懷邵衡鐵路跨資江獨塔混合梁斜拉橋方案設計研究

曹忠強

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

新建懷邵衡鐵路是連通懷化至衡陽的I級客貨共線雙線鐵路。資水既有VI航道，規劃為IV級，單孔雙向通航凈寬90 m，通航凈高8 m，橋梁軸線與航道方向夾角為75°。參考國內外大跨度鐵路橋梁的設計經驗，在滿足防洪、通航要求的前提下，提出以32 m＋230 m＋91 m＋48 m＋40 m獨塔混合梁斜拉橋跨越資江方案，見圖1。

圖1 混合梁獨塔斜拉橋方案立面布置圖（單位：c m）

1 橋式構思

混合梁斜拉橋主跨采用鋼梁以減輕自重、增大跨越能力，邊跨采用混凝土梁進行配重、并提高邊跨剛度，充分發揮了鋼和混凝土2種材料的優勢［1］。本方案以230 m主跨跨越資江，是獨塔混合梁斜拉橋首次應用于國內鐵路項目。全橋共設34對斜拉索，采用半漂浮體系。主梁采用流線型箱型截面，主跨大部分為鋼箱梁，余采用外型輪廓完全相同的混凝土截面，梁高3.5 m，典型主梁截面見圖2，圖3?；炷量缭O置2個支墩以減小主梁彎矩。

圖2 混凝土梁標準橫截面布置圖

圖3 鋼箱梁標準橫截面布置圖（單位：mm）

2 主橋方案分析研究

2.1 鋼混結合段位置的確定

斜拉橋理想的恒載狀態是：主梁恒載彎矩接近剛性支承連續梁的彎矩，索塔恒載彎矩接近于0［2］。為了達到這一理想目標，邊跨和中跨的梁重需要處于一定的平衡狀態。調整邊中跨長度比、改變混凝土梁截面和鋼箱梁截面重量之比、改變鋼混結合段位置都可以使梁重達到平衡。具體到本橋，在主梁截面基本確定、孔跨布置受控防洪和通航要求的背景下，合理確定鋼混結合段位置是達到結構理想恒載狀態的最佳方法。預應力混凝土梁與鋼梁的連接位置宜選擇在彎矩和剪力均較小的區域，并盡量遠離斜拉索錨固區域，一般設在橋塔附近［3］。

本橋合理鋼混結合段位置的確定遵循以下原則：①邊跨梁重平衡中跨梁重，即恒載狀態下，邊跨不出現負反力；②恒載＋中跨滿布荷載作用下，邊跨支座開始出現負反力。經計算分析，為滿足原則①，鋼混結合段位置可設置在橋塔江側42 m或岸側31 m；對于原則②，在江跨滿布活載作用下，邊跨全混凝土設計岸跨支座仍出現10 000 k N負反力。這說明在現有的β值及邊跨長度條件下，邊跨梁重無法達到原則②劃定的上限。為保證邊跨梁重，可采取提高β值、增大邊跨長度及邊跨壓重等方式進行調整。本橋設計采用邊跨混凝土壓重方案。

實際上，當邊跨略重于中跨時，設計中仍可保持邊跨索力與中跨索力平衡，以保證索塔恒載彎矩為0，邊跨超出的重量可由輔助墩平衡；當邊跨略輕于中跨時，可采用邊跨壓重或設置拉力墩的方法平衡中跨。從這個意義上說，合理鋼混結合段位置是一個范圍的概念。本方案由原則①確定的范圍為橋塔江側42 m至岸側31 m。一般來說，混凝土梁段宜盡量伸入中跨，以降低工程造價，但也不宜伸入過長，以免造成邊跨主梁、斜拉索的受力不合理，同時使得構造處理難度太大［4］。本設計最終采用鋼混結合段位置為江側距橋塔中心15 m。

2.2 結構豎向剛度分析研究

結構的剛度往往是鐵路橋梁設計中控制性的因素。影響斜拉橋豎向剛度的因素有梁高、斜拉索面積、橋塔縱向剛度等因素。本文在保持其他因素不變的基礎上，分析研究結構剛度對每個因素的敏感性，以期合理地控制結構豎向剛度。

（1）梁高的改變對斜拉橋結構的豎向剛度影響不大，一般不超過20%。另一方面，梁高雖對結構剛度的直接影響不是很顯著，梁重的變化卻間接決定了斜拉索的面積和應力，從而決定了斜拉索折減后的有效剛度。故須綜合考慮斜拉索的因素，確定合理的梁高。

（2）改變斜拉索的面積。通過觀察主梁最大豎向位移的相應變化，研究結構剛度與斜拉索面積間的關系。為方便起見，全橋斜拉索采用同一面積。分別選取斜拉索面積151，187，223，265，301，349，409 mm2，得主梁在活載作用下最大豎向撓度，見圖4。

圖4 主梁最大活載撓度與斜拉索面積關系圖

圖5 主梁最大活載撓度與單根斜拉索面積改變關系圖

（3）橋塔的縱向剛度由橋塔的縱橋向長度和塔高2個因素決定。保持其他因素不變，分別計算1，2，4，8倍橋塔縱向剛度下結構的豎向位移。經計算分析，當橋塔縱向剛度由1倍增至8倍時，主梁活載作用下最大位移由325 mm下降至300 mm，即結構豎向剛度增加了8%。增大橋塔縱向剛度對結構豎向剛度的影響很小。

為分析塔高變化對結構豎向剛度的影響，保證其他因素不變，分別計算塔高100，110，120，130，140 m時主梁活載最大位移。計算結果表明，當塔高由100 m增加至140 m時，主梁最大位移由341 mm下降至277 mm，即結構豎向剛度增加23%。增加橋塔高度可在一定程度上提高結構豎向剛度，同時斜拉索的疲勞應力幅也相應由163 MPa減小至134 MPa。

綜合以上幾點可知：增大結構豎向剛度的最有效途徑是增大斜拉索的面積，增大江側M9及其附近斜拉索效果尤其顯著；增加主梁高度和橋塔高度均可在一定程度上增大結構剛度，需綜合結構受力、經濟性、美觀性等方面因素合理取值；增大橋塔縱向剛度對結構豎向剛度影響很小。

3 結語

本文通過“重量平衡原則”，以“邊跨梁重平衡中跨梁重”和“邊跨梁重平衡中跨梁重＋滿布活載”假定計算得混凝土梁長的下限和上限，以此確定鋼混結合段合理位置；通過分析影響剛度的各個因素，明確斜拉索面積是影響結構剛度的第一要素，并對每根斜拉索的效應進行深化分析。梁高和塔高可在一定程度上影響結構豎向剛度，橋塔縱向剛度影響很小。

由圖4可見，增加斜拉索面積是提高結構豎向剛度的有效途徑，每mm2斜拉索面積的增加可減少約1.2 mm的主梁活載位移。因此，有必要對斜拉索因素進行深入分析。江側斜拉索由塔根向江側依次編號為M1～M17，向岸側依次編號S1～S17，保證其他斜拉索面積不變，分別將每根斜拉索面積由151 mm2增至409 mm2，得相應主梁最大活載位移見圖5。顯然，增大M9及其相鄰的斜拉索面積對結構的豎向剛度影響最為顯著。

［1］ 劉 高，唐 亮，譚 皓，等.混合梁斜拉橋鋼混結合部的合理位置［J］.公路交通科技，2010（6）：52-57.

［2］ 徐利平.混合梁斜拉橋的邊中跨合理比例［J］.上海公路，2002（4）：28-30.

［3］ 王治均，李三珍.混合梁斜拉橋主梁鋼混結合段設計［J］.公路交通技術，2010（4）：46-48.

［4］ 盧桂臣，鄒宏華.混合式斜拉橋鋼混結合段的優化研究［J］.中外公路，2006（3）：153-156.