高速铁路主跨325m钢-混组合梁斜拉桥方案设计

摘要 以主跨325 m钢-混组合梁斜拉桥为例，建立空间有限元模型，对主梁梁型、主梁高度、主塔形状、斜拉索倾角及索距等参数进行了比选研究，结果表明：主梁梁高取值在一定范围内对斜拉桥刚度影响较小;适当增加斜拉桥的索塔高度，能有效地增加斜拉桥整体竖向刚度;在用索量相当的前提下，拉索梁上索间距取值对斜拉桥竖向刚度影响较小。根据比选结果确定了大桥的推荐方案，同时对该桥进行了整体静力分析，结果表明斜拉桥各项静力指标均满足相关要求。

关键词 高速铁路;斜拉桥;钢-混组合梁;方案比选

中图分类号 U448.27 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）12-0169-03

收稿日期：2022-03-23

作者简介：陈斌（1986—），男，博士，高级工程师，研究方向：大跨度桥梁设计。

0 引言

斜拉桥是一种拉索、主塔、主梁的组合体系，凭借其良好的力学性能和经济指标成为大跨径桥梁的主要桥型，在公路桥梁中被广泛应用[1]。随着我国铁路事业的迅速发展，铁路斜拉桥的技术水平发展也日趋成熟[2]。近年来，钢-混组合梁斜拉桥在高速铁路中也得到了较为广泛的应用[3]。文章以某高速铁路钢-混组合梁斜拉桥为工程依托，研究主梁、主塔及拉索等结构参数对斜拉桥力学特性的影响规律，从而为钢-混组合梁斜拉桥设计提供参考。

1 工程概况

依托工程为国内某高速铁路，其主要技术标准为：双线、线间距5 m、设计时速350 km、双线ZK活载。桥位处河道枯水期水面宽约250 m，洪水期水面宽增至400 m左右，为规划Ⅲ级航道，通航水域宽度为242 m，最低通航水位166.16 m，最高通航水位195.37 m。由于桥轴线法向与水流流向交角较大、最大横向流速2.19 m/s等原因，主跨跨度采用325 m。跨越河道处线路立面位于3‰人字坡，平面位于直线上，桥上采用CRTS-Ⅲ型板式无砟轨道。

2 结构尺寸及方案比选

2.1 桥式方案比选

综合地形、地质条件以及施工难易程度、工程经济性等因素，经前期方案比选后，确定主桥采用梁斜拉桥方案。同时，根据国内高速铁路斜拉桥设计经验、大桥自身的特点及条件，斜拉桥结构体系采用半漂浮体系。

拟推荐方案桥型布置如图1所示，主桥孔跨布置为（45+60+63+325+63+60+45）m钢-混组合斜拉桥。

2.2 主梁梁型比选

综合考虑高速铁路无砟轨道对主梁线型的要求，仅比选钢桁梁、钢-混组合梁两种主梁梁型。

由表1可得，钢桁梁斜拉桥具有跨越能力强、竖向刚度大等优点。但相对钢-混组合梁来说，钢桁梁用钢量大、经济性差;杆件众多，运营期间维护工作量大。因此，主桥最终采用了钢-混组合梁斜拉桥方案。

2.3 辅助墩数量比选

在斜拉桥边跨设置辅助墩能一定程度上改善主梁、主塔的受力和主梁的竖向变形。目前国内铁路斜拉桥设置辅助墩个数通常为1～3个。结合桥址处地形及既有构筑物条件，比选主桥设1个辅助墩与2个辅助墩的方案，两种方案跨径组成及比选结果如表2所示。

从表2可看出，相较于双辅助墩，采用单辅助墩的斜拉桥结构竖向刚度有所下降：相同列车活载作用下，跨中主梁挠度增加;活载作用下梁端转角亦增加;由于辅助墩个数的减少，拉索对主塔的约束减弱，主塔水平纵向综合刚度降低，导致纵向荷载作用下主梁纵向位移增大，需采用更大规格的伸缩缝，增加铁路运营风险、维护难度。综上所述，从斜拉桥结构受力及铁路运营安全角度考虑，双辅助墩优于单辅助墩方案。

2.4 梁高比选

国内铁路钢-混组合梁斜拉桥的主梁梁高大致在4～

5 m范围，拟比选梁高4.0 m、4.5 m、5 m三种方案。对于主跨325 m的斜拉桥，三种梁高均能满足结构受力要求，因而重点比较梁高对结构刚度的影响及用钢量。

由表3可知，随着梁高的增大，主梁活载挠度、梁端纵向位移逐渐减小，梁端转角减小尤为明显。虽然增加梁高可增大主梁横向刚度，但同时也增大了主梁的迎风面积，在风荷载等横向附加力作用下横向位移并不一定减小。此外，随着梁高的变化，主梁用钢量变化相对较小。参照国内高速铁路钢-混组合梁斜拉桥的设计经验，梁高并非斜拉桥整体竖向刚度的主要控制因素，因此综合竖向刚度与梁端转角结果后，选取较平衡的方案，梁高取4.5 m。

2.5 塔形比选

目前常见的斜拉桥主塔塔型有A型、倒Y型、钻石型、花瓶型、H型、独柱型等。桥塔外形选择主要由结构自身受力情况以及与环境的协调性控制。对比计算了常规平行索面的H型塔、空间索面的钻石型塔及空间索面的倒Y型塔对桥梁刚度的影响，不同塔形的对比计算结果如表4所示。

由表4可知，在桥塔塔肢纵、横向尺寸及坡比相同的情况下，不同类型主塔模型的主梁在活载作用下的挠度及梁端转角相近，但主梁在横向附加力等荷载作用下的横向位移相差较大，采用平行索面桥塔的横向刚度小于空间索面。但平行索面的H型塔优点在于设计、施工简单：主塔内倾角度小，施工风险较小;塔内钢锚梁、梁上锚拉板的锚固的构造简单、易于制作加工、安装定位，且受力简单;索塔锚固点不在铁路运营范围上方，可在一定程度上降低运营后换索的安全风险。综合上述原因，主桥以H型桥塔作为桥塔推荐方案。

2.6 斜拉索角度比选

对比了28°、30°和32°共3种最外侧斜拉索倾角的方案，计算结果如表5所示。

由表5可知，桥面以上索塔越高，斜拉索倾角越大，其竖向分力对主梁的支承作用也越大，對提高结构整体竖向刚度越有利[4]。但索塔过高，不利于塔的刚度，同时会增加塔和索的工程用量，施工难度也相应增加。综合考虑斜拉桥结构刚度、桥塔及拉索的工程数量，在优先保证主梁竖向刚度的前提下，主桥推荐采用最外侧拉索角度30°、中上塔柱塔高106.5 m的方案。

2.7 斜拉索索距比选

为分析索距对主桥力学特性的影响，研究主梁上索间距分为10 m、12 m、14 m三种情况，分析结果如表6。

由表6可知，在拉索工程数量相当的前提下，梁上索距越小，刚度越大，单根的拉索受力越小，主梁节段越多。一般来说，随着斜拉索索距减小，主梁逐步由受弯為主向受轴力为主转变，主梁受力得以改善;密索布置对每根拉索承受的索力要求相应减低，简化了拉索锚固构造，张拉千斤顶可小型化、轻型化;小索距会增加主梁节段数，延长施工时间;当索距过小时，对斜拉桥的景观也有一定影响。综合主梁节段长度、吊装能力、施工工期等因素，主桥推荐梁上索间距12 m。

3 推荐方案静力分析

根据前文比选结果，主桥采用纵向漂浮体系;主梁采用钢-混组合梁，梁高4.5 m;主塔采用H型桥塔，平行索面;拉索最外侧水平倾角30°，梁上索间距12 m。采用Midas/Civil建立全桥有限元模型，得出主桥静力计算结果如表7所示。

经全桥空间有限元模型静力分析，主桥主梁、主塔结构的位移、应力、拉索的疲劳应力幅等各项指标均满足规范要求。此外，还对桥梁进行了稳定性分析：施工阶段最大悬臂阶段时，结构的稳定系数为13.3，失稳模态为桥塔纵弯;在运营状态下，斜拉桥的最小弹性稳定系数为9.58，失稳模态为桥塔纵弯失稳，带动主梁竖弯。施工及运营期间弹性稳定系数均满足《铁路斜拉桥设计规范》中弹性稳定系数应大于4.0的要求。

4 总结

通过对斜拉桥的主梁、桥塔及拉索等重要构件的参数比选，得出如下结论：

（1）在一定高度范围内，主梁梁高取值对斜拉桥竖向刚度影响较小。

（2）增加斜拉桥的索塔高度、增大最长索水平倾角，能有效的增加斜拉桥整体竖向刚度。

（3）当各方案斜拉索用量相近时，梁上索间距取值对斜拉桥刚度影响较小，其取值应结合施工周期进行合理选取。

参考文献

[1]刘士林. 斜拉桥设计[M]. 北京： 人民交通出版社， 2006.

[2]陈良江. 我国铁路斜拉桥的实践与设计参数研究[J]. 铁道建筑， 2017（11）： 1-6.

[3]罗世东， 刘振标. 铁路钢箱混合组合梁斜拉桥[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2017.

[4]王冰， 李方柯. 高速铁路主跨332 m高低塔混合梁斜拉桥设计优化[J]. 铁道建筑， 2019（10）： 23-27.