第2章　鐵路混合組合梁斜拉橋布置

2.1　合理的邊跨跨徑與主跨跨徑之比值范圍

2.1.1　邊跨跨徑布置

對于斜拉橋而言，橋面加勁梁在斜拉索的拉力作用下，猶如多點彈性支承的連續梁結構，錨固在邊跨和主跨加勁梁上斜拉索的索力通過與橋塔形成錨固體系相互傳遞?？傮w上斜拉橋在恒、活載的作用下各部梁、索、塔處于平衡狀態，但是，這種平衡狀態不一定是所謂的“塔直梁平”，根據設定的目標也可以是塔偏梁拱的平衡狀態。因此，根據塔偏梁拱這種平衡狀態，邊跨梁對斜拉索起著錨固作用和壓重作用，相應邊跨加勁梁也可以分為斜拉索錨固跨和斜拉索壓重跨。

1.斜索錨固跨

斜拉索錨固跨是指對斜拉索類似于起到懸索橋主纜錨定的作用，一般布置在：

①處于邊墩和第一個輔助墩之間并延伸過輔助墩頂一定的范圍；

②在第①種情況的基礎上，再增設第二個輔助墩或第三個輔助墩，延伸加勁梁作為錨固跨。

2.斜索壓重跨

斜拉索壓重跨是指對斜拉索起到壓重平衡作用，壓重跨可以與主跨對應長度對稱懸臂節段施工，也可以現場澆筑施工，一般處于：

①橋塔與最后一個輔助墩之間的加勁梁跨；

②邊跨除了錨固跨以外的加勁梁跨；

③邊墩至引橋或端斜拉索之外無索區的加勁梁跨。

3.邊跨跨徑布置

邊跨跨度原則上是斜索錨固跨與斜索壓重跨之和，跨徑分布根據斜索錨固跨的長度可以布置一個輔助跨至兩個或者最多三個輔助跨，根據建設條件、環境條件、受力條件，以及技術經濟的綜合情況，則斜索錨固跨與斜索壓重跨組成的邊跨跨徑布置分為：

①一個斜索錨固跨布置一個錨固跨徑或兩個錨固跨徑與一個斜索壓重跨對應的一個壓重跨徑；

②一個斜索錨固跨布置一個錨固跨徑與一個壓重跨對應兩個壓重跨徑；

③一個斜索錨固跨布置三個錨固跨徑和一個壓重跨徑或多個壓重跨徑，多個壓重跨徑包含了邊跨與引橋相連接的情況。

具體的邊跨跨徑布置不僅與邊跨跨度有關，而且還與邊跨所處的工程條件相關。

2.1.2　邊跨跨度與主跨跨度之比值范圍

總的來說，混合梁斜拉橋由于邊跨加勁梁梁體較重，為了使其通過斜拉索對主跨起到錨固和壓重的作用，所以，邊跨跨度相對而言要設置比較小，這樣才會更加突出混合梁斜拉橋優越的技術經濟性。恒載作用時，為了提高鐵路列車荷載作用時混合梁斜拉橋主跨加勁梁的豎向剛度，改善邊跨端部錨拉索及邊跨、主跨中部范圍斜拉索的疲勞性能，需加大邊跨端部范圍和斜拉索和邊跨、主跨中部范圍斜拉索的截面面積。同時，為了減少邊跨混凝土梁體受自重和巨大索力作用所產生的徐變變形及主跨橋面加勁梁在列車荷載最不利布載荷的工況時對主跨撓度變位的影響，斜拉索須適當加大索力使得橋塔頂部往邊跨適當偏斜，使得主跨加勁梁適當往上預拱。

如圖2-1所示，邊跨跨徑lb，錨固跨和壓重跨長度分別為lm和ly，主跨跨徑L，半主跨長度為l。邊跨每米加勁梁包括二期恒載在內的平均重量qb，其中，邊跨錨固跨每米加勁梁包括二期恒載在內比邊跨每米加勁梁重量qb所增加的重量為qm，邊跨壓重跨每米恒載的重量qy，主跨在恒載與列車活載作用下，每米荷載的重量qz。

假定斜拉索呈放射形布置，斜拉索集中布置在設定的橋塔頂，斜拉索張拉應力為σ0，在dx范圍內的加勁梁荷載重量由該范圍內的斜拉索承擔。

則半橋主跨斜拉索用量有：

邊跨斜拉索用量為：

類似的有邊跨壓重跨斜拉索用量有：

錨固跨斜拉索用量有：

由于混合梁斜拉橋邊跨一般較短，錨固跨斜拉索間距一般較密，索型規格相對也較大，錨固跨斜拉索對主跨起著主要的加勁和錨固作用，同時，在各個輔助墩的支承處必須要有一定的豎向支反力。因此，設想半主跨長度扣除與邊跨lb對稱長度范圍內的斜拉索量，多出的那部分斜拉索用量均布置在邊跨的錨固跨，則邊跨與錨固跨斜拉索總用量為式（2-2）加式（2-4）。有：

將邊跨索總量Wb和主跨的鋼索總用量Wz分別對lb和l求導，可分別求出鋼索的最少用量。則：

按照邊跨與主跨在同一橋塔兩側斜拉索索力平衡相等的原則，即使橋塔由于邊跨索力加大而向邊跨傾斜，此時，橋塔兩側索力同樣是平衡的，因此：

設，并代入式（2-6），有：

式中　Kb——邊跨加勁梁每米恒載重量，與主跨加勁梁每米恒載重量加上半主跨滿布列車荷載時每米列車荷載的換算重量之比例系數；

Km——邊跨錨固跨每米所增加的重量，與主跨加勁梁每米恒載重量加上半主跨滿布列車荷載時每米列車荷載的換算重量之比例系數。

常常有這樣的情況，由于錨固跨每米混凝土梁的重量是主跨每米鋼箱梁重量的幾倍，錨固跨在豎向多點支承的條件下，類似于地錨斜拉橋起著地錨的功能。注意上式中Km從概念上來講，是在邊跨恒載梁重的基礎上再增加梁重，而主跨包含了恒載與列車荷載，目的是使錨固跨起到混合梁斜拉橋邊跨對斜拉索錨碇的作用。無論邊跨壓重跨是混凝土梁還是鋼箱梁，從每米梁的重量來看，都可以考慮與邊跨梁一致即qb。同樣，系數Kb也是指邊跨恒載梁重與主跨恒載與列車荷載之比。

當橋跨布置需要壓重跨為滿足跨越功能要求布置的足夠長時，壓重跨與主跨鋼箱梁每米重量相等以減輕梁重增大跨越能力，比如日本的生口斜拉橋；而當壓重跨與對應的主跨長度對稱懸臂施工時，壓重跨與主跨對稱懸臂施工部分均采用混凝土梁，不與主跨鋼箱梁一致，比如法國的諾曼底斜拉橋。當錨固跨比較長而壓重跨設置比較短時，就與邊跨一起設置為混凝土加勁梁截面。

如果壓重跨很短，在恒載作用下，可以認為半橋主跨加勁梁的恒載重量由邊跨錨固跨承受。邊跨壓重跨布置的少量斜拉索且斜拉索與橋面夾角大，梁端與錨固跨和主跨相連接，在橋塔處還受到橋塔橫梁豎向支承，基本上起不到平衡主跨斜拉索錨固的作用，斜拉索僅僅是承受著壓重跨本身的恒載重量。

算例1（雙塔斜拉橋）——以寧波鐵路樞紐北環線甬江特大橋為例：

主跨L=468m，l=234m，橋面以上塔高h=144m，鋼混結合段位于中跨側距橋塔24.5m處，則Kb=1.73，Km=0，計算得到：

算例2（獨塔斜拉橋）——以深茂鐵路潭江特大橋為例：

主跨L=256m，換算l=168.5m，橋面以上塔高h=127m，鋼混結合段位于邊跨距橋塔128.5m處，則Kb=2.11，Km=1.43，計算得到：

，這與本橋實際邊跨長度設置基本一致。

算例3（雙塔鋼箱混合組合梁斜拉橋）——以昌吉贛高鐵贛江特大橋為例：

主跨L=300m，l=150m，橋面以上塔高h=88m，則Kb=1.58，Km=0，計算得到：

可見，如果邊跨跨度較短，邊跨每米平均梁重就越重。在算例1中，主跨468m而邊跨跨度因與上游公路橋對孔布置需要設置為220m時，則已知lb利用公式（2-7）求qb，此時qb=1.1qz。也就是說，當邊跨跨度一定時，可以計算邊跨每米的重量，依據計算得出的qb來擬定邊跨加勁梁的截面尺寸。無論是已知Kb、Km求lb，或者是已知lb求Kb，都是為了尋求相對比較經濟的邊跨加勁梁。

上述計算都是基于平衡原理，實際上，以設定塔偏梁拱為目標成橋狀態，須對邊跨斜拉索施加預加力，以增加斜拉索的有效剛度，提高鋼箱混合梁斜拉橋結構的整體剛度。此時，邊跨加勁梁每米重量往往比較重，以提供施加更大的斜拉索索力，從而實現所設定“塔偏梁拱”為目標成橋狀態。這樣，也許邊跨加勁梁不是很經濟，但是，可以獲得混合梁斜拉橋更大的整體結構剛度，可以獲得極大地減少橋塔底部截面荷載組合彎矩所帶來的橋塔及其基礎工程更大的經濟效益。

一般來說，合理的邊跨跨度與主跨跨度之比值建議在0.3～0.4范圍，當小于0.3時，為了起到邊跨錨固跨的作用，所采用的加勁梁每米梁的重量會設置的很重；而當其比值大于0.4時，比如取0.5，則邊跨加勁梁已經與主跨加勁梁每米梁的重量相等了，這時就沒有必要刻意去采用混合梁斜拉橋了，可適當地將箱梁內充填壓重料或采用在斜拉索端部設置無索區壓重跨，類似于加大了邊跨跨度。