高速铁路四线大跨钢桁斜拉桥主桁研究

范静涛

(中铁第五勘察设计院集团有限公司桥梁处，北京 102600)

1 概述

在跨越重要水道时钢桁梁以其刚度大、质量小、建筑高度低的特点成为大跨度铁路斜拉桥首选主梁形式，尤其是在公铁两用桥得到广泛应用，主梁通常多采用三主桁[1-5]。

当前我国大跨铁路斜拉桥的建设进入新的时期，四线或六线纯铁路桥逐步开始应用。对于四线大跨度钢桁斜拉桥而言，研究四线双主桁与四线三主桁钢桁梁的技术经济差别具有较大的工程应用价值。

建立四线高速铁路钢桁斜拉桥结构计算模型，在保持结构体系不变的条件下，研究双主桁和三主桁在结构构造、结构受力及用钢量等方面的差别。

桥梁主跨480 m，双塔五跨结构，斜拉索采用平行双索面或空间三索面，扇形布置，全桥共64对(两片桁)或96对(三片桁)斜拉索。主梁采用钢桁梁，全长962 m。桥塔采用混凝土塔，全高184.8 m，桥面以上塔高133.5 m。桥面以上索塔采用H形(两片桁)或倒Y形(三片桁)。

桥梁通行4条高速铁路线，受线路条件限制，四线需同层布置。四线均按250 km/h有砟轨道标准设计，设计活载：ZK活载。主桥桥型布置见图1。

2 主桁片数比选

2.1 横断面布置

按线路要求四线同层布置时，主桁可采用两片桁或三片桁。

主桁桁宽由构造控制设计，当四线铁路按三片桁设计，考虑人行道检修空间，四线线间距按计算为(5.3+8.7+5.3) m，桁宽28 m。三片桁横断面布置如图2所示。

图2 三片桁横断面布置(单位：mm)

三片桁主桁上下弦杆均为箱形截面，上弦杆内高1 000 mm，内宽1 200 mm。下弦杆内高1 400 mm，宽1 200 mm。腹杆主要采用H形截面。H形杆件宽1 200 mm，高720 mm和760 mm。

当四线铁路按两片桁设计，四线线间距为(5.3+5+5.3) m。考虑人行道检修空间，桁宽计算为24.3 m。两片桁横断面布置如图3所示。

图3 两片桁横断面布置(单位： mm)

两片桁主桁上下弦杆均为箱形截面，上弦杆内高1 300 mm，内宽1 300 mm。下弦杆内高1 800 mm，在支点处加高至2 400 mm，宽1 300 mm。腹杆主要采用箱形截面。箱形杆件宽1 300 mm，高1 280 mm。

两片桁节点横梁端弯矩和跨中弯矩较大，主桁腹杆一般设计成箱形截面，横梁高度也相应较三片桁横梁高度高1.1 m。两片桁下弦杆较三片桁高0.4 m，两片桁上弦杆较三片桁高0.3 m。

2.2 结构受力

把四线ZK活载(恒载也类似)当作匀布荷载1同时作用于主桁，三片桁每桁片承受1/3=0.33(略去中桁较边桁受力大，实际中桁与边桁荷载之比为1.0～1.2[11])；两片桁每桁片承受1/2=0.5，两片桁受力较三片桁大0.17，即大17%。两片桁和三片桁受力最大差别在于腹杆面外弯矩和横梁(横肋)跨中面内弯矩。

二片桁(普通密横梁)、三片桁(普通密横梁)各部分杆件内力提取结果见表1。

计算结果表明：(1)三片桁上弦杆的最大轴力20 918 kN，二片桁的上弦杆最大轴力30 897 kN，为三片桁的1.5倍。(2)三片桁下弦杆的最大轴力38 300 kN，二片桁的下弦杆最大轴力46 692 kN，为三片桁的1.2倍。(3)三片桁腹杆的最大轴力与二片桁腹杆的最大轴力相当，二片桁腹杆的面内弯矩是三片桁的2倍，面外弯矩是三片桁的5倍。(4)二片桁的横梁的计算跨径是三片桁的1.75倍，横梁及横肋的面内弯矩是三片桁的4倍。

依据既有工程实例，轴力小于50 000 kN的主桁杆件均有过设计。腹杆的面外弯矩较大，可通过采用箱形杆件形式解决，横梁的面内弯矩较大，可通过加大横梁高度来解决。通过两片桁和三片桁各构件内力对比，四线二片桁斜拉桥主桁及桥面系设计不存在问题。

表1 不同桁片杆件内力对比

注：1.“面内”指“面内弯矩”，“面外”指“面外弯矩”; 2.轴力单位kN；弯矩kN·m

2.3 技术经济指标

二片桁(三角形桁)、三片桁(三角形桁)技术经济指标对比见表2。

表2 主桁片数技术经济比较

结果表明：

(1)两片桁方案虽然结构刚度稍弱，但结构仍满足各项指标要求[6-7]；

(2)二片桁建筑高度较三片桁大1.1 m，但桁宽较三片桁减小3.7 m；

(3)全部用钢量三片桁较二片桁多1 148 t，即为3.8%。斜拉索的用量三片桁比二片桁多88 t，即为3%；

(4)二片桁方案经济性，尤其结合铁路引桥的投资规模，较三片桁方案有较大的优势。

三片桁主梁刚度大，中间主桁的存在减少了横梁跨度，并大大减小了主桁和横梁的受力，缺点是三片主桁受力较两片主桁更为复杂，中间主桁的存在使得线间距加大，桥面空间视野不开阔，同时增大了铁路引桥规模和工程量[8-9]。两片桁由于中间桁片不存在因而线间距变小，两片主桁受力明确，桥面空间通透，缺点是桥面横梁跨度增大约2倍，导致主桁及横梁受力过大，增大了横梁高度和主桁截面尺寸，同时带来主桁腹杆面外弯矩问题，相应增加了设计难度。

为适应最小线间距的要求， 减小钢桁横断面总宽度， 节省两端铁路引桥的用地和使线路顺畅的要求；同时，考虑到铁路引桥双线分建将会使基础工程量增加，从而增加总的投资。基于以上原因， 主桥考虑二片桁方案。这样的双主桁斜拉结构， 受力更明确， 桥面更紧凑， 空间更开阔， 并为大型机械养护和行车创造了良好的条件[8-9]。

目前四线铁路钢桁梁多采用三主桁型式，采用双主桁的四线铁路桥跨度多在200 m左右。计算结果表明：四线双主桁钢桁斜拉桥应用到500 m左右大跨度高速铁路桥中在技术及经济上是可行的。

3 桁式比选

大跨铁路钢桁斜拉桥中，桁式主要有N形与三角形，前者主要用于公铁合建桥梁。为了承受主桁面外较大的弯矩，改善腹杆的受力，宽桁需要选择合适的主桁桁式。

常见的主桁桁式主要有正反N式主桁、华伦式主桁、三角形主桁(图4)。三角形主桁由于其腹杆对称布置，使得每个下弦节点处有两根腹杆共同承担面外弯矩，每根腹杆承受的面外弯矩只有横梁端弯矩的一半。对于N式和华伦式主桁，其主桁面外弯矩主要由竖杆来承受，这使竖杆的设计相当困难。

图4 桁式示意

针对主桁采用三角形桁和N形桁，建立整体模型，进行比较；调整主桁截面及斜拉索规格，保持两模型主桁及斜拉索应力水平相当。三角形桁及N形桁式计算结果见表3。

表3 不同桁式对比

结果表明：

(1)整体模型中，三角形桁较N形桁整体刚度较大；

(2)三角形桁较N形桁对梁端的约束能力较强，因此三角形桁梁端转角较小；

(3)活载作用下三角形桁较N形桁塔顶位移较小，相应的塔底弯矩较小；

(4)三角形桁较N形桁应力幅小，疲劳应力幅控制斜拉索设计；

(5)三角形桁较N形桁主桁用钢量少190 t，用钢量更省[10]，由于三角形桁上平纵联长度较N形桁长14 m，因此联结系用钢量较N形桁多30 t；

(6)三角形桁斜拉索最大规格为PES(C)7-439，为强度控制；N形桁斜拉索最大规格为PES(C)7-475，为疲劳控制；三角形桁斜拉索长度较N形桁长，斜拉索用量与N形桁相当；

(7)三角形桁由于横联布置在斜腹杆平面内，N形桁横梁布置在竖腹杆平面内，在横向风力、摇摆力作用下，三角形桁式的横向位移较N形桁式大。但均满足横向曲线的行车要求。

综合上述因素，推荐主桁采用三角形桁式。

4 两片桁桥面系

两片桁采用普通密横梁体系试设计。

沿桥纵向每隔2.8(2.9) m设置1道横梁，节点横梁高2.4 m，节间横梁高为1.8 m，支点处横梁采用箱形截面。在每条轨道下设置1道纵梁，纵梁中心距1.5 m，纵梁采用倒T形截面，高0.5 m，全梁共设置8道。桥面板下横桥向设置多道U形肋，横向间距0.6 m，共计30道；两侧及横梁中部设置6道I形肋。桥面板采用各方性能较好的正交异性板，整体钢桥面系[11-14]。

桥面系横梁及横肋内力见表4。

表4 各荷载作用下横梁及横肋内力

应力计算结果如下：主力作用下，横梁及横肋最大压应力-108.5 MPa，最大拉应力202.8 MPa；主+附作用下，横梁及横肋最大压应力-128.9 MPa，最大拉应力206.3 MPa，满足规范要求。疲劳荷载作用下，桥面系横梁及横肋上翼缘的应力幅为72.1 MPa，下翼缘的应力幅为73.5 MPa，满足规范要求。

5 结语

双主桁与三主桁上下弦受力差为1.2～1.5倍，两片桁杆件最大轴力46 692 kN；两者受力最大差别主要在于腹杆面外弯矩和横梁(横肋)跨中面内弯矩，相差4～5倍。

双主桁总用钢量较三主桁少1 148 t，即为3.8%，双主桁斜拉索用量较三主桁少88 t，即为3%，双主桁较三主桁材料用量少，但两者差别不大。双主桁桁宽24.3 m较三主桁桁宽28 m少3.7 m，建筑高度较三主桁高1.1 m。桁宽少3.7 m对全桥及邻近隧站的工程优化具有重要意义。桁宽减少(适应线路最小线间距)使得主桥和引桥工程量及邻近隧道站场投资大幅减少和降低，初步概算两片桁方案较三片桁方案综合投资减少1.41亿，具有较大的经济价值。

在纯四线高速铁路大跨度钢桁斜拉桥中采用双主桁三角形腹杆形式的钢桁梁在技术是可行的，在经济

上更具有总体投资少的优势。随着中国高铁的发展，大跨度四线高速铁路双主桁钢桁斜拉桥将会在工程实践中创新应用。

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