懷邵衡鐵路跨資江獨(dú)塔混合梁斜拉橋方案設(shè)計(jì)研究

曹忠強(qiáng)

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

新建懷邵衡鐵路是連通懷化至衡陽(yáng)的I級(jí)客貨共線雙線鐵路。資水既有VI航道，規(guī)劃為IV級(jí)，單孔雙向通航凈寬90 m，通航凈高8 m，橋梁軸線與航道方向夾角為75°。參考國(guó)內(nèi)外大跨度鐵路橋梁的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在滿足防洪、通航要求的前提下，提出以32 m＋230 m＋91 m＋48 m＋40 m獨(dú)塔混合梁斜拉橋跨越資江方案，見圖1。

圖1 混合梁獨(dú)塔斜拉橋方案立面布置圖（單位：c m）

1 橋式構(gòu)思

混合梁斜拉橋主跨采用鋼梁以減輕自重、增大跨越能力，邊跨采用混凝土梁進(jìn)行配重、并提高邊跨剛度，充分發(fā)揮了鋼和混凝土2種材料的優(yōu)勢(shì)［1］。本方案以230 m主跨跨越資江，是獨(dú)塔混合梁斜拉橋首次應(yīng)用于國(guó)內(nèi)鐵路項(xiàng)目。全橋共設(shè)34對(duì)斜拉索，采用半漂浮體系。主梁采用流線型箱型截面，主跨大部分為鋼箱梁，余采用外型輪廓完全相同的混凝土截面，梁高3.5 m，典型主梁截面見圖2，圖3?；炷量缭O(shè)置2個(gè)支墩以減小主梁彎矩。

圖2 混凝土梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面布置圖

圖3 鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面布置圖（單位：mm）

2 主橋方案分析研究

2.1 鋼混結(jié)合段位置的確定

斜拉橋理想的恒載狀態(tài)是：主梁恒載彎矩接近剛性支承連續(xù)梁的彎矩，索塔恒載彎矩接近于0［2］。為了達(dá)到這一理想目標(biāo)，邊跨和中跨的梁重需要處于一定的平衡狀態(tài)。調(diào)整邊中跨長(zhǎng)度比、改變混凝土梁截面和鋼箱梁截面重量之比、改變鋼混結(jié)合段位置都可以使梁重達(dá)到平衡。具體到本橋，在主梁截面基本確定、孔跨布置受控防洪和通航要求的背景下，合理確定鋼混結(jié)合段位置是達(dá)到結(jié)構(gòu)理想恒載狀態(tài)的最佳方法。預(yù)應(yīng)力混凝土梁與鋼梁的連接位置宜選擇在彎矩和剪力均較小的區(qū)域，并盡量遠(yuǎn)離斜拉索錨固區(qū)域，一般設(shè)在橋塔附近［3］。

本橋合理鋼混結(jié)合段位置的確定遵循以下原則：①邊跨梁重平衡中跨梁重，即恒載狀態(tài)下，邊跨不出現(xiàn)負(fù)反力；②恒載＋中跨滿布荷載作用下，邊跨支座開始出現(xiàn)負(fù)反力。經(jīng)計(jì)算分析，為滿足原則①，鋼混結(jié)合段位置可設(shè)置在橋塔江側(cè)42 m或岸側(cè)31 m；對(duì)于原則②，在江跨滿布活載作用下，邊跨全混凝土設(shè)計(jì)岸跨支座仍出現(xiàn)10 000 k N負(fù)反力。這說(shuō)明在現(xiàn)有的β值及邊跨長(zhǎng)度條件下，邊跨梁重?zé)o法達(dá)到原則②劃定的上限。為保證邊跨梁重，可采取提高β值、增大邊跨長(zhǎng)度及邊跨壓重等方式進(jìn)行調(diào)整。本橋設(shè)計(jì)采用邊跨混凝土壓重方案。

實(shí)際上，當(dāng)邊跨略重于中跨時(shí)，設(shè)計(jì)中仍可保持邊跨索力與中跨索力平衡，以保證索塔恒載彎矩為0，邊跨超出的重量可由輔助墩平衡；當(dāng)邊跨略輕于中跨時(shí)，可采用邊跨壓重或設(shè)置拉力墩的方法平衡中跨。從這個(gè)意義上說(shuō)，合理鋼混結(jié)合段位置是一個(gè)范圍的概念。本方案由原則①確定的范圍為橋塔江側(cè)42 m至岸側(cè)31 m。一般來(lái)說(shuō)，混凝土梁段宜盡量伸入中跨，以降低工程造價(jià)，但也不宜伸入過(guò)長(zhǎng)，以免造成邊跨主梁、斜拉索的受力不合理，同時(shí)使得構(gòu)造處理難度太大［4］。本設(shè)計(jì)最終采用鋼混結(jié)合段位置為江側(cè)距橋塔中心15 m。

2.2 結(jié)構(gòu)豎向剛度分析研究

結(jié)構(gòu)的剛度往往是鐵路橋梁設(shè)計(jì)中控制性的因素。影響斜拉橋豎向剛度的因素有梁高、斜拉索面積、橋塔縱向剛度等因素。本文在保持其他因素不變的基礎(chǔ)上，分析研究結(jié)構(gòu)剛度對(duì)每個(gè)因素的敏感性，以期合理地控制結(jié)構(gòu)豎向剛度。

（1）梁高的改變對(duì)斜拉橋結(jié)構(gòu)的豎向剛度影響不大，一般不超過(guò)20%。另一方面，梁高雖對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的直接影響不是很顯著，梁重的變化卻間接決定了斜拉索的面積和應(yīng)力，從而決定了斜拉索折減后的有效剛度。故須綜合考慮斜拉索的因素，確定合理的梁高。

（2）改變斜拉索的面積。通過(guò)觀察主梁最大豎向位移的相應(yīng)變化，研究結(jié)構(gòu)剛度與斜拉索面積間的關(guān)系。為方便起見，全橋斜拉索采用同一面積。分別選取斜拉索面積151，187，223，265，301，349，409 mm2，得主梁在活載作用下最大豎向撓度，見圖4。

圖4 主梁最大活載撓度與斜拉索面積關(guān)系圖

圖5 主梁最大活載撓度與單根斜拉索面積改變關(guān)系圖

（3）橋塔的縱向剛度由橋塔的縱橋向長(zhǎng)度和塔高2個(gè)因素決定。保持其他因素不變，分別計(jì)算1，2，4，8倍橋塔縱向剛度下結(jié)構(gòu)的豎向位移。經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)橋塔縱向剛度由1倍增至8倍時(shí)，主梁活載作用下最大位移由325 mm下降至300 mm，即結(jié)構(gòu)豎向剛度增加了8%。增大橋塔縱向剛度對(duì)結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響很小。

為分析塔高變化對(duì)結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響，保證其他因素不變，分別計(jì)算塔高100，110，120，130，140 m時(shí)主梁活載最大位移。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)塔高由100 m增加至140 m時(shí)，主梁最大位移由341 mm下降至277 mm，即結(jié)構(gòu)豎向剛度增加23%。增加橋塔高度可在一定程度上提高結(jié)構(gòu)豎向剛度，同時(shí)斜拉索的疲勞應(yīng)力幅也相應(yīng)由163 MPa減小至134 MPa。

綜合以上幾點(diǎn)可知：增大結(jié)構(gòu)豎向剛度的最有效途徑是增大斜拉索的面積，增大江側(cè)M9及其附近斜拉索效果尤其顯著；增加主梁高度和橋塔高度均可在一定程度上增大結(jié)構(gòu)剛度，需綜合結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)性、美觀性等方面因素合理取值；增大橋塔縱向剛度對(duì)結(jié)構(gòu)豎向剛度影響很小。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)“重量平衡原則”，以“邊跨梁重平衡中跨梁重”和“邊跨梁重平衡中跨梁重＋滿布活載”假定計(jì)算得混凝土梁長(zhǎng)的下限和上限，以此確定鋼混結(jié)合段合理位置；通過(guò)分析影響剛度的各個(gè)因素，明確斜拉索面積是影響結(jié)構(gòu)剛度的第一要素，并對(duì)每根斜拉索的效應(yīng)進(jìn)行深化分析。梁高和塔高可在一定程度上影響結(jié)構(gòu)豎向剛度，橋塔縱向剛度影響很小。

由圖4可見，增加斜拉索面積是提高結(jié)構(gòu)豎向剛度的有效途徑，每mm2斜拉索面積的增加可減少約1.2 mm的主梁活載位移。因此，有必要對(duì)斜拉索因素進(jìn)行深入分析。江側(cè)斜拉索由塔根向江側(cè)依次編號(hào)為M1～M17，向岸側(cè)依次編號(hào)S1～S17，保證其他斜拉索面積不變，分別將每根斜拉索面積由151 mm2增至409 mm2，得相應(yīng)主梁最大活載位移見圖5。顯然，增大M9及其相鄰的斜拉索面積對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向剛度影響最為顯著。

［1］ 劉 高，唐 亮，譚 皓，等.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合部的合理位置［J］.公路交通科技，2010（6）：52-57.

［2］ 徐利平.混合梁斜拉橋的邊中跨合理比例［J］.上海公路，2002（4）：28-30.

［3］ 王治均，李三珍.混合梁斜拉橋主梁鋼混結(jié)合段設(shè)計(jì)［J］.公路交通技術(shù)，2010（4）：46-48.

［4］ 盧桂臣，鄒宏華.混合式斜拉橋鋼混結(jié)合段的優(yōu)化研究［J］.中外公路，2006（3）：153-156.