高速鐵路四線大跨鋼桁斜拉橋主桁研究

范靜濤

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司橋梁處，北京 102600)

1 概述

在跨越重要水道時鋼桁梁以其剛度大、質量小、建筑高度低的特點成為大跨度鐵路斜拉橋首選主梁形式，尤其是在公鐵兩用橋得到廣泛應用，主梁通常多采用三主桁[1-5]。

當前我國大跨鐵路斜拉橋的建設進入新的時期，四線或六線純鐵路橋逐步開始應用。對于四線大跨度鋼桁斜拉橋而言，研究四線雙主桁與四線三主桁鋼桁梁的技術經濟差別具有較大的工程應用價值。

建立四線高速鐵路鋼桁斜拉橋結構計算模型，在保持結構體系不變的條件下，研究雙主桁和三主桁在結構構造、結構受力及用鋼量等方面的差別。

橋梁主跨480 m，雙塔五跨結構，斜拉索采用平行雙索面或空間三索面，扇形布置，全橋共64對(兩片桁)或96對(三片桁)斜拉索。主梁采用鋼桁梁，全長962 m。橋塔采用混凝土塔，全高184.8 m，橋面以上塔高133.5 m。橋面以上索塔采用H形(兩片桁)或倒Y形(三片桁)。

橋梁通行4條高速鐵路線，受線路條件限制，四線需同層布置。四線均按250 km/h有砟軌道標準設計，設計活載：ZK活載。主橋橋型布置見圖1。

2 主桁片數比選

2.1 橫斷面布置

按線路要求四線同層布置時，主桁可采用兩片桁或三片桁。

主桁桁寬由構造控制設計，當四線鐵路按三片桁設計，考慮人行道檢修空間，四線線間距按計算為(5.3+8.7+5.3) m，桁寬28 m。三片桁橫斷面布置如圖2所示。

圖2 三片桁橫斷面布置(單位：mm)

三片桁主桁上下弦桿均為箱形截面，上弦桿內高1 000 mm，內寬1 200 mm。下弦桿內高1 400 mm，寬1 200 mm。腹桿主要采用H形截面。H形桿件寬1 200 mm，高720 mm和760 mm。

當四線鐵路按兩片桁設計，四線線間距為(5.3+5+5.3) m。考慮人行道檢修空間，桁寬計算為24.3 m。兩片桁橫斷面布置如圖3所示。

圖3 兩片桁橫斷面布置(單位： mm)

兩片桁主桁上下弦桿均為箱形截面，上弦桿內高1 300 mm，內寬1 300 mm。下弦桿內高1 800 mm，在支點處加高至2 400 mm，寬1 300 mm。腹桿主要采用箱形截面。箱形桿件寬1 300 mm，高1 280 mm。

兩片桁節點橫梁端彎矩和跨中彎矩較大，主桁腹桿一般設計成箱形截面，橫梁高度也相應較三片桁橫梁高度高1.1 m。兩片桁下弦桿較三片桁高0.4 m，兩片桁上弦桿較三片桁高0.3 m。

2.2 結構受力

把四線ZK活載(恒載也類似)當作勻布荷載1同時作用于主桁，三片桁每桁片承受1/3=0.33(略去中桁較邊桁受力大，實際中桁與邊桁荷載之比為1.0～1.2[11])；兩片桁每桁片承受1/2=0.5，兩片桁受力較三片桁大0.17，即大17%。兩片桁和三片桁受力最大差別在于腹桿面外彎矩和橫梁(橫肋)跨中面內彎矩。

二片桁(普通密橫梁)、三片桁(普通密橫梁)各部分桿件內力提取結果見表1。

計算結果表明：(1)三片桁上弦桿的最大軸力20 918 kN，二片桁的上弦桿最大軸力30 897 kN，為三片桁的1.5倍。(2)三片桁下弦桿的最大軸力38 300 kN，二片桁的下弦桿最大軸力46 692 kN，為三片桁的1.2倍。(3)三片桁腹桿的最大軸力與二片桁腹桿的最大軸力相當，二片桁腹桿的面內彎矩是三片桁的2倍，面外彎矩是三片桁的5倍。(4)二片桁的橫梁的計算跨徑是三片桁的1.75倍，橫梁及橫肋的面內彎矩是三片桁的4倍。

依據既有工程實例，軸力小于50 000 kN的主桁桿件均有過設計。腹桿的面外彎矩較大，可通過采用箱形桿件形式解決，橫梁的面內彎矩較大，可通過加大橫梁高度來解決。通過兩片桁和三片桁各構件內力對比，四線二片桁斜拉橋主桁及橋面系設計不存在問題。

表1 不同桁片桿件內力對比

注：1.“面內”指“面內彎矩”，“面外”指“面外彎矩”; 2.軸力單位kN；彎矩kN·m

2.3 技術經濟指標

二片桁(三角形桁)、三片桁(三角形桁)技術經濟指標對比見表2。

表2 主桁片數技術經濟比較

結果表明：

(1)兩片桁方案雖然結構剛度稍弱，但結構仍滿足各項指標要求[6-7]；

(2)二片桁建筑高度較三片桁大1.1 m，但桁寬較三片桁減小3.7 m；

(3)全部用鋼量三片桁較二片桁多1 148 t，即為3.8%。斜拉索的用量三片桁比二片桁多88 t，即為3%；

(4)二片桁方案經濟性，尤其結合鐵路引橋的投資規模，較三片桁方案有較大的優勢。

三片桁主梁剛度大，中間主桁的存在減少了橫梁跨度，并大大減小了主桁和橫梁的受力，缺點是三片主桁受力較兩片主桁更為復雜，中間主桁的存在使得線間距加大，橋面空間視野不開闊，同時增大了鐵路引橋規模和工程量[8-9]。兩片桁由于中間桁片不存在因而線間距變小，兩片主桁受力明確，橋面空間通透，缺點是橋面橫梁跨度增大約2倍，導致主桁及橫梁受力過大，增大了橫梁高度和主桁截面尺寸，同時帶來主桁腹桿面外彎矩問題，相應增加了設計難度。

為適應最小線間距的要求， 減小鋼桁橫斷面總寬度， 節省兩端鐵路引橋的用地和使線路順暢的要求；同時，考慮到鐵路引橋雙線分建將會使基礎工程量增加，從而增加總的投資。基于以上原因， 主橋考慮二片桁方案。這樣的雙主桁斜拉結構， 受力更明確， 橋面更緊湊， 空間更開闊， 并為大型機械養護和行車創造了良好的條件[8-9]。

目前四線鐵路鋼桁梁多采用三主桁型式，采用雙主桁的四線鐵路橋跨度多在200 m左右。計算結果表明：四線雙主桁鋼桁斜拉橋應用到500 m左右大跨度高速鐵路橋中在技術及經濟上是可行的。

3 桁式比選

大跨鐵路鋼桁斜拉橋中，桁式主要有N形與三角形，前者主要用于公鐵合建橋梁。為了承受主桁面外較大的彎矩，改善腹桿的受力，寬桁需要選擇合適的主桁桁式。

常見的主桁桁式主要有正反N式主桁、華倫式主桁、三角形主桁(圖4)。三角形主桁由于其腹桿對稱布置，使得每個下弦節點處有兩根腹桿共同承擔面外彎矩，每根腹桿承受的面外彎矩只有橫梁端彎矩的一半。對于N式和華倫式主桁，其主桁面外彎矩主要由豎桿來承受，這使豎桿的設計相當困難。

圖4 桁式示意

針對主桁采用三角形桁和N形桁，建立整體模型，進行比較；調整主桁截面及斜拉索規格，保持兩模型主桁及斜拉索應力水平相當。三角形桁及N形桁式計算結果見表3。

表3 不同桁式對比

結果表明：

(1)整體模型中，三角形桁較N形桁整體剛度較大；

(2)三角形桁較N形桁對梁端的約束能力較強，因此三角形桁梁端轉角較小；

(3)活載作用下三角形桁較N形桁塔頂位移較小，相應的塔底彎矩較小；

(4)三角形桁較N形桁應力幅小，疲勞應力幅控制斜拉索設計；

(5)三角形桁較N形桁主桁用鋼量少190 t，用鋼量更省[10]，由于三角形桁上平縱聯長度較N形桁長14 m，因此聯結系用鋼量較N形桁多30 t；

(6)三角形桁斜拉索最大規格為PES(C)7-439，為強度控制；N形桁斜拉索最大規格為PES(C)7-475，為疲勞控制；三角形桁斜拉索長度較N形桁長，斜拉索用量與N形桁相當；

(7)三角形桁由于橫聯布置在斜腹桿平面內，N形桁橫梁布置在豎腹桿平面內，在橫向風力、搖擺力作用下，三角形桁式的橫向位移較N形桁式大。但均滿足橫向曲線的行車要求。

綜合上述因素，推薦主桁采用三角形桁式。

4 兩片桁橋面系

兩片桁采用普通密橫梁體系試設計。

沿橋縱向每隔2.8(2.9) m設置1道橫梁，節點橫梁高2.4 m，節間橫梁高為1.8 m，支點處橫梁采用箱形截面。在每條軌道下設置1道縱梁，縱梁中心距1.5 m，縱梁采用倒T形截面，高0.5 m，全梁共設置8道。橋面板下橫橋向設置多道U形肋，橫向間距0.6 m，共計30道；兩側及橫梁中部設置6道I形肋。橋面板采用各方性能較好的正交異性板，整體鋼橋面系[11-14]。

橋面系橫梁及橫肋內力見表4。

表4 各荷載作用下橫梁及橫肋內力

應力計算結果如下：主力作用下，橫梁及橫肋最大壓應力-108.5 MPa，最大拉應力202.8 MPa；主+附作用下，橫梁及橫肋最大壓應力-128.9 MPa，最大拉應力206.3 MPa，滿足規范要求。疲勞荷載作用下，橋面系橫梁及橫肋上翼緣的應力幅為72.1 MPa，下翼緣的應力幅為73.5 MPa，滿足規范要求。

5 結語

雙主桁與三主桁上下弦受力差為1.2～1.5倍，兩片桁桿件最大軸力46 692 kN；兩者受力最大差別主要在于腹桿面外彎矩和橫梁(橫肋)跨中面內彎矩，相差4～5倍。

雙主桁總用鋼量較三主桁少1 148 t，即為3.8%，雙主桁斜拉索用量較三主桁少88 t，即為3%，雙主桁較三主桁材料用量少，但兩者差別不大。雙主桁桁寬24.3 m較三主桁桁寬28 m少3.7 m，建筑高度較三主桁高1.1 m。桁寬少3.7 m對全橋及鄰近隧站的工程優化具有重要意義。桁寬減少(適應線路最小線間距)使得主橋和引橋工程量及鄰近隧道站場投資大幅減少和降低，初步概算兩片桁方案較三片桁方案綜合投資減少1.41億，具有較大的經濟價值。

在純四線高速鐵路大跨度鋼桁斜拉橋中采用雙主桁三角形腹桿形式的鋼桁梁在技術是可行的，在經濟

上更具有總體投資少的優勢。隨著中國高鐵的發展，大跨度四線高速鐵路雙主桁鋼桁斜拉橋將會在工程實踐中創新應用。

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