鐵路斜拉橋展望

1、新世紀中國鐵路斜拉橋發(fā)展展望邵長宇（同濟大學橋梁系）【摘要】新世紀鐵路建設加快了步伐，對鐵路橋梁建設提出了更高要求斜拉橋是未來跨越各大水系的必然選擇。本文根據(jù)近年來鐵路斜拉橋的設計研究情況，對各類型斜拉橋的適用范圍、 公鐵合建的技術問題、主梁結構型式可能的發(fā)展及鐵路橋采用斜拉一懸索協(xié)作體系問題進行了探討。關鍵詞 鐵路斜拉橋發(fā)展展望公鐵合建一、鐵路斜拉橋的現(xiàn)狀與特點1. 發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)代斜拉橋自上世紀70 年代在中國開始修建以來，20 多年來獲得了迅速發(fā)展，至今已建成100 多座。鐵路斜拉橋的發(fā)展卻十分緩慢，目前國內僅有兩座鐵路斜拉橋。近年來，鐵路建設加快了步伐，在一些新線的橋梁方案研究中提出了斜拉

2、橋方案，特點是京滬高速鐵路前期工作的開展，使鐵路斜拉橋的設計研究工作得以深入進行，這是跨越各大水系的必然選擇。目前所開展的鐵路斜拉橋研究跨度已覆蓋從200多米到800m的范圍，這些研究工作的開展，為鐵路斜拉橋的建設打下了堅實的基礎，成為今后鐵路斜拉橋發(fā)展的重要保證。高速鐵路的橋梁建設在我國尚屬空白，目前尚處在規(guī)劃研究階段，由于高速列車安全舒適運行對橋梁結構提出了更高的要求，因此大跨度的高速鐵路斜拉橋所要解決的技術問題更加復雜。自日本北陸新干線上建成了混凝土斜拉橋之后，突破了高速鐵路一般不采用柔性結構的禁區(qū)，也標志著高速鐵路橋梁向結構新型化和大跨度發(fā)展的趨勢。我國在未來的鐵路建設中，修建大跨斜拉

3、橋已經(jīng)成為必然。目前世界上已經(jīng)建成和國內處于設計研究階段的部分鐵路斜拉橋見表1。表中國外橋梁的鐵路荷載大部分是不足4t/m的客運輕載，往往不足我國中一活載、ZK荷載的一半。2. 鐵路荷載及特點現(xiàn)行鐵路規(guī)范所采用的即普通線路的話載標準為中一活載，荷載圖示見圖1 。目前高速鐵路運輸組織方式采用高、中速列車關線運行，逐步過渡到全部開行高速列車的客運專線，設計活載采用ZK活載，ZK活載及中、高速列車活載圖示見圖1。ZK活載即UIC活載的80%, UIC據(jù)我與中一活載相當。鐵路設計活載與公路設計活載相比要大很多， 質映到橋梁結構上有一個重要特征， 即：活載 在整個荷載中所占比例高， 活載與恒載比值大。

4、而恰恰列車運行對結構剛度要求高功。 加之鐵路橋梁二期恒載也較大，更增加了結構設計的技術難度。.田刀：/產(chǎn)！ .i?油活St圖示 工E-UI哪 Inrm m高速列車活曩圖示.*jell St . Zi4tHl . 七鬼融二"T：匚；.；i二二 “；Zf J IM|中速列車活騙圖示.總蛆地_； +4蟲d6li ，- I*_ f J _ J > a _ Hl - EL 上值一XJ工AS一7 上1M皿題，_昨I金& 哄奧烽圖«1鐵路斜拉橋« 名主取m)國家或地區(qū)嚏設情況活塞說明菲阿桑通道橋J14%丹7已建成公鐵結合顰汲水門新430中國香港巳建成公鐵結合梁、覆

5、合梁柜石題橋420口本已建成公鐵翱粟巖黑島橋420日本巳建成公怏鋼梁波薩達斯恩卡納西翁橋330阿根廷已建成公鐵假凝土集第二千曲川橋135日*已建成鐵紅水河橋961中國已建成鐵混讖土梁蕪湖長江大橋312中國已鹿成公鐵位蕤土梅制桁結合梁高速鐵路南京悅江大橋488中國設計研究鐵PC箱偶桁費合梁武漢天興洲長江大橋4W中相設計研究公鐵第梁萬縣長江鐵藤橋湖中國設計研究鐵高速鐵路將南黃河大橋293中國1設計研究帙1混舞上聚高速鐵路橋r 4oo中國研究噴目鐵第梁F高速鐵篇頓640r_中國1設計研究L鐵倒梁 .二高謔帙路標r800r中國研究項L1帙則里高邃鐵踣橋240中國研究項目鐵混凝土柒3 .橋面構造特點鐵路

6、一般為單線或雙線建設，實際所需寬度較窄，按高速鐵路雙線的建筑限界推算，線間距5ml車軍寬3.4m,兩側各1.2m風壓帶及l(fā)m人行道，全寬12.8rn ,普通鐵路則更小。為保證列車運行的安全性與旅客乘坐的舒適性，對橋梁豎向和橫向剛度有較高要求.高速鐵路比普通鐵路要求更嚴。由于功能所需橋面寬度有限，故大跨度橋梁為滿足橫向剛度需要，往往 要在行車所需凈寬基礎上增加橋梁寬度。4 . 鐵路對斜拉橋的性能要求斜拉橋本身屬于柔性結構，斜拉橋結構用于鐵路，由于列車荷載大，運行安全性和平穩(wěn)性要求高，往往是結構剛度控制設計。故鐵路斜拉橋在體系處理上要有利于提高結構整體剛度，這就要求塔高偏大取用且有較大截面，加勁梁

7、也必須有較大的截面剛度，在條件允許時，盡可能設置輔助墩，約束主梁縱向位移等，這都是提高結構體系剛度的有效途徑。采用鋼架時，由于自重較輕，相應斜拉索用量較小，這將帶來斜拉橋體系剛度下降的不利，需用其他方式彌補。 由于鐵路荷載大，在斜拉橋中跨滿載時，邊墩將產(chǎn)生很大負反力，采用拉力支座技術上有很大難度，故此，往往需采用較大的邊跨，雖能解決負反力問題，但卻帶來受力及剛度下降的不利。斜拉橋采用混凝土箱梁時邊跨通過壓重解決邊墩負反力問題相對容易，采用鋼桁梁則有一定困難。鐵路斜拉橋對梁端轉角限制很嚴，典型三跨斜拉橋往往邊跨梁端轉角較大， 這對結構設計提出了更高要求。就影響結構整體剛度的各種因素的重要性而言，

8、結構體系布置是第一位的，其次才是索梁塔構件，索梁塔三者之中，梁塔自身剛度加大對結構整體剛度影響相對遲緩，斜拉索剛度的增加對提高結構整體剛度更直接有效，但它必須具備足夠的初始反應才能發(fā)揮作用。此外， 斜拉橋的尾索所受交變應力幅度較大，往往是疲勞控制設計。從上述可見，鐵路斜拉橋的設計必須結合鐵路荷載特點、列車運行要求及斜拉橋的力學特點，綜合考慮各種因素才能解決問題，構思采用新結構、新技術是最為經(jīng)濟有效的途徑。二、各類型鐵路斜拉橋及其適用性1 混凝土梁斜拉橋已經(jīng)進行設計研究的三座鐵路混凝土斜拉橋具有一定的代表性，三座斜拉橋主跨跨度分別為240m, 293m, 360ml三座斜拉橋均在邊跨設有輔助撤。

9、前兩座均為雙線高速鐵路橋，后一座為單線普通鐵路橋。雙線高速鐵路橋面寬度按凈空尺寸，再加上斜拉索的錨固尺寸總寬應在15m左右，這一主梁寬度對主跨 240m 293m也即主跨在300m以內的斜拉橋，橫向剛度均可滿足高速列車運行要求，但為滿足受力要求，主跨293m斜拉橋方案梁高需 3.3m3.5m。主跨360m斜拉橋因是單線普通鐵路橋，實際行車凈空所需寬度較小，但為滿足橫向剛度要求，梁寬仍用到15m,同時為滿足受力之需梁高則用到了4m以上。研究表明，若要滿足雙線要求，梁高需增到5m,梁寬需增至16.8m,塔剛度及高度需加大，混凝土用到C60級，橋面恒25載已與寬度30m的公路橋相當（應予說明普通鐵路

10、設計活載較高速鐵路設計活載大約左右）。不難看出，雙線鐵路混凝土梁斜拉橋要達到360m以上跨度，技術難度很大。由于恒載較大，由斜拉索引入主梁的壓力較大，加上活載產(chǎn)生很大的梁體彎矩作用，塔墩處主梁斷面壓應力及防中段主梁應力變幅都成為控制條件，不僅如此，主塔所承受的壓應力及應力幅度也較大。顯然通過增加梁塔尺寸的辦法來改善梁塔壓力狀況這不到目的，因為當梁塔剛度增加其相應彎矩也將隨之增加。此外， 隨跨度增加，混凝土收縮徐變引起線型變化對行車性能的影響更大，為滿足橫向剛度之需主梁寬度也需進一步加大。不言而喻，更大跨度的混凝土斜拉橋將失去技術、經(jīng)濟上的優(yōu)勢。2鋼梁斜拉橋鋼梁斜拉橋的問題、首先應從鋼橋梁開始討

11、論，這是常用的成熟梁式。鋼振梁的適用范圍較大，用于斜拉橋，從研究情況看可達到 88m跨度，主要是其技術、經(jīng)濟方面在不同跨度范圍、不同情況下的競爭力問題。 鋼桁梁按雙線高速鐵路行車凈空考慮，其行寬一般僅需14m左右,這一行定要滿足橫向剛度要求所能適應的斜拉橋跨度是有限的，但其桁高、桁寬可隨跨度、受力變化較方便地調整，以滿足強度及剛度方面的要求，橋寬、 橋高增加雖會引起材料數(shù)量的增加，但引起重量的增加是有限的，遠小于混凝土梁高、寬變化引起重量變化的幅度。但隨斜拉橋跨度的加大，主桁桿件的桿力則隨之明顯增加，相應要加大桿件尺寸，大桿件會帶來技術上的困難，包括選材、制造加工及施工安裝等各個方面。另一方面

12、，由于鋼梁自重較輕， 斜拉索用量相對較少，相對地降低了斜拉索對提高結構體系豎向剛度的作用，這將需要為滿足剛度要求而增加材料投入。另外斜拉索（主要是尾索）應力幅度也較高。典型的鋼抗梁的橋面系采用縱橫梁體系，在縱梁上鋪設混凝土橋面板，在橋面板上設置碎石道床軌道，其特點是恒載重但維修方便。但大跨度斜拉橋采用鋼行架時，主流桿件很大，過大的桿件將因上述原因成為技術難題，在這種情況下，橋面采用正變異性鋼橋面板與主桁結構共同受力， 這種構造受力合理區(qū)可減輕橋面重量，但存在不便養(yǎng)護的問題，一旦橋面板銹蝕需更換維修， 則要中斷行車。為解決這一問題，一種可能的方式是在正變異性鋼橋面板上結合一層混凝土板，既可防止鋼

13、橋面板銹蝕，又可參與共同受力，這在設計受剛度指標控制的條件下可能更加需要，一方面增加了主梁自身剛度，另一方面由于主梁重量增加斜拉索也相應增加面積， 這對提高豎向剛度非常有效。但是，每種構造形式都有其優(yōu)缺點，必須結合具體情況適當選用才能取得最佳效果。根據(jù)已有的研究成果，鐵路斜拉橋為滿足橫向剛度要求，桁寬的選擇以寬跨比1/251/20是可行的，但尚需對相關指標進行計算分析，控制在一定范圍內。由此可見，對大跨雙線鐵路橋，根據(jù)行車凈空確定桁寬是滿足不了橫向剛度要求的，桁寬的選擇則受橫向剛度控制。鋼橋梁斜拉橋恒載相對較小，對應斜拉索用量較小，面斜拉索剛度變化對結構整體剛度的影響較之梁、塔剛度變化的影響要

14、顯著得多。故采用鋼桁梁，特別是大跨度條件下，為滿足豎向剛度要求，主塔截面、高度及主梁衡高往往偏大取用，在列車荷載作用下，主橋桿力、主塔及基礎彎矩均相應較大，同時也不利于抗風抗震。剛度問題可以解決，但需要一定的專門投入。從斜拉橋跨越能力看，鋼梁的適用范圍還是很大的。研究表明，當跨度達到800m時，采用鋼桁梁仍能設計出可運行高速列車的斜拉橋方案，只是其經(jīng)濟性值得進一步推敲，顯然， 在不同跨度范圍會受到不同形式結構的競爭。3.pc 箱鋼桁疊合梁斜拉橋斜拉橋結構用于鐵路橋，特別是用于高速鐵路橋梁，由于鐵路荷載大，列車行車的平穩(wěn)住與安全性要求較高斜拉橋屬于柔性結構，結構剛度常成為控制因素，這就要求設計必

15、須根據(jù)鐵路運行特點、荷載狀況并結合斜拉橋的力學特點，提出符合規(guī)律的結構形式。通過對提高斜拉橋體系剛度影響因素的研究，斜拉索剛度的增大對提高體系剛度最有效，但是由于斜拉索存在較為嚴重的幾何非線性，其彈性模量隨著應力水平降低衰減越來越快。因此，單純依靠增加斜拉索面積，增加不了其承載剛度，要想使增加的索面積有效發(fā)揮，必須使斜拉索承載后具有相應的應力水平，也即只有增加梁重。基于這種觀點，從充分發(fā)揮鋼與混凝土各自優(yōu)勢出發(fā)，根據(jù)主梁在斜拉橋中要承受巨大軸力和較大的彎矩但剪力較小的力學特點，采用pc 箱與鋼桁疊合，形成一種全新的鐵路斜拉橋主梁截面形式。這種主梁結構具有較大的截面剛度及足夠的重力，使斜拉索在成

16、橋階段形成具有重力剛度較大的斜拉承載體系，從而加強結構體系剛度，改善結構受力，對保證列車行車安全及平穩(wěn)運行更具優(yōu)勢。PC箱結構恒載重，整體性強，具有良好的抗側彎和抗扭轉剛度，以其作用承載主干形成斜拉橋結構的基本體系，但是pc 箱豎彎模量不足，在采用大跨斜拉橋的情況下，難以承受鐵路活載所產(chǎn)生的彎矩，同時也不能滿足體系對豎向剛度的要求，為此采用無下弦的三角形鋼橋與之疊合，利用桁高和鋼材的高強度，形成具有足夠豎向抗彎剛度的組合截面。PC箱承壓能力強，為此在實現(xiàn)體系轉換的過程中，讓絕大部分恒載軸力由PC箱承受，再將鋼桁與pc箱相疊合，使鋼橋僅承受話載及部分恒載。斜拉索直接錨干PC箱梁兩側，鋼橋腹桿受力

17、較小， 鋼桁與 pc 箱節(jié)點剪力很小將使鋼桁與pc 箱節(jié)點處理較為簡便。由于受疊合鋼桁的約束影響，PC箱梁收縮徐變對線型的影響明顯減小。此外， pc箱兼作橋面系構造，有利于鋪設道碴降低噪音。由于恒活比增大，有利于降低斜拉索的應力幅值；并且后期養(yǎng)護工作大為減小。這種形式的疊合梁較之混凝土主梁，由于有疊合鋼桁共同受力，在活荷載作用下，pc 箱梁所承受的彎矩顯著降低。對PC箱梁而言，跨中應力幅下降，塔墩處梁體壓應力減小，由此產(chǎn)生的裕量使得斜拉橋的跨度得以延伸，其適用跨度可達600m以上。pc箱鋼桁疊合梁不僅具有較好的力學性能，而且還有較優(yōu)的經(jīng)濟性。在高速鐵路南京長江大橋的方案研究中，在斜拉跨度為48

18、8m和640m兩種情況下對 PC箱鋼桁疊合梁與鋼梁進行了綜合比較，在結構橫豎向剛度滿足同樣標準的條件下，pc 箱鋼桁疊合梁方案造價明顯低于鋼橋梁方案。研究還表明，采用這種梁式結構要達到 640m以上的更大跨度技術難度很大，主要是pc箱的承載能力問題，同時也將逐步失去經(jīng)濟上的競爭力。其跨度的適用競爭范圍應在35065OM右。三、斜拉一懸吊協(xié)作體系鐵路斜拉橋無論是采用混凝土梁還是pc 箱鋼桁疊合梁，其跨越能力都有一定限度，對于需要更大跨越能力的地方，除前述鋼梁斜拉橋及吊橋之外，斜拉一懸吊協(xié)作體系應該是值得考慮的一種橋型結構。 特別是跨度達600m以上的斜拉橋，一般只能采用鋼梁，由于自重較輕，往往為

19、滿足豎向剛度的要求，塔高較大，塔身及基礎規(guī)模十分龐大，費用較高，對抗風抗震不利， 同時由于跨度巨大主桁承受巨大軸力增加了實施難度，經(jīng)濟性也受到挑戰(zhàn)。協(xié)作體系至少有如下優(yōu)點值得考慮：協(xié)作體系塔根彎矩較斜拉橋有大幅減小，在縱向風載作用下，協(xié)作體系受力也優(yōu)于斜拉橋，活載作用下主梁彎矩也較斜拉橋大幅減小；與斜拉橋相比，懸吊部分主梁不再產(chǎn)生由斜拉索引人的主梁軸向力，主梁承受軸力得以減小，使主梁設計更加方便，有更大選擇；活載作用下主梁撓度也比斜拉橋小充分顯示主纜外錨對提高結構剛度的有效性；與懸索橋相比，豎向剛度可大幅提高，盡管其主梁、主塔彎矩大于懸索橋，但豎向剛度增加對鐵路橋特別是高速鐵路橋十分重要。同時

20、由于斜拉部分橋面荷載不需通過懸索橋主纜傳遞，因此主纜、錨碇減小；充發(fā)發(fā)揮兩種橋型的優(yōu)點，既克服了斜拉橋由于懸臂長度加大引起主梁壓力過大問題，又大大減小了大跨懸索橋中主線拉力和地錨的工程量； 斜拉部分主梁可改用較重的混凝土橋面體系（如疊合梁）， 節(jié)省大量鋼材，降低造價，并且能用這部分重型結構增加全橋的穩(wěn)定性，對提高主梁強度、剛度都有幫助；懸吊與斜拉部分長度分配關系可視主塔墩基礎、錨碇修建條件和費用及主梁承受軸向力的能力適當調配，主梁形式也可作出多樣選擇。協(xié)作體系斜拉部分的尾索應力幅有所降低，但懸索結合部吊索的交變應力幅較大，這可以通過邊跨設置輔助墩，或必要時增加吊索恒載的方法解決其疲勞問題。隨跨

21、徑增加，協(xié)作體系的經(jīng)濟性能有望優(yōu)于斜拉橋，協(xié)作體系具有受力合理、抗風性能好、施工安全方便、造價合理的優(yōu)點，是一種合理的超大跨度橋梁體系，用于鐵路橋，在600rn以上與斜拉橋及懸索橋有很大的競爭力。對跨度720m的協(xié)作體系公鐵兩用橋研究表明，完全可以達到600rn 以下跨度斜拉橋的豎向剛度標準，經(jīng)濟指標也極具競爭力。四、公鐵合建問題1 公鐵合建概況公路鐵路橋合建具有省地拆遷量小，建造費用比分建低等優(yōu)點，但要公鐵合建還必須在建造時間、各自線路布局及接線條件等方面能夠協(xié)調起來的情況下才能實現(xiàn)。國內已建成約20座公鐵兩用橋，但斜拉橋僅有蕪湖長江大橋及規(guī)劃中的武漢天興洲長江大橋。本文僅就共基共梁公鐵合建

22、斜拉橋的技術問題進行一些探討。2 公鐵合建對豎向、橫向剛度的影響公鐵兩用斜拉橋與單建鐵路斜拉橋相比，主梁增加了公路橋面的荷載重量，而公路汽車活載的增加較之鐵路列車活載是有限的，這就使得主梁恒載與活載比值提高了，斜拉橋更容易滿足鐵路對豎向剛度的要求。其機理在于，隨恒載增加，斜拉索用量相應增加，體系剛度隨之提高， 公路橋面地加入增加了主梁的截面剛度，對減小撓度也有一定影響，雖然增加了公路汽車活載，但其不利影響不及上述有利影響。對高速鐵路橋梁這種有利的一面尤為重要。公鐵兩用橋由于公路橋面地加入主梁自然地擁有較大的寬度，武漢天興洲大橋公路面寬27m,與單建鐵路相比，公鐵合建橋因公路面需要，一般均有較大

23、的梁寬或橋寬，因而主梁自然地具有較大的橫向剛度，這對滿足列車安全平穩(wěn)運行至關重要，使得斜拉橋跨度達到500m甚至更大而無需專門增加格寬或梁寬來滿足橫向剛度要求。而單建大跨鐵路斜拉橋只能人為地增加橫向剛度，這將伴隨造價的增加。3 公鐵合建的梁式問題目前國內外公鐵兩用橋大部分采用鋼橋梁且雙層建設，上層為公路面，下層為鐵路面，對于公路面設有六個汽車道的公鐵兩用橋，若采用鋼桁梁，其桁寬約需28m,而雙線鐵路是不需要這么大寬度的，這一桁寬對鐵路面橫梁受力很不利一方面材料用量增加，另一方面也抬高了軌面高度、增加橋長。一種解決辦法是主桁桁寬在滿足橫向剛度要求的前提不予以減小， 斜拉索錨于增設的副桁上，通過副桁將余力引人主流，副桁僅起過渡傳力作用。這又增加了 副桁。另一種方法是上弦桁寬保持不變，僅將下弦桁寬縮減到功能所需尺寸，形成倒梯形斷面，兩側腹桿處于傾斜平面上，斜拉索錨箱與主桁節(jié)點結合起來。如此，則節(jié)點構造要復雜些，但仍是可以解決的，這種方案是值得考慮且不失為一種經(jīng)濟有效的手段。公路面可采用混凝土板， 支承在縱梁上，采用輕質混凝土板有利于減輕重量，這也是傳統(tǒng)的結構型式。更進一步是將混凝土橋面板與主桁相結合形成板橋共同作用的組合結構，其特點在于有利于提高剛度、 降低桁高。但由于混凝土存在收縮徐變的特點，在與鋼結構所形成的組合結構中，混凝土板所能承受分擔的荷載