摘要 以主跨325 m鋼-混組合梁斜拉橋為例，建立空間有限元模型，對主梁梁型、主梁高度、主塔形狀、斜拉索傾角及索距等參數(shù)進行了比選研究，結果表明：主梁梁高取值在一定范圍內對斜拉橋剛度影響較小;適當增加斜拉橋的索塔高度，能有效地增加斜拉橋整體豎向剛度;在用索量相當?shù)那疤嵯?，拉索梁上索間距取值對斜拉橋豎向剛度影響較小。根據(jù)比選結果確定了大橋的推薦方案，同時對該橋進行了整體靜力分析，結果表明斜拉橋各項靜力指標均滿足相關要求。

關鍵詞 高速鐵路;斜拉橋;鋼-混組合梁;方案比選

中圖分類號 U448.27 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0169-03

收稿日期：2022-03-23

作者簡介：陳斌（1986—），男，博士，高級工程師，研究方向：大跨度橋梁設計。

0 引言

斜拉橋是一種拉索、主塔、主梁的組合體系，憑借其良好的力學性能和經濟指標成為大跨徑橋梁的主要橋型，在公路橋梁中被廣泛應用[1]。隨著我國鐵路事業(yè)的迅速發(fā)展，鐵路斜拉橋的技術水平發(fā)展也日趨成熟[2]。近年來，鋼-混組合梁斜拉橋在高速鐵路中也得到了較為廣泛的應用[3]。文章以某高速鐵路鋼-混組合梁斜拉橋為工程依托，研究主梁、主塔及拉索等結構參數(shù)對斜拉橋力學特性的影響規(guī)律，從而為鋼-混組合梁斜拉橋設計提供參考。

1 工程概況

依托工程為國內某高速鐵路，其主要技術標準為：雙線、線間距5 m、設計時速350 km、雙線ZK活載。橋位處河道枯水期水面寬約250 m，洪水期水面寬增至400 m左右，為規(guī)劃Ⅲ級航道，通航水域寬度為242 m，最低通航水位166.16 m，最高通航水位195.37 m。由于橋軸線法向與水流流向交角較大、最大橫向流速2.19 m/s等原因，主跨跨度采用325 m。跨越河道處線路立面位于3‰人字坡，平面位于直線上，橋上采用CRTS-Ⅲ型板式無砟軌道。

2 結構尺寸及方案比選

2.1 橋式方案比選

綜合地形、地質條件以及施工難易程度、工程經濟性等因素，經前期方案比選后，確定主橋采用梁斜拉橋方案。同時，根據(jù)國內高速鐵路斜拉橋設計經驗、大橋自身的特點及條件，斜拉橋結構體系采用半漂浮體系。

擬推薦方案橋型布置如圖1所示，主橋孔跨布置為（45+60+63+325+63+60+45）m鋼-混組合斜拉橋。

2.2 主梁梁型比選

綜合考慮高速鐵路無砟軌道對主梁線型的要求，僅比選鋼桁梁、鋼-混組合梁兩種主梁梁型。

由表1可得，鋼桁梁斜拉橋具有跨越能力強、豎向剛度大等優(yōu)點。但相對鋼-混組合梁來說，鋼桁梁用鋼量大、經濟性差;桿件眾多，運營期間維護工作量大。因此，主橋最終采用了鋼-混組合梁斜拉橋方案。

2.3 輔助墩數(shù)量比選

在斜拉橋邊跨設置輔助墩能一定程度上改善主梁、主塔的受力和主梁的豎向變形。目前國內鐵路斜拉橋設置輔助墩個數(shù)通常為1～3個。結合橋址處地形及既有構筑物條件，比選主橋設1個輔助墩與2個輔助墩的方案，兩種方案跨徑組成及比選結果如表2所示。

從表2可看出，相較于雙輔助墩，采用單輔助墩的斜拉橋結構豎向剛度有所下降：相同列車活載作用下，跨中主梁撓度增加;活載作用下梁端轉角亦增加;由于輔助墩個數(shù)的減少，拉索對主塔的約束減弱，主塔水平縱向綜合剛度降低，導致縱向荷載作用下主梁縱向位移增大，需采用更大規(guī)格的伸縮縫，增加鐵路運營風險、維護難度。綜上所述，從斜拉橋結構受力及鐵路運營安全角度考慮，雙輔助墩優(yōu)于單輔助墩方案。

2.4 梁高比選

國內鐵路鋼-混組合梁斜拉橋的主梁梁高大致在4～

5 m范圍，擬比選梁高4.0 m、4.5 m、5 m三種方案。對于主跨325 m的斜拉橋，三種梁高均能滿足結構受力要求，因而重點比較梁高對結構剛度的影響及用鋼量。

由表3可知，隨著梁高的增大，主梁活載撓度、梁端縱向位移逐漸減小，梁端轉角減小尤為明顯。雖然增加梁高可增大主梁橫向剛度，但同時也增大了主梁的迎風面積，在風荷載等橫向附加力作用下橫向位移并不一定減小。此外，隨著梁高的變化，主梁用鋼量變化相對較小。參照國內高速鐵路鋼-混組合梁斜拉橋的設計經驗，梁高并非斜拉橋整體豎向剛度的主要控制因素，因此綜合豎向剛度與梁端轉角結果后，選取較平衡的方案，梁高取4.5 m。

2.5 塔形比選

目前常見的斜拉橋主塔塔型有A型、倒Y型、鉆石型、花瓶型、H型、獨柱型等。橋塔外形選擇主要由結構自身受力情況以及與環(huán)境的協(xié)調性控制。對比計算了常規(guī)平行索面的H型塔、空間索面的鉆石型塔及空間索面的倒Y型塔對橋梁剛度的影響，不同塔形的對比計算結果如表4所示。

由表4可知，在橋塔塔肢縱、橫向尺寸及坡比相同的情況下，不同類型主塔模型的主梁在活載作用下的撓度及梁端轉角相近，但主梁在橫向附加力等荷載作用下的橫向位移相差較大，采用平行索面橋塔的橫向剛度小于空間索面。但平行索面的H型塔優(yōu)點在于設計、施工簡單：主塔內傾角度小，施工風險較小;塔內鋼錨梁、梁上錨拉板的錨固的構造簡單、易于制作加工、安裝定位，且受力簡單;索塔錨固點不在鐵路運營范圍上方，可在一定程度上降低運營后換索的安全風險。綜合上述原因，主橋以H型橋塔作為橋塔推薦方案。

2.6 斜拉索角度比選

對比了28°、30°和32°共3種最外側斜拉索傾角的方案，計算結果如表5所示。

由表5可知，橋面以上索塔越高，斜拉索傾角越大，其豎向分力對主梁的支承作用也越大，對提高結構整體豎向剛度越有利[4]。但索塔過高，不利于塔的剛度，同時會增加塔和索的工程用量，施工難度也相應增加。綜合考慮斜拉橋結構剛度、橋塔及拉索的工程數(shù)量，在優(yōu)先保證主梁豎向剛度的前提下，主橋推薦采用最外側拉索角度30°、中上塔柱塔高106.5 m的方案。

2.7 斜拉索索距比選

為分析索距對主橋力學特性的影響，研究主梁上索間距分為10 m、12 m、14 m三種情況，分析結果如表6。

由表6可知，在拉索工程數(shù)量相當?shù)那疤嵯?，梁上索距越小，剛度越大，單根的拉索受力越小，主梁?jié)段越多。一般來說，隨著斜拉索索距減小，主梁逐步由受彎為主向受軸力為主轉變，主梁受力得以改善;密索布置對每根拉索承受的索力要求相應減低，簡化了拉索錨固構造，張拉千斤頂可小型化、輕型化;小索距會增加主梁節(jié)段數(shù)，延長施工時間;當索距過小時，對斜拉橋的景觀也有一定影響。綜合主梁節(jié)段長度、吊裝能力、施工工期等因素，主橋推薦梁上索間距12 m。

3 推薦方案靜力分析

根據(jù)前文比選結果，主橋采用縱向漂浮體系;主梁采用鋼-混組合梁，梁高4.5 m;主塔采用H型橋塔，平行索面;拉索最外側水平傾角30°，梁上索間距12 m。采用Midas/Civil建立全橋有限元模型，得出主橋靜力計算結果如表7所示。

經全橋空間有限元模型靜力分析，主橋主梁、主塔結構的位移、應力、拉索的疲勞應力幅等各項指標均滿足規(guī)范要求。此外，還對橋梁進行了穩(wěn)定性分析：施工階段最大懸臂階段時，結構的穩(wěn)定系數(shù)為13.3，失穩(wěn)模態(tài)為橋塔縱彎;在運營狀態(tài)下，斜拉橋的最小彈性穩(wěn)定系數(shù)為9.58，失穩(wěn)模態(tài)為橋塔縱彎失穩(wěn)，帶動主梁豎彎。施工及運營期間彈性穩(wěn)定系數(shù)均滿足《鐵路斜拉橋設計規(guī)范》中彈性穩(wěn)定系數(shù)應大于4.0的要求。

4 總結

通過對斜拉橋的主梁、橋塔及拉索等重要構件的參數(shù)比選，得出如下結論：

（1）在一定高度范圍內，主梁梁高取值對斜拉橋豎向剛度影響較小。

（2）增加斜拉橋的索塔高度、增大最長索水平傾角，能有效的增加斜拉橋整體豎向剛度。

（3）當各方案斜拉索用量相近時，梁上索間距取值對斜拉橋剛度影響較小，其取值應結合施工周期進行合理選取。

參考文獻

[1]劉士林. 斜拉橋設計[M]. 北京： 人民交通出版社， 2006.

[2]陳良江. 我國鐵路斜拉橋的實踐與設計參數(shù)研究[J]. 鐵道建筑， 2017（11）： 1-6.

[3]羅世東， 劉振標. 鐵路鋼箱混合組合梁斜拉橋[M]. 北京： 中國鐵道出版社， 2017.

[4]王冰， 李方柯. 高速鐵路主跨332 m高低塔混合梁斜拉橋設計優(yōu)化[J]. 鐵道建筑， 2019（10）： 23-27.