怀邵衡铁路跨资江独塔混合梁斜拉桥方案设计研究

曹忠强

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

新建怀邵衡铁路是连通怀化至衡阳的I级客货共线双线铁路。资水既有VI航道，规划为IV级，单孔双向通航净宽90 m，通航净高8 m，桥梁轴线与航道方向夹角为75°。参考国内外大跨度铁路桥梁的设计经验，在满足防洪、通航要求的前提下，提出以32 m＋230 m＋91 m＋48 m＋40 m独塔混合梁斜拉桥跨越资江方案，见图1。

图1 混合梁独塔斜拉桥方案立面布置图（单位：c m）

1 桥式构思

混合梁斜拉桥主跨采用钢梁以减轻自重、增大跨越能力，边跨采用混凝土梁进行配重、并提高边跨刚度，充分发挥了钢和混凝土2种材料的优势［1］。本方案以230 m主跨跨越资江，是独塔混合梁斜拉桥首次应用于国内铁路项目。全桥共设34对斜拉索，采用半漂浮体系。主梁采用流线型箱型截面，主跨大部分为钢箱梁，余采用外型轮廓完全相同的混凝土截面，梁高3.5 m，典型主梁截面见图2，图3。混凝土跨设置2个支墩以减小主梁弯矩。

图2 混凝土梁标准横截面布置图

图3 钢箱梁标准横截面布置图（单位：mm）

2 主桥方案分析研究

2.1 钢混结合段位置的确定

斜拉桥理想的恒载状态是：主梁恒载弯矩接近刚性支承连续梁的弯矩，索塔恒载弯矩接近于0［2］。为了达到这一理想目标，边跨和中跨的梁重需要处于一定的平衡状态。调整边中跨长度比、改变混凝土梁截面和钢箱梁截面重量之比、改变钢混结合段位置都可以使梁重达到平衡。具体到本桥，在主梁截面基本确定、孔跨布置受控防洪和通航要求的背景下，合理确定钢混结合段位置是达到结构理想恒载状态的最佳方法。预应力混凝土梁与钢梁的连接位置宜选择在弯矩和剪力均较小的区域，并尽量远离斜拉索锚固区域，一般设在桥塔附近［3］。

本桥合理钢混结合段位置的确定遵循以下原则：①边跨梁重平衡中跨梁重，即恒载状态下，边跨不出现负反力；②恒载＋中跨满布荷载作用下，边跨支座开始出现负反力。经计算分析，为满足原则①，钢混结合段位置可设置在桥塔江侧42 m或岸侧31 m；对于原则②，在江跨满布活载作用下，边跨全混凝土设计岸跨支座仍出现10 000 k N负反力。这说明在现有的β值及边跨长度条件下，边跨梁重无法达到原则②划定的上限。为保证边跨梁重，可采取提高β值、增大边跨长度及边跨压重等方式进行调整。本桥设计采用边跨混凝土压重方案。

实际上，当边跨略重于中跨时，设计中仍可保持边跨索力与中跨索力平衡，以保证索塔恒载弯矩为0，边跨超出的重量可由辅助墩平衡；当边跨略轻于中跨时，可采用边跨压重或设置拉力墩的方法平衡中跨。从这个意义上说，合理钢混结合段位置是一个范围的概念。本方案由原则①确定的范围为桥塔江侧42 m至岸侧31 m。一般来说，混凝土梁段宜尽量伸入中跨，以降低工程造价，但也不宜伸入过长，以免造成边跨主梁、斜拉索的受力不合理，同时使得构造处理难度太大［4］。本设计最终采用钢混结合段位置为江侧距桥塔中心15 m。

2.2 结构竖向刚度分析研究

结构的刚度往往是铁路桥梁设计中控制性的因素。影响斜拉桥竖向刚度的因素有梁高、斜拉索面积、桥塔纵向刚度等因素。本文在保持其他因素不变的基础上，分析研究结构刚度对每个因素的敏感性，以期合理地控制结构竖向刚度。

（1）梁高的改变对斜拉桥结构的竖向刚度影响不大，一般不超过20%。另一方面，梁高虽对结构刚度的直接影响不是很显著，梁重的变化却间接决定了斜拉索的面积和应力，从而决定了斜拉索折减后的有效刚度。故须综合考虑斜拉索的因素，确定合理的梁高。

（2）改变斜拉索的面积。通过观察主梁最大竖向位移的相应变化，研究结构刚度与斜拉索面积间的关系。为方便起见，全桥斜拉索采用同一面积。分别选取斜拉索面积151，187，223，265，301，349，409 mm2，得主梁在活载作用下最大竖向挠度，见图4。

图4 主梁最大活载挠度与斜拉索面积关系图

图5 主梁最大活载挠度与单根斜拉索面积改变关系图

（3）桥塔的纵向刚度由桥塔的纵桥向长度和塔高2个因素决定。保持其他因素不变，分别计算1，2，4，8倍桥塔纵向刚度下结构的竖向位移。经计算分析，当桥塔纵向刚度由1倍增至8倍时，主梁活载作用下最大位移由325 mm下降至300 mm，即结构竖向刚度增加了8%。增大桥塔纵向刚度对结构竖向刚度的影响很小。

为分析塔高变化对结构竖向刚度的影响，保证其他因素不变，分别计算塔高100，110，120，130，140 m时主梁活载最大位移。计算结果表明，当塔高由100 m增加至140 m时，主梁最大位移由341 mm下降至277 mm，即结构竖向刚度增加23%。增加桥塔高度可在一定程度上提高结构竖向刚度，同时斜拉索的疲劳应力幅也相应由163 MPa减小至134 MPa。

综合以上几点可知：增大结构竖向刚度的最有效途径是增大斜拉索的面积，增大江侧M9及其附近斜拉索效果尤其显著；增加主梁高度和桥塔高度均可在一定程度上增大结构刚度，需综合结构受力、经济性、美观性等方面因素合理取值；增大桥塔纵向刚度对结构竖向刚度影响很小。

3 结语

本文通过“重量平衡原则”，以“边跨梁重平衡中跨梁重”和“边跨梁重平衡中跨梁重＋满布活载”假定计算得混凝土梁长的下限和上限，以此确定钢混结合段合理位置；通过分析影响刚度的各个因素，明确斜拉索面积是影响结构刚度的第一要素，并对每根斜拉索的效应进行深化分析。梁高和塔高可在一定程度上影响结构竖向刚度，桥塔纵向刚度影响很小。

由图4可见，增加斜拉索面积是提高结构竖向刚度的有效途径，每mm2斜拉索面积的增加可减少约1.2 mm的主梁活载位移。因此，有必要对斜拉索因素进行深入分析。江侧斜拉索由塔根向江侧依次编号为M1～M17，向岸侧依次编号S1～S17，保证其他斜拉索面积不变，分别将每根斜拉索面积由151 mm2增至409 mm2，得相应主梁最大活载位移见图5。显然，增大M9及其相邻的斜拉索面积对结构的竖向刚度影响最为显著。

［1］ 刘 高，唐 亮，谭 皓，等.混合梁斜拉桥钢混结合部的合理位置［J］.公路交通科技，2010（6）：52-57.

［2］ 徐利平.混合梁斜拉桥的边中跨合理比例［J］.上海公路，2002（4）：28-30.

［3］ 王治均，李三珍.混合梁斜拉桥主梁钢混结合段设计［J］.公路交通技术，2010（4）：46-48.

［4］ 卢桂臣，邹宏华.混合式斜拉桥钢混结合段的优化研究［J］.中外公路，2006（3）：153-156.