鐵路懸索橋的剛度問題探討性研究

谷云秋

(寧波市公路管理局，浙江寧波 315040)

在高速鐵路橋梁迅速發展的今天，跨越江、河甚至海峽的大跨度鐵路橋梁顯得尤為重要。懸索橋結構以跨越能力大而著稱，在已建的大跨度橋梁中絕大多數都是懸索橋，而斜拉橋隨著跨度的增大橋塔的高度會增大很多，同時斜拉索水平拉力的大幅度增加使得主梁截面變得更高，故不太適宜特大跨度橋。但是已修建的懸索橋結構大多都是公路的，鐵路懸索橋很少，如表1所示，已建的鐵路懸索橋都是輕軌列車，活載一般不超過40 kN/m，普通鐵路、客貨混運的鐵路則一般高于80 kN/m。因此鐵路懸索橋的設計分析具有很強的研究價值和現實意義。

表1 已建公鐵合用懸索橋一覽表

本文研究的工程是300 m+1 200 m+300 m的鐵路懸索橋，如圖1所示。該橋主纜矢跨比為1/10;鋼筋混凝土索塔高170 m;鋼桁梁高15 m，寬16 m，節間距12 m;主纜直徑100 cm，吊桿采用2股騎跨式，單股直徑10 cm。設計列車時速是200 km/h，Ⅰ級鐵路雙線，采用中活載，懸掛結構重565 kN/m，橫向風速42 m/s。

圖1 鐵路懸索橋方案（單位：mm）

1 鐵路懸索橋剛度指標

根據專家學者對鐵路懸索橋的已有研究，評價車橋系統的指標可以從車、軌道、橋梁三個方面來規定。車首先要保證運行安全性，如脫軌系數指標，然后要保持運行的平穩性，如常用的sperling指標;軌道要保證其平順性;橋梁要保證豎向變形、橫向變形還有扭轉變形在合理的范圍內，如撓跨比、梁端轉角等。具體的內容可以參見文獻［1］。

對于大跨度懸索橋，由于結構柔性較大，剛度控制著結構的設計。目前規范中有關剛度限值的規定都是建立在中小跨度的橋梁動力分析和實測試驗的基礎上，而大跨度鐵路橋梁缺乏足夠的實踐和研究，尚無相應的規范。具體的指標限值還需通過靜力分析、車橋動力分析以及實踐的驗證來確定。

根據已經修建的鐵路懸索橋和現有規范我們可以初步擬定一個撓跨比限值。文獻［2］中說明日本本四聯絡線上的豎向容許撓度為L/350，然后結合已建橋梁，文獻［1］給出了一個較為保守的參考撓跨比和梁端轉角，如表2和3所示。

表2 不同車速下的撓跨比限值參考值［1］

表3 不同車速下的梁端轉角限值參考值［1］

文獻［3］中對千米級跨度鐵路橋梁的研究結果在這個限值范圍內。

通過對本文的研究工程進行有限元分析(如圖2所示)，可以得出該懸索橋在列車荷載下的計算結果，見表4。

圖2 懸索橋有限元分析模型

表4 計算結果

2 結構體系對剛度的影響

當結構體系一旦確定后，雖然可以通過改變總體布置參數來提高結構剛度，但是有一定的局限性，所以首先應該考慮結構體系的選擇。這里介紹三種結構體系:斜拉—懸吊組合體系、“負斜拉索”體系、雙鏈式懸索橋體系。

1)斜拉—懸吊組合體系。斜拉—懸吊組合體系橋主要有兩種形式:羅布林型和迪辛格爾型。羅布林型懸索橋是在懸索橋靠近橋塔的地方布置斜吊索來提高橋梁的剛度，特點是斜拉索與部分吊索相交(如圖3所示);迪辛格爾型是將懸索橋和斜拉橋分為兩個獨立的部分，斜拉索和吊索不相交(如圖4所示)［4］。

與同等跨徑懸索橋相比，在均布荷載或縱向風荷載作用下，協作體系受力與懸索橋接近，活載作用下，協作體系主梁彎矩比懸索橋大，單主梁撓度比懸索橋小，所以這種結構體系豎向剛度可以提高，而豎向剛度的增加對鐵路橋十分重要;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［6］，從而大大降低造價和施工難度;扭轉頻率比懸索橋更高，抗風穩定性因此也更好［5］。

圖3 羅布林型斜拉—懸吊組合體系

圖4 迪辛格爾型斜拉—懸吊組合體系

但是這種體系施工過程中斜拉和懸索部分線形控制和協調更困難，體系受力和外形存在間斷性［5］。由于兩種體系剛度的差異，在斜拉索、吊索過渡區疲勞問題比較突出。

2)“負斜拉索”體系。“負斜拉”體系如圖5所示。這種體系有別于前邊敘述的斜拉—懸吊體系。斜拉—懸吊組合體系的斜拉索的作用是把主梁向上拉，斜拉索一端錨固在主梁上，另一端錨固在橋塔上。而該體系中的斜拉索一端錨固在主梁上，另一端錨固在主纜上，其作用是約束懸索橋半跨加載時另外半跨主纜向上的位移，增加結構的剛度。

圖5 “負斜拉索”體系

與布魯克林大橋放射狀斜拉索從塔頂到加勁梁跨中各索結點連接相比較可以看出這種斜拉索布置是增大主纜上的向下荷載，而布魯克林橋的斜拉索布置是減少這些荷載。正是由于斜拉索在承載性質上的差別，羅布林的斜拉索稱為“正斜拉索”，該體系中的斜拉索稱為“負斜拉索”。

當使用“正斜拉索”這種斜拉—懸吊組合體系時，當邊跨較大和采用柔性索塔時，意味著塔頂將發生大的縱向位移并大大減小正斜拉索的效率，所以一般需要剛度很大的橋塔。而“負斜拉索”的使用效率將不會受到橋塔剛度太大的影響。

3)雙鏈式懸索橋體系。雙鏈式懸索橋體系指在吊桿平面內設有兩條主纜的懸索橋，這兩條主纜在跨中交叉且互相聯結，上下主纜在全跨范圍內均勻布置有吊索吊拉橋面加勁梁［9］，見圖6。

圖6 雙鏈式懸索橋

在靜力方面，雙鏈式懸索橋對恒載和全跨布置的均布活載是由其上下主纜平均承擔的;對半跨活載是由半跨的下主纜全部承受，而此時主纜的形狀恰好和承受荷載后主纜的形狀一致，于是懸索橋不會發生S形變形，因而它比單索體系有較大的剛度。在動力方面，根據已有研究，雙鏈式懸索橋具有較大的抵抗扭轉變形的能力和較大的橫向變形能力。但是雙鏈式懸索橋主纜、吊索、索夾以及吊索與加勁梁的連接構件的數量都要成倍增加，這些缺點一方面造成了建造成本的大幅度提升，另一方面也給施工帶來了很大的不便［4］。

3 結語

鐵路懸索橋的評價指標可以用撓跨比和梁端轉角來衡量，具體限值可以參考，其可靠性還得作進一步的分析研究和實踐驗證。對于懸索橋結構體系，從結構方面改變結構剛度問題應該更有效，這里介紹了幾種不同懸索橋的結構體系對結構剛度的貢獻及存在的問題，以供進一步研究。

［1］蔡憲棠.大跨度鐵路懸索橋剛度研究［D］.成都:西南交通大學，2010.

［2］日本本四聯絡橋公團.本四聯絡橋上部結構設計基準［Z］.1989.

［3］徐恭義.千米級跨度鐵路橋梁的受力性能研究［J］.中國鐵道科學，2011，32(2):7-8.

［4］張 東.大跨度鐵路懸索橋結構體系及對剛度影響的研究［D］.成都:西南交通大學，2008.

［5］許福友，張 哲，黃才良.斜拉—懸吊協作體系橋工程應用及特點分析［A］.第17屆全國結構工程學術會議論文集［C］.武漢:中國力學學會，2008.

［6］邵長宇.新世紀中國鐵路斜拉橋發展展望［A］.第14屆全國橋梁學術會議論文集［C］.南京:中國土木工程學會，2000.

［7］文雯.大跨度鐵路斜拉—懸索體系力學特性研究［D］.成都:西南交通大學，2005.

［8］王應良.歐美橋梁設計思想［M］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［9］丁南宏，林麗霞，吳亞平.雙鏈式懸索橋車—橋系統的動力特性［J］.蘭州理工大學學報，2010，36(1):55-56.

［10］丁南宏，林麗霞，錢永久，等.雙鏈式懸索橋地震反應特征研究［J］.振動與沖擊，2012，31(4):10-12.

［11］嚴國敏.現代懸索橋［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［12］雷俊卿，鄭明珠，徐恭義.懸索橋設計［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［13］蔡憲棠.大跨度鐵路懸索橋剛度研究［D］.成都:西南交通大學，2010.

［14］DB 33/T 856-2012，特大跨徑鋼箱梁懸索橋設計指南［S］.

［15］董 萌，崔 冰，王瀟軍.三跨連續彈性支撐體系懸索橋結構體系設計研究［J］.中國工程科學，2013(8):60-61.

［16］交通部.公路懸索橋設計規范報批稿［Z］.2002.