铁路悬索桥的刚度问题探讨性研究

谷云秋

(宁波市公路管理局，浙江宁波 315040)

在高速铁路桥梁迅速发展的今天，跨越江、河甚至海峡的大跨度铁路桥梁显得尤为重要。悬索桥结构以跨越能力大而著称，在已建的大跨度桥梁中绝大多数都是悬索桥，而斜拉桥随着跨度的增大桥塔的高度会增大很多，同时斜拉索水平拉力的大幅度增加使得主梁截面变得更高，故不太适宜特大跨度桥。但是已修建的悬索桥结构大多都是公路的，铁路悬索桥很少，如表1所示，已建的铁路悬索桥都是轻轨列车，活载一般不超过40 kN/m，普通铁路、客货混运的铁路则一般高于80 kN/m。因此铁路悬索桥的设计分析具有很强的研究价值和现实意义。

表1 已建公铁合用悬索桥一览表

本文研究的工程是300 m+1 200 m+300 m的铁路悬索桥，如图1所示。该桥主缆矢跨比为1/10;钢筋混凝土索塔高170 m;钢桁梁高15 m，宽16 m，节间距12 m;主缆直径100 cm，吊杆采用2股骑跨式，单股直径10 cm。设计列车时速是200 km/h，Ⅰ级铁路双线，采用中活载，悬挂结构重565 kN/m，横向风速42 m/s。

图1 铁路悬索桥方案（单位：mm）

1 铁路悬索桥刚度指标

根据专家学者对铁路悬索桥的已有研究，评价车桥系统的指标可以从车、轨道、桥梁三个方面来规定。车首先要保证运行安全性，如脱轨系数指标，然后要保持运行的平稳性，如常用的sperling指标;轨道要保证其平顺性;桥梁要保证竖向变形、横向变形还有扭转变形在合理的范围内，如挠跨比、梁端转角等。具体的内容可以参见文献［1］。

对于大跨度悬索桥，由于结构柔性较大，刚度控制着结构的设计。目前规范中有关刚度限值的规定都是建立在中小跨度的桥梁动力分析和实测试验的基础上，而大跨度铁路桥梁缺乏足够的实践和研究，尚无相应的规范。具体的指标限值还需通过静力分析、车桥动力分析以及实践的验证来确定。

根据已经修建的铁路悬索桥和现有规范我们可以初步拟定一个挠跨比限值。文献［2］中说明日本本四联络线上的竖向容许挠度为L/350，然后结合已建桥梁，文献［1］给出了一个较为保守的参考挠跨比和梁端转角，如表2和3所示。

表2 不同车速下的挠跨比限值参考值［1］

表3 不同车速下的梁端转角限值参考值［1］

文献［3］中对千米级跨度铁路桥梁的研究结果在这个限值范围内。

通过对本文的研究工程进行有限元分析(如图2所示)，可以得出该悬索桥在列车荷载下的计算结果，见表4。

图2 悬索桥有限元分析模型

表4 计算结果

2 结构体系对刚度的影响

当结构体系一旦确定后，虽然可以通过改变总体布置参数来提高结构刚度，但是有一定的局限性，所以首先应该考虑结构体系的选择。这里介绍三种结构体系:斜拉—悬吊组合体系、“负斜拉索”体系、双链式悬索桥体系。

1)斜拉—悬吊组合体系。斜拉—悬吊组合体系桥主要有两种形式:罗布林型和迪辛格尔型。罗布林型悬索桥是在悬索桥靠近桥塔的地方布置斜吊索来提高桥梁的刚度，特点是斜拉索与部分吊索相交(如图3所示);迪辛格尔型是将悬索桥和斜拉桥分为两个独立的部分，斜拉索和吊索不相交(如图4所示)［4］。

与同等跨径悬索桥相比，在均布荷载或纵向风荷载作用下，协作体系受力与悬索桥接近，活载作用下，协作体系主梁弯矩比悬索桥大，单主梁挠度比悬索桥小，所以这种结构体系竖向刚度可以提高，而竖向刚度的增加对铁路桥十分重要;由于斜拉部分桥面荷载不需通过悬索桥主缆传递，因此主缆、锚碇减小［6］，从而大大降低造价和施工难度;扭转频率比悬索桥更高，抗风稳定性因此也更好［5］。

图3 罗布林型斜拉—悬吊组合体系

图4 迪辛格尔型斜拉—悬吊组合体系

但是这种体系施工过程中斜拉和悬索部分线形控制和协调更困难，体系受力和外形存在间断性［5］。由于两种体系刚度的差异，在斜拉索、吊索过渡区疲劳问题比较突出。

2)“负斜拉索”体系。“负斜拉”体系如图5所示。这种体系有别于前边叙述的斜拉—悬吊体系。斜拉—悬吊组合体系的斜拉索的作用是把主梁向上拉，斜拉索一端锚固在主梁上，另一端锚固在桥塔上。而该体系中的斜拉索一端锚固在主梁上，另一端锚固在主缆上，其作用是约束悬索桥半跨加载时另外半跨主缆向上的位移，增加结构的刚度。

图5 “负斜拉索”体系

与布鲁克林大桥放射状斜拉索从塔顶到加劲梁跨中各索结点连接相比较可以看出这种斜拉索布置是增大主缆上的向下荷载，而布鲁克林桥的斜拉索布置是减少这些荷载。正是由于斜拉索在承载性质上的差别，罗布林的斜拉索称为“正斜拉索”，该体系中的斜拉索称为“负斜拉索”。

当使用“正斜拉索”这种斜拉—悬吊组合体系时，当边跨较大和采用柔性索塔时，意味着塔顶将发生大的纵向位移并大大减小正斜拉索的效率，所以一般需要刚度很大的桥塔。而“负斜拉索”的使用效率将不会受到桥塔刚度太大的影响。

3)双链式悬索桥体系。双链式悬索桥体系指在吊杆平面内设有两条主缆的悬索桥，这两条主缆在跨中交叉且互相联结，上下主缆在全跨范围内均匀布置有吊索吊拉桥面加劲梁［9］，见图6。

图6 双链式悬索桥

在静力方面，双链式悬索桥对恒载和全跨布置的均布活载是由其上下主缆平均承担的;对半跨活载是由半跨的下主缆全部承受，而此时主缆的形状恰好和承受荷载后主缆的形状一致，于是悬索桥不会发生S形变形，因而它比单索体系有较大的刚度。在动力方面，根据已有研究，双链式悬索桥具有较大的抵抗扭转变形的能力和较大的横向变形能力。但是双链式悬索桥主缆、吊索、索夹以及吊索与加劲梁的连接构件的数量都要成倍增加，这些缺点一方面造成了建造成本的大幅度提升，另一方面也给施工带来了很大的不便［4］。

3 结语

铁路悬索桥的评价指标可以用挠跨比和梁端转角来衡量，具体限值可以参考，其可靠性还得作进一步的分析研究和实践验证。对于悬索桥结构体系，从结构方面改变结构刚度问题应该更有效，这里介绍了几种不同悬索桥的结构体系对结构刚度的贡献及存在的问题，以供进一步研究。

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［16］交通部.公路悬索桥设计规范报批稿［Z］.2002.