鐵路懸索橋的剛度問題探討性研究

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增大很多，同時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40 kN/m，普通鐵路、客貨混運的鐵路則一般高于80 kN/m。因此鐵路懸索橋的設(shè)計分析具有很強的研究價值和現(xiàn)實意義。

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)計列車時速是200 km/h，Ⅰ級鐵路雙線，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)者對鐵路懸索橋的已有研究，評價車橋系統(tǒng)的指標(biāo)可以從車、軌道、橋梁三個方面來規(guī)定。車首先要保證運行安全性，如脫軌系數(shù)指標(biāo)，然后要保持運行的平穩(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)容可以參見文獻［1］。

對于大跨度懸索橋，由于結(jié)構(gòu)柔性較大，剛度控制著結(jié)構(gòu)的設(shè)計。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力分析和實測試驗的基礎(chǔ)上，而大跨度鐵路橋梁缺乏足夠的實踐和研究，尚無相應(yīng)的規(guī)范。具體的指標(biāo)限值還需通過靜力分析、車橋動力分析以及實踐的驗證來確定。

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撓跨比限值。文獻［2］中說明日本本四聯(lián)絡(luò)線上的豎向容許撓度為L/350，然后結(jié)合已建橋梁，文獻［1］給出了一個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［3］中對千米級跨度鐵路橋梁的研究結(jié)果在這個限值范圍內(nèi)。

通過對本文的研究工程進行有限元分析(如圖2所示)，可以得出該懸索橋在列車荷載下的計算結(jié)果，見表4。

圖2 懸索橋有限元分析模型

表4 計算結(jié)果

2 結(jié)構(gòu)體系對剛度的影響

當(dāng)結(jié)構(gòu)體系一旦確定后，雖然可以通過改變總體布置參數(shù)來提高結(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提高橋梁的剛度，特點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獨立的部分，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鐵路橋十分重要;由于斜拉部分橋面荷載不需通過懸索橋主纜傳遞，因此主纜、錨碇減?。?］，從而大大降低造價和施工難度;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、吊索過渡區(qū)疲勞問題比較突出。

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

圖5 “負斜拉索”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“負斜拉索”。

當(dāng)使用“正斜拉索”這種斜拉—懸吊組合體系時，當(dāng)邊跨較大和采用柔性索塔時，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，所以一般需要剛度很大的橋塔。而“負斜拉索”的使用效率將不會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;對半跨活載是由半跨的下主纜全部承受，而此時主纜的形狀恰好和承受荷載后主纜的形狀一致，于是懸索橋不會發(fā)生S形變形，因而它比單索體系有較大的剛度。在動力方面，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了很大的不便［4］。

3 結(jié)語

鐵路懸索橋的評價指標(biāo)可以用撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角來衡量，具體限值可以參考，其可靠性還得作進一步的分析研究和實踐驗證。對于懸索橋結(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)體系對結(jié)構(gòu)剛度的貢獻及存在的問題，以供進一步研究。

［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.

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