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(duì)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(diǎn)彈性支承的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，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。總體上斜拉橋在恒、活載的作用下各部梁、索、塔處于平衡狀態(tài)，但是，這種平衡狀態(tài)不一定是所謂的“塔直梁平”，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)也可以是塔偏梁拱的平衡狀態(tài)。因此，根據(jù)塔偏梁拱這種平衡狀態(tài)，邊跨梁對(duì)斜拉索起著錨固作用和壓重作用，相應(yīng)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(duì)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(gè)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(chǔ)上，再增設(shè)第二個(gè)輔助墩或第三個(gè)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(duì)斜拉索起到壓重平衡作用，壓重跨可以與主跨對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度對(duì)稱懸臂節(jié)段施工，也可以現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工，一般處于：

①橋塔與最后一個(gè)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(wú)索區(qū)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(jù)斜索錨固跨的長(zhǎng)度可以布置一個(gè)輔助跨至兩個(gè)或者最多三個(gè)輔助跨，根據(jù)建設(shè)條件、環(huán)境條件、受力條件，以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(gè)斜索錨固跨布置一個(gè)錨固跨徑或兩個(gè)錨固跨徑與一個(gè)斜索壓重跨對(duì)應(yīng)的一個(gè)壓重跨徑；

②一個(gè)斜索錨固跨布置一個(gè)錨固跨徑與一個(gè)壓重跨對(duì)應(yīng)兩個(gè)壓重跨徑；

③一個(gè)斜索錨固跨布置三個(gè)錨固跨徑和一個(gè)壓重跨徑或多個(gè)壓重跨徑，多個(gè)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(guān)，而且還與邊跨所處的工程條件相關(guān)。

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(duì)主跨起到錨固和壓重的作用，所以，邊跨跨度相對(duì)而言要設(shè)置比較小，這樣才會(huì)更加突出混合梁斜拉橋優(yōu)越的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。恒載作用時(shí)，為了提高鐵路列車荷載作用時(shí)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(shí)，為了減少邊跨混凝土梁體受自重和巨大索力作用所產(chǎn)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(shí)對(duì)主跨撓度變位的影響，斜拉索須適當(dāng)加大索力使得橋塔頂部往邊跨適當(dāng)偏斜，使得主跨加勁梁適當(dāng)往上預(yù)拱。

如圖2-1所示，邊跨跨徑lb，錨固跨和壓重跨長(zhǎng)度分別為lm和ly，主跨跨徑L，半主跨長(zhǎng)度為l。邊跨每米加勁梁包括二期恒載在內(nèi)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(nèi)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(shè)定的橋塔頂，斜拉索張拉應(yīng)力為σ0，在dx范圍內(nèi)的加勁梁荷載重量由該范圍內(nèi)的斜拉索承擔(dān)。

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(guī)格相對(duì)也較大，錨固跨斜拉索對(duì)主跨起著主要的加勁和錨固作用，同時(shí)，在各個(gè)輔助墩的支承處必須要有一定的豎向支反力。因此，設(shè)想半主跨長(zhǎng)度扣除與邊跨lb對(duì)稱長(zhǎng)度范圍內(nèi)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(duì)lb和l求導(dǎo)，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(cè)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(shí)，橋塔兩側(cè)索力同樣是平衡的，因此：

設(shè)，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(shí)每米列車荷載的換算重量之比例系數(shù)；

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(shí)每米列車荷載的換算重量之比例系數(shù)。

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(diǎn)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(chǔ)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(duì)斜拉索錨碇的作用。無(wú)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(shù)Kb也是指邊跨恒載梁重與主跨恒載與列車荷載之比。

當(dāng)橋跨布置需要壓重跨為滿足跨越功能要求布置的足夠長(zhǎng)時(shí)，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(dāng)壓重跨與對(duì)應(yīng)的主跨長(zhǎng)度對(duì)稱懸臂施工時(shí)，壓重跨與主跨對(duì)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(guó)的諾曼底斜拉橋。當(dāng)錨固跨比較長(zhǎng)而壓重跨設(shè)置比較短時(shí)，就與邊跨一起設(shè)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(rèn)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(huán)線甬江特大橋?yàn)槔?/p>

主跨L=468m，l=234m，橋面以上塔高h(yuǎn)=144m，鋼混結(jié)合段位于中跨側(cè)距橋塔24.5m處，則Kb=1.73，Km=0，計(jì)算得到：

算例2（獨(dú)塔斜拉橋）——以深茂鐵路潭江特大橋?yàn)槔?/p>

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

，這與本橋?qū)嶋H邊跨長(zhǎng)度設(shè)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?yàn)槔?/p>

主跨L=300m，l=150m，橋面以上塔高h(yuǎn)=88m，則Kb=1.58，Km=0，計(jì)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?qū)撞贾眯枰O(shè)置為220m時(shí)，則已知lb利用公式（2-7）求qb，此時(shí)qb=1.1qz。也就是說，當(dāng)邊跨跨度一定時(shí)，可以計(jì)算邊跨每米的重量，依據(jù)計(jì)算得出的qb來擬定邊跨加勁梁的截面尺寸。無(wú)論是已知Kb、Km求lb，或者是已知lb求Kb，都是為了尋求相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)的邊跨加勁梁。

上述計(jì)算都是基于平衡原理，實(shí)際上，以設(shè)定塔偏梁拱為目標(biāo)成橋狀態(tài)，須對(duì)邊跨斜拉索施加預(yù)加力，以增加斜拉索的有效剛度，提高鋼箱混合梁斜拉橋結(jié)構(gòu)的整體剛度。此時(shí)，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(shí)現(xiàn)所設(shè)定“塔偏梁拱”為目標(biāo)成橋狀態(tài)。這樣，也許邊跨加勁梁不是很經(jīng)濟(jì)，但是，可以獲得混合梁斜拉橋更大的整體結(jié)構(gòu)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(chǔ)工程更大的經(jīng)濟(jì)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(dāng)小于0.3時(shí)，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(huì)設(shè)置的很重；而當(dāng)其比值大于0.4時(shí)，比如取0.5，則邊跨加勁梁已經(jīng)與主跨加勁梁每米梁的重量相等了，這時(shí)就沒有必要刻意去采用混合梁斜拉橋了，可適當(dāng)?shù)貙⑾淞簝?nèi)充填壓重料或采用在斜拉索端部設(shè)置無(wú)索區(qū)壓重跨，類似于加大了邊跨跨度。