大跨度三塔钢箱-桁结合梁斜拉桥受力性能研究

冯丛

（蒙西华中铁路股份有限公司，北京 100073）

近几十年来，斜拉桥在工程领域快速发展，数量多，跨度大，结构形式多样［1］，但为数不多的几座三塔双主跨斜拉桥都是公路桥梁［2-6］，铁路桥梁少，且索塔只起到加劲作用或只参与承受活载，跨度不大。斜拉桥是一种柔性结构，铁路桥梁活载大，对桥梁的竖向刚度要求远高于公路桥梁［7-9］；三塔斜拉桥由于中塔无端锚索锚固，容易产生偏转，从而使桥梁的柔性比普通双塔单主跨斜拉桥更大［10-12］。新建的洞庭湖特大桥主梁首次采用适合重载铁路大跨度三塔斜拉桥受力特点的钢箱-桁组合结构，结构设计形式新颖，钢梁制造安装精度要求高，施工技术难度大。建成后将成为国内外首座重载铁路三塔双主跨斜拉桥。

1 工程概况

蒙华铁路是国家铁路网的重要组成部分和“北煤南运”新的战略运输大通道，洞庭湖特大桥是蒙华铁路的重难点控制性工程。洞庭湖特大桥位于湖南省岳阳市，全长10 444.66 m，主桥长1 290.24 m，桥跨布置为2×32 m简支T梁+92 m钢管混凝土系杆拱桥+110×32 m简支T梁+4×52 m简支箱梁+83×32 m简支T梁+（75+3×120+75）m连续梁+（98+140+406+406+140+98）m三塔双索面钢箱-桁结合梁斜拉桥+84 m简支钢桁梁+57×32 m简支T梁。其主桥立面见图1。

1.1 桁式布置

主梁为钢箱-桁结合梁结构，主桁采用内倾布置，上弦中心间距12.0 m，下弦中心间距14.0 m。全联桁架为不带竖杆的华伦式桁架，主桁高12.0 m，节间长度14.0 m，斜杆立面倾角59.744°，全桥共计92个节间，全桥以4号塔为中心对称布置。钢梁断面见图2。

图1 洞庭湖特大桥主桥立面（单位：m）

图2 洞庭湖特大桥钢梁断面（单位：mm）

1.2 主桁构件

主桁上弦杆为箱形截面，腹杆为箱形和H形2种截面形式，下弦平面采用正交异性钢板的板桁组合结构整体道砟桥面，共同承受主桁内力。为提高结构抗风性能，在下弦钢箱外侧设风嘴。主桁单根杆件最大质量71.5 t，采用工厂内整体节点焊接，架设时节点之外采用高强度螺栓等强拼接。

1.3 索梁锚固结构

在下弦钢箱节点边腹板上设计索梁锚固结构，即钢锚箱，并布置在下弦钢箱外侧的风嘴内。索力传递路径为：拉索导管底部的锚垫板→钢锚箱主承压板→下弦钢箱边腹板→钢箱梁。

1.4 桥面结构

桥面采用正交异性板整体道砟结构。桥面板采用纵向分块、横向与下弦边箱节段拼装成整体的钢箱梁，钢箱节段最大质量281 t。

2 三塔双主跨铁路斜拉桥的变形和受力行为

以洞庭湖特大桥三塔双主跨铁路斜拉桥方案设计图为基准，不考虑加强措施，采用空间有限元法分析三塔双主跨铁路斜拉桥的变形和受力行为。

2.1 竖向荷载作用下的变形和受力行为

恒载作用下桥梁的变形可通过设置预拱度、调整索力、调整道砟高度等方法补偿或消除，不会影响线路的平顺性。活载作用下桥梁的变形是无法补偿的，索力是被动产生的。桥梁变形随列车位置的改变而改变，只能通过提高桥梁刚度加以控制。以跨中挠度最不利活载作用下的变形和受力行为对象，对结构进行分析。本项目实施时TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》尚未发布，所以采用1.2倍中-荷载（2005）之货运专线荷载作为设计荷载，竖向活载为满桥面均布荷载160 kN/m，布置于左边塔与中塔跨度之间。

2.1.1 竖向刚度

下弦钢箱和内纵梁的最大挠度分别为826.2，828.8 mm，内纵梁的挠度比下弦钢箱多2.6 mm；下弦钢箱的挠跨比为1/436。

2.1.2 桥塔变形和受力行为

左、中、右桥塔塔顶水平位移分别为215.7 mm（向右）、387.3 mm（向左）、22.5 mm（向右），左边塔和中塔都向受载跨跨中偏移；中塔的塔顶水平位移约为受载跨边塔的1.8倍，非受载跨边塔的水平位移很小。桥塔的最大弯矩发生在塔底，中塔最大弯矩为1 748×103kN·m，约为受载跨边塔的3.2倍；非受载跨边塔的弯矩很小，可忽略不计。

2.1.3 主梁受力行为

上弦杆最大轴拉力小于最大轴压力，最大轴压力发生在主跨跨中，其值为16 012 kN；下弦钢箱、内纵梁的最大轴拉力发生在主跨跨中，其值分别为12 212.1，265.7 kN。横梁弯矩最大值发生在主跨跨中，其值为732.8 kN·m。

2.2 横向荷载作用下的变形和受力行为

按照TB 10002—2017计算无车时风荷载垂直作用在全桥的迎风面作用（包含主桁、桥塔和斜拉索），风荷载强度w=1.3×1.13×1.3×462.4 Pa=883.0 Pa，有车时的风荷载小于无车时不另行计算；摇摆力取100 kN，将其横桥向作用于406 m的一个主跨跨中。

2.2.1 主梁横向位移

风荷载作用下下弦钢箱主跨跨中的横桥向位移为44.42 mm，摇摆力作用下下弦钢箱受载跨跨中的横桥向位移为5.54 mm。

2.2.2 桥塔的横向位移和弯矩

风荷载作用下左边塔、中塔塔顶的横桥向位移分别为10.27，11.79 mm；左边塔、中塔的塔底最大弯矩分别为85.39，120.04 kN·m。

3 主体结构参数

3.1 主桁刚度、桥塔刚度对挠度的影响

主桁刚度和桥塔刚度对主桁挠度均有很大的影响（主桁挠度相当于轨道的挠度），且主桁刚度对挠度的影响更大。主桁刚度、桥塔刚度越小，增大其值对减小挠度越有效，但增大到一定程度后对减小主桁挠度影响不大。

根据静活载作用下的挠跨比（未考虑加劲措施）ωmax/L=1/700～1/450，最大挠度范围为58～902 mm。在满足挠跨比的要求下，综合强度和经济性，确定主桁刚度和桥塔刚度的较佳匹配区间为3.424≤α≤9.129，2.268≤β≤6.047。其中：α为主桁柔跨比；β为主塔柔高比。

3.2 三主塔刚度对桥梁竖向刚度的影响

3.2.1 塔高对塔顶水平位移、塔顶弯矩的影响

增高桥塔可增大斜拉索的倾角和索力的竖向分力，从而减小主跨挠度。通过分析中塔塔顶顺桥向水平位移、中塔塔底弯矩与塔高的关系曲线可知，随着塔高的增大，塔顶顺桥向水平位移略有下降但幅度较小，塔底弯矩有所增大但幅度也较小。

3.2.2 单独增大中塔刚度对挠度和塔底弯矩的影响

单独增大中塔刚度能一定程度降低静活载作用下的挠度和挠跨比，但中塔刚度的增大导致塔底弯矩迅速增大，其增大速率远大于挠度降低的速率。另外，单独增大中塔刚度对桥塔的受力并无好处，且需增大桥塔尺寸，相应的材料用量、圬工量等会大幅度增加。

3.3 斜拉索刚度对桥梁行为的影响

索应力大可以减小斜拉索的垂度、振幅和端部折角，增大索力的竖向分力，使拉索端部不易碰撞发生疲劳破坏；索应力幅小可增大列车运营的平稳性，提高列车舒适度和拉索的疲劳寿命。铁路斜拉桥的斜拉索刚度应满足“索应力大，而应力幅小”的要求，必须在增大索面积的同时增大桥梁的恒载，减小活载与恒载之比。根据计算分析，斜拉索刚度合理取值范围为1.17×104～2.34×104kN/m。

3.4 桥面系刚度对挠度的影响

桥面系包含边箱、纵梁、横梁、钢桥正交异性板及其加劲肋。桥面系刚度比与主桁最大挠度关系曲线见图3。可知，只增加钢桥正交异性板的刚度对减小主桁挠度的作用不明显，而同时增大钢桥正交异形板和边箱的刚度，能明显减小主桁挠度。因此，桥面系正交异性板只需要满足强度和局部刚度要求即可。

图3 主桁最大挠度与桥面系刚度比关系曲线

4 中塔稳定索对三塔双主跨竖向刚度的影响

三塔双主跨斜拉桥的关键问题是中塔容易产生顺桥向偏转，导致桥梁整体竖向刚度相比同等跨度的双塔单主跨斜拉桥偏低，设置中塔稳定索能有效增大中塔刚度。中塔稳定索布置如图4所示，中塔稳定索的一端锚于中塔塔顶距离最上端锚索2.0 m的位置，另一端锚于边塔塔横梁上方1.8 m塔身分支处。

图4 中塔稳定索布置

4.1 中塔稳定索对挠度的影响

主桁下弦钢箱最大挠度与中塔稳定索刚度比的关系曲线见图5。图中，“0”表示未设置中塔稳定索，“1”表示设置面积A90为121 cm2的中塔稳定索。可知，随着中塔稳定索刚度比的增大，主桁下弦钢箱最大挠度逐渐减小，中塔稳定索刚度比越小，最大挠度减小速率越快。设置中塔稳定索后主桁下弦钢箱最大挠度由932 mm减小至813 mm，降幅为13%；当中塔稳定索刚度比为2时（即索面积为241 cm2），主桁下弦钢箱最大挠度减小到747 mm，降幅为20%。

图5 主桁下弦钢箱最大挠度与中塔稳定索刚度比的关系曲线

4.2 中塔稳定索对塔顶水平位移的影响

中塔稳定索的设置主要限制了中塔顺桥向水平位移，中塔塔顶顺桥向水平位移与中塔稳定索刚度比的关系曲线见图6。可知，随着中塔稳定索刚度比的增大，中塔塔顶水平位移很快减小，中塔稳定索刚度比越小，水平位移减小速率越快。设置中塔稳定索后中塔塔顶水平位移由503 mm减小至375 mm，降幅为26%；当中塔稳定索刚度比为2时（即索面积为241 cm2），中塔塔顶水平位移减小到295 mm，降幅为41%。

图6 中塔塔顶顺桥向水平位移与中塔稳定索刚度比的关系曲线

4.3 中塔稳定索对中塔顺桥向弯矩的影响

设置中塔稳定索后中塔顺桥向最大弯矩位于塔横梁处，而非塔底处不同中塔稳定索刚度比下中塔顺桥向弯矩的变化曲线见图7。可知，随着中塔稳定索刚度比的增大，中塔顺桥向弯矩很快减小，中塔稳定索刚度比越小，弯矩减小速率越快。设置中塔稳定索后中塔顺桥向塔横梁处弯矩由904×103kN·m减小至752×103kN·m，降幅为17%；当中塔稳定索刚度比为2时（即索面积为241 cm2），中塔顺桥向塔横梁处弯矩减小到664×103kN·m，降幅为26%。

图7 不同中塔稳定索刚度比下中塔顺桥向弯矩的变化曲线

4.4 中塔稳定索参数确定

增设中塔稳定索后对挠度、塔顶水平位移、中塔顺桥向弯矩等力学特性进行分析，可得中塔稳定索面积为241 cm2（普通索面积的2倍）时能保证较小的材料用量，且施工、养护、维修和更换方便，与普通索基本无异，基本不影响景观。

5 结论

1）钢箱-桁组合结构适用于大跨度铁路斜拉桥，可有效提高桥梁的竖向刚度，保证列车运营的安全性与舒适性。

2）三塔斜拉桥的关键技术问题是采取合理的加劲措施控制中塔的顺桥向偏转，通过调整和优化索、塔、桁、桥面系等几何尺寸和结构参数可提高桥梁整体刚度，使局部刚度和各构件的受力状态均达到合理状态。

3）相比于增加主桁、斜拉索和桥面系刚度来提高三塔双主跨整体竖向刚度的方式，设置中塔稳定索更有效。