大跨度铁路矮塔斜拉桥钢主梁选型研究

大跨度铁路矮塔斜拉桥钢主梁选型研究

苏学波

(京福铁路客运专线安徽有限责任公司，安徽合肥230001)

摘要：商合杭铁路芜湖长江公铁大桥为（99.3十238十588十224十85.3)111的5跨连续钢桁梁高低矮塔斜拉桥，南、北桥塔承 台以上塔高分别为130.5 m、155 m。大桥上层为双向8车道城市主干路,下层为4线铁路。钢桁梁横向设计为双索面双主桁 结构，主桥、引桥公路桥面顶至铁路桥面处高差分别为11.136 m、14. 976 m,主桁高15.0 m。从美观角度考虑，主梁选择纯华 伦型桁架，节间长度为14.0 m。主桁断面采用整体钢箱与桁架组合的新型箱一桁组合结构，针对索锚点在上弦和下弦2种不 同设计方案进行比选，结果显示，斜拉索锚固在下弦传力途径更为简洁，改善了主梁刚度，施工中焊接及拼装工作量少，吊装 次数少，节省了架设时间。

关键词：公路铁路两用桥；斜拉桥；双层桥;桥塔；钢街梁；箱一街组合结构；桥梁设计中图分类号：U448. 27;U443. 35

文献标志码：A

文章编号：1671 — 7767(2016)04 — 0026 — 04

1引言的水平分力更大，主梁受力也更大。在同样条件下， 矮塔斜拉桥的体系刚度弱于常规斜拉桥，主梁刚度 在体系刚度中贡献更大[4]。因此矮塔斜拉桥既要具 备足够的截面面积以抵抗主梁巨大的轴向力，又要 具备足够的整体刚度和桥面系刚度以满足列车高速 行车的安全性、舒适性要求[5]。

2 工程概况

传统铁路钢桥加劲梁大多采用钢桁梁，桥面系 采用纵横梁支撑的明桥面。列车在明桥面上行驶 时，由于桥面刚度和质量较小，列车行车速度受到限

制，目前最大行车速度控制在140 km/h以下。随 着铁路建设特别是高速铁路建设的发展，铁路桥梁 向大跨、高速、重载方向发展[>6]，近年来我国陆续修 建了天兴洲长江大桥（主跨504 m)、黄冈长江大桥 (主跨567 m)、合福铁路铜陵长江大桥（主跨630 m)、沪通铁路长江大桥（主跨1 092 m)等多座大跨 度铁路桥梁，这些大跨度铁路桥梁多为双层桥面的 钢桁梁斜拉桥。

由于铁路桥梁活载大，对轨道的平顺性要求高， 所以铁路斜拉桥不仅桥梁的整体刚度要求比公路斜 拉桥高，而且对主梁的刚度要求也较高。目前大跨 度铁路斜拉桥的主梁多采用N形或三角形桁架的 钢桁梁。同时铁路桥面系也从最早的明桥面结构， 发展出混凝土桥面板的板一桁组合结构、钢正交异 性板的板一桁组合结构。近年来又提出了箱一桁组 合结构，包括开口箱一桁组合结构和闭口箱一桁组 合结构[2^8]，前者是指桥面系为带边箱的正交异性 板，边箱兼作主桁的下弦杆；后者是指桥面系为闭口 正交异性板钢箱梁[2]。上述各桥面系结构中桥面系 参与主桁共同作用的程度逐渐增加[3]。

与常规铁路斜拉桥相比，铁路矮塔斜拉桥斜拉 索倾角小，在同样的恒载和活载作用下，斜拉索产生

商合杭铁路芜湖长江公铁大桥为（99. 3 + 238 +

588 + 224 + 85. 3) m公铁两用5跨连续钢桁梁斜拉

桥[9](见图1)，大桥上层桥面为8车道城市主干道， 下层桥面为2线高速铁路及2线城市轨道交通。主 梁采用钢桁梁，桥塔采用混凝土塔，斜拉索采用平行 钢丝索。该桥采用纵向半飘浮体系，顺桥向在桥塔 位置设置纵向阻尼器，横桥向在桥塔上层桥面设置 横向抗风支座。受桥位处附近机场飞行净空， 大桥采用不对称高低矮塔布置，北桥塔承台以上塔

高155 m，南桥塔承台以上塔高130. 5 m，就两桥塔 覆盖跨度范围而言，其塔高均仅为常规斜拉桥桥塔 的一半。桥塔高度的降低，使其斜拉索最小倾角约 为15°，远小于常规斜拉桥水平倾角25°，从而导致 钢主梁承载加大，主梁设计成为重点。

33. 13. 1. 1

主梁选型

主桁桁式 主桁片数

收稿日期=2016 — 03 — 24

作者筒介：苏学波（1963 —），男，教授级高工，1985年毕业于兰州交通大学铁道工程专业，工学学士（E-mail: ctceSxb@163. com)。

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图1桥梁立面布置

通常双线铁路桥钢桁梁选用两主桁，4线铁路 桥选用三主桁。两主桁斜拉桥一般设计为两索面斜 拉索与“H”形桥塔；三主桁斜拉桥一般设计为三索 面斜拉索与倒“Y”形、“A”形桥塔。该桥位处桥塔高 度受机场飞行净空，桥塔桥面以上建筑高度小， 难以适应多主桁多索面布置，因此将钢桁梁横向设 计为双索面双主桁结构。3. 1.2桁高

主桁高度的适当变化对斜拉桥的总体受力影响 不明显，因此公铁两用桥钢桁梁桁高由行车净空、横 向构件受力需要和节点构造决定。此外主桁的高度 除满足斜拉桥主桥的建筑高度要求外，还应与引桥 的建筑高度相匹配。综合考虑主桥铺装、道床结构、 上下层桥面系构造、铁路桥面建筑高度等，确定主桥 公路桥面顶至铁路桥面处高差为11. 136 m;综合考 虑引桥梁高、支座高度、盖梁高度、铁路净空等，确定 引桥公路桥面顶至铁路桥面处高差为14. 976 m。 最后主桁高度确定为15. 0 m。

3. 1.3桁型

劣差别，技术上均可行。纯华伦桁架和普拉特桁架 有更简洁的线条外形，在现代桁架桥中应用比较广 泛。各钢桁梁桁型如表1所示。商合杭铁路芜湖长 江公铁大桥从美观角度考虑，选择了纯华伦型桁架，

节间长度为14. 0 m。

3.2主桁断面形式

通过总体计算分析，在主力十附加力组合作用 下，该桥桥塔位置断面轴力达到10. 9 X106 kN。若 采用板一桁组合结构，则钢板板厚过厚，同时由于采 用两主桁，桥面系尤其是铁路桥面系横向受力大，为 此该桥采用整体钢箱与桁架组合的新型箱一桁组合 结构，有效增加了加劲梁横断面的受力面积，并能提 供足够的桥面刚度来满足主梁受力及列车走行性要 求。结合矮塔斜拉桥的实际特点，针对索锚点设置 在上弦和下弦2种不同设计方案进行比选。

3. 2. 1

方案设计

(1)方案一：斜拉索锚固在上弦。斜拉索锚固 在上弦的钢桁梁断面如图2所示。横桥向设计为双 主桁形式，主桁间距37. 2 m，桥面全宽39. 4 m，桁 高15.0 m，节间长14 m。主桁上下弦杆均采用箱 形截面，主梁下弦为箱一桁组合，上弦为板一桁组 合，2层桥面均为整体钢桥面，参与整体受力。斜拉

外形评价

应用情况

较多用于斜拉桥，如日本东神户

斜拉桥

目前钢桁梁的桁型主要有：纯华伦桁架、带竖杆 华伦桁架和普拉特桁架，几种桁架形式的区别只是 在于腹杆的布置方式，结构性能方面没有较大的优

表1

桁架类型

简图

钢桁梁桁型

纯华伦桁架线条简洁流畅

普拉特桁架线条简洁流畅

较多用于斜拉桥，如芜湖长江大

桥、厄勒海峡大桥

带竖杆华伦桁架线条较多

较多用于悬索桥和拱桥（竖杆与 斜拉索对应），如青马大桥、奥克 兰大桥、菜园坝大桥

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世界桥梁 2016,44(4)

索锚固在上弦箱形杆件内，每个锚点2根拉索并排 布置。钢梁采用400 t架梁吊机对称悬臂架设，先安装 上下游2片桁片，再依次安装铁路桥面及公路桥面。

组合)下内力与主梁活载挠度如表2所示。

由表2可知，运营状态（主力十附加力组合)下， 方案一上下层桥面轴力相当，而方案二下弦断面承 受轴力明显较上弦断面大，这是由于索锚点由上弦 改为下弦后，钢桁梁断面轴力在上下层桥面的轴力 分配关系发生变化，而铁路桥面的恒载及承受的活 载直接传递给了斜拉索。因此虽然方案二断面总轴

力（1 090 000 kN)较方案一断面总轴力（990 000 kN)有所增大，但比较而言方案二传力途径更为简 洁。对比方案一、二活载挠度，方案二较方案一梁端 转角变化微小，而铁路活载下跨中竖向挠度为871 mm，较方案一减少了 10 mm，说明将索锚点置于下 弦一定程度上改善了主梁刚度。

2种设计方案均采用架梁吊机悬臂架设，方案 一采用上下弦同步架设，按左侧桁片十右侧桁片十 上下层桥面系竖向分块制造，采用500 t架梁吊机 安装；方案二采用分层架设，上下弦异步安装，对钢 梁节段按下层桥面、腹杆、上层桥面横向分块制造， 采用650 t全回转架梁吊机安装。方案二较方案一 现场的拼装与焊接工作量少，且安装过程中结构始 终为稳定受力结构。2种方案制造精度与施工控制 精度要求均较高，但方案一施工方案常规[1°]，而方 案二下弦钢箱合龙后，腹杆与公路桥面的安装难度 较大。方案一架设2个节点需要22 d，而方案二需 要9 d。

综合比较，方案二较方案一方案新颖，虽然制造 安装难度大，但该方案现场焊接及拼装工作量少，减 少了吊装次数，节省了架设时间，且其工厂化连接， 分块化安装的施工思路更符合当前桥梁施工的技术 趋势，且2种方案主体结构工程费用无明显差异，因 此方案二较方案一更优，确定将索锚点设置于下弦。

4

结语

图2方案一钢桁梁断面（斜拉索锚固在上弦）

(2)方案二：斜拉索锚固在下弦。斜拉索锚固 在下弦的钢桁梁断面如图3所示。横桥向设计为双 主桁形式，主桁间距33. 8 m，公路桥面全宽35. 0 m，铁路桥面全宽41. 0 m(不含风嘴），桁高15. 0 m， 节间长14.0 m。主桁上下弦杆均采用箱形截面，主 梁下弦为箱一桁组合，上弦为板一桁组合，2层桥面 均为整体钢桥面，参与整体受力。斜拉索锚固在下

弦箱形杆件内，每个锚点2根拉索并排布置。钢梁 采用650 t架梁吊机对称悬臂架设，先安装下层桥 面钢箱梁，再安装腹杆及上层桥面。

铁路矮塔斜拉桥主梁受力复杂，主梁结构形式 的选择是设计中的关键技术问题。商合杭铁路芜湖

长江公铁大桥为（99. 3 + 238 + 588 + 224 + 85. 3) m 的5跨连续钢桁梁高低矮塔斜拉桥，通过主梁结构

在恒载、活载等外部条件均一致的条件下，对2 种方案进行总体静力计算，运营状态（主力+附加力

表2

方案方案一（上弦锚固）方案二(下弦锚固）

最大轴力/kN

上弦590 000370 000

下弦400 000720 000

全截面990 000920 000

选型，确定钢主梁采用2片主桁，桁高15. 0 m，节间 长度14.0 m。钢梁上下弦均采用箱形杆件，下层桥

运营状态（主力+附加力组合）下内力与主梁活载挠度

斜拉索最大

索力/kN15 30014 460

梁端转角/弧度XI 000-1

0. 520. 51

铁路活载跨中竖向挠度/mm

881871

大跨度铁路矮塔斜拉桥钢主梁选型研究 苏学波

2002(4)：1-2.

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面为箱一桁组合，上层桥面为板一桁组合，上下层桥 面均采用参与整体受力的整体钢桥面。通过比选， 确定将索锚点设置于下弦，使传力路径更为简洁，同 时増加了斜拉索水平倾角，改善了主梁受力性能。

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Study of Type Selection for Steel Main Girder of Long-Span

Railway Extradosed Bridge

(Beijing-Fuzhou Passenger Dedicated Railway Line (Anhui) Co., Ltd.，Hefei 230001，China)

Abstract： The Wuhu Changjiang River Rail-cum-Road Bridge on the Shangqiu-Hefei-Hang- zhou Railway is a five-span continuous steel truss girder extradosed bridge with span arrangement of (99. 3 + 238 + 588 + 224 + 85. 3) m. The south and north pylons have different heights, the south one rises 130. 5 m above the pile cap, and the north one 155 m above the pile cap. The upper deck of the bridge carries 8 lanes of urban trunk road, the lower deck 4 rail tracks. The steel truss girder is transversely designed as a double-cable plane and double-main truss structure. The height differences of the main bridge deck to the railway deck and that of the approach deck to the railway deck are 11. 136 m and 14. 976 m, respectively. The main truss is 15. 0 m in depth. The main gird­er ,out of the aesthetic consideration, selects the Warren type truss structure, with panel length of 14. 0 m. The cross section of the main truss adopts the new box-truss composite structure formed of monolithic steel box and trusses. The two schemes of setting the cable anchoring points to the upper chord or lower chord were compared. The results indicate that anchoring the stay cables to the lower chord can simplify the load transfer path and improve the stiffness of the main girder. In the meantime, the welding and assembling work in the construction is greatly reduced, the number of lifting and lowering operation is cut down, and the installation time is also shortened.

Key words： rail-cum-road bridge； cable-stayed bridge； two-deck bridge； bridge pylon； steel truss girder； box-truss composite structure； bridge design

(编辑:赵兴雅)