鐵路混凝土部分斜拉橋設計綜述及發展方向

宋子威　王德志　薛兆鈞　羅世東

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司　武漢　430063)

鐵路混凝土部分斜拉橋設計綜述及發展方向

宋子威王德志薛兆鈞羅世東

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司武漢430063)

摘要部分斜拉橋因其建造經濟、造型美觀、施工方便、整體剛度大等優點，在鐵路橋型中得到很大的發展。文中在廣泛收集資料的基礎上，列舉國內一些建成或在建的鐵路混凝土部分斜拉橋實例，從結構體系、構造設計等角度論述鐵路混凝土部分斜拉橋設計中需要注意的問題及最新發展方向。

關鍵詞鐵路混凝土部分斜拉橋設計發展方向

1概述

部分斜拉橋又稱為“矮塔斜拉橋”，是由法國Mathivat教授于1988年提出的一種新的橋梁結構形式。由于部分斜拉橋優越的結構性能、良好的經濟指標，近年來在國內外發展非常迅速。對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剛度要求較高的鐵路橋中均具有較高的競爭力[1-2]。

部分斜拉橋在我國起步稍晚，2001年9月竣工的80 m+132 m+80 m漳州戰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。鐵路部分斜拉橋發展相對緩慢，我國第一座鐵路部分斜拉橋為蕪湖長江大橋，為主跨312 m鋼桁主梁部分斜拉橋。近年來，隨著中國鐵路飛速發展，鐵路混凝土部分斜拉橋進入了快速發展時期。已經建成的鐵路混凝土部分斜拉橋有京滬高速鐵路津滬聯絡線矮塔斜拉橋,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中列舉了近年來鐵路混凝土部分斜拉橋的設計及建造情況。

表1　國內若干鐵路混凝土部分斜拉橋參數

本文在借鑒同行實踐經驗[4-5]的基礎上，結合筆者設計工作體會。對鐵路混凝土部分斜拉橋的設計作一概括總結，為類似工程設計提供參考。

2結構體系設計

2.1　體系設計

從橋塔個數來說，根據實際橋位情況，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。從結構體系上，部分斜拉橋是由塔、梁、墩和索4種基本構件組成的組合體系，不同的結合方式產生不同的結構體系。由于鐵路橋剛度要求高及懸臂灌注法施工的特點，鐵路混凝土部分斜拉橋一般采用塔墩梁固結的剛構體系或塔梁固結的支座體系。

剛構體系為塔墩梁固結，主梁可視為多點彈性支承的剛構，結構剛度大，避免大噸位支座，施工時也不需要臨時固結措施，適合于懸臂施工。但該體系固結處負彎矩大，使固結處附近主梁截面需要加大，對地震、溫度荷載作用較為敏感。支承體系為塔梁固結、塔墩分離形式，主梁在塔墩上設置豎向支承，支座均為活動支座，這種體系接近主梁具有彈性支承的連續梁，主梁的內力大小與主梁與橋塔的抗彎剛度比值有關。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力也較小。2種橋梁結構體系各有優缺點，進行橋梁設計時，應因地制宜對結構體系的選擇作慎重考慮，選擇最合適的結構體系。

2.2　邊跨中跨比值

主梁的邊跨和中跨比值是影響結構受力行為的重要因素，合理的邊中跨比值可使結構取得較好的力學行為和經濟效益。由于部分斜拉橋的主梁支承方式是連續梁或連續剛構形式且無邊索錨固作用，為了方便懸臂灌注法施工和使邊支點不產生拉力，中跨比值應與連續梁或連續剛構取值大致相當，一般在0.55～0.6之間較為合理。如邊中跨比值較小，則邊跨需要進行壓重，給設計帶來不必要的麻煩。

對于鐵路橋梁，豎向剛度值是重要的指標，直接影響列車運行平穩性和乘坐舒適性。在影響主梁豎向剛度的指標中，結構體系、梁高對結構整體剛度影響最大，斜拉索、橋塔高度對整體剛度的影響有限。

3構造設計

部分斜拉橋上部結構由主梁、橋塔、拉索、索鞍等組成，分別就構造設計進行論述。

3.1　主梁設計

箱形截面因其整體剛度大、抗彎、抗扭能力強等優點，是鐵路混凝土連續梁、連續剛構設計首選形式。如圖1，箱形截面主要有單箱單室，單箱雙室，無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梁橋相同的預應力混凝土箱形截面。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梁或者連續剛構小，其跨度之比約為1/8～1/20，表2中列舉了國內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，變截面更能符合梁的受力分布規律且與施工的受力狀態吻合，是較為經濟的布置形式。

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　橋塔設計

由于混凝土塔高的限制和雙索面形式的，橋塔在構造上一般采用雙柱式橋塔[6]。為適應在塔端設置轉向裝置，鐵路部分斜拉橋一般采用鋼筋混凝土實體橋塔。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，這主要是因為鐵路荷載較公路大，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提供的，索塔只起到使斜拉索轉向的作用，對結構的整體剛度沒有太大的貢獻，在設計過程中，塔柱只要滿足自身的受力要求即可。

3.3　斜拉索設計

斜拉索根據側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效果，一般布置成扇形或豎琴形形式。對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，對抗扭不起作用。目前建成的鐵路部分斜拉橋大都采用雙索面放射形布置，見表3。

表3　國內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，即鋼絞線體系和平行鋼絲體系。采用平行鋼絲體系，無論是否在塔上張拉，塔上的錨頭部分也會占據較大的空間，從而導致塔身截面過大，不但浪費材料，而且影響景觀效果。若采用鋼絞線體系，通過預埋在塔里的轉向裝置(鞍座)轉向至主梁里錨固，并在主梁里進行張拉，不但節省空間，而且換索也很方便，是近年來部分斜拉橋普遍采用的一種斜拉索體系。國內外工程目前采用的鋼絞線體系索主要是全封閉鍍鋅或噴涂環氧鋼絞線，錨具采用夾片群錨可更換的新型拉索體系。

國內規范對于拉索疲勞問題未作規定，目前的設計主要借鑒國外相關規范，如日本規范，歐洲規范。常規斜拉橋的斜拉索容許應力取0.4倍的極限應力，安全系數取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，斜拉索應力幅比一般的斜拉橋中的應力幅小。因此其斜拉索的應力采用體外預應力索的容許應力，取0.6倍的極限應力，安全系數取1.67[7]。

3.4　無索區設置

不同于密索體系斜拉橋，部分斜拉橋有明顯3處無索區，即塔旁無索區、跨中無索區、邊跨無索區，見圖2。由于部分斜拉橋橋塔較矮，在跨中和邊跨設置斜拉索，則斜拉索傾角較小，對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彈性支承的連續梁和連續剛構體系，索塔處主梁梁高加大且有支座或橋墩支承，不需設置拉索。表3中列舉了幾座鐵路部分斜拉橋無索區長度統計。

圖2　無索區長度示意

3.5　索梁錨固

斜拉橋索梁錨固結構區域受力集中、構造復雜，是控制設計的關鍵部位，掌握索梁錨固結構的應力分布情況是十分重要的。常見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厚邊腹板來傳遞，垂直分力可通過在斜腹板內設置一定數量的豎向預應力筋來適應。

圖3　兩側設置錨固塊三維圖

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，制作復雜，造價較高，目前已建部分斜拉橋中，除個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。常用鞍座結構有雙套管結構和分絲管結構2種形式。鞍座區在設計上要設置抗滑裝置，不允許斜拉索在使用中產生任何滑移，同時又要允許在換索時能夠方便地進行更換。早期的部分斜拉橋普遍采用內外管形式，該錨固形式具有構造簡單、施工簡單等優點，但也存在受力不明確、換索困難、鞍座下混凝土應力集中等問題。目前應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力較小。

根據其抗滑裝置形式不同，可以分為環氧砂漿握裹式和交叉抗滑鍵2種形式[8]。其中環氧砂漿握裹式采用內管內灌注環氧砂漿進行封閉錨固，這種形式的鞍座廠家生產容易、現場穿索方便快捷，但存在拉索不能進行單根調整張拉，換索困難等問題。抗滑鍵通過擠壓形式固結在鋼絞線上，滿足抗滑要求。該種裝置可以滿足單根調索，后期換索較為簡單。圖4是應用較為廣泛的一種抗滑裝置示意圖。

圖4　交叉抗滑鍵裝置結構示意圖

4發展方向

鐵路混凝土部分斜拉橋的應用，豐富了鐵路橋梁的結構形式，但在國內仍屬于起步階段。可以預見，鐵路混凝土部分斜拉橋會在以下幾個方面取得進展。

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因為自重的作用,經濟性大打折扣。為獲得更大跨越能力及經濟性,主梁可采用預應力混凝土-鋼箱混合梁。主梁塔墩附近采用預應力混凝土箱梁，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構的部分斜拉橋，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

為發揮部分斜拉橋的優勢同時盡量提高索的豎向分力，高塔型部分斜拉橋將是部分斜拉橋的一個發展趨勢，有的橋塔高與中跨跨度之比達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率，而且還可以適當降低主梁的高度，減輕主梁自重，減少地震荷載的效應。

5結語

本文從結構體系、構造設計等角度論述鐵路混凝土部分斜拉橋設計中需要注意一些問題及最新發展方向，可為今后同類橋梁的設計提供參考。

參考文獻

[1]劉仕林，王似舜．斜拉橋設計[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2]陳從春．矮塔斜拉橋設計理論核心問題研究[D].上海:同濟大學,2005.

[3]湯少青，蔡文生，陳亨錦.漳州戰備大橋總體設計[J].橋梁建設，2002(1)：1-4．

[4]劉振標．廣珠城際西江特大橋主橋設計[J].橋梁建設，2009，54(3)：55-58．

[5]張雷．京滬高速鐵路津滬聯絡線矮塔斜拉橋設計[J].橋梁建設，2012(1)：69-74．

[6]劉鳳奎，藺鵬臻，孫紅紅.矮塔斜拉橋塔高優化[J].鐵道工程學報，2003(4):71-75.

[7]張多平，李承根．部分斜拉橋斜拉索的設計[J].橋梁建設，2002(3)：48-51．

[8]李文獻，宋強，覃巍巍,等.矮塔斜拉橋中交叉抗滑鍵的研究及應用[J].橋梁建設，2012，42(06)：92-97.

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