部分斜拉桥在铁路桥梁中的应用

部分斜拉桥在铁路桥梁中的应用

孙佳国

广州大学 广东广州510006

摘要部分斜拉桥是介于梁式桥与斜拉桥之间的一种过渡结构型式，其以梁为主、以索为辅的结构体系，具有经济技术优势、造型美观、施工方便、整体刚度较大等优点。本文将简要阐述部分斜拉桥的特点、部分斜拉桥在铁路桥梁中的适用范围，并从结构体系、竖向刚度等方面简要讨论部分斜拉桥应用于铁路桥梁设计中所要注意的问题。

关键词;部分斜拉桥；铁路桥梁；设计

一引言

部分斜拉桥，是由法国Mathivat教授于1988年提出的一种新的桥梁结构形式。由于部分斜拉桥优越的结构性能、良好的经济指标，近年来在国内外发展非常迅速。对于公路桥梁，当跨度超过梁式桥的适宜跨度而采用斜拉桥又不经济时，部分斜拉桥刚好能发挥它的跨度优势；对于修建斜拉桥索塔受到限制或梁高受到限制的桥梁，部分斜拉桥将是一种很好的选择。同时，部分斜拉桥造型美观，可以成为一座城市的标志性建筑。

二部分斜拉桥的特点

部分斜拉桥是介于梁式桥与斜拉桥之间的一种过渡结构型式，以主梁受弯为主、拉索辅助受力，主梁承载能力不足的部分则由斜拉索的弹性支承来弥补[1]。主梁刚度、抗弯能力的增大，不仅提高了主梁材料利用效率，而且降低了对拉索及索塔的要求，索塔可根据造型景观要求灵活设计。现将部分斜拉桥的特点简单归纳如下。

（一）在尺寸比例及外观方面

1）为了充分利用桥塔的高度，部分斜拉桥的斜拉索全部集中在塔顶处通过，这样可以取得斜拉索垂直分力的最大效果[2]，有效发挥斜拉索对梁体的竖向支承作用，且部分斜拉桥没有斜拉桥的重要特征构件——端锚索。

2）部分斜拉桥与斜拉桥相比，无论是主孔或边孔，梁体上的无斜索区段都比较长。除了主孔跨中与边孔端部的无斜索区段之外，部分斜拉桥还有较明显的塔旁无斜索区段。

3）部分斜拉桥的梁体高跨比(梁高/跨度)介于斜拉桥与连续梁之间，即大于斜拉桥而小于连续梁，这也反映了部分斜拉桥以刚性梁为主、柔性索为辅的受力特点。

（二）在受力特性方面

1）主梁为主要受力构件，而拉索、索塔则为辅助受力构件。部分斜拉桥的受力特性介于梁式桥与斜拉桥之间，可以通过斜索与主梁的竖向刚度比与斜索对竖向荷载的分担率两个参数来衡量部分斜拉桥的斜拉程度[3]，根据其斜拉程度的大小，可以判断其受力特性更接近于斜拉桥或梁式桥。

2）斜拉索应力变化幅度小，抗疲劳能力强。在部分斜拉桥中，由于斜拉索倾角较小，主梁刚度较大，斜拉索主要承受恒载，斜拉索应力幅比一般的斜拉桥中的应力幅小，斜拉索基本不存在疲劳问题。

三铁路部分斜拉桥的适用范围

铁路桥梁相对公路桥梁主要有两个显著特征：荷载重和安全性、舒适性要求更高，为了适应铁路桥活载大、刚度高的特点，在不同的跨度范围内，可选择的桥式方案也不同。部分斜拉桥具有良好的受力性能、合理的经济指标，能够很好地顺应铁路桥梁活载大、刚度要求高的特点，与连续梁拱、连续刚构拱一起，成为大跨度铁路桥梁的主要桥型，在150m-300m的跨度范围内具有较强竞争力。

（一）与一般斜拉桥相比

传统的斜拉桥由于结构刚度较小，难以满足铁路对桥梁变形的严格要求；此外，其斜拉索应力变化较大，对于铁路来说，它的耐疲劳性能如何得到提高也是一个棘手的问题。而部分斜拉桥斜拉索的应力变化幅度不大，这使得它的结构刚度及斜拉索的耐疲劳性能均大幅优于斜拉桥[4]。从换索的角度看，部分斜拉桥的斜索与梁相比是作为辅助构件来使用，因此在换索时对桥梁整体的受力影响也相对较小，与斜拉桥相比，换索也相对较容易处理。

（二）与连续刚构相比

与同等跨度的连续刚构相比，部分斜拉桥由于斜拉索的体外加劲作用，提高了连续刚构的跨越能力，同时减小了主梁工程数量。此外，斜拉索的设置对连续刚构的竖向刚度也有一定的加强作用。

四铁路部分斜拉桥设计中需要注意的问题

（一）结构体系

由于铁路桥梁刚度要求高及悬臂灌注法施工的特点，铁路混凝土部分斜拉桥一般采用塔墩梁固结的刚构体系或塔梁固结的支座体系[5]。采用塔梁固结体系可以改善主梁及桥墩受力条件，但该体系整体刚度较小且需要设置较大墩位支座。而采用塔墩梁固结体系，可以大大提高结构的整体竖向刚度，有利于增强行车稳定性和安全性。但该体系固结处负弯矩大，使固结处附近主梁截面需要加大，对地震、温度荷载作用较为敏感。

一般来说，当跨度小于200m时，宜选用塔梁固结支承体系；当跨度大于200m时，宜优先采用塔墩梁固结体系。两种桥梁结构体系各有优缺点，进行桥梁设计时，应因地制宜对结构体系的选择作慎重考虑，选择最合适的结构体系。

例如杭衢铁路控制性工程——常山江特大桥[6]，主桥为117+240+117m预应力混凝土部分斜拉桥，考虑到主墩高分别仅为11m和21m(指梁底到地面线之间的距离)，高跨比仅为1/11.43和1/21.82，难以采用塔墩梁固结体系，技术比选后确定采用塔梁固结、塔墩分离体系。

（二）竖向刚度

由于铁路荷载集度比较大，铁路桥梁对竖向刚度要求更高，直接影响列车运行平稳性和乘坐舒适性。在影响主梁竖向刚度的指标中，结构体系、梁高对结构整体刚度影响最大，斜拉索、桥塔高度对整体刚度的影响有限。

梁体刚度是整个结构体系刚度的主要来源，要避免因梁体过柔而出现局部变形太大，对高速列车行车产生不利影响，这也是和公路部分斜拉桥的重要区别之一。

（三）主要构件

1）索塔：由于铁路活载较公路大，我国铁路部分斜拉桥桥面以上塔高与中跨跨度比值为1/8～1/6，大于公路部分斜拉桥的1/12～1/8。由于桥塔矮、刚度大，一般不需要考虑失稳问题。但在某些情况下，为了增大拉索水平夹角、提高斜拉索的竖向荷载分担率、降低主梁的高度，也可适当增大索塔高度。

2）主梁：箱形截面因其整体刚度大、抗弯、抗扭能力强等优点，是铁路混凝土部分斜拉桥首选形式。由于斜拉索的加劲作用，部分斜拉桥的梁高一般较同等跨度的连续梁桥或者连续刚构桥小。铁路桥梁因活载占比大、刚度要求高，梁高约为公路部分斜拉桥梁的一倍，同时跨中梁高的选择应满足边跨梁端转角的要求。

3）斜拉索：铁路部分斜拉桥拉索安全系数建议不小于2.0，关于斜拉索疲劳问题已在上文部分斜拉桥特点中阐述。

五结论

铁路部分斜拉桥的应用，丰富了铁路桥梁的结构形式，通过对上述几个方面讨论，可以得出以下结论：

（一）部分斜拉桥作为一种索辅梁桥体系，在跨度150～300m内以及对刚度要求较高的铁路桥梁中具有较强竞争力。

（二）铁路部分斜拉桥设计时应因地制宜选择合适的结构体系，以降低结构变形，减少养护维修工作量，提高行车舒适性。

（三）应选择合适的主梁、索塔及斜拉索等结构设计参数，满足铁路桥梁对竖向刚度、变形控制及动力特性等方面的要求。

六参考文献

［1］张俊平.现代桥梁工程创新——认识、脉络及案例［M］．北京：人民交通出版社，2023.

［2］郑健.中国高速铁路桥梁［M］．北京：高等教育出版社，2008.

［3］《桥梁》杂志精选本［M］．北京：人民交通出版社，2009.

［4］肖汝诚.桥梁结构体系［M］．北京：人民交通出版社，2013.

［5］宋子威.铁路大跨度混凝土部分斜拉桥关键技术研究［J］.铁道工程学报，2018，35(04):49-53.

［6］吴鹏．杭衢铁路(117+240+117)m三线部分斜拉桥主桥设计［J］．铁道标准设计，2021，65(11):134－140.

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