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(fā)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(jié)構(gòu)以跨越能力大而著稱，在已建的大跨度橋梁中絕大多數(shù)都是懸索橋，而斜拉橋隨著跨度的增大橋塔的高度會(huì)增大很多，同時(shí)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(jié)構(gòu)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(guò)40 kN/m，普通鐵路、客貨混運(yùn)的鐵路則一般高于80 kN/m。因此鐵路懸索橋的設(shè)計(jì)分析具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)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(jié)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(shè)計(jì)列車時(shí)速是200 km/h，Ⅰ級(jí)鐵路雙線，采用中活載，懸掛結(jié)構(gòu)重565 kN/m，橫向風(fēng)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(biāo)

根據(jù)專家學(xué)者對(duì)鐵路懸索橋的已有研究，評(píng)價(jià)車橋系統(tǒng)的指標(biāo)可以從車、軌道、橋梁三個(gè)方面來(lái)規(guī)定。車首先要保證運(yùn)行安全性，如脫軌系數(shù)指標(biāo)，然后要保持運(yùn)行的平穩(wěn)性，如常用的sperling指標(biāo);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(zhuǎn)變形在合理的范圍內(nèi)，如撓跨比、梁端轉(zhuǎn)角等。具體的內(nèi)容可以參見(jiàn)文獻(xiàn)［1］。

對(duì)于大跨度懸索橋，由于結(jié)構(gòu)柔性較大，剛度控制著結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。目前規(guī)范中有關(guān)剛度限值的規(guī)定都是建立在中小跨度的橋梁動(dòng)力分析和實(shí)測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，而大跨度鐵路橋梁缺乏足夠的實(shí)踐和研究，尚無(wú)相應(yīng)的規(guī)范。具體的指標(biāo)限值還需通過(guò)靜力分析、車橋動(dòng)力分析以及實(shí)踐的驗(yàn)證來(lái)確定。

根據(jù)已經(jīng)修建的鐵路懸索橋和現(xiàn)有規(guī)范我們可以初步擬定一個(gè)撓跨比限值。文獻(xiàn)［2］中說(shuō)明日本本四聯(lián)絡(luò)線上的豎向容許撓度為L(zhǎng)/350，然后結(jié)合已建橋梁，文獻(xiàn)［1］給出了一個(gè)較為保守的參考撓跨比和梁端轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角限值參考值［1］

文獻(xiàn)［3］中對(duì)千米級(jí)跨度鐵路橋梁的研究結(jié)果在這個(gè)限值范圍內(nèi)。

通過(guò)對(duì)本文的研究工程進(jìn)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(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表4。

圖2 懸索橋有限元分析模型

表4 計(jì)算結(jié)果

2 結(jié)構(gòu)體系對(duì)剛度的影響

當(dāng)結(jié)構(gòu)體系一旦確定后，雖然可以通過(guò)改變總體布置參數(shù)來(lái)提高結(jié)構(gòu)剛度，但是有一定的局限性，所以首先應(yīng)該考慮結(jié)構(gòu)體系的選擇。這里介紹三種結(jié)構(gòu)體系:斜拉—懸吊組合體系、“負(fù)斜拉索”體系、雙鏈?zhǔn)綉宜鳂蝮w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(lái)提高橋梁的剛度，特點(diǎn)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(gè)獨(dú)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(fēng)荷載作用下，協(xié)作體系受力與懸索橋接近，活載作用下，協(xié)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(jié)構(gòu)體系豎向剛度可以提高，而豎向剛度的增加對(duì)鐵路橋十分重要;由于斜拉部分橋面荷載不需通過(guò)懸索橋主纜傳遞，因此主纜、錨碇減?。?］，從而大大降低造價(jià)和施工難度;扭轉(zhuǎn)頻率比懸索橋更高，抗風(fēng)穩(wěn)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(guò)程中斜拉和懸索部分線形控制和協(xié)調(diào)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(guò)渡區(qū)疲勞問(wèn)題比較突出。

2)“負(fù)斜拉索”體系。“負(fù)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(shí)另外半跨主纜向上的位移，增加結(jié)構(gòu)的剛度。

圖5 “負(fù)斜拉索”體系

與布魯克林大橋放射狀斜拉索從塔頂?shù)郊觿帕嚎缰懈魉鹘Y(jié)點(diǎn)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(zhì)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(fù)斜拉索”。

當(dāng)使用“正斜拉索”這種斜拉—懸吊組合體系時(shí)，當(dāng)邊跨較大和采用柔性索塔時(shí)，意味著塔頂將發(fā)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?jiǎng)偠群艽蟮臉蛩?。而“?fù)斜拉索”的使用效率將不會(huì)受到橋塔剛度太大的影響。

3)雙鏈?zhǔn)綉宜鳂蝮w系。雙鏈?zhǔn)綉宜鳂蝮w系指在吊桿平面內(nèi)設(shè)有兩條主纜的懸索橋，這兩條主纜在跨中交叉且互相聯(lián)結(jié)，上下主纜在全跨范圍內(nèi)均勻布置有吊索吊拉橋面加勁梁［9］，見(jiàn)圖6。

圖6 雙鏈?zhǔn)綉宜鳂?/p>

在靜力方面，雙鏈?zhǔn)綉宜鳂驅(qū)爿d和全跨布置的均布活載是由其上下主纜平均承擔(dān)的;對(duì)半跨活載是由半跨的下主纜全部承受，而此時(shí)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(huì)發(fā)生S形變形，因而它比單索體系有較大的剛度。在動(dòng)力方面，根據(jù)已有研究，雙鏈?zhǔn)綉宜鳂蚓哂休^大的抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力和較大的橫向變形能力。但是雙鏈?zhǔn)綉宜鳂蛑骼|、吊索、索夾以及吊索與加勁梁的連接構(gòu)件的數(shù)量都要成倍增加，這些缺點(diǎn)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(lái)了很大的不便［4］。

3 結(jié)語(yǔ)

鐵路懸索橋的評(píng)價(jià)指標(biāo)可以用撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角來(lái)衡量，具體限值可以參考，其可靠性還得作進(jìn)一步的分析研究和實(shí)踐驗(yàn)證。對(duì)于懸索橋結(jié)構(gòu)體系，從結(jié)構(gòu)方面改變結(jié)構(gòu)剛度問(wèn)題應(yīng)該更有效，這里介紹了幾種不同懸索橋的結(jié)構(gòu)體系對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)及存在的問(wèn)題，以供進(jìn)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(xué)，2010.

［2］日本本四聯(lián)絡(luò)橋公團(tuán).本四聯(lián)絡(luò)橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)［Z］.1989.

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

［4］張 東.大跨度鐵路懸索橋結(jié)構(gòu)體系及對(duì)剛度影響的研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2008.

［5］許福友，張 哲，黃才良.斜拉—懸吊協(xié)作體系橋工程應(yīng)用及特點(diǎn)分析［A］.第17屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.武漢:中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)，2008.

［6］邵長(zhǎng)宇.新世紀(jì)中國(guó)鐵路斜拉橋發(fā)展展望［A］.第14屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］.南京:中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，2000.

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

［8］王應(yīng)良.歐美橋梁設(shè)計(jì)思想［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

［9］丁南宏，林麗霞，吳亞平.雙鏈?zhǔn)綉宜鳂蜍嚒獦蛳到y(tǒng)的動(dòng)力特性［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36(1):55-56.

［10］丁南宏，林麗霞，錢永久，等.雙鏈?zhǔn)綉宜鳂虻卣鸱磻?yīng)特征研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2012，31(4):10-12.

［11］嚴(yán)國(guó)敏.現(xiàn)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(shè)計(jì)［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(xué)，2010.

［14］DB 33/T 856-2012，特大跨徑鋼箱梁懸索橋設(shè)計(jì)指南［S］.

［15］董 萌，崔 冰，王瀟軍.三跨連續(xù)彈性支撐體系懸索橋結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)研究［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2013(8):60-61.

［16］交通部.公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范報(bào)批稿［Z］.2002.