铁路大跨度斜拉桥刚度参数研究及建造技术展望

王芳， 刘文荐

（中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京 100844）

1 概述

20 世纪以来，斜拉桥比梁式桥跨越能力大，具有良好的力学性能和经济指标，已成为大跨径桥梁体系最主要的桥型［1］。随着新材料的应用、焊接技术的提高以及斜拉桥理论的发展，斜拉桥迎来了蓬勃的发展机遇。法国在1975 年建成了圣-纳扎桥（主跨404 m），是首座突破400 m 的斜拉桥；日本在1998 年架设了多多罗大桥（主跨890 m），是20世纪最大跨径的斜拉桥；21 世纪开始，世界各地出现了千米级的斜拉桥，包括已建的俄罗斯岛大桥（主跨1 104 m）、苏通长江大桥（主跨1 088 m）和昂船洲大桥（主跨1 018 m）。与悬索桥相比，斜拉桥具有结构刚度大、抗风稳定性好、缆索用量小、在活载作用下挠度小等优点［2］；与拱桥相比，斜拉桥具有用钢量小、造价便宜、施工方便等优点。国内外部分大跨度斜拉桥统计见表1。

目前国内外大跨度斜拉桥以公路桥居多，其主要原因为：铁路桥除应具有跨越江河的能力外，还需为桥上运行的列车提供相对严格和舒适的线路条件。因此，铁路斜拉桥要具有更大的刚度。

影响斜拉桥刚度的因素较多，如塔、索、梁自身刚度及温度效应、徐变作用。通过统计分析，目前国内外大跨度斜拉桥设计中反映主梁刚度指标的参数为：竖向挠跨比、横向挠跨比和梁端转角3个。研究提出参数取值参考范围，讨论目前铁路大跨度斜拉桥主要结构的施工技术，探讨我国铁路大跨度斜拉桥的建设技术发展。

表1 国内外部分大跨度斜拉桥统计 m

2 刚度参数

尽管大跨度斜拉桥已在世界范围内得到飞速发展，但由于铁路列车活载大、运行速度高，且对行车过程中稳定性和舒适性要求高，因而要求铁路大跨度斜拉桥除具备合理的结构受力体系，较好的抗风、抗震性能外，还需具有较大的竖向、横向刚度及较小的梁端转角。诸多限制条件导致铁路大跨度斜拉桥发展相对公路斜拉桥滞后，但随着铁路建设的迅猛发展，需满足铁路桥梁具有更大跨度的要求。目前，铁路斜拉桥建造跨度已延伸到1 000 m 以上，沪通长江大桥的建设，标志着斜拉桥建设进入一个新的纪元［3-5］。斜拉桥向超大跨径发展时，为满足跨度要求减少恒载自重，主梁变得更纤细，导致结构刚度下降，受温度荷载、施工荷载的影响更大。

铁路斜拉桥主要有以梁式桥斜拉加劲为主的混凝土矮塔斜拉桥，以结合梁、钢箱与混凝土箱梁组合的混合梁斜拉桥，大跨度钢箱梁、钢桁梁斜拉桥等形式。根据目前研究，混凝土箱梁斜拉桥跨度超过300 m后，恒载显著增大，斜拉索拉力较大且主塔所承受的压应力随之增大，混凝土收缩徐变引起的线形变化对行车性能的影响变大，失去技术、经济上的优势。因此，本次研究主要针对钢混结合梁及钢梁大跨度斜拉桥。

铁路大跨度桥梁的横向刚度，一般以宽跨比、横向挠跨比和一阶横向频率表示。宽跨比作为单一的几何指标，不能全面考虑到主梁结构形式、截面形式的差异，仅作为一般的参考指标；一阶横向频率是桥梁结构固有频率，可以直接反映桥梁的横向刚度，频率越大，结构刚度越大；横向挠跨比考虑到桥梁整体结构，同时也与竖向刚度指标评价标准相协调，可以较为全面地反映结构横向刚度。本次研究主要选取横向挠跨比作为分析参考指标。

2.1 国内外规范要求

各国规范对大跨度桥梁竖向挠跨比的限值要求是：我国规范要求为1/1 000；德国规范要求为速度＞200 km/h、孔数≤2时为1/1 700，孔数≥3时为1/1 000；日本规范中按照速度目标值，时速260、300、360 km 的单跨竖向挠跨比限值分别为1/700、1/900、1/1 100，多跨竖向挠跨比分别为1/1 400、1/1 700、1/2 000。横向挠跨比的限值要求则规定得较为笼统：美国UIC 776—2R规范中对设计速度为120～200 km/h 规定限值为L/4 000；日本新干线标准则笼统地规定桥梁横向挠度限值为竖向挠度限值的一半；我国相关规范要求，速度≤350 km/h时，限值为L/4 000。

2.2 主梁刚度参数

大跨度斜拉桥的设计一般由刚度控制，目前我国铁路给出的刚度标准仅适用于跨度168 m 以下的桥梁。同时规范规定，针对特殊结构和重要桥梁，应进行车桥耦合分析。反应安全性、舒适度和平稳性的相关参数如脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、车体加速度等指标应满足现行有关规定（见表2）。

表2 国内外大跨度斜拉桥主梁刚度参数

由表2可知，国内外大跨度斜拉桥中，竖向挠跨比集中在1/888～1/396，横向挠跨比集中在1/4 300～1/997，梁端转角集中在0.129‰～1.900‰ rad。对于主梁采用结合梁的斜拉桥，边跨混凝土梁自重和刚度大，可增强主跨的锚固作用，减小主跨梁体内力和变形；采用整体混凝土和钢箱桥面，结构整体稳定性好，横向刚度大；边跨混凝土梁的压重作用消除了边跨支座负反力；混凝土边跨提供的稳固支撑降低了活载引起的主跨弯矩和斜拉索力变幅。对于主梁采用钢桁梁的铁路斜拉桥跨度大，为提高结构刚度，往往采用质量较大的桥面系。典型的钢桁梁桥面系，一种为纵横梁体系，在纵梁上铺设混凝土桥面板，在桥面板设置碎石道床轨道；另一种为正交异性钢桥面板，并与主桁结构共同受力，在正交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，又可共同参与受力。由于主梁质量增加，斜拉索面积相应增加，对提高竖向刚度非常有效［4］。

2.3 小结

从国内外已经建成的铁路大跨度斜拉桥情况看，桥梁的挠跨比远大于规范中关于铁路中小跨度桥梁的规定值，但这些桥梁的运营情况良好［5］。由于铁路特别是高速铁路对大跨度桥梁梁端转角控制严格，我国大部分斜拉桥采用了偏小的边中跨比，在不增加边跨等高段梁高情况下，改善梁端转角。

结合已建成的大跨度铁路钢桁梁斜拉桥及现有规范，考虑荷载差异，大跨度铁路钢桁梁斜拉桥竖向刚度可适当降低，建议竖向挠跨比设计值可取为1/800～1/500；设计风速时横向挠跨比可放宽到1/2 000～1/1 000。

以上统计结果对于铁路大跨度斜拉桥刚度设计可提供一定的参考，但要确定一个通用限值，不仅应当参考国内外规范要求，还应结合桥梁结构刚度对车辆走行性的影响进行综合分析。

3 斜拉桥主塔基础及主梁建造技术

斜拉桥的主塔、索、梁和基础是影响斜拉桥整体刚度的重要因素，塔顶的变位直接影响全桥的整体刚度。

3.1 主塔基础

铁路大跨度斜拉桥多采用沉井基础和大直径钻孔桩基础。沉井基础刚度大，结构安全可靠，承受水平荷载能力强，特别适用基础承受水平力大、持力层埋深较浅的地质条件，沉井施工需配备大吨位起吊设备。大直径钻孔桩是国内外深水桥梁常采用的基础形式，其设计、施工工艺较为成熟，单桩承载能力大，基础平面尺寸较小，桩长适应范围广。目前我国在建铁路大跨度斜拉桥2种基础形式均有应用（见表3）。

在基础形式方面，从韩家沱长江大桥的2.5 m 大孔径钻孔桩、武汉天兴洲长江大桥的3.4 m 大直径钻孔桩，到铜陵长江大桥单个主塔墩采用的68 m 高沉井基础、沪通长江大桥全部采用沉井基础，基础截面尺寸随跨度的增大而增大，基础高度随桥梁跨度的增加及上部荷载的增大而增大。为适应结构承载力要求和桥位地质条件，基础形式及施工工艺均有较大变化。

表3 铁路大跨度斜拉桥主塔基础参数 m

在基础施工方面，武汉天兴洲长江大桥采用大型双壁钢吊箱围堰，插打钢护筒进行钻孔桩施工；芜湖长江大桥采用先围堰后平台的方案，施工钻孔桩和沉井基础［6］；沪通长江大桥的沉井基础则采用钢沉井船厂分阶段拼装，整体浮运到墩位处吸泥下沉，再接高混凝土沉井，直至沉井基础达到设计标高。

3.2 主塔施工

为适应斜拉桥主跨跨度的增大，主塔高度也随之增大，主塔高度的显著增加为钢筋混凝土主塔施工带来极大的挑战，如何保证主塔混凝土浇筑质量及施工精度是主塔施工面临的关键问题。斜拉桥作为设计与施工高度耦合的桥型，关于施工方法和施工控制问题的研究也一直备受关注。随着施工技术、测量手段的革新，利用大节段拼装、构件几何控制等已经在国外取得了一些实践，无疑在简化传统施工工序、加快工程进度上具有明显的优势［7-8］。铁路大跨度斜拉桥主塔设计参数见表4。

超高混凝土桥塔对混凝土材料性能、施工工艺带来了巨大挑战。目前主塔下塔柱一般采用液压爬模施工，下横梁采用支架法施工，中、上塔柱高度较高，一般采用自动液压爬模施工，塔柱合龙段采用支架施工。如何控制超高混凝土桥塔施工精度、建立完善的超高距离混凝土泵送、浇筑和养护，进而保证主塔施工质量、实现桥塔耐久性目标，是铁路大跨度斜拉桥发展过程中面临的关键技术难题。

表4 铁路大跨度斜拉桥主塔设计参数 m

3.3 主梁施工

在钢桁梁架设方面，从单根杆件吊装拼装到桁片吊装拼装，再到单节段整体吊装拼装的技术演变，由此带来施工机械和施工工艺的进步。铜陵长江大桥采用两桁片焊接/单个桁片吊装方案；武汉天兴洲长江大桥采用单节段吊装方案；沪通长江大桥采用两节间焊接，桥位处整体吊装的施工工艺。随着单次吊装节段杆件数量的增加，对施工工艺、施工设备的要求也在逐步提高。从单根杆件的吊装到在工厂组拼成单节段后船运至现场，明显改善了施工作业环境，减少高空作业，加快架梁速度。

4 结束语

目前，我国桥梁建设技术已经步入世界领先水平，由桥梁大国走向桥梁强国。随着沪通长江大桥、平潭跨海铁路桥等工程的建设，我国铁路大跨度斜拉桥建设将进入新时代。随着一系列新材料、新结构、新设备、新工艺的应用，我国铁路斜拉桥建设取得了重大突破，促进铁路斜拉桥建造技术的发展。如何保证大跨度斜拉桥的整体刚度，是铁路用斜拉桥的重要考虑因素，通过对国内外铁路大跨度斜拉桥刚度参数的统计，以及参考国内外规范，对铁路大跨度斜拉桥合理刚度取值范围进行初步探讨。大跨度、高质量、装配式将是铁路大跨度桥梁建设发展的方向。