铁路混凝土部分斜拉桥设计综述及发展方向

宋子威　王德志　薛兆钧　罗世东

(中铁第四勘察设计院集团有限公司　武汉　430063)

铁路混凝土部分斜拉桥设计综述及发展方向

宋子威王德志薛兆钧罗世东

(中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉430063)

摘要部分斜拉桥因其建造经济、造型美观、施工方便、整体刚度大等优点，在铁路桥型中得到很大的发展。文中在广泛收集资料的基础上，列举国内一些建成或在建的铁路混凝土部分斜拉桥实例，从结构体系、构造设计等角度论述铁路混凝土部分斜拉桥设计中需要注意的问题及最新发展方向。

关键词铁路混凝土部分斜拉桥设计发展方向

1概述

部分斜拉桥又称为“矮塔斜拉桥”，是由法国Mathivat教授于1988年提出的一种新的桥梁结构形式。由于部分斜拉桥优越的结构性能、良好的经济指标，近年来在国内外发展非常迅速。对于修建斜拉桥索塔受到限制或梁高受到限制的桥梁，部分斜拉桥是一种很好的选择，在跨径处于梁式桥与斜拉桥之间的桥梁和对刚度要求较高的铁路桥中均具有较高的竞争力[1-2]。

部分斜拉桥在我国起步稍晚，2001年9月竣工的80 m+132 m+80 m漳州战备大桥是第一座公路混凝土部分斜拉桥[3]。之后，公路混凝土部分斜拉桥发展迅速，目前已建成近百座公路部分斜拉桥。铁路部分斜拉桥发展相对缓慢，我国第一座铁路部分斜拉桥为芜湖长江大桥，为主跨312 m钢桁主梁部分斜拉桥。近年来，随着中国铁路飞速发展，铁路混凝土部分斜拉桥进入了快速发展时期。已经建成的铁路混凝土部分斜拉桥有京沪高速铁路津沪联络线矮塔斜拉桥,主跨64 m+115 m+115 m+64 m；广珠城际西江特大桥，主跨100 m+210 m+210 m+100 m；在建的混凝土部分斜拉桥有福平铁路乌龙江特大桥，主跨144 m+288 m+144 m；成昆铁路改造工程金沙江特大桥，主跨120 m+208 m+120 m；广珠城际东平水道特大桥，主跨96 m+176 m+96 m；怀邵衡铁路沅江特大桥，主跨90 m+180 m+90 m。表1中列举了近年来铁路混凝土部分斜拉桥的设计及建造情况。

表1　国内若干铁路混凝土部分斜拉桥参数

本文在借鉴同行实践经验[4-5]的基础上，结合笔者设计工作体会。对铁路混凝土部分斜拉桥的设计作一概括总结，为类似工程设计提供参考。

2结构体系设计

2.1　体系设计

从桥塔个数来说，根据实际桥位情况，部分斜拉桥的孔跨布置可分为单塔双跨、双塔三跨、三塔四跨等不同布置形式，已建成的部分斜拉桥以双塔三跨居多。从结构体系上，部分斜拉桥是由塔、梁、墩和索4种基本构件组成的组合体系，不同的结合方式产生不同的结构体系。由于铁路桥刚度要求高及悬臂灌注法施工的特点，铁路混凝土部分斜拉桥一般采用塔墩梁固结的刚构体系或塔梁固结的支座体系。

刚构体系为塔墩梁固结，主梁可视为多点弹性支承的刚构，结构刚度大，避免大吨位支座，施工时也不需要临时固结措施，适合于悬臂施工。但该体系固结处负弯矩大，使固结处附近主梁截面需要加大，对地震、温度荷载作用较为敏感。支承体系为塔梁固结、塔墩分离形式，主梁在塔墩上设置竖向支承，支座均为活动支座，这种体系接近主梁具有弹性支承的连续梁，主梁的内力大小与主梁与桥塔的抗弯刚度比值有关。取消了承受很大弯矩的梁下塔柱部分，代之以一般桥墩，显著减小了主梁中央段承受的轴向拉力，梁身受力也很均匀，索塔和主梁的温度应力也较小。2种桥梁结构体系各有优缺点，进行桥梁设计时，应因地制宜对结构体系的选择作慎重考虑，选择最合适的结构体系。

2.2　边跨中跨比值

主梁的边跨和中跨比值是影响结构受力行为的重要因素，合理的边中跨比值可使结构取得较好的力学行为和经济效益。由于部分斜拉桥的主梁支承方式是连续梁或连续刚构形式且无边索锚固作用，为了方便悬臂灌注法施工和使边支点不产生拉力，中跨比值应与连续梁或连续刚构取值大致相当，一般在0.55～0.6之间较为合理。如边中跨比值较小，则边跨需要进行压重，给设计带来不必要的麻烦。

对于铁路桥梁，竖向刚度值是重要的指标，直接影响列车运行平稳性和乘坐舒适性。在影响主梁竖向刚度的指标中，结构体系、梁高对结构整体刚度影响最大，斜拉索、桥塔高度对整体刚度的影响有限。

3构造设计

部分斜拉桥上部结构由主梁、桥塔、拉索、索鞍等组成，分别就构造设计进行论述。

3.1　主梁设计

箱形截面因其整体刚度大、抗弯、抗扭能力强等优点，是铁路混凝土连续梁、连续刚构设计首选形式。如图1，箱形截面主要有单箱单室，单箱双室，无翼缘箱形等截面形式。目前，已建成的混凝土部分斜拉桥主梁大都采用与连续梁桥相同的预应力混凝土箱形截面。由于斜拉索的帮扶作用，部分斜拉桥的梁高一般较同等跨度的连续梁或者连续刚构小，其跨度之比约为1/8～1/20，表2中列举了国内几座部分斜拉桥的梁高信息。部分斜拉桥采用变截面形式的较多，如二次抛物线，变截面更能符合梁的受力分布规律且与施工的受力状态吻合，是较为经济的布置形式。

a)单箱单室　b)单箱双室(一)　c)单箱双室(二)图1　箱形截面形式

3.2　桥塔设计

由于混凝土塔高的限制和双索面形式的，桥塔在构造上一般采用双柱式桥塔[6]。为适应在塔端设置转向装置，铁路部分斜拉桥一般采用钢筋混凝土实体桥塔。桥面以上塔高与中跨跨度之比为1/8～1/6，比公路的1/8～1/12略大，这主要是因为铁路荷载较公路大，活载占恒载的比例大的原因。部分斜拉的整体刚度是由主梁来提供的，索塔只起到使斜拉索转向的作用，对结构的整体刚度没有太大的贡献，在设计过程中，塔柱只要满足自身的受力要求即可。

3.3　斜拉索设计

斜拉索根据侧面形状可分为放射形、扇形、竖琴形。由于部分斜拉桥桥塔高度一般较矮，为寻求更好的斜拉索利用效率及景观效果，一般布置成扇形或竖琴形形式。对于大部分的铁路部分斜拉桥而言均采用双排索。拉索布置成单索面时，对抗扭不起作用。目前建成的铁路部分斜拉桥大都采用双索面放射形布置，见表3。

表3　国内若干铁路混凝土部分斜拉桥斜拉索信息

目前斜拉桥拉索主要采用2种体系，即钢绞线体系和平行钢丝体系。采用平行钢丝体系，无论是否在塔上张拉，塔上的锚头部分也会占据较大的空间，从而导致塔身截面过大，不但浪费材料，而且影响景观效果。若采用钢绞线体系，通过预埋在塔里的转向装置(鞍座)转向至主梁里锚固，并在主梁里进行张拉，不但节省空间，而且换索也很方便，是近年来部分斜拉桥普遍采用的一种斜拉索体系。国内外工程目前采用的钢绞线体系索主要是全封闭镀锌或喷涂环氧钢绞线，锚具采用夹片群锚可更换的新型拉索体系。

国内规范对于拉索疲劳问题未作规定，目前的设计主要借鉴国外相关规范，如日本规范，欧洲规范。常规斜拉桥的斜拉索容许应力取0.4倍的极限应力，安全系数取2.5；而在部分斜拉桥中，由于斜拉索倾角较小，主梁刚度较大，拉索主要承受恒载，斜拉索应力幅比一般的斜拉桥中的应力幅小。因此其斜拉索的应力采用体外预应力索的容许应力，取0.6倍的极限应力，安全系数取1.67[7]。

3.4　无索区设置

不同于密索体系斜拉桥，部分斜拉桥有明显3处无索区，即塔旁无索区、跨中无索区、边跨无索区，见图2。由于部分斜拉桥桥塔较矮，在跨中和边跨设置斜拉索，则斜拉索倾角较小，对主梁提供的竖向反力较小，斜拉索利用率低。另外，部分斜拉桥主梁是由多点弹性支承的连续梁和连续刚构体系，索塔处主梁梁高加大且有支座或桥墩支承，不需设置拉索。表3中列举了几座铁路部分斜拉桥无索区长度统计。

图2　无索区长度示意

3.5　索梁锚固

斜拉桥索梁锚固结构区域受力集中、构造复杂，是控制设计的关键部位，掌握索梁锚固结构的应力分布情况是十分重要的。常见的斜拉索与混凝土主梁的锚固形式主要由混凝土锚固块锚固。图3为混凝土双索面斜拉桥的一种非常普遍的锚固形式。斜拉索的水平分力可通过厚边腹板来传递，垂直分力可通过在斜腹板内设置一定数量的竖向预应力筋来适应。

图3　两侧设置锚固块三维图

3.6　索塔锚固

拉索在桥塔上锚固主要有锚箱和鞍座2种方式。钢锚箱形式尺寸较大，制作复杂，造价较高，目前已建部分斜拉桥中，除个别部分斜拉桥拉索在塔上直接锚固外，余均采用贯通式索鞍锚固形式。常用鞍座结构有双套管结构和分丝管结构2种形式。鞍座区在设计上要设置抗滑装置，不允许斜拉索在使用中产生任何滑移，同时又要允许在换索时能够方便地进行更换。早期的部分斜拉桥普遍采用内外管形式，该锚固形式具有构造简单、施工简单等优点，但也存在受力不明确、换索困难、鞍座下混凝土应力集中等问题。目前应用较多的是采用成品的分丝管索鞍形式。索与索之间互不干扰，受力明确，鞍座下混凝土局部应力较小。

根据其抗滑装置形式不同，可以分为环氧砂浆握裹式和交叉抗滑键2种形式[8]。其中环氧砂浆握裹式采用内管内灌注环氧砂浆进行封闭锚固，这种形式的鞍座厂家生产容易、现场穿索方便快捷，但存在拉索不能进行单根调整张拉，换索困难等问题。抗滑键通过挤压形式固结在钢绞线上，满足抗滑要求。该种装置可以满足单根调索，后期换索较为简单。图4是应用较为广泛的一种抗滑装置示意图。

图4　交叉抗滑键装置结构示意图

4发展方向

铁路混凝土部分斜拉桥的应用，丰富了铁路桥梁的结构形式，但在国内仍属于起步阶段。可以预见，铁路混凝土部分斜拉桥会在以下几个方面取得进展。

4.1　钢箱混合梁部分斜拉桥

随着跨度增大,单纯采用混凝土主梁会因为自重的作用,经济性大打折扣。为获得更大跨越能力及经济性,主梁可采用预应力混凝土-钢箱混合梁。主梁塔墩附近采用预应力混凝土箱梁，中跨附近采用钢箱梁,可减轻主梁自重，增大跨越能力。日本的木曾川桥和揖斐川桥,是最早采用混凝土和钢混合结构的部分斜拉桥，主跨为160 m+3×275 m+160 m，154 m+4×271.5 m+127 m。

4.2　高塔型部分斜拉桥

为发挥部分斜拉桥的优势同时尽量提高索的竖向分力，高塔型部分斜拉桥将是部分斜拉桥的一个发展趋势，有的桥塔高与中跨跨度之比达1/4。这种桥型不仅保留了部分斜拉桥斜拉索的高利用率，同时由于斜拉索水平倾角的增加，提高了斜拉索的竖向荷载分担率，而且还可以适当降低主梁的高度，减轻主梁自重，减少地震荷载的效应。

5结语

本文从结构体系、构造设计等角度论述铁路混凝土部分斜拉桥设计中需要注意一些问题及最新发展方向，可为今后同类桥梁的设计提供参考。

参考文献

[1]刘仕林，王似舜．斜拉桥设计[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2]陈从春．矮塔斜拉桥设计理论核心问题研究[D].上海:同济大学,2005.

[3]汤少青，蔡文生，陈亨锦.漳州战备大桥总体设计[J].桥梁建设，2002(1)：1-4．

[4]刘振标．广珠城际西江特大桥主桥设计[J].桥梁建设，2009，54(3)：55-58．

[5]张雷．京沪高速铁路津沪联络线矮塔斜拉桥设计[J].桥梁建设，2012(1)：69-74．

[6]刘凤奎，蔺鹏臻，孙红红.矮塔斜拉桥塔高优化[J].铁道工程学报，2003(4):71-75.

[7]张多平，李承根．部分斜拉桥斜拉索的设计[J].桥梁建设，2002(3)：48-51．

[8]李文献，宋强，覃巍巍,等.矮塔斜拉桥中交叉抗滑键的研究及应用[J].桥梁建设，2012，42(06)：92-97.

Design Summary and Trend of Partial Cable-stayed Concrete Railway Bridge

SongZiwei,WangDezhi,XueZhaojun,LuoShidong

(China Railway Si Yuan Survey and Design Group Corporation, Wuhan 430063, China)

Abstract：In recent years as of its benefits like economic to build, attractive appearance, easy construction and so on, partial cable-stayed bridge is with great development among railway bridge types. Based on the reference data information and analysis, several partial cable-stayed bridges cases either construction completed or under construction are listed in this paper, and some points on the latest developing directions and issues that need to be pay attention to during the design process of railway concrete partial bridge are given based on the construction system and structural design.

Key words:railway; concrete; partial cable-stayed bridge; design; trend

收稿日期：2015-10-08

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.009