范靜濤
(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處,北京 102600)
隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展,跨越海灣或海峽的長(zhǎng)大鐵路橋梁已有部分正在實(shí)施或規(guī)劃中。如福平鐵路平潭海峽公鐵兩用橋、新福廈客??缛轂宠F路橋、滬甬客??绾贾轂宠F路橋、舟山大陸連島鐵路工程跨海橋、湛海線跨瓊州海峽鐵路橋等。在跨越主航道時(shí),采用大跨度鐵路斜拉橋方案成為必然。
規(guī)劃沿海高速鐵路跨越某海灣西航道時(shí)需設(shè)大跨度雙線鐵路橋。西航道橋規(guī)劃通行10萬(wàn)t級(jí)集裝箱船,通航凈空要求:?jiǎn)蜗騼魧?25 m×凈高63.5 m。
橋址處水下地形較平坦,水底高程一般為-5~-15 m;水底主要為新近沉積的淤泥、淤泥質(zhì)土等,覆蓋層厚度約80 m。橋址處基本地震動(dòng)峰值加速度值為0.05g,基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期分區(qū)值為0.35 s。
橋上軌道按250 km/h有砟軌道設(shè)計(jì),為雙線高速鐵路橋,線間距5.0 m。
結(jié)合橋址處的建設(shè)條件和通航要求,西航道橋主跨確定為2×460 m或810 m。
主跨采用2×460 m或810 m時(shí),橋式方案可采用斜拉橋、懸索橋、斜拉-懸索組合體系橋梁等。
斜拉-懸索組合體系橋梁一般用于特大跨度橋梁,技術(shù)難度大,研究成果少,鐵路橋梁范圍內(nèi)無(wú)應(yīng)用先例。大跨雙線鐵路橋采用懸索橋時(shí)又難以滿足結(jié)構(gòu)的剛度條件,且造價(jià)較高。因此,重點(diǎn)研究斜拉橋方案。
斜拉橋能夠較為均衡地滿足功能、經(jīng)濟(jì)的要求,避免了懸索橋需水中設(shè)大型錨碇的缺點(diǎn),但大跨度雙線鐵路斜拉橋因鐵路活載較大,加上高速列車對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度要求更高,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)難度較高,對(duì)結(jié)構(gòu)方案合理性及經(jīng)濟(jì)性需進(jìn)行充分研究。
(1)總體布置及結(jié)構(gòu)體系
當(dāng)雙孔單向通航時(shí),采用主跨2×460 m三塔雙索面結(jié)合梁斜拉橋,橋跨布置為(84+168+460+460+168+84) m,橋長(zhǎng)1 424 m。2×460 m斜拉橋橋式布置如圖1所示。
索塔采用折線H形混凝土索塔。均采用鉆孔樁基礎(chǔ)。中塔、邊塔全高均為221 m,橋面以上塔高127 m。
圖1 2×460 m斜拉橋橋式布置(單位:m)
斜拉索采用平行雙索面,扇形布置,中塔處布置32對(duì)斜拉索,邊塔處(一個(gè)邊塔)布置40對(duì)斜拉索。全橋共112對(duì)斜拉索。
考慮到橋址處地震烈度低,為提高主梁剛度,降低溫度的影響,中塔處采用塔墩梁固結(jié)的形式。邊塔處采用半漂浮的體系。
(2)主梁
主梁在中塔位置和兩邊跨采用混凝土箱梁,中塔位置長(zhǎng)度30 m,采用單箱三室截面,兩側(cè)設(shè)外置鋼風(fēng)嘴,在中塔根部局部加厚,混凝土箱梁斷面見(jiàn)圖2。主梁中跨其他部位采用混凝土橋面板+槽形鋼箱梁的結(jié)合梁結(jié)構(gòu),為封閉箱形斷面形式。梁寬(不含風(fēng)嘴)17.1 m,主梁含風(fēng)嘴全寬22 m,梁高4.5 m。拉索在梁端錨固采用錨拉板結(jié)構(gòu)。結(jié)合梁斷面見(jiàn)圖3。
結(jié)合梁標(biāo)準(zhǔn)截面區(qū)域混凝土橋面板采用多塊預(yù)制,鋼梁上翼緣帶狀區(qū)澆筑二次混凝土形成結(jié)合,與鋼箱統(tǒng)一吊裝施工。為防止混凝土板開(kāi)裂,在混凝土板內(nèi)布置縱向預(yù)應(yīng)力筋。
(3)計(jì)算結(jié)果
主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。
主要計(jì)算結(jié)果如表2所示。
圖2 混凝土主梁橫斷面(單位:mm)
圖3 鋼-混結(jié)合梁橫斷面(單位:mm)
表1 2×460 m斜拉橋主要設(shè)計(jì)指標(biāo)
從表2可以看出,結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。橋梁設(shè)計(jì)剛度為1/715(撓跨比),梁端轉(zhuǎn)角1.7‰,橫向撓跨比1/4 071。
表2 2×460 m斜拉橋主要計(jì)算結(jié)果
世界各國(guó)已建大跨度鐵路斜拉橋和公鐵兩用斜拉橋的豎向撓跨比普遍小于1/500,橫向撓跨比大于1/1 300,經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)考驗(yàn),情況良好,其工程實(shí)踐值得借鑒。國(guó)內(nèi)大跨度鐵路斜拉橋豎向撓跨比多在1/600~1/700,參考國(guó)內(nèi)同類型橋梁的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),本橋設(shè)計(jì)剛度標(biāo)準(zhǔn)暫按1/700控制。
(1)總體布置及結(jié)構(gòu)體系
當(dāng)單孔雙向通航時(shí),主橋采用雙塔鋼桁梁斜拉橋布置,主跨812 m,邊跨距離橋塔266 m設(shè)置輔助墩,孔跨布置為(154+266+812+266+154) m,橋長(zhǎng)1 652 m。結(jié)構(gòu)體系為半漂浮,主梁在橋塔處設(shè)豎向支承,縱向設(shè)置阻尼器以及限位裝置。
橋塔采用鉆石形混凝土塔,塔高322 m,橋面以上塔高223 m。斜拉索采用空間雙索面、扇形布置,全橋共108對(duì)斜拉索。
主跨812 m斜拉橋橋式布置如圖4所示。
圖4 812 m斜拉橋橋式布置(單位:m)
(2)主梁
由于橋跨度較大,且高速鐵路橋?qū)偠纫蟾撸髁翰捎秘Q向剛度較大的鋼桁梁結(jié)構(gòu)。橋面采用正交異性板結(jié)構(gòu),以提供足夠的橫向剛度并增強(qiáng)橋面的整體性;采用道砟橋面以增加橋面質(zhì)量與阻尼,從而保證行車的舒適與安全。
主梁橫斷面如圖5所示。
圖5 主梁橫斷面(單位:mm)
(3)計(jì)算結(jié)果
主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表3所示。
主要計(jì)算結(jié)果如表4所示。
表3 812 m斜拉橋主要設(shè)計(jì)指標(biāo)
表4 812 m斜拉橋主要計(jì)算結(jié)果
從表4可以看出,結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。橋梁設(shè)計(jì)剛度為1/746(撓跨比),梁端轉(zhuǎn)角1.2‰,橫向撓跨比1/1 524。主梁1階縱、橫向頻率低。
從主跨2×460 m三塔斜拉橋和主跨812 m雙塔斜拉橋的設(shè)計(jì)指標(biāo)和計(jì)算結(jié)果來(lái)看,兩種方案都能滿足橋址處各項(xiàng)外部條件和結(jié)構(gòu)自身的要求[1-2]。
2×460 m斜拉橋跨中橫向位移為113 mm,撓跨比為1/4 071;812 m斜拉橋跨中橫向位移為533 mm,撓跨比為1/1 524。812 m雙塔斜拉橋盡管梁寬達(dá)30 m,但因跨度太大,橫向剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2×460 m三塔斜拉橋。
主要工程量比較見(jiàn)表5。兩橋工程量主要差別在主梁用鋼量、混凝土量和拉索量,下部結(jié)構(gòu)工程量則相差不大。812 m斜拉橋主梁用鋼量是2×460 m斜拉橋的2.2倍,拉索用量比2×460 m斜拉橋多1 442 t;主梁混凝土用量2×460 m斜拉橋比812 m斜拉橋多9 256 m3。
表5 主要工程量比較
跨度達(dá)600 m以上的雙線鐵路斜拉橋,一般只能采用鋼桁梁,由于自重較輕,為滿足豎向和橫向剛度的要求,塔高巨大,塔身及基礎(chǔ)的規(guī)模十分龐大,費(fèi)用較高,對(duì)抗風(fēng)抗震不利,主桁承受巨大軸力增加了實(shí)施難度,經(jīng)濟(jì)性也受到挑戰(zhàn)。
跨海橋?yàn)殡p線高速鐵路橋,采用主跨812 m斜拉橋方案時(shí),受橫向剛度限制,其主梁桁寬達(dá)30 m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)雙線鐵路斜拉橋,造成鋼梁數(shù)量增大。其工程造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2×460 m斜拉橋,經(jīng)濟(jì)性差。
另外,采用主跨812 m斜拉橋方案時(shí),受限于行車剛度條件,其主梁采用的鋼桁形式在臺(tái)風(fēng)地區(qū)適宜性較差,相比而言,2×460 m斜拉橋采用的鋼-混凝土結(jié)合混合梁在抗風(fēng)性能上具有顯著優(yōu)勢(shì)。
綜合分析比較,跨西航道主橋推薦采用2×460 m三塔斜拉橋方案。三塔鐵路斜拉橋在蒙華重載鐵路洞庭湖鐵路大橋得到首次應(yīng)用,主橋采用了2×406 m三塔斜拉橋[3]。
三塔斜拉橋在公路橋領(lǐng)域中應(yīng)用較多,在高速鐵路中則沒(méi)有應(yīng)用先例。高速鐵路橋梁對(duì)剛度要求更高,提高三塔斜拉橋的剛度和行車安全性及舒適性是大跨度三塔鐵路橋應(yīng)用于高速鐵路橋梁的主要問(wèn)題之一,往往結(jié)構(gòu)剛度控制設(shè)計(jì)。
三塔斜拉橋一側(cè)主跨加載時(shí),加載側(cè)主跨跨中呈現(xiàn)最大撓度,同時(shí)非加載側(cè)主跨出現(xiàn)最大的反向撓度,邊跨加載對(duì)于中跨跨中撓度的影響基本上可以忽略不計(jì)[4]。
三塔斜拉橋一側(cè)主跨加載時(shí),中塔塔底呈現(xiàn)最大彎矩,邊跨加載對(duì)中塔塔底彎矩影響也基本上可以忽略不計(jì)。中塔呈現(xiàn)出雙向較大彎矩可能產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅所帶來(lái)的疲勞問(wèn)題需引起關(guān)注。
三塔斜拉橋中﹑邊塔最長(zhǎng)斜拉索索力影響范圍均較大,中塔拉索影響線分布范圍正負(fù)區(qū)間起伏較大,索力變化幅度的加大所引起的疲勞應(yīng)力是需要關(guān)注的一項(xiàng)內(nèi)容,尤其是對(duì)于活載大的鐵路橋更要密切關(guān)注。
三塔斜拉橋中間橋塔因缺乏通過(guò)錨墩及其錨索進(jìn)行約束的有利條件,結(jié)構(gòu)的整體剛度減弱,在荷載作用下,中間塔頂?shù)乃阶冃闻c跨中主梁的豎向撓度明顯增大,塔底內(nèi)力、主梁撓度和拉索疲勞應(yīng)力幅[4]比雙塔斜拉橋要大得多。因此提高結(jié)構(gòu)剛度成為三塔鐵路斜拉橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
另一方面,隨著主梁長(zhǎng)度的增加,溫度效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響也相應(yīng)增大。
三塔斜拉橋縱向振動(dòng)往往只是中間塔的縱向振動(dòng),兩邊塔并不與中間塔一起產(chǎn)生縱向振動(dòng),往往先出現(xiàn)反對(duì)稱振型。由于斜拉索的存在而導(dǎo)致橫彎和扭轉(zhuǎn)振型的強(qiáng)烈耦合,出現(xiàn)彎中有扭,扭中有彎。即振型往往是橫彎為主兼有扭轉(zhuǎn),或是扭轉(zhuǎn)為主兼有橫彎,很難出現(xiàn)純彎曲或純扭轉(zhuǎn)的振型[4]。
大跨度橋梁的動(dòng)力響應(yīng)主要由荷載沖擊作用產(chǎn)生,且車速越高,沖擊效應(yīng)越明顯。三塔斜拉橋剛度低,沖擊作用將產(chǎn)生很大的動(dòng)力系數(shù)。三塔斜拉橋由于1階豎彎振型的反對(duì)稱性,在高速列車荷載作用下,其行車方向的第二主跨很容易產(chǎn)生二次激振效應(yīng),使該跨的動(dòng)力響應(yīng)大于第一跨,且橋梁的豎彎基頻越低,二次激振效應(yīng)越明顯[5]。
提高三塔斜拉橋剛度的措施主要有以下幾種:(1)增大斜拉橋主要構(gòu)件剛度;(2)設(shè)置塔間加勁索;(3)中間跨跨中區(qū)段布置交叉重疊索;(4)設(shè)置邊跨輔助墩;(5)采用矮塔斜拉橋;(6)橋塔處主梁采用雙支點(diǎn)。無(wú)論采用以上何種方法,其核心都是控制中間塔的變位,從而提高結(jié)構(gòu)整體剛度[6]。
對(duì)于斜拉橋而言,邊、中跨的比例越小,邊跨主梁的剛度越大,邊跨對(duì)索塔的錨固作用也就越大,從而使主跨的剛度增大,并可減小拉索應(yīng)力幅。
在邊跨設(shè)置輔助墩使得在活載作用下邊跨主梁的撓度得以控制,使錨于其上的斜拉索的尾索效應(yīng)得以更好地發(fā)揮,使邊塔塔頂位移減小、塔柱內(nèi)力降低。特別在三塔斜拉橋中,設(shè)置輔助墩后中塔在活載作用下的位移和內(nèi)力均降低較多。設(shè)置輔助墩同時(shí)大大降低了由于活載引起的梁端轉(zhuǎn)角。
控制塔頂縱向水平位移對(duì)減小主梁的撓度、活載內(nèi)力幅及降低塔中的壓彎效應(yīng)具有重要意義,而增大橋塔剛度則是改善這一問(wèn)題最直接的措施。故三塔斜拉橋的橋塔,特別是中間塔,應(yīng)考慮采用較大的橋塔剛度[7-8]。
主梁和斜拉索是斜拉橋體系剛度的重要提供者。梁塔剛度加大對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度影響相對(duì)遲緩,斜拉索剛度的增加對(duì)提高結(jié)構(gòu)整體剛度更直接有效。和鋼梁相比,混凝土箱梁自重大,使斜拉索在成橋階段形成具有較大重力剛度的斜拉承載體系,從而加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)體系剛度[9]。
本橋2×460 m三塔斜拉橋方案,采取以下措施提高橋梁剛度:
(1)增大中塔的縱向結(jié)構(gòu)尺寸,從而增大中塔的縱向抗彎剛度,增強(qiáng)橋塔對(duì)主梁的錨固作用,提高了主梁剛度;
(2)中塔處采用塔墩梁固結(jié)[9]的構(gòu)造形式,約束活載作用下主梁的位移,提高了主梁的剛度;
(3)調(diào)整斜拉索布置,中塔布置16對(duì)索,邊塔布置20對(duì)索,既提高了中塔對(duì)梁部的豎向約束作用,也提高了邊塔在提供主梁豎向剛度作用中所占比例,從而有效地提升了主梁剛度。
主梁采用鋼-混混合結(jié)合梁[10-11],即邊跨主梁采用混凝土箱梁,兩中跨主梁采用槽形鋼梁+混凝土橋面板的結(jié)合梁。邊跨混凝土箱梁具有良好的抗側(cè)彎和抗扭轉(zhuǎn)剛度,自重和剛度大,增強(qiáng)了對(duì)主跨的錨固作用,避免了邊墩出現(xiàn)負(fù)反力,減小了主跨變形,使結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的跨越能力和良好的行車剛度條件。
混凝土箱梁豎彎模量[12]不足,如用于460 m中跨,難以承受鐵路活載產(chǎn)生的彎矩,同時(shí)也不能滿足豎向剛度的要求,梁塔產(chǎn)生較大的內(nèi)力及應(yīng)力,技術(shù)經(jīng)濟(jì)上失去優(yōu)勢(shì)。鋼-混結(jié)合梁利用了鋼材的高強(qiáng)度和混凝土抗壓能力強(qiáng)的特點(diǎn),形成具有足夠豎向抗彎剛度的組合截面。
中跨采用鋼-混結(jié)合梁具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)與單純的鋼箱梁相比較,主梁自身剛度和恒載重力均有所增加,提高了結(jié)構(gòu)整體剛度,增加風(fēng)振阻尼特性,改善抗風(fēng)性能;
(2)相對(duì)于鋼橋面板,混凝土橋面板剛度大,局部變形小,有利于高速行車;
(3)采用混凝土橋面板替代正交異性鋼橋面,能更好地承受斜拉橋的軸向壓應(yīng)力,發(fā)揮材料優(yōu)勢(shì),避免了鋼橋面疲勞問(wèn)題,同時(shí)提高了恒載與活載之比,改善了斜拉索等構(gòu)件的疲勞受力。
對(duì)于400~600 m跨度級(jí)別的鐵路斜拉橋,采用混合結(jié)合梁形式能夠滿足高速行車剛度條件,技術(shù)成熟,特別是在經(jīng)濟(jì)性、施工便捷性、養(yǎng)護(hù)與維修、抗風(fēng)性能等方面較鋼桁梁、鋼箱梁有顯著優(yōu)勢(shì)。
主梁如采用鋼桁梁,根據(jù)行車凈空確定桁寬是滿足不了橫向剛度要求的,為滿足橫向剛度的需要,需人為增加桁寬;另外鋼桁梁恒載相對(duì)較小,對(duì)應(yīng)斜拉索用量較少,而斜拉索剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)總體剛度的影響較塔梁剛度變化的影響要顯著得多。為滿足豎向剛度的要求,主桁桁高和主塔截面及高度往往偏大取用,主桁桿力、主塔及基礎(chǔ)彎矩均相應(yīng)較大,斜拉索應(yīng)力幅度也較大,同時(shí)也不利于抗風(fēng)抗震。為解決剛度問(wèn)題需一定的專門投入[12]。
主梁長(zhǎng)度變大后,溫度效應(yīng)影響增大。對(duì)主梁和斜拉索來(lái)說(shuō),過(guò)大的溫度變形不僅影響結(jié)構(gòu)的合理性與安全性,也影響結(jié)構(gòu)的適用性;對(duì)索塔而言,溫度效應(yīng)處理不當(dāng)將導(dǎo)致邊塔塔底內(nèi)力過(guò)大,增加索塔、基礎(chǔ)等主要受力構(gòu)件的設(shè)計(jì)難度。放松體系局部自由度或降低某一方向的剛度可以緩解溫度的影響[13]。三塔斜拉橋方案主要考慮了在邊塔與主梁間釋放縱向水平自由度和設(shè)計(jì)合理邊塔剛度。
斜拉索剛度的增大對(duì)提高體系剛度最有效,但是斜拉索存在嚴(yán)重的幾何非線性,其彈性模量隨著應(yīng)力水平降低衰減的越來(lái)越快。單純依靠增加斜拉索面積,增加不了其承載剛度[14],只有增加梁重,使斜拉索承載后具有較高的恒載應(yīng)力水平,才能有效發(fā)揮斜拉索的作用。增大斜拉索恒活載應(yīng)力比,有利于降低斜拉索的應(yīng)力幅值。
索力變化幅度加大引起的疲勞應(yīng)力是三塔斜拉橋需要重點(diǎn)關(guān)注的一項(xiàng)內(nèi)容,尤其是對(duì)活載大的鐵路橋。斜拉橋中塔尾索所受交變應(yīng)力幅度較大,往往疲勞控制設(shè)計(jì)[15]。
本橋位于臺(tái)風(fēng)區(qū),風(fēng)車橋動(dòng)力問(wèn)題對(duì)大跨度三塔鐵路斜拉橋的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。
三塔斜拉橋的抗風(fēng)措施主要在于中間塔和斜拉索的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)控制,梁體和邊塔的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)控制與雙塔斜拉橋相同。增大中間塔的縱向剛度和側(cè)向剛度﹑優(yōu)化主塔斷面形狀﹑在主塔上附設(shè)氣動(dòng)阻尼裝置和優(yōu)化斜拉索的斷面形狀﹑在斜拉索上附設(shè)氣動(dòng)阻尼裝置等措施提高三塔斜拉橋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。
橋址處極大風(fēng)速達(dá)50.4 m/s(15級(jí)),10 min平均最大風(fēng)速達(dá)39.6 m/s(13級(jí)),在國(guó)內(nèi)外跨海大橋中處于高位。橋梁抗風(fēng)性能下階段需作專題研究,并進(jìn)行風(fēng)洞模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證。
對(duì)于施工階段中橋梁的抗風(fēng)能力,設(shè)計(jì)考慮施工全過(guò)程中結(jié)構(gòu)最不利受力階段的靜風(fēng)荷載并進(jìn)行最不利施工階段的抗風(fēng)穩(wěn)定性檢驗(yàn),根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)臨時(shí)措施,以確保橋梁在施工全過(guò)程的抗風(fēng)安全。
三塔斜拉橋應(yīng)用于高速鐵路,結(jié)構(gòu)剛度控制設(shè)計(jì)。影響結(jié)構(gòu)總體剛度的各種因素中,結(jié)構(gòu)體系布置是第一位,其次才是梁塔索各構(gòu)件。
鋼-混結(jié)合梁自重在混凝土箱梁和鋼箱梁之間,用于500 m左右的中主跨較適宜;混凝土箱梁自重大,特別適用于邊跨壓重,避免邊墩出現(xiàn)較大的負(fù)反力,并減小了梁端轉(zhuǎn)角。
增大中塔及其兩側(cè)主跨斜拉索重力剛度和采取塔梁固結(jié)體系,能較大地提高三塔斜拉橋體系剛度,減小主梁變形,降低斜拉索應(yīng)力幅和中塔塔頂位移及塔身應(yīng)力。
蒙華重載鐵路洞庭湖大橋首次采用了2×406 m三塔斜拉橋[3];滬甬客專跨杭州灣采用2×400 m跨度的三塔斜拉橋正在進(jìn)行方案研究(設(shè)計(jì)院內(nèi)部文件,論文及報(bào)告未見(jiàn)媒體);珠機(jī)城際跨磨刀門水道采用3×340 m多塔斜拉橋處于初設(shè)階段(設(shè)計(jì)院內(nèi)部文件,論文及報(bào)告未見(jiàn)媒體)。有了以上橋梁的經(jīng)驗(yàn)與積累,修建500 m左右的跨海三塔高速鐵路斜拉橋在技術(shù)上已完全可行。
隨著中國(guó)高速鐵路在沿海的發(fā)展,三塔雙線大跨度跨海鐵路斜拉橋終將會(huì)得到工程上的實(shí)踐。
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