1.3　鐵路混合組合梁斜拉橋荷載與結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

1.3.1　結(jié)構(gòu)荷載體系特點(diǎn)

相對而言，世界范圍內(nèi)鐵路專用斜拉橋應(yīng)用很少，究其原因，由于斜拉橋畢竟是比較柔的結(jié)構(gòu)，對動力因素影響較大的鐵路列車荷載具有的抗振性能要差一些。因此，不得不強(qiáng)調(diào)鐵路混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)的鐵路列車荷載特點(diǎn)。鐵路行車固定的軌道位置、更重的輪軸壓力以及行車安全性、平穩(wěn)性和旅客乘坐舒適性的要求，使得鐵路橋梁比公路橋梁需要具有更大的剛度和振動穩(wěn)定性，以及更強(qiáng)的抗列車荷載的疲勞性能。因此，鐵路列車荷載體系作用于鐵路橋梁體現(xiàn)出許多不同的作用效應(yīng)特點(diǎn)。

1.鐵路列車荷載作用效應(yīng)

（1）鐵路列車荷載圖式標(biāo)準(zhǔn)

①時速160km及以下的普速鐵路、時速200km客貨共線鐵路橋梁采用“中-活載”，活載圖式如圖1-25所示。

②時速250～350km高速鐵路橋梁采用ZK荷載圖式，如圖1-26和圖1-27所示。

③時速200km城際軌道交通橋梁采用ZC荷載圖式，如圖1-28和圖1-29所示。

④貨運(yùn)重載鐵路橋梁采用ZH荷載圖式，如圖1-30所示，并乘以重載等級系數(shù)Z，Z一般取1.0～1.3。

以上幾種鐵路列車標(biāo)準(zhǔn)荷載圖式中，ZH標(biāo)準(zhǔn)荷載圖式值最大，歐洲UIC列車荷載與“中-活載”荷載圖式基本相當(dāng)。另一種是日本新干線H標(biāo)準(zhǔn)荷載，當(dāng)為標(biāo)準(zhǔn)定員時軸重，160kN、170kN，考慮超員影響，軸重最大為220kN。日本H標(biāo)準(zhǔn)荷載最小，僅相當(dāng)于0.4UIC。

上述列車荷載圖式均為單線鐵路，雙線鐵路列車荷載加載時除“中-活載”圖式荷載值乘以1.8外，其余圖式荷載值均乘以2。總體來說，鐵路各種荷載圖式中4個集中力總載重較大，均布荷載都在48kN/m以上，總的荷載值均較重，具體加載總值與列車加載長度有關(guān)。

（2）鐵路列車荷載加載長度取值

加載長度考慮有兩種方法取值，一是按到發(fā)線有效長度扣除兩端安全距離考慮，到發(fā)線有效長度尚應(yīng)考慮后期改造的可能性。例如到發(fā)線有效長度1050m，兩端安全距離各40m，則加載長度為970m。二是由牽引定數(shù)反算加載長度。例如牽引定數(shù)5000t，對應(yīng)的加載長度614.25m。

（3）鐵路列車荷載對橋面寬度作用的影響

僅從滿足各自承載功能要求來看，滿足兩線鐵路功能要求的橋面寬僅需約12m，而滿足6車道“公路-Ⅰ級”功能要求的橋面寬約35m。超大跨徑公路斜拉橋梁本身寬度大，可以很好地滿足功能與結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。而單純的同跨度鐵路斜拉橋梁列車荷載比重大，對斜拉索以及鋼結(jié)構(gòu)的疲勞設(shè)計(jì)要求更高，為滿足橫向剛度要求，一般還會出現(xiàn)橋面結(jié)構(gòu)寬度大于功能要求的情況，造成橋面浪費(fèi)。

（4）公鐵兩用斜拉橋可降低鐵路列車荷載的作用效應(yīng)

公鐵兩用斜拉橋降低了鐵路荷載的比例，合理利用了橋面寬度，較好地做到了結(jié)構(gòu)寬度功能與構(gòu)造的互補(bǔ)，改善了列車通行的安全性、舒適性條件，降低了列車與橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。正是因?yàn)槿绱耍罂缍辱F路斜拉橋一般多采用公鐵合建。一定程度上也可以認(rèn)為，功能上僅為雙線鐵路荷載的話，列車對超大跨徑鐵路斜拉橋的振動和穩(wěn)定性的影響，均比同跨度公鐵合建橋梁要大。

2.鐵路斜拉橋受到車橋振動的耦合作用效應(yīng)

鐵路列車對橋梁的動力作用會引起橋梁上部結(jié)構(gòu)的振動，可能使橋梁構(gòu)件產(chǎn)生疲勞，降低其強(qiáng)度和穩(wěn)定性，而橋梁振動過大又會對橋上車輛的運(yùn)行安全和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，掌握列車與橋梁間的動力響應(yīng)分析與監(jiān)測技術(shù)是超大跨徑鐵路斜拉橋梁的關(guān)鍵技術(shù)，往往需依據(jù)橋上列車運(yùn)行的安全性和旅客乘坐的舒適性來確定橋梁結(jié)構(gòu)合理的剛度值。

反映列車安全性的指標(biāo)是梁體橫向振幅、列車脫軌系數(shù)、輪重減載率，反映乘坐舒適性的指標(biāo)是車體加速度指標(biāo)。不僅橋梁本身的豎向、橫向及抗扭剛度需要滿足這些指標(biāo)的要求，而且橋面軌道條件、機(jī)車車輛的動力性能也需要達(dá)到這些指標(biāo)的要求，因此，鐵路斜拉橋需進(jìn)行車橋動力響應(yīng)分析研究，以此判斷橋梁的豎向、橫向剛度是否足夠。此外，在風(fēng)環(huán)境影響較大的區(qū)域還需進(jìn)行風(fēng)車橋耦合振動響應(yīng)分析，以保證在有車風(fēng)壓狀況下，列車過橋時具有足夠的安全度和一定的舒適性。

3.橋上縱向長鋼軌荷載與斜拉橋結(jié)構(gòu)相互作用效應(yīng)

橋上無縫線路縱向力是伸縮力、撓曲力及斷軌力的總稱。因“梁-軌”之間溫度作用下的相互約束引起的鋼軌縱向力稱之為伸縮附加力，因梁的撓曲而引起的鋼軌縱向力稱之為撓曲附加力。這些力同時又反作用于梁跨和固定支座上，使橋墩臺產(chǎn)生彈性變形，墩頂發(fā)生縱向位移。此外，如果橋上發(fā)生斷軌，溫度力和伸縮附加力就會得到釋放，并通過梁、軌間的約束使墩臺和固定支座受到斷軌力的作用。斜拉橋上無縫線路梁軌相互作用方式已不再僅僅是一般橋上無縫線路“梁-軌”之間的相互作用，由于溫度變化或列車荷載作用，斜拉橋會通過道床或扣件系統(tǒng)帶動梁上鋪設(shè)的鋼軌一起受力和變形，形成“塔-索-梁-軌”的耦合作用體系，且需考慮梁-塔之間的阻尼限位作用。另外，長軌條因列車啟動、制動、鋼軌折斷或位于無縫線路伸縮區(qū)產(chǎn)生縱向位移，通過扣件系統(tǒng)及道床對主梁施加縱向力，主梁通過拉索又將該縱向力傳至橋塔，各部件之間的傳力機(jī)理、相互作用方式更為復(fù)雜。

1.3.2　結(jié)構(gòu)構(gòu)造體系特點(diǎn)

斜拉橋最重要部分是塔、索、梁，其中加勁梁除了承受梁體自重外，還承受橋面軌道結(jié)構(gòu)和欄桿、人行道等二期恒載，是直接傳遞鐵路列車荷載的結(jié)構(gòu)部件；斜拉索按一定的間距錨固在梁上，每一根斜拉索對加勁梁起著彈性支承的作用，將加勁梁及橋面荷載通過一根根的斜拉索傳遞至與其錨固的塔身；橋塔包含其基礎(chǔ)，承受兩側(cè)斜拉索的拉力所合成的沿塔軸線壓力和不平衡索力所產(chǎn)生對塔身的彎矩，單側(cè)斜拉索的拉力與斜塔的情況鐵路斜拉橋極少采用。為了使相對比較柔性的鐵路斜拉橋能夠安全地承受鐵路列車及其軌道荷載體系，鐵路混合組合梁專用斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)應(yīng)該是塔、索、梁均具有相對比較大的剛度。

1.3.2.1　加勁梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造

鐵路混合梁斜拉橋中的加勁梁一般來說邊跨是混凝土梁、主跨是鋼梁，加勁梁截面有箱形、工字形梁和鋼桁架梁，鋼混結(jié)合段可以設(shè)置在主跨側(cè)，也可以設(shè)置在邊跨側(cè)。如果是鋼梁，將鋼箱梁帶有U形或V形加勁肋的鋼頂板替換采用混凝土板，或?qū)⒐ぷ中武摿翰贾贸煽v梁、橫梁，再在縱橫梁上翼緣頂面鋪設(shè)混凝土單元板，或在鋼桁架頂面布置混凝土板塊，這種鋼混組合截面就成組合梁。加勁梁截面設(shè)計(jì)需綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、橫豎及抗扭剛度、抗風(fēng)性能及經(jīng)濟(jì)性等多種因素。箱形截面梁抗扭剛度大、空氣動力穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，經(jīng)濟(jì)性也比較好，比較適合鐵路混合梁斜拉橋選用。

1.加勁梁高度

斜拉橋的整體剛度由斜拉索、加勁梁和橋塔共同提供，加勁梁的高跨比不僅體現(xiàn)了斜拉橋的柔細(xì)程度，而且也是反映斜拉橋豎向剛度的指標(biāo)。在一定的范圍內(nèi)，認(rèn)為加勁梁越高對斜拉橋的整體剛度貢獻(xiàn)越大，所以對鐵路斜拉橋一般采用鋼桁加勁梁。也許是因?yàn)殍F路列車可以在桁架內(nèi)通行，既可使鋼桁架有足夠的高度，對整體剛度有幫助，又不增加橋梁的建筑高度（指軌底至梁底的高度），從而可以使橋梁的整體高度降低，節(jié)省引橋工程造價。其實(shí)不然，像這樣有足夠高度的鋼桁加勁梁，研究表明超過一定的梁高范圍，加勁梁高度增加已經(jīng)對斜拉橋的整體剛度貢獻(xiàn)微乎其微，這時應(yīng)注意其經(jīng)濟(jì)性了。雖然鐵路斜拉橋的加勁梁高度采用鋼箱加勁梁，橋梁的建筑高度相對較高一些，但是，鋼箱梁可以靈活地應(yīng)用于雙向縱坡上，并不會因此而增加引橋工程造價，同時，鋼箱梁斜拉橋仍不失斜拉橋柔細(xì)感的特色。國內(nèi)外部分鐵路斜拉橋箱形加勁梁高跨比統(tǒng)計(jì)見表1-2，國內(nèi)外部分公路混合梁斜拉橋的高跨比統(tǒng)計(jì)見表1-3。

由表1-2和表1-3可知，鐵路箱形加勁梁斜拉橋的高跨比多在1/30～1/70，個別小于1/100，而公路混合梁斜拉橋的高跨比大多在1/180～1/250，梁高絕大多數(shù)介于2.7～3.8m之間。可見鐵路斜拉橋更注重結(jié)構(gòu)的整體豎向剛度，而不同于公路橋以追求柔細(xì)感為發(fā)展趨勢，因此加勁梁的高跨比均大于相同跨度的公路橋。

（1）梁高比較

為了研究梁高對斜拉橋整體剛度的影響，綜合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、橫豎向剛度要求，以主跨468m鋼箱混合梁斜拉橋?yàn)槔捎昧焊?.5m、5m兩種方案進(jìn)行比較，高跨比分別為1/104、1/93.6，橋式布置及截面形式參見后續(xù)章節(jié)。不同梁高斜拉橋受力比較情況如圖1-31～圖1-37所示，不同梁高對比結(jié)果見表1-4，梁高對結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響程度見表1-5。

續(xù)上表

續(xù)上表

（2）梁高比較分析

①鋼箱加勁梁的梁高每增加0.5m，加勁梁截面積增加約2％～3％，豎向抗彎慣性矩增大逾20％，抗扭慣矩增幅達(dá)20％左右。可見梁高適當(dāng)增大可提高加勁梁的剛度，而增加的工程數(shù)量有限。

②隨著梁高的加大，加勁梁活載撓度、橋塔活載縱向位移逐漸減小，梁端轉(zhuǎn)角減小尤為明顯，但梁高并非斜拉橋整體豎向剛度的主要控制因素，斜拉橋的整體剛度主要由斜拉索及橋塔提供。但梁高的變化增加了迎風(fēng)面積，在風(fēng)力、搖擺力、溫度組合作用下的橫向位移并不一定減小，這點(diǎn)需要關(guān)注。梁高4.5m方案雖然截面抗扭剛度、橫向抗彎慣性距分別僅為5m梁高的83.6％和98.6％，但由于梁高的減小了加勁梁的迎風(fēng)面積，4.5m梁高在風(fēng)力、搖擺力、溫度組合作用下的橫向位移反而更小。

③梁高變化可使橋塔內(nèi)力及斜拉索力發(fā)生微小變化，但影響甚微。

④4.5m梁高相比5m梁高，可節(jié)約混凝土加勁梁圬工量491m3、鋼箱梁鋼材用量53t、混凝土梁體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋31t，增加斜拉索用量17t。兩方案工程量差別較小。

2.加勁梁寬度

加勁梁結(jié)構(gòu)寬度首先需要滿足單線鐵路或雙線鐵路大跨度鐵路斜拉橋的功能布置需要，其次須具有足夠的橫豎向剛度，良好的行車安全性和乘坐舒適性。單線鐵路或雙線鐵路大跨度鐵路斜拉橋滿足了橋面線路構(gòu)造布置所需要的梁體寬度，往往還不能滿足鐵路橋梁對橫向剛度的要求。鐵路橋梁的橫向剛度主要體現(xiàn)在由列車搖擺力、橫向風(fēng)力和橫向溫度力共同作用產(chǎn)生的橫向撓度或橫向振幅指標(biāo)即橫向撓跨比。很明顯，增加梁的寬度能夠很顯著地增加斜拉橋的橫向剛度。但是，也會相應(yīng)地增加工程量，特別是對超大跨鐵路專用鋼桁梁斜拉橋，一味地追求橋梁橫向剛度而不得不加大鋼桁梁的整體寬度，因此會顯著地增加鋼材用量而不經(jīng)濟(jì)。鐵路混合梁斜拉橋邊跨采用截面特性大、體量重的混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系，保證橋梁的橫向剛度具有自身優(yōu)勢，關(guān)鍵在于選取技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的主跨鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

（1）梁寬比較

為了研究和說明加勁梁寬度的影響，以寧波甬江特大橋主跨468m鋼箱混合梁斜拉橋?yàn)槔瑯蚴讲贾眉敖孛嫘问絽⒁姾罄m(xù)章節(jié)。在保證加勁梁氣動外形基本一致的情況下，選取18m、21m、24m三種梁寬進(jìn)行比較。不同梁寬度斜拉橋受力比較情況如圖1-38～圖1-44所示，不同梁寬對比結(jié)果見表1-6，梁高對結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響程度見表1-7。

續(xù)上表

（2）梁寬比較分析

①加勁梁寬度的增大提高了加勁梁剛度，尤其橫向抗彎慣性矩增加顯著，相應(yīng)地也增加了加勁梁工程數(shù)量。加勁梁寬度每增加3m，截面積增加約10％，豎向抗彎慣性矩增加約14％，橫向抗彎慣性矩增幅約50％。18m梁寬方案的結(jié)構(gòu)豎向剛度稍差，結(jié)構(gòu)橫向剛度降低明顯。

②加勁梁寬度的增大使結(jié)構(gòu)整體橫向剛度顯著增加，但結(jié)構(gòu)整體豎向剛度增大有限，即風(fēng)力與搖擺力、溫度組合作用下的加勁梁橫向位移顯著減小，但加勁梁活載作用下的豎向撓度、梁端轉(zhuǎn)角減小幅度較小。

③加勁梁寬度的增加使得自身剛度及重量均有所增大，加勁梁相應(yīng)承擔(dān)了更大的彎矩，斜拉索的索力也有小幅增大，但橋塔受力影響甚微。

④從經(jīng)濟(jì)性考慮，在滿足橋梁橫向剛度條件下，加勁梁寬度越小越好。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、橫豎向剛度以及工程經(jīng)濟(jì)性，選取21m梁寬方案。

3.加勁梁高度與寬度比較結(jié)論

斜拉橋加勁梁的高度和寬度是影響斜拉橋豎向和橫向剛度的因素之一。對于鐵路混合組合梁斜拉橋隨著梁高的加大，加勁梁的活載撓度雖然逐漸減小，但影響程度很小，而對梁端轉(zhuǎn)角減小則較為明顯。從撓跨比指標(biāo)值來說，加勁梁的高度可以考慮為主跨跨度的1/100，根據(jù)具體情況加勁梁梁高也可以考慮在主跨跨度的1/50～1/150變化。加勁梁寬度的增加使結(jié)構(gòu)整體橫向剛度顯著增大，影響程度很大。從橫向剛度考慮，加勁梁的總寬度在有條件的情況下，可以適當(dāng)考慮比較寬一些，這也是鐵路鋼箱混合組合梁斜拉橋在鐵路列車振動、搖擺力和風(fēng)力與比較柔性的斜拉橋發(fā)生耦合作用對剛度的更好要求。根據(jù)具體情況加勁梁的寬度可以考慮在1/20～1/30，一般建議取1/25比較合適。

1.3.2.2　橋塔結(jié)構(gòu)構(gòu)造

斜拉橋橋塔高度直接影響到斜拉索對加勁梁的支承效應(yīng)。橋面以上橋塔越高，斜拉索縱向水平傾角越大，其豎向分力對加勁梁的支承作用就越大，對提高橋面加勁梁結(jié)構(gòu)豎向剛度有利。但是，若橋塔過高，不僅會使橋塔的線剛度減少，導(dǎo)致塔頂位移增加，從而影響加勁梁的撓度，而且，還會增加工程量和風(fēng)載面積。同時，斜拉索相應(yīng)加長，加大了長大拉索的振動響應(yīng)。若橋塔較矮，斜拉索與加勁梁之間的夾角較小，此時，減少了斜拉索對梁豎向支撐的有效性，承載相同的恒載和活載，需更大的索力，加勁梁承受的軸力會顯著增大，不利于加勁梁的抗彎壓穩(wěn)定，也會增加加勁梁材料用量。表1-8和表1-9分別列出了國內(nèi)鐵路（公鐵）鋼桁梁斜拉橋及國內(nèi)外已建公路混合梁斜拉橋橋面以上塔高與主跨跨徑之比。

由表1-8和表1-9可知，公路混合梁斜拉橋橋面以上塔高與主跨之比大多在1/4～1/5，中跨斜拉索與主梁間縱向最小水平夾角多處于20.5°～26°范圍，而國內(nèi)大跨鐵路（公鐵兩用）鋼桁梁斜拉橋，軌頂以上塔高與主跨之比介于1/3.35～1/3.81之間，主跨斜拉索與加勁梁間縱向最小水平夾角處于27.1°～30.1°范圍。可見，在同等跨徑的情況下，鐵路斜拉橋塔高相對公路斜拉橋而言要高一些。表中所指均為鐵路鋼桁梁斜拉橋，而對于鐵路鋼箱混合梁斜拉橋，由于鋼箱加勁梁自身剛度小于鋼桁梁，斜拉橋整體剛度對鐵路行車應(yīng)具有同等要求，有必要尋求鐵路混合梁斜拉橋的塔高（軌頂以上）與跨徑之比的合理值。

（1）橋塔高度的比較

對于主跨468m混合梁鐵路斜拉橋，選用三種不同的塔高方案見表1-10，在不改變橋塔截面剛度的情況下，比較分析三種塔高度對加勁梁、橋塔以及斜拉索內(nèi)力、撓度、位移的影響。

三種不同塔高的主要比選情況如圖1-45～圖1-58所示，不同塔高對比結(jié)果見表1-11，對結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的影響程度見表1-12。

（2）塔高比較分析

①橋塔高度適當(dāng)增加，加大了主跨斜拉索與加勁梁間縱向水平夾角，提高了斜拉索對加勁梁的豎向支承作用，有效減小了加勁梁列車荷載跨中撓度，增大了結(jié)構(gòu)整體剛度，但梁端轉(zhuǎn)角變化甚微，且橋塔增加使其自身總體橫向剛度減小，使得結(jié)構(gòu)整體橫向剛度略微減小。如塔高（軌頂以上）由130m增至150m，主跨跨中列車荷載靜載撓度減小8.1％，撓跨比由1/671減小至1/726。

②橋塔高度適當(dāng)增加，會引起全橋斜拉索的縱向水平傾角普遍增大，斜拉索恒載及列車荷載的水平分力減小，因而斜拉索的索力、列車荷載索力幅都會不同程度減小，對加勁梁的軸向壓力也相應(yīng)顯著減小，且離塔越近減小越明顯；橋塔高度增加，因塔柱自重增大，塔柱軸力也會略微增大。

續(xù)上表

③從經(jīng)濟(jì)性考慮，合理范圍內(nèi)的塔高越小越好，但總體上帶來的工程投資增加較為有限。主跨468m鋼箱混合梁斜拉橋橋塔高140m方案相比130m方案，斜拉索用量、橋塔圬工量、混凝土加勁梁預(yù)應(yīng)力鋼束分別增加53t、672m3、100t。

綜上可見，在經(jīng)濟(jì)性方面130m塔高方案最優(yōu)，140m方案次之，而150m方案居末。在結(jié)構(gòu)受力方面，140m方案和150m方案均滿足要求、受力較優(yōu)，而130m塔高的靜活載豎向撓跨比稍差，且該方案的斜拉索列車荷載索力幅和加勁梁軸力顯著增大，受力不利。

（3）橋塔高度比較結(jié)論

在鐵路鋼箱混合組合梁斜拉橋中橋塔不能太柔，但也不能太剛，剛度太大必然會增加橋塔的工程量而不經(jīng)濟(jì)，如果適當(dāng)?shù)仄蛉峒?xì)一些，就可以節(jié)省工程量，此時可以采取預(yù)加力剛度法加大斜拉索的張拉力，使橋塔偏向邊跨側(cè)，以增大主跨加勁梁的整體剛度。合理的橋塔線剛度很重要，在一定的橋塔線剛度值的條件下，對于加勁梁自身剛度較小的鐵路大跨度鋼箱混合梁斜拉橋，適當(dāng)提高塔高，一般可以考慮為主跨跨度的0.3倍左右，以使主跨最長索與加勁梁縱向水平夾角約30.0°作為選擇橋塔高度的依據(jù)，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性是較合理的。

1.3.2.3　斜拉索及其錨固結(jié)構(gòu)

斜拉索在斜拉橋中無論是結(jié)構(gòu)上還是造型上都是非常重要的，在結(jié)構(gòu)上斜拉索是全橋最主要構(gòu)件之一，斜拉索結(jié)構(gòu)材質(zhì)與截面積既要考慮高強(qiáng)度具有較高的承載能力和較好的抗疲勞性能，斜拉索結(jié)構(gòu)截面要考慮緊湊具有良好的抗風(fēng)性能和起到增大斜拉橋整體剛度的作用，不僅如此，而且還要考慮由于索結(jié)構(gòu)耐久性的原因鐵路斜拉橋斷索、換索養(yǎng)護(hù)維修時強(qiáng)度的需要，這個問題在鐵路斜拉橋中顯得尤為重要。斜拉索的錨固不僅要考慮索結(jié)構(gòu)所需要考慮的一切因素，還要注意錨固結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜應(yīng)力集中現(xiàn)象突出等問題。

1.斜拉索結(jié)構(gòu)

具體來說，鐵路鋼箱混合梁斜拉橋其斜拉索的規(guī)格選擇不僅要關(guān)注強(qiáng)度安全系數(shù)，而且還要注意控制結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力幅，以及橋梁的整體剛度等多種耦合因素。

（1）斜拉索規(guī)格的選取原則

將斜拉索強(qiáng)度安全系數(shù)、活載疲勞應(yīng)力幅、斜拉索應(yīng)力變幅、成橋態(tài)斜拉索應(yīng)力、結(jié)構(gòu)整體豎向剛度等多種斜拉索規(guī)格選取的因素進(jìn)行了量化，斜拉索規(guī)格選取原則應(yīng)考慮：

1）斜拉索強(qiáng)度安全系數(shù)

①正常運(yùn)營和施工狀態(tài)的斜拉索強(qiáng)度要求。

根據(jù)鋼絲索受力特性，當(dāng)受載超過破斷荷載的50％時，其非彈性應(yīng)變將快速增加，因此斜拉索抗拉強(qiáng)度容許值一般控制在0.4～0.45倍抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。即安全系數(shù)不小于2.5。施工階段斜拉索容許拉應(yīng)力為極限強(qiáng)度的50％，安全系數(shù)大于2.0。

②換索及斷索的斜拉索強(qiáng)度要求。

根據(jù)相關(guān)研究，特殊狀態(tài)應(yīng)考慮斜拉索正常更換和任何一根或相鄰兩根斜拉索突然失效的情況。

a.斜拉索正常更換。

設(shè)計(jì)正常換索過程中，采用單線鐵路限速通行（被替換斜拉索側(cè)線路限行）措施，確保處于工作狀態(tài)的斜拉索容許拉應(yīng)力值控制在設(shè)計(jì)值的125％內(nèi)。

b.一根拉索突然斷裂的動力效應(yīng)影響。

設(shè)計(jì)當(dāng)一根斜拉索突然斷裂時，此時列車正常通行，在不減小設(shè)計(jì)列車荷載的前提下，其他工作狀態(tài)的斜拉索應(yīng)力容許值可提高到設(shè)計(jì)值的133％。

c.相鄰兩根拉索突然斷裂的動力效應(yīng)影響。

設(shè)計(jì)當(dāng)相鄰兩根斜拉索突然斷裂時，此時列車正常通行，在不減小設(shè)計(jì)列車荷載的前提下，其他工作狀態(tài)的斜拉索應(yīng)力容許值可提高到設(shè)計(jì)值的154％。

2）疲勞活載應(yīng)力幅

有關(guān)資料表明，對于公路橋，一般實(shí)測活載強(qiáng)度僅占20％，μ=σmin/σmax=0.8，斜拉索疲勞問題不大。而鐵路活載則不同，由于活載大，μ值往往小于0.7，一般介于0.47～0.69之間，斜拉索疲勞強(qiáng)度控制斜拉索的規(guī)格選取。

①疲勞計(jì)算荷載。

疲勞加載參照《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10002.2—2005）第4.3.2條規(guī)定：“雙線鐵路橋主桁（或主梁）構(gòu)件檢算疲勞時，按一線偏心加載并以杠桿原理分配于主桁（或主梁），并以雙線系數(shù)γd修正，雙線系數(shù)γd應(yīng)符合規(guī)范表4.3.2的規(guī)定。”疲勞荷載組合包括設(shè)計(jì)荷載中的恒載加活載，并應(yīng)計(jì)入動力系數(shù)，即：

式中　L——影響線加載長度（m）。

如果是多線鐵路應(yīng)按照各線所開行運(yùn)營列車的特點(diǎn)進(jìn)行列車相遇概率組合，計(jì)算出斜拉橋加勁梁主梁的多線荷載系數(shù)γd。

②疲勞應(yīng)力幅。

國內(nèi)外確定疲勞應(yīng)力幅有如下幾種方法：

方法一：美國后張學(xué)會斜拉橋委員相關(guān)規(guī)定。

美國后張學(xué)會斜拉橋委員會給出的斜拉索疲勞設(shè)計(jì)的疲勞安全度準(zhǔn)則，如圖1-59所示。

圖1-59中，折線（1）為單根構(gòu)件疲勞應(yīng)力幅驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)值，折線（2）為成品斜拉索試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值，折線（3）為疲勞應(yīng)力幅設(shè)計(jì)允許值。Δ1為質(zhì)量保證數(shù)，是由鋼絲組編為成品索過程中，由于展絲、編絲、扭角等造成的疲勞降低值；Δ2為考慮長度影響、錨固應(yīng)力上升、斜拉索垂度效應(yīng)的安全富裕量。

美國后張學(xué)會斜拉橋委員會給出的鋼絲、鋼絞線及鋼筋設(shè)計(jì)允許疲勞應(yīng)力幅值及相應(yīng)壽命見表1-13。

由表1-13可知，對于200萬次疲勞循環(huán)試驗(yàn)疲勞強(qiáng)度282.70MPa的鋼絲，其成品斜拉索的疲勞應(yīng)力幅設(shè)計(jì)允許值取144.8MPa。若鋼絲的試驗(yàn)疲勞強(qiáng)度值進(jìn)一步提高，則成品斜拉索的疲勞應(yīng)力幅亦相應(yīng)增大。

方法二：根據(jù)鋼絲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果或由鋼絲生產(chǎn)廠家提供疲勞應(yīng)力，然后考慮一定的安全系數(shù)，作為斜拉索的疲勞強(qiáng)度。

式中　ΔσS——鋼絲的試驗(yàn)疲勞強(qiáng)度（MPa）；

γ1——鋼絲的材料安全系數(shù)，取1.15；

γ2——由鋼絲組成斜拉索的構(gòu)造安全系數(shù)，取1.15；

γ3——一般人為規(guī)定的安全系數(shù)，取1.15。

根據(jù)《橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲》（GB/T 17101—2008）：

ΔσS=360MPa，則Δσ=236.7MPa或240MPa。

方法三：《斜拉橋熱擠聚乙烯高強(qiáng)鋼絲拉索技術(shù)條件》（GB/T 18365—2001）第6.4.2.2條規(guī)定。

6.4.2.2　　試驗(yàn)方法：先加設(shè)計(jì)荷載1.2倍的靜載并持荷10min后卸載，量測分絲板內(nèi)縮值。然后用脈沖荷載加載，使鋼絲應(yīng)力上限達(dá)0.4σb，下限達(dá)0.28σb。在200萬次脈沖試驗(yàn)加載后，試驗(yàn)索的鋼絲斷絲數(shù)不大于總數(shù)的5％，即為合格。

以破斷強(qiáng)度1670MPa平行鋼絲索為例，Δσ=（0.4-0.28）×1670=200.4MPa。

方法四：《大跨度斜拉橋平行鋼絲斜拉索》（JT/T 775—2010）第5.2.7條規(guī)定。成品斜拉索的200萬次軸向疲勞循環(huán)的應(yīng)力幅值不小于200～250MPa，彎曲疲勞的應(yīng)力幅值不小于。

方法五：Eurocode 3：Design of steel structures—Part 1-11：Design of structures with tension components規(guī)定。Table9.1規(guī)定對于200萬次的軸向疲勞循環(huán)的應(yīng)力幅值不小于160MPa。

綜合以上五種方法，斜拉索的疲勞活載應(yīng)力幅取160～200MPa都是合理的。

3）成橋狀態(tài)斜拉索有效彈性模量

斜拉索的修正彈性模量與斜拉索的垂度大小有關(guān)，而垂度大小又與斜拉索的應(yīng)力和自重以及斜拉索的水平投影長度有關(guān)。在自重與水平投影長度不變時，斜拉索應(yīng)力越大，其修正彈性模量越大，即斜拉索的彈性模量損失越少。嚴(yán)國敏《現(xiàn)代斜拉橋》給出了不同斜拉索長狀態(tài)下，有效彈性模量E1與材料本身彈性模量E0的比值，以及與斜拉索應(yīng)力的相互關(guān)系如圖1-60所示。

由圖1-60可知：

①索長L≤100m的斜拉索，應(yīng)力σ0為200MPa時，有效彈模比E1/E0大于0.83；

②索長100m<L≤150m的斜拉索，應(yīng)力σ0為250MPa時，有效彈模比E1/E0大于0.89；

③索長150m<L≤200m的斜拉索，應(yīng)力σ0為275MPa時，有效彈模比E1/E0大于0.86；

④索長200m<L≤250m的斜拉索，應(yīng)力σ0為300MPa時，有效彈模比E1/E0大于0.83。

成橋狀態(tài)的斜拉索應(yīng)力，可參照以上取值作為下限控制，使斜拉索有效彈性模量比大于0.83，以降低非線性的影響。

4）兼顧橋梁的整體豎向剛度

橋梁整體豎向剛度主要受斜拉索規(guī)格的影響，在斜拉索規(guī)格滿足以上原則的基礎(chǔ)上，對幾對端錨索的規(guī)格予以適當(dāng)加大，以增大橋梁的整體豎向剛度。

（2）斜拉索規(guī)格比選

遵照上述原則作為控制條件，以主跨468m鋼箱混合梁斜拉橋?yàn)槔＿x取多組斜拉索規(guī)格進(jìn)行反復(fù)比選優(yōu)化后確定斜拉索規(guī)格見表1-14和表1-15，相應(yīng)斜拉索實(shí)際有效彈性模量系數(shù)如圖1-61所示。

續(xù)上表

（3）斜拉索規(guī)格選用結(jié)論

①運(yùn)營狀態(tài)下，塔根附近4對斜拉索（S1～S4、M1～M4）的規(guī)格屬強(qiáng)度控制，邊跨S7～S15、主跨M8～M19斜拉索規(guī)格由疲勞應(yīng)力幅控制。

②各種斷索工況下，斜拉索最小強(qiáng)度安全系數(shù)為2.62，大于要求值1.88，各種換索工況下，斜拉索最小強(qiáng)度安全系數(shù)為2.87，大于要求值2.0，均滿足要求。

③邊跨所有拉索及中跨M1～M17拉索的有效彈性模量系數(shù)在0.9以上，M18～M20有效彈性模量系數(shù)超過0.85，M21～M25兼顧結(jié)構(gòu)的整體豎向剛度，有效彈性模量系數(shù)超過0.83。

④通過對幾對端錨索（S21～S25、M21～M25）的規(guī)格予以適當(dāng)加大，增大了結(jié)構(gòu)整體豎向剛度，使得主跨跨中靜活載撓跨比達(dá)到1/701。

2.斜拉索與塔、梁錨固結(jié)構(gòu)

斜拉索最重要的作用是將斜拉索強(qiáng)大的拉力順暢而有效地傳遞給加勁梁和橋塔，鐵路斜拉橋還須注意連接構(gòu)件和焊接的疲勞性能，以及還須注意錨固結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)和斜拉索更換的方便性。

（1）斜拉索與塔的錨固結(jié)構(gòu)

1）雙鋼錨箱

當(dāng)鐵路斜拉橋跨徑很大，橋塔為雙面索布置，上塔柱截面橫橋向比較寬的情況下，塔內(nèi)采用鋼錨箱時，從經(jīng)濟(jì)和受力綜合角度考慮，為了使鋼錨箱結(jié)構(gòu)的鋼板厚度能夠減小，以節(jié)省鋼材，可以采用雙錨箱結(jié)構(gòu)。雙錨箱結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖1-62所示。若為混凝土橋塔，則鋼錨箱與塔柱混凝土壁形成組合結(jié)構(gòu)受力，鋼錨箱由焊釘與塔柱混凝土壁連接，再用環(huán)形預(yù)應(yīng)力筋將鋼錨箱緊緊夾箍在兩側(cè)的塔柱混凝土壁之間。斜拉索就錨固在鋼錨箱中，水平分力由鋼錨箱的縱向鋼板及鋼錨箱兩側(cè)的混凝土塔柱壁共同承受，豎向分力則由上下各層整體焊接在一起鋼錨箱來承受。

2）單鋼錨箱

與上述雙鋼錨箱類似，當(dāng)鐵路斜拉橋跨徑相對較小，橋塔仍然為雙面索布置，上塔柱截面橫橋向比較不太寬的情況下，塔內(nèi)采用鋼錨箱時，可以采用單錨箱結(jié)構(gòu)，如圖1-63所示。

3）鋼錨固梁

將鋼錨固梁置于上塔柱內(nèi)壁牛腿上，斜拉索通過埋設(shè)在塔柱壁中的鋼管錨固在鋼錨固梁兩端的錨塊上，如圖1-64所示。這也是一種常見的斜拉索與塔柱的錨固形式，受力明確，不過當(dāng)橋塔兩側(cè)斜拉索的水平分力不平衡時，要使塔柱一側(cè)柱壁承受不平衡水平力，豎向分力則由鋼錨固梁通過牛腿傳遞至塔柱。

4）混凝土錨固塊

一般情況下，當(dāng)鐵路混合梁斜拉橋跨徑不是很大、斜拉索的索力較小時，常采用設(shè)置在塔柱內(nèi)壁上的混凝土錨固塊方式，斜拉索通過預(yù)埋在塔柱壁混凝土中的鋼管斜向錨固在混凝土錨塊上，如圖1-65所示。通過塔柱混凝土壁傳遞斜拉索的水平分力和豎向分力，塔柱混凝土壁內(nèi)布設(shè)有環(huán)向的水平預(yù)應(yīng)力鋼束。

（2）斜拉索與加勁梁的錨固結(jié)構(gòu)

鐵路斜拉橋大多采用雙面索，常常錨固于加勁梁體兩側(cè)。鐵路混合梁斜拉橋邊跨混凝土梁兩側(cè)采用混凝土錨固塊錨固斜拉索，主跨鋼箱梁通過鋼錨箱或錨拉板與斜拉索錨頭錨固。在公路、鐵路同層的斜拉橋中，雖然斜拉索也是采用雙面索，當(dāng)鐵路布置在橋面中間而雙幅公路分別布置在鐵路兩側(cè)時，常常將斜拉索與加勁箱梁內(nèi)的中間箱室錨固，此時，錨固塊位于加勁箱梁頂板之下的兩側(cè)腹板之間，與頂板及腹板固結(jié)在一起。

1）雙挑式鋼錨箱

雙挑式鋼錨箱是利用加勁梁兩側(cè)風(fēng)嘴當(dāng)作梁體結(jié)構(gòu)參與全截面受力，并作為錨固梁的一端，錨固箱梁的另一端與加勁箱梁邊縱腹板固結(jié)，實(shí)質(zhì)上是一種雙挑鋼錨箱梁，如圖1-66所示。這種情況同樣適應(yīng)于帶有中間箱室公鐵同層合建的雙索面鋼箱梁斜拉橋，其目的是避免鋼錨箱單側(cè)焊接在邊腹板上，對于鐵路鋼箱梁斜拉橋承受長大重載的貨物列車振動不至于斜拉索鋼錨箱結(jié)構(gòu)及其與加勁梁相連結(jié)的焊縫產(chǎn)生高應(yīng)力疲勞損傷等缺陷。

2）鋼錨拉板

如圖1-67所示，斜拉索錨拉板錨固形式比較常見，其受力路徑明確、結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，但是，由于鐵路斜拉橋橋面加勁梁相對比較窄，為獲得柔性斜拉橋橫向相對比較大的穩(wěn)定系數(shù)，常常將雙索面斜拉索內(nèi)傾一定的角度，使得比較厚的錨拉板為與斜拉索受力方向一致，采取分塊焊接與加勁箱梁腹板傾斜連接，此時，就帶來了鋼錨拉板的疲勞問題需要設(shè)計(jì)者去關(guān)注。

3）箱內(nèi)混凝土錨固塊

這種箱內(nèi)混凝土錨固塊的形式適應(yīng)于比較小的箱室，斜拉索的水平分力通過錨固塊傳遞至頂板后再分布到加勁梁的全截面，豎向分力則通過錨固塊兩側(cè)的箱梁腹板傳遞，如圖1-68所示。

4）加勁梁截面兩側(cè)混凝土錨固塊

混凝土加勁梁截面兩側(cè)設(shè)混凝土錨固塊是一種非常普通的雙索面斜拉索錨固形式，如圖1-69所示。這種形式的斜拉索水平分力通過混凝土梁兩側(cè)的實(shí)體快來傳遞，豎向分力需要通過厚的實(shí)體腹板傳遞至加勁梁的整個截面。

1.3.3　結(jié)構(gòu)支承受力體系特點(diǎn)

鐵路橋梁的列車制動力或牽引力按豎向靜活載的10％計(jì)算，以牽引定數(shù)5000t為例，列車制動力或牽引力可達(dá)5000kN，其值遠(yuǎn)大于同類型公路橋梁，因此合理設(shè)計(jì)鐵路斜拉橋的支承結(jié)構(gòu)體系，以減少列車制動力、地震荷載和溫度力的作用，是鐵路大跨度斜拉橋設(shè)計(jì)關(guān)心的重要問題。

1.加勁梁的支承受力體系

鐵路混合梁斜拉橋的最大特點(diǎn)就是邊跨加勁梁要起到錨跨的作用，受力特點(diǎn)是主跨斜拉索的張力通過橋塔而傳遞給予錨跨加勁梁，不僅邊跨加勁梁要比較重，相應(yīng)邊跨加勁梁根據(jù)錨跨的需要設(shè)置一個或多個豎向支承位置，而且橋塔處對加勁梁的支承應(yīng)該具有豎向、橫向并起到縱向轉(zhuǎn)動作用。因此，混合梁斜拉橋加勁梁與橋塔之間不適合采用無支承的漂浮體系。另外由于鐵路鋼箱混合梁斜拉橋整體剛度、位移以及結(jié)構(gòu)疲勞的要求，一般也不采用彈性約束體系，比較適合采用具有豎向支撐的半漂浮體系，也可以采用混合支承體系。塔梁固結(jié)體系一般只有在獨(dú)塔斜拉橋或多塔斜拉橋的中塔柱的支承體系中采用。國內(nèi)典型鐵路（公鐵）斜拉橋支承體系見表1-16。

續(xù)上表

（1）加勁梁豎向支承

加勁梁豎向支承體系在橋塔處設(shè)置可縱向滑動的豎向支座，亦稱半漂浮體系。與漂浮體系相同，溫度、縱向風(fēng)荷載及活載將在梁端產(chǎn)生較大位移，也需要設(shè)置大型伸縮裝置。彈性約束體系橋塔與加勁梁之間設(shè)置水平彈性索，其優(yōu)點(diǎn)在于在任何荷載狀態(tài)下都會在結(jié)構(gòu)中發(fā)生作用，結(jié)構(gòu)支承條件和受力狀況比較明確。取用剛度合適的水平彈性索既可以減小塔梁水平位移、控制溫度力，又可以抑制由風(fēng)、地震等產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)，改變梁、塔的失穩(wěn)形態(tài)。阻尼約束體系在塔、梁之間設(shè)置阻尼裝置，特點(diǎn)是對溫度變化、較小風(fēng)速和車輛等緩慢荷載不約束，但對動荷載（制動力、脈動風(fēng)、船舶撞擊力和地震等）的動力響應(yīng)產(chǎn)生緩沖和阻尼作用。目前，如黏滯阻尼器、液壓緩沖器等已得到廣泛應(yīng)用。塔梁固結(jié)體系，各方向自由度均被約束，因限制了橋塔和加勁梁之間的相對滑動，可有效減小梁端位移，但溫度變化將對結(jié)構(gòu)內(nèi)力產(chǎn)生較大的影響。

（2）加勁梁混合支承

加勁梁支承混合體系是將上述體系混合使用以滿足結(jié)構(gòu)所需功能要求。日本多多羅大橋?yàn)橹骺?90m的雙塔斜拉橋，其在索塔處采用大型橡膠支座，豎向支撐與縱向彈性約束支承體系混合。還有采用了阻尼約束和彈性約束混合支承體系的形式，在塔梁連接處安裝螺旋槳式阻尼裝置和水平拉索彈性裝置，如鶴見航道橋?yàn)橹骺?10m的雙塔斜拉橋。

半漂浮體系與縱向液壓黏滯阻尼器混合支承體系是鐵路大跨度斜拉橋比較常用的混合體系方式。普通黏滯阻尼器裝置僅具有動力阻尼約束作用，即對脈動風(fēng)、剎車和地震引起的動荷載具有阻尼耗能作用，不能限制靜風(fēng)荷載、溫度等引起的緩慢位移。液壓限位黏滯阻尼裝置具有動力阻尼和靜力額定行程剛性限位的功能，當(dāng)由靜風(fēng)、溫度和汽車引起的塔梁相對縱向位移在阻尼器設(shè)計(jì)行程以內(nèi)時，不約束加勁梁運(yùn)動，超出限位行程時，對加勁梁運(yùn)動產(chǎn)生剛性固定作用。同時還應(yīng)保證在發(fā)生動荷載作用時，阻尼器有足夠的行程正常工作。

在塔梁相對位移達(dá)到最大時，黏滯阻尼器的阻尼力最小，接近于零；而黏滯阻尼器的阻尼力最大時，塔梁相對位移最小，彈性力也最小。黏滯阻尼器的阻尼力和結(jié)構(gòu)的彈性力之間有90°的相位差，因此，黏滯阻尼器并不增加橋塔的受力。實(shí)際工程中使用的黏滯阻尼器一般為非線性阻尼器。

2.橋塔的支承受力體系

（1）塔墩固結(jié)、塔梁分離

鐵路混合梁斜拉橋橋塔的支承受力體系主要有塔墩固結(jié)、塔梁分離這種大多數(shù)大跨度斜拉橋所采用的支承形式。塔柱下端固結(jié)于墩頂部形成塔墩一體，上、中、下塔柱完整的橋塔結(jié)構(gòu)，可在下塔柱頂部下橫梁上設(shè)置對加勁梁的豎向、橫向和縱向支承，如圖1-70所示。既可以約束塔頂?shù)奈灰朴挚梢允辜觿帕哼m應(yīng)斜拉橋在列車荷載、溫度荷載、風(fēng)載和地震荷載作用下的變位與受力的要求。

（2）塔、梁、墩固結(jié)

在較小跨徑的鐵路混合梁獨(dú)塔雙跨式斜拉橋中，也采用塔、梁、墩固結(jié)的支承形式，因?yàn)楠?dú)塔雙跨式溫度內(nèi)力相對較小，塔、梁、墩固結(jié)不僅可以較好地增大斜拉橋的整體剛度，使塔、梁設(shè)置更纖細(xì)一些，而且還能夠更好地滿足跨越障礙物時實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)體施工的需要，如圖1-71所示。在比較高的柔性塔墩雙塔三跨式斜拉橋比較適合采用這種塔、梁、墩固結(jié)的支承形式，比如跨越山區(qū)深谷的斜拉橋。不過，在地震區(qū)應(yīng)注意這種塔、梁、墩固結(jié)的支承形式斜拉橋?qū)Y(jié)構(gòu)抗震的不利影響。

（3）塔梁固結(jié)、梁墩分離

如圖1-72所示，塔梁固結(jié)、梁墩分離一般在比較小的跨徑斜拉橋中采用，紅水河鐵路斜拉橋就是采用的這種支承形式，塔柱下端與梁固結(jié)后用支座支承在墩頂上。這種支承形式主要是考慮橋墩很矮，可以減少塔墩的彎矩。但是，當(dāng)主跨滿載時橋塔將隨加勁梁的撓曲而發(fā)生傾斜，使主跨梁體撓度和邊跨梁體負(fù)彎矩增大。此外，常常還需要大噸位的支座來適應(yīng)，支座的養(yǎng)護(hù)更換均較困難。