铁路斜拉桥展望

新世纪中国铁路斜拉桥发展展望邵长宇（同济大学桥梁系）【摘要】新世纪铁路建设加快了步伐，对铁路桥梁建设提出了更高要求.斜拉桥是未来跨越各大水系的必然选择。本文根据近年来铁路斜拉桥的设计研究情况，对各类型斜拉桥的适用范围、公铁合建的技术问题、主梁结构型式可能的发展及铁路桥采用斜拉一悬索协作体系问题进行了探讨.关键词铁路斜拉桥发展展望公铁合建一、铁路斜拉桥的现状与特点1。发展现状现代斜拉桥自上世纪70年代在中国开始修建以来，20多年来获得了迅速发展，至今已建成100多座。铁路斜拉桥的发展却十分缓慢，目前国内仅有两座铁路斜拉桥。近年来，铁路建设加快了步伐，在一些新线的桥梁方案研究中提出了斜拉桥方案，特点是京沪高速铁路前期工作的开展，使铁路斜拉桥的设计研究工作得以深入进行，这是跨越各大水系的必然选择目前所开展的铁路斜拉桥研究跨度已覆盖从200多米到800m的范围，这些研究工作的开展，为铁路斜拉桥的建设打下了坚实的基础，成为今后铁路斜拉桥发展的重要保证。高速铁路的桥梁建设在我国尚属空白，目前尚处在规划研究阶段，由于高速列车安全舒适运行对桥梁结构提出了更高的要求，因此大跨度的高速铁路斜拉桥所要解决的技术问题更加复杂。自日本北陆新干线上建成了混凝土斜拉桥之后，突破了高速铁路一般不采用柔性结构的禁区，也标志着高速铁路桥梁向结构新型化和大跨度发展的趋势。我国在未来的铁路建设中，修建大跨斜拉桥已经成为必然。目前世界上已经建成和国内处于设计研究阶段的部分铁路斜拉桥见表表中国外桥梁的铁路荷载大部分是不足4t/m的客运轻载，往往不足我国中一活载、ZK荷载的一半。铁路荷载及特点现行铁路规范所采用的即普通线路的话载标准为中一活载，荷载图示见图1。目前高速铁路运输组织方式采用高、中速列车关线运行，逐步过渡到全部开行高速列车的客运专线，设计活载采用ZK活载，ZK活载及中、高速列车活载图示见图1。ZK活载即UIC活载的80%,UIC据我与中一活载相当.铁路设计活载与公路设计活载相比要大很多，质映到桥梁结构上有一个重要特征，即:活载在整个荷载中所占比例高，活载与恒载比值大。而恰恰列车运行对结构刚度要求高功.加之铁路桥梁二期恒载也较大，更增加了结构设计的技术难度。氟活霎图示叫■14l/i!一羿些f€4Ube‘-门111而！r?；I・Irm[rT~piV"i[ii；"iiamt址扯队球高速到军活ftffizK他,.uast.isitTin_<rw.g_;■：.irr「-~J一「：i8.18，#学普1IkitC-ilTp.^I.*?毕1.':.，（心斗引一J心蟋1法鸣爵拉常轿名主碗m)国家或地区建设情况说明}非阿褒通道衍_490丹-醯已建成二换一堵台梁43Q中国者携已建成公供靖台梁，混合梁柜石岛轿423日本已建成公跌钢集切日本已建成公铢制梁波萨达斯•恩卡纳西命野阿梅建1已建成会蛛眼就士梁第二千曲川新13SEA己建成ft一棍st土策垃水柯桥中国已珑成铁很艇土梁芜糊长江大轿3眨中国已建成秋K土板割桁结含梁高速轶略南京长辽大析W中国设计研究r铁PCffiffi桁,含梁黄迅关兴洲长江醇W中囤没计研究公快_制嚏万县梃江帙雄轿360中国■设呼研究铁一推展土棠真逮供路耕甫黄河大检293中国盅计研文快惬猫土觎高速快路耕400■中国研充项目供一银梁高速帙爵柄T640中国1设计研究策梁-高速麟路院顽研克项目岛速蛛踏槌240中回研究项目涅虞土梁桥面构造特点铁路一般为单线或双线建设，实际所需宽度较窄，按高速铁路双线的建筑限界推算，线间距5m,车辆宽3.4m，两侧各1.2m风压带及lm人行道，全宽12。8rn,普通铁路则更小。为保证列车运行的安全性与旅客乘坐的舒适性，对桥梁竖向和横向刚度有较高要求.高速铁路比普通铁路要求更严。由于功能所需桥面宽度有限，故大跨度桥梁为满足横向刚度需要往往要在行车所需净宽基础上增加桥梁宽度。铁路对斜拉桥的性能要求斜拉桥本身属于柔性结构，斜拉桥结构用于铁路，由于列车荷载大，运行安全性和平稳性要求高，往往是结构刚度控制设计。故铁路斜拉桥在体系处理上要有利于提高结构整体刚度，这就要求塔高偏大取用且有较大截面，加劲梁也必须有较大的截面刚度，在条件允许时，尽可能设置辅助墩，约束主梁纵向位移等，这都是提高结构体系刚度的有效途径。采用钢架时，由于自重较轻，相应斜拉索用量较小，这将带来斜拉桥体系刚度下降的不利，需用其他方式弥补。由于铁路荷载大，在斜拉桥中跨满载时，边墩将产生很大负反力，采用拉力支座技术上有很大难度，故此，往往需采用较大的边跨,虽能解决负反力问题，但却带来受力及刚度下降的不利。斜拉桥采用混凝土箱梁时边跨通过压重解决边墩负反力问题相对容易，采用钢桁梁则有一定困难.铁路斜拉桥对梁端转角限制很严，典型三跨斜拉桥往往边跨梁端转角较大，这对结构设计提出了更高要求.就影响结构整体刚度的各种因素的重要性而言，结构体系布置是第一位的，其次才是索梁塔构件，索梁塔三者之中，梁塔自身刚度加大对结构整体刚度影响相对迟缓，斜拉索刚度的增加对提高结构整体刚度更直接有效，但它必须具备足够的初始反应才能发挥作用。此外，斜拉桥的尾索所受交变应力幅度较大，往往是疲劳控制设计。从上述可见，铁路斜拉桥的设计必须结合铁路荷载特点、列车运行要求及斜拉桥的力学特点，综合考虑各种因素才能解决问题，构思采用新结构、新技术是最为经济有效的途径。二、各类型铁路斜拉桥及其适用性1混凝土梁斜拉桥已经进行设计研究的三座铁路混凝土斜拉桥具有一定的代表性，三座斜拉桥主跨跨度分别为240m，293m，360m.三座斜拉桥均在边跨设有辅助撤.前两座均为双线高速铁路桥，后一座为单线普通铁路桥.双线高速铁路桥面宽度按净空尺寸，再加上斜拉索的锚固尺寸总宽应在15m左右，这一主梁宽度对主跨24Om，293m也即主跨在300m以内的斜拉桥，横向刚度均可满足高速列车运行要求，但为满足受力要求，主跨293m斜拉桥方案梁高需3.3m〜3.5m.主跨360m斜拉桥因是单线普通铁路桥，实际行车净空所需宽度较小，但为满足横向刚度要求，梁宽仍用到15m,同时为满足受力之需梁高则用到了4皿以上。研究表明，若要满足双线要求，梁高需增到5m，梁宽需增至16。8m,塔刚度及高度需加大，混凝土用到C60级，桥面恒载已与宽度30m的公路桥相当（应予说明普通铁路设计活载较高速铁路设计活载大约25%左右）。不难看出，双线铁路混凝土梁斜拉桥要达到360m以上跨度，技术难度很大由于恒载较大，由斜拉索引入主梁的压力较大，加上活载产生很大的梁体弯矩作用，塔墩处主梁断面压应力及防中段主梁应力变幅都成为控制条件，不仅如此，主塔所承受的压应力及应力幅度也较大。显然通过增加梁塔尺寸的办法来改善梁塔压力状况这不到目的，因为当梁塔刚度增加其相应弯矩也将随之增加。此外，随跨度增加，混凝土收缩徐变引起线型变化对行车性能的影响更大，为满足横向刚度之需主梁宽度也需进一步加大。不言而喻，更大跨度的混凝土斜拉桥将失去技术、经济上的优势。钢梁斜拉桥钢梁斜拉桥的问题、首先应从钢桥梁开始讨论，这是常用的成熟梁式.钢振梁的适用范围较大，用于斜拉桥，从研究情况看可达到88m跨度,主要是其技术、经济方面在不同跨度范围、不同情况下的竞争力问题。钢桁梁按双线高速铁路行车净空考虑，其行宽一般仅需14m左右，这一行定要满足横向刚度要求所能适应的斜拉桥跨度是有限的，但其桁高、桁宽可随跨度、受力变化较方便地调整，以满足强度及刚度方面的要求，桥宽、桥高增加虽会引起材料数量的增加,但引起重量的增加是有限的，远小于混凝土梁高、宽变化引起重量变化的幅度。但随斜拉桥跨度的加大，主桁杆件的杆力则随之明显增加，相应要加大杆件尺寸，大杆件会带来技术上的困难，包括选材、制造加工及施工安装等各个方面另一方面，由于钢梁自重较轻，斜拉索用量相对较少，相对地降低了斜拉索对提高结构体系竖向刚度的作用，这将需要为满足刚度要求而增加材料投入。另外斜拉索（主要是尾索）应力幅度也较高。典型的钢抗梁的桥面系采用纵横梁体系，在纵梁上铺设混凝土桥面板，在桥面板上设置碎石道床轨道，其特点是恒载重.但维修方便。但大跨度斜拉桥采用钢行架时,主流杆件很大，过大的杆件将因上述原因成为技术难题，在这种情况下，桥面采用正变异性钢桥面板与主桁结构共同受力，这种构造受力合理区可减轻桥面重量，但存在不便养护的问题，一旦桥面板锈蚀需更换维修，则要中断行车。为解决这一问题，一种可能的方式是在正变异性钢桥面板上结合一层混凝土板，既可防止钢桥面板锈蚀，又可参与共同受力，这在设计受刚度指标控制的条件下可能更加需要，一方面增加了主梁自身刚度，另一方面由于主梁重量增加斜拉索也相应增加面积这对提高竖向刚度非常有效。但是，每种构造形式都有其优缺点，必须结合具体情况适当选用才能取得最佳效果。根据已有的研究成果，铁路斜拉桥为满足横向刚度要求，桁宽的选择以宽跨比1/25〜1/20是可行的，但尚需对相关指标进行计算分析，控制在一定范围内。由此可见，对大跨双线铁路桥，根据行车净空确定桁宽是满足不了横向刚度要求的，桁宽的选择则受横向刚度控制钢桥梁斜拉桥恒载相对较小，对应斜拉索用量较小，面斜拉索刚度变化对结构整体刚度的影响较之梁、塔刚度变化的影响要显著得多。故采用钢桁梁，特别是大跨度条件下，为满足竖向刚度要求，主塔截面、高度及主梁衡高往往偏大取用，在列车荷载作用下主桥杆力、主塔及基础弯矩均相应较大，同时也不利于抗风抗震.刚度问题可以解决，但需要一定的专门投入。从斜拉桥跨越能力看，钢梁的适用范围还是很大的.研究表明，当跨度达到80Om时，采用钢桁梁仍能设计出可运行高速列车的斜拉桥方案，只是其经济性值得进一步推敲，显然，在不同跨度范围会受到不同形式结构的竞争。3。pc箱钢桁叠合梁斜拉桥斜拉桥结构用于铁路桥,特别是用于高速铁路桥梁，由于铁路荷载大，列车行车的平稳住与安全性要求较高.斜拉桥属于柔性结构，结构刚度常成为控制因素，这就要求设计必须根据铁路运行特点、荷载状况并结合斜拉桥的力学特点,提出符合规律的结构形式。通过对提高斜拉桥体系刚度影响因素的研究，斜拉索刚度的增大对提高体系刚度最有效，但是由于斜拉索存在较为严重的几何非线性，其弹性模量随着应力水平降低衰减越来越快。因此，单纯依靠增加斜拉索面积，增加不了其承载刚度，要想使增加的索面积有效发挥,必须使斜拉索承载后具有相应的应力水平，也即只有增加梁重基于这种观点，从充分发挥钢与混凝土各自优势出发，根据主梁在斜拉桥中要承受巨大轴力和较大的弯矩但剪力较小的力学特点，采用pc箱与钢桁叠合，形成一种全新的铁路斜拉桥主梁截面形式。这种主梁结构具有较大的截面刚度及足够的重力，使斜拉索在成桥阶段形成具有重力刚度较大的斜拉承载体系，从而加强结构体系刚度，改善结构受力，对保证列车行车安全及平稳运行更具优势。PC箱结构恒载重，整体性强，具有良好的抗侧弯和抗扭转刚度，以其作用承载主干形成斜拉桥结构的基本体系，但是pc箱竖弯模量不足，在采用大跨斜拉桥的情况下，难以承受铁路活载所产生的弯矩，同时也不能满足体系对竖向刚度的要求为此采用无下弦的三角形钢桥与之叠合，利用桁高和钢材的高强度，形成具有足够竖向抗弯刚度的组合截面.PC箱承压能力强，为此在实现体系转换的过程中，让绝大部分恒载轴力由PC箱承受，再将钢桁与pc箱相叠合，使钢桥仅承受话载及部分恒载。斜拉索直接锚干PC箱梁两侧，钢桥腹杆受力较小，钢桁与pc箱节点剪力很小将使钢桁与pc箱节点处理较为简便。由于受叠合钢桁的约束影响,PC箱梁收缩徐变对线型的影响明显减小.此外,pc箱兼作桥面系构造，有利于铺设道碴降低噪音。由于恒活比增大，有利于降低斜拉索的应力幅值；并且后期养护工作大为减小。这种形式的叠合梁较之混凝土主梁，由于有叠合钢桁共同受力，在活荷载作用下pc箱梁所承受的弯矩显著降低。对PC箱梁而言，跨中应力幅下降塔墩处梁体压应力减小，由此产生的裕量使得斜拉桥的跨度得以延伸，其适用跨度可达600m以上.pc箱钢桁叠合梁不仅具有较好的力学性能，而且还有较优的经济性。在高速铁路南京长江大桥的方案研究中，在斜拉跨度为488m和640m两种情况下对PC箱钢桁叠合梁与钢梁进行了综合比较，在结构横竖向刚度满足同样标准的条件下,pc箱钢桁叠合梁方案造价明显低于钢桥梁方案。研究还表明，采用这种梁式结构要达到640m以上的更大跨度技术难度很大,主要是pc箱的承载能力问题，同时也将逐步失去经济上的竞争力。其跨度的适用竞争范围应在350〜65Om左右。三、斜拉一悬吊协作体系铁路斜拉桥无论是采用混凝土梁还是pc箱钢桁叠合梁，其跨越能力都有一定限度，对于需要更大跨越能力的地方，除前述钢梁斜拉桥及吊桥之外，斜拉一悬吊协作体系应该是值得考虑的一种桥型结构.特别是跨度达600m以上的斜拉桥，一般只能采用钢梁，由于自重较轻，往往为满足竖向刚度的要求，塔高较大，塔身及基础规模十分庞大，费用较高，对抗风抗震不利，同时由于跨度巨大.主桁承受巨大轴力增加了实施难度，经济性也受到挑战。协作体系至少有如下优点值得考虑：①协作体系塔根弯矩较斜拉桥有大幅减小，在纵向风载作用下，协作体系受力也优于斜拉桥，活载作用下主梁弯矩也较斜拉桥大幅减小；②与斜拉桥相比，悬吊部分主梁不再产生由斜拉索引人的主梁轴向力，主梁承受轴力得以减小，使主梁设计更加方便，有更大选择；③活载作用下主梁挠度也比斜拉桥小.充分显示主缆外锚对提高结构刚度的有效性；④与悬索桥相比，竖向刚度可大幅提高，尽管其主梁、主塔弯矩大于悬索桥，但竖向刚度增加对铁路桥特别是高速铁路桥十分重要。同时由于斜拉部分桥面荷载不需通过悬索桥主缆传递，因此主缆、锚碇减小；⑤充发发挥两种桥型的优点，既克服了斜拉桥由于悬臂长度加大引起主梁压力过大问题，又大大减小了大跨悬索桥中主线拉力和地锚的工程量；⑥斜拉部分主梁可改用较重的混凝土桥面体系（如叠合梁），节省大量钢材，降低造价，并且能用这部分重型结构增加全桥的稳定性，对提高主梁强度、刚度都有帮助；⑦悬吊与斜拉部分长度分配关系可视主塔墩基础、锚碇修建条件和费用及主梁承受轴向力的能力适当调配，主梁形式也可作出多样选择。协作体系斜拉部分的尾索应力幅有所降低，但悬索结合部吊索的交变应力幅较大，这可以通过边跨设置辅助墩,或必要时增加吊索恒载的方法解决其疲劳问题。随跨径增加，协作体系的经济性能有望优于斜拉桥，协作体系具有受力合理、抗风性能好、施工安全方便、造价合理的优点，是一种合理的超大跨度桥梁体系，用于铁路桥，在600rn以上与斜拉桥及悬索桥有很大的竞争力。对跨度720m的协作体系公铁两用桥研究表明，完全可以达到600rn以下跨度斜拉桥的竖向刚度标准，经济指标也极具竞争力。四、公铁合建问题1公铁合建概况公路铁路桥合建具有省地拆迁量小，建造费用比分建低等优点，但要公铁合建还必须在建造时间、各自线路布局及接线条件等方面能够协调起来的情况下才能实现。国内已建成约20座公铁两用桥，但斜拉桥仅有芜湖长江大桥及规划中的武汉天兴洲长江大桥。本文仅就共基共梁公铁合建斜拉桥的技术问题进行一些探讨。2公铁合建对竖向、横向刚度的影响公铁两用斜拉桥与单建铁路斜拉桥相比，主梁增加了公路桥面的荷载重量，而公路汽车活载的增加较之铁路列车活载是有限的，这就使得主梁恒载与活载比值提高了，斜拉桥更容易满足铁路对竖向刚度的要求。其机理在于，随恒载增加，斜拉索用量相应增加，体系刚度随之提高，公路桥面地加入增加了主梁的截面刚度，对减小挠度也有一定影响，虽然增加了公路汽车活载，但其不利影响不及上述有利影响。对高速铁路桥梁这种有利的一面尤为重要。公铁两用桥由于公路桥面地加入.主梁自然地拥有较大的宽度，武汉天兴洲大桥公路面宽27m，与单建铁路相比公铁合建桥因公路面需要，一般均有较大的梁宽或桥宽，因而主梁自然地具有较大的横向刚度，这对满足列车安全平稳运行至关重要，使得斜拉桥跨度达到500m甚至更大而无需专门增加格宽或梁宽来满足横向刚度要求。而单建大跨铁路斜拉桥只能人为地增加横向刚度，这将伴随造价的增加.3公铁合建的梁式问题目前国内外公铁两用桥大部分采用钢桥梁且双层建设，上层为公路面下层为铁路面，对于公路面设有六个汽车道的公铁两用桥,若采用钢桁梁，其桁宽约需28m，而双线铁路是不需要这么大宽度的，这一桁宽对铁路面横梁受力很不利.一方面材料用量增加，另一方面也抬高了轨面高度、增加桥长。一种解决办法是主桁桁宽在满足横向刚度要求的前提不予以减小，斜拉索锚于增设的副桁上，通过副桁将余力引人主流，副桁仅起过渡传力作用。这又增加了副桁。另一种方法是上弦桁宽保持不变，仅将下弦桁宽缩减到功能所需尺寸形成倒梯形断面，两侧腹杆处于倾斜平面上，斜拉索锚箱与主桁节点结合起来。如此，则节点构造要复杂些，但仍是可以解决的，这种方案是值得考虑且不失为一种经济有效的手段公路面可采用混凝土板，支承在纵梁上，采用轻质混凝土板有利于减轻重量这也是传统的结构型式。更进一步是将混凝土桥面板与主桁相结合形成板桥共同作用的组合结构，其特点在于有利于提高刚度、降低桁高。但由于混凝土存在收缩徐变的特点，在与钢结构所形成的组合结构中，混凝土板所能承受分担的荷载在收缩徐变终止后大打