件，沉井施工需配備大噸位起吊設(shè)備。大直徑鉆孔樁是國內(nèi)外深水橋梁常采用的基礎(chǔ)形式，其設(shè)計(jì)、施工工藝較為成熟，單樁承載能力大，基礎(chǔ)平面尺寸較小，樁長適應(yīng)范圍廣。目前我國在建鐵路大跨度斜拉橋2種基礎(chǔ)形式均有應(yīng)用（見表3）。

在基礎(chǔ)形式方面，從韓家沱長江大橋的2.5 m 大孔徑鉆孔樁、武漢天興洲長江大橋的3.4 m 大直徑鉆孔樁，到銅陵長江大橋單個(gè)主塔墩采用的68 m 高沉井基礎(chǔ)、滬通長江大橋全部采用沉井基礎(chǔ)，基礎(chǔ)截面尺寸隨跨度的增大而增大，基礎(chǔ)高度隨橋梁跨度的增加及上部荷載的增大而增大。為適應(yīng)結(jié)構(gòu)承載力要求和橋位地質(zhì)條件，基礎(chǔ)形式及施工工藝均有較大變化。

表3 鐵路大跨度斜拉橋主塔基礎(chǔ)參數(shù) m

在基礎(chǔ)施工方面，武漢天興洲長江大橋采用大型雙壁鋼吊箱圍堰，插打鋼護(hù)筒進(jìn)行鉆孔樁施工；蕪湖長江大橋采用先圍堰后平臺的方案，施工鉆孔樁和沉井基礎(chǔ)［6］；滬通長江大橋的沉井基礎(chǔ)則采用鋼沉井船廠分階段拼裝，整體浮運(yùn)到墩位處吸泥下沉，再接高混凝土沉井，直至沉井基礎(chǔ)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.2 主塔施工

為適應(yīng)斜拉橋主跨跨度的增大，主塔高度也隨之增大，主塔高度的顯著增加為鋼筋混凝土主塔施工帶來極大的挑戰(zhàn)，如何保證主塔混凝土澆筑質(zhì)量及施工精度是主塔施工面臨的關(guān)鍵問題。斜拉橋作為設(shè)計(jì)與施工高度耦合的橋型，關(guān)于施工方法和施工控制問題的研究也一直備受關(guān)注。隨著施工技術(shù)、測量手段的革新，利用大節(jié)段拼裝、構(gòu)件幾何控制等已經(jīng)在國外取得了一些實(shí)踐，無疑在簡化傳統(tǒng)施工工序、加快工程進(jìn)度上具有明顯的優(yōu)勢［7-8］。鐵路大跨度斜拉橋主塔設(shè)計(jì)參數(shù)見表4。

超高混凝土橋塔對混凝土材料性能、施工工藝帶來了巨大挑戰(zhàn)。目前主塔下塔柱一般采用液壓爬模施工，下橫梁采用支架法施工，中、上塔柱高度較高，一般采用自動液壓爬模施工，塔柱合龍段采用支架施工。如何控制超高混凝土橋塔施工精度、建立完善的超高距離混凝土泵送、澆筑和養(yǎng)護(hù)，進(jìn)而保證主塔施工質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)橋塔耐久性目標(biāo)，是鐵路大跨度斜拉橋發(fā)展過程中面臨的關(guān)鍵技術(shù)難題。

表4 鐵路大跨度斜拉橋主塔設(shè)計(jì)參數(shù) m

3.3 主梁施工

在鋼桁梁架設(shè)方面，從單根桿件吊裝拼裝到桁片吊裝拼裝，再到單節(jié)段整體吊裝拼裝的技術(shù)演變，由此帶來施工機(jī)械和施工工藝的進(jìn)步。銅陵長江大橋采用兩桁片焊接/單個(gè)桁片吊裝方案；武漢天興洲長江大橋采用單節(jié)段吊裝方案；滬通長江大橋采用兩節(jié)間焊接，橋位處整體吊裝的施工工藝。隨著單次吊裝節(jié)段桿件數(shù)量的增加，對施工工藝、施工設(shè)備的要求也在逐步提高。從單根桿件的吊裝到在工廠組拼成單節(jié)段后船運(yùn)至現(xiàn)場，明顯改善了施工作業(yè)環(huán)境，減少高空作業(yè)，加快架梁速度。

4 結(jié)束語

目前，我國橋梁建設(shè)技術(shù)已經(jīng)步入世界領(lǐng)先水平，由橋梁大國走向橋梁強(qiáng)國。隨著滬通長江大橋、平潭跨海鐵路橋等工程的建設(shè)，我國鐵路大跨度斜拉橋建設(shè)將進(jìn)入新時(shí)代。隨著一系列新材料、新結(jié)構(gòu)、新設(shè)備、新工藝的應(yīng)用，我國鐵路斜拉橋建設(shè)取得了重大突破，促進(jìn)鐵路斜拉橋建造技術(shù)的發(fā)展。如何保證大跨度斜拉橋的整體剛度，是鐵路用斜拉橋的重要考慮因素，通過對國內(nèi)外鐵路大跨度斜拉橋剛度參數(shù)的統(tǒng)計(jì)，以及參考國內(nèi)外規(guī)范，對鐵路大跨度斜拉橋合理剛度取值范圍進(jìn)行初步探討。大跨度、高質(zhì)量、裝配式將是鐵路大跨度橋梁建設(shè)發(fā)展的方向。