多塔大跨铁路斜拉桥方案研究

万方数据
多塔大跨铁路斜拉桥方案研究
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图２多塔斜拉桥的主梁跨中挠度
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多塔大跨铁路斜拉桥方案研究 张燕飞，高宗余，梅新咏
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文章编号：１００３—４７２２（２０１０）０３一００５５—０４
多塔大跨铁路斜拉桥方案研究
张燕飞，高宗余，梅新咏 （中铁大桥勘测设计院有限公司，湖北武汉４３００５６）
摘要：多塔斜拉桥主要靠梁、塔等单个构件来承受外荷载，其刚度差、温度效应较为明显，以 某跨长江桥梁工程为背景进行多塔大跨铁路斜拉桥方案研究。在基准模型的基础上，通过增加塔、 梁刚度或采用新型缆索体系建立其他模型，计算斜拉桥主跨挠度、桥塔内力等参数的变化，经计算 表明可通过这些措施提高桥跨结构刚度。并提出塔顶加水平系索（方案１，结构效率较高、能有效 减小基础内力）和采用双壁墩桥塔（方案２，结构受力简单）２种设计方案。由于该工程桥塔基础受 船撞力控制设计，最终推荐了方案２。通过与普通钢桁梁和混凝土箱桁结合梁比较，主梁选择了具 有刚度大、承载力高、桥面整体性好的钢箱桁结合梁截面。
关键词：大跨度桥；铁路桥；斜拉桥；方案；桥梁设计 中图分类号：Ｕ４４８．１３；Ｕ４４８．２７ 文献标志码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｏｐｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉ—Ｐｙｌｏｎ Ｌｏｎｇ
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桥梁建设
２０１０年第３期
１前言 随着国内铁路建设的发展，在跨越大江、海湾
（峡）的过程中，由于通航的要求愈来愈高，多主跨斜 拉桥既能满足通航要求，在经济上又具有优势，修建 多塔大跨铁路斜拉桥是桥梁建设的发展趋势。多塔 斜拉桥是一种非常规的桥梁结构形式，其结构主要 受力特点为：与常规两塔斜拉桥相比，由于中塔斜拉 索均布设于主跨，缺少“边跨锚索”，故中间桥塔在活 载作用下受力和变形均较大，桥跨结构刚度较两塔 斜拉桥差。总体而言，常规的两塔斜拉桥是靠梁、 索、塔及边墩（辅助墩）组成的结构体系来承受外荷 载，而多塔斜拉桥主要是靠梁、塔等单个构件来承受 外荷载。
某跨长江桥梁工程位于长江口下游，地质条件 较差，软土覆盖层较厚，冲刷较大，持力层埋藏较深。 桥位处两岸大堤之间水域宽约７．１ ｋｍ，深槽宽约３ ｋｍ，水深一般为１５ ｍ左右。在桥型选择过程中，考 虑到桥位处主河槽通航区域较宽，航槽变迁覆盖范 围达２．５ ｋｍ，一孔难以跨越。因此，主航道桥按单 孔单向的标准、多孔通航的原则考虑，推荐采用４× ５８８ ｍ五塔斜拉桥方案。该工程主要技术标准为双 线Ｉ级铁路，本文以该跨长江桥梁工程为背景对多 塔大跨铁路斜拉桥方案进行研究。
目前，多塔斜拉桥在公路桥上已有许多工程实 例，如国内宜昌夷陵长江大桥为主跨２×３４８ ｍ三 塔斜拉桥；岳阳洞庭湖大桥为主跨２×３１０ ｍ三塔 斜拉桥；在建的武汉二七路长江大桥为主跨２×６１６ ｍ三塔斜拉桥。国外希腊里翁一安蒂里翁（Ｒｉｏｎ— Ａｎｔｉｒｉｏｎ）跨海大桥为主跨３ ｘ ５６０ ｍ四塔斜拉桥。 而多塔斜拉桥在铁路桥上尚无工程实例，目前已建 成最大跨度铁路斜拉桥为武汉天兴洲公铁两用长江 大桥，该桥为主跨５０４ ｍ的两塔斜拉桥。
图ｌ 多塔斜拉桥方累示意
建立基准模型Ａ，通过改变主梁、桥塔的截面参 数和斜拉索的布置形式建立模型Ｂ１～Ｂ３、Ｃ１～Ｃ４、 Ｄ，进行研究计算，得出斜拉桥主跨挠度、桥塔内力 等参数的变化，考察各种措施的有效性。基准模型 Ａ的主要参数：恒载ｑ＝５００ ｋＮ／ｍ，主梁为桁高１５ ｍ的普通桁梁，截面参数Ａ＝１．２ ｍ２，Ｊ＝６７．５ ｍ４； 混凝土桥塔截面参数Ａ＝５６ ｍ２，Ｉ＝１ ０００ ｍ４。在 基准模型Ａ的基础上，增加主梁与桥塔的刚度、塔 顶设置水平系索、跨中设置交叉斜拉索建立其他模 型，具体如下：
模型
图３多塔斜拉桥的桥塔塔根碍矩
面积提高桥跨结构刚度，是有效的。从提高桥跨结 构刚度的效率来讲，其先后顺序为斜拉索、主梁、桥 塔。但该措施提高桥跨结构刚度的效果不显著。如 桥塔刚度增加１０倍后，其挠度也只为原来的７０％， 而刚度增加ｌｏ倍是指塔底宽从１２ ｍ增加到３０ ｍ。
（３）通过塔顶设置水平系索提高结构刚度是十 分有效的，其效果与塔顶水平系索的恒载索力相关，
为减小多塔斜拉桥桥跨变形、提高桥跨结构刚
度，可采取的措施有：①增大梁、塔的抗弯刚度和斜 拉索的重力刚度，如希腊里翁一安蒂里翁跨海大桥， 其桥塔为金字塔形，其主要特点是各桥塔刚度很大， 基础和桥塔承担内力很大，但还需要处理桥塔刚度 大而温度效应直线上升的矛盾；②对常规缆索体系 结构进行改进，如在中塔顶设置斜的长缆风索锚固 于边塔（如香港的汀九桥）、在多塔塔顶之间设置水 平系索、主跨设置斜索交叉锚固区域，其主要特点是 各桥塔协同受力，提高了缆索效率，但需各系索之间 连接可靠，才能有效发挥作用［１］。多塔斜拉桥方案 示意见图１。
（Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｍａｊｏｒ Ｂｒｉｄｇｅ Ｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ＆Ｄｅｓｉｇｎ ｌｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ ４３００５６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｐｙｌｏｎ ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ａ ｏｎｅ ｔｈａｔ ｍａｉｎｌｙ ｒｅｌｉｅｓ ｏｎ ｉｔｓ ｓｉｎｇｌｅ ｓｔｒｕｃ— ｔｕｒａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｌｉｋｅ ｔｈｅ ｇｉｒｄｅｒ ａｎｄ ｐｙｌｏｎ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｌｏａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｅａｋ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａ— ｔｕｒｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ． Ｂｙ ｗａｙ ｏｆ ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ａ ｂｒｉｄｇｅ ｔｏ ｂｅ ｂｕｉｌｔ ｏｖｅｒ ｔｈｅ Ｃｈａｎｇｊ ｉａｎｇ Ｒｉｖｅｒ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ—ｐｙｌｏｎ ｌｏｎｇ ｓｐａｎ ｒａｉｌｗａｙ ｃａｂｌｅ－ｓｔａｙｅｄ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｅ ｓｔｕｄ— ｉｅｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄａｔｕｍ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｂｙ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｇｉｒｄｅｒ ａｎｄ ｐｙｌｏｎ ｏｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｔｈｅｒ ｍｏｄｅｌ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ｎｅｗ ｃａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｐａｎ ｄｅｆｌｅｃ— ｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｙｌｏｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｓｕｃｈ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｌ— ｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｍｅｎｔｉｏｎｅｄ ａｂｏＶｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｉｇｉｄｉｔｙ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｓｐａｎｓ ｃａｎ ｂｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ． Ｔｗｏ ｄｅｓｉｇｎ ｏｐｔｉｏｎｓ ｏｆ ａｄｄｉｎｇ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｌｉｎｋ ｃａｂｌｅｓ ａｔ ｔｏｐ ｏｆ ｔｈｅ ｐｙｌｏｎ（０ｐｔｉｏｎ １ ｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆｏｒｃｅ ｉｎ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ）ａｎｄ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｄｏｕｂｌｅ— ｗａｌｌ ｐｉｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｙｌｏｎ（（）ｐｔｉｏｎ ２ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）ａｒｅ ｄｅＶｅｌｏｐｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｐｙｌｏｎ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｉｓ ｇｏｖｅｒｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｈｉｐ ｃｏｎｉｓｉｏｎ ｆｏｒｃｅ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｏｎ ２ ｉｓ ｔｈｕｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｓｔｅｅｌ ｔｒｕｓｓ ｇｉｒｄｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｏｘ ａｎｄ ｔｒｕｓｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｇｉｒｄｅｒ，ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｂｏｘ ａｎｄ ｔｒｕｓｓ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｇｉｒｄｅｒ ｔｈａｔ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｒｉｇｉｄｉｔｙ，ｇｒｅａｔ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｄｅｃｋ ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ．
２方案研究 ２．１方案构思与研究
多塔斜拉桥由于其结构受力特点带来较多问 题：多塔斜拉桥桥跨变形较大后，总体结构趋柔，而 柔性结构对空气动力作用更为敏感，影响结构安全； 在列车活载作用下，还可能以较大的应力变化为特 征，即疲劳往往控制了设计；对铁路桥而言，较柔的 结构难以满足列车运营的安全性和舒适性要求；另 外，多塔斜拉桥由于连续布设多个主孔，联长一般较 长，其温度效应更为明显。
模型Ｂ１：主梁刚度增加１倍。 模型Ｂ２：桥塔刚度增加１倍。 模型Ｂ３：桥塔刚度增加ｌｏ倍。 模型Ｃ１：无水平索。 模型Ｃ２：设置水平系索、恒载索力８ Ｏｏｏ ｋＮ。 模型Ｃ３：设置水平系索、恒载索力１６ ０００ ｋＮ。 模型Ｃ４：设置水平系索、恒载索力２４ ０００ ｋＮ。 模型Ｄ：跨中设置交叉斜拉索区域。 在不同结构措施下多塔斜拉桥的主梁跨中挠度 及桥塔塔根弯矩计算结果见图２、图３。 根据不同模型方案的计算结果，得出以下结论： （１）按常规两塔斜拉桥的钢桁主梁和混凝土桥 塔截面设计的多塔斜拉桥基准模型Ａ，其刚度不能 满足要求，且存在活载应力幅较大等问题。 （２）通过增大梁、塔的抗弯刚度或者斜拉索的
来提高多塔斜拉桥的桥跨结构刚度。桥面以下墩身