陳進(jìn)昌,雷俊卿,金 令,胡 春

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055； 2.北京交通大學(xué),北京 100044； 3.中冶南方城市建設(shè)工程技術(shù)有限公司,武漢 430062)

引言

隨著渤海海峽、臺灣海峽、瓊州海峽通道的建設(shè)提到議事日程，研究和發(fā)展鐵路大跨度橋梁滿足鐵路公路跨江通海交通要求勢在必行，而大跨度公鐵兩用懸索橋是千米級大跨度橋梁考慮的首選橋型。

大跨度公鐵兩用懸索橋的設(shè)計(jì)研究尚有大量復(fù)雜技術(shù)問題需要攻關(guān)，相關(guān)的結(jié)構(gòu)特性深化研究工作需要加速持續(xù)展開，包括大跨度懸索橋合理結(jié)構(gòu)形式與尺寸、橋梁跨度優(yōu)化、超長主纜合理結(jié)構(gòu)參數(shù)、橋塔基礎(chǔ)形式與材料參數(shù)、車橋振動(dòng)、抗風(fēng)、抗震、抗海浪和防撞等重要技術(shù)問題的研究。

由于鐵路列車活載大、運(yùn)行速度高及列車運(yùn)行穩(wěn)定性和旅客舒適性要求高等特點(diǎn)，對于大跨度公鐵兩用懸索橋除具有合理的結(jié)構(gòu)受力體系，較好的抗風(fēng)、抗震性能外，還需具有較大的豎、橫向剛度。

由于懸索橋結(jié)構(gòu)的特殊性和大跨度橋梁剛度限值的定量上仍然缺乏足夠的實(shí)踐與研究，各國對大跨度鐵路橋梁尚缺少相應(yīng)的規(guī)范，橫向及豎向剛度缺乏明確的限值標(biāo)準(zhǔn)，可以參考的規(guī)范都是建立在中小跨度橋梁動(dòng)力分析和實(shí)測試驗(yàn)基礎(chǔ)上的。對于活載體系，我國現(xiàn)行的規(guī)范針對鐵路橋梁活載中的豎向靜活載、動(dòng)力系數(shù)和沖擊系數(shù)等指標(biāo)有著明確的數(shù)值，但均未對鐵路及公鐵兩用懸索橋涉及的參數(shù)進(jìn)行明確的規(guī)定。

通過改變大跨度懸索橋結(jié)構(gòu)參數(shù)(邊中跨比、垂跨比、高跨比、寬跨比、支承體系)，對比分析它們對懸索橋豎向剛度、橫向剛度的影響敏感性，總結(jié)出有效的剛度提高措施，并對垂跨比等進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析意義重大。

1 大跨度鐵路懸索橋結(jié)構(gòu)剛度評價(jià)指標(biāo)體系

1.1 鐵路橋梁剛度評價(jià)指標(biāo)體系

隨著我國鐵路建設(shè)技術(shù)的不斷發(fā)展，橋梁的跨度和結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)超過了現(xiàn)有橋梁的設(shè)計(jì)跨度和規(guī)范的適用條件，所以剛度的評價(jià)方法和限值問題需要重新審視。國內(nèi)外許多機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者對此做了廣泛而深入的研究，取得了豐碩的成果，這些成果反映在各規(guī)范的條文中。但是，評價(jià)指標(biāo)各不相同，寬嚴(yán)程度差異較大。

鐵路橋梁作為列車軌道支撐結(jié)構(gòu)，在橫向和豎向都應(yīng)有一定的剛度，以保證列車運(yùn)行安全，正常通過。所謂安全通過就是指列車通過橋梁時(shí)不脫軌，橋梁保持其承載能力；所謂正常通過就是指列車能按照設(shè)計(jì)速度通過橋梁。剛度評價(jià)指標(biāo)體系主要有：Sperling指標(biāo)、Janeway指標(biāo)、脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體振動(dòng)加速度、豎向和橫向撓跨比、轉(zhuǎn)角、橋梁振動(dòng)加速度、寬跨比、自振頻率等[1]。

1.2 國內(nèi)外已建成運(yùn)營的大跨度鐵路懸索橋剛度值

公鐵兩用大跨懸索橋大多都是雙鉸(簡支)懸索橋及單跨懸吊的橋梁。它們與連續(xù)的懸索橋相比，作用于加勁梁的彎矩較小，因而截面也較小，一般來說是比較經(jīng)濟(jì)的，然而，日本本四聯(lián)絡(luò)線上的懸索橋是高速列車行駛的公鐵兩用橋，因而要盡量減小加勁梁的撓度與轉(zhuǎn)折角以及伸縮量。北備贊瀨戶大橋采用變形形狀優(yōu)越的3跨連續(xù)懸索橋，而下津井瀨戶大橋則采用附帶伸出跨的單跨懸吊懸索橋。

日本代表性公鐵兩用懸索橋剛度見表1[2-4]。

表1 日本已建公鐵兩用懸索橋剛度

1.3 國內(nèi)外對大跨度鐵路橋梁剛度限值的初步研究成果

日本本四聯(lián)絡(luò)橋公鐵兩用懸索橋允許折角標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)車速160 km/h時(shí)，豎向折角5‰，水平折角2.5‰。

西南交通大學(xué)張東碩士通過分析已建橋梁的橫豎向撓跨比，提出不同車速下的撓跨比、梁端轉(zhuǎn)角建議值，見表2。

1.4 大跨度鐵路懸索橋剛度評價(jià)指標(biāo)及其建議值

(1)車輛運(yùn)行安全及舒適度評價(jià)指標(biāo)體系

車輛平穩(wěn)性(舒適性)指標(biāo)、脫軌系數(shù)、輪重減載率、車體振動(dòng)加速度按現(xiàn)行規(guī)范[6]。

(2)橋梁豎向剛度建議限值

鐵路懸索橋豎向剛度建議值見表3。

表3 豎向撓跨比和轉(zhuǎn)角建議值

(3)橋梁橫向剛度建議限值

鐵路懸索橋橫向剛度建議值見表4。

表4 橫向撓跨比和轉(zhuǎn)角建議值

這里的撓跨比和橫向轉(zhuǎn)角的建議值需要以車輛運(yùn)行的評價(jià)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，通過大量的車橋耦合分析來驗(yàn)證其合理性，并通過實(shí)踐來驗(yàn)證其可靠性。如果做車橋分析來驗(yàn)證撓跨比和轉(zhuǎn)角的建議值合理性時(shí)，建議將客車和貨車分開，使用不同的限值。

除了上述指標(biāo)，還可輔以錯(cuò)位、曲線半徑、自振周期、振幅等指標(biāo)來保證鐵路懸索橋技術(shù)的可行性[1]。

2 結(jié)構(gòu)方案

考慮懸索橋活載占比小，研究對象為大跨度公鐵兩用懸索橋，擬定主跨1196m，邊跨可布設(shè)橋墩。根據(jù)建橋條件，大橋設(shè)計(jì)為單跨懸索橋，主纜跨度布置為(300+1196+300)m，主纜矢跨比1∶10。該懸索橋采用鋼桁加勁梁，跨度布置為(78+104+1196+104+78)m，主跨采用吊索懸吊，邊跨無吊索。方案總體布置如圖1所示。

圖1 懸索橋方案總體布置(單位：m)

公鐵兩用懸索橋采用雙層橋面布置，下層四線鐵路，上層六車道公路。大跨度鋼桁梁多采用2～3片主桁。兩片主桁較為經(jīng)典，多數(shù)公路橋梁與單、雙線鐵路橋梁采用此種方式。近年我國建成了較多的公鐵、鐵鐵合建橋梁，這些大型橋梁的鐵路線路數(shù)量多為四線，主梁結(jié)構(gòu)以鋼桁梁為主，橫橋向多采用3片主桁結(jié)構(gòu)，以減小橫梁跨度，縮小橫梁尺寸，提高橋面剛度。設(shè)置3片主桁，有利于橋面系構(gòu)造布置，橫向剛度優(yōu)異，適合較高速度列車運(yùn)行。3片主桁適宜在梁式橋與大跨度斜拉橋中應(yīng)用，梁式橋可設(shè)置數(shù)量相當(dāng)?shù)闹ё?墩臺，大跨斜拉橋可設(shè)置3個(gè)索面，對應(yīng)3片主桁來傳遞荷載。而目前懸索橋設(shè)計(jì)均采用雙主纜布置(四主纜布置的也是每兩根布置在一側(cè))，考慮傳力對稱性，雙主桁結(jié)構(gòu)與懸索橋的匹配性優(yōu)于三主桁。本橋最終選擇雙主桁結(jié)構(gòu)。

根據(jù)懸索橋加勁梁均勻受力特性，本橋選擇采用帶豎桿的華倫式桁架，可利用豎桿位置設(shè)置吊點(diǎn)，用于連接吊索。同時(shí)，本橋采用雙主桁形式，兩主桁間距較大，需要設(shè)置較強(qiáng)的橫聯(lián)，華倫式桁架便于設(shè)置橫向連接系。

為便于鐵路橋面布置，同時(shí)降低制造安裝難度，最終斷面形式采用上下層同寬的直立主桁截面[7-8]，桁寬同主纜間距，吊索垂直布置，連接主纜與主桁。主梁橫斷面布置如圖2所示。

圖2 主梁橫斷面布置(單位：m)

(1)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

①線路等級：Ⅰ級鐵路雙線(按高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路和重載鐵路分別加載)；

②行車速度：200 km/h；

③橋面坡度：兩端各設(shè)1.5%縱坡，跨中為豎曲線頂點(diǎn)；

④活載標(biāo)準(zhǔn)：ZK、ZC、ZKH、ZH活載[9]；

⑤基本風(fēng)速：運(yùn)營階段設(shè)計(jì)重現(xiàn)期100年，V10=30 m/s；

(2)設(shè)計(jì)指標(biāo)

①主纜跨徑：中跨1 196 m，邊跨300 m(無吊索)；

②矢 跨 比：1/10；

③主纜中心距：30 m；

④主纜直徑：等效直徑1 000 mm，抗拉強(qiáng)度1 860 MPa；

⑤吊索直徑：等效直徑140 mm(兩股騎跨式，單股直徑100 mm)，抗拉強(qiáng)度1 670 MPa，間距13 m；

⑥索塔高度：180 m(承臺頂面以上)；

⑦加勁梁：高度14.5 m，寬度30 m，節(jié)間距13 m。加勁梁和二期恒載沿橋長方向約800 kN/m。

3 設(shè)計(jì)活載

對于撓度較大的鐵路懸索橋來說，由撓度產(chǎn)生的軌道坡度將形成列車行駛的障礙，按照影響線加載計(jì)算時(shí)的布載形式與實(shí)際的交通狀態(tài)不符合而形成非常大的活載，由此產(chǎn)生的結(jié)果是不經(jīng)濟(jì)和不合理的。圖3為中跨撓度最大點(diǎn)的影響線圖式，如果按照影響線加載，加載的長度要明顯長于實(shí)際列車的長度。因此有必要根據(jù)列車的實(shí)際車長度，或者利用車站到發(fā)線長度作為車輛加載的力學(xué)模式，在連續(xù)發(fā)生有撓度的軌道上模擬車輛行為。

圖3 撓度最大點(diǎn)的影響線圖式

因此，本節(jié)模擬車輛長度取500 m，按照中-活載圖式截取，取值為81.72 kN/m。

我國的中-活載是根據(jù)當(dāng)時(shí)我國鐵路系統(tǒng)機(jī)車、車輛運(yùn)用情況，按不同的列車編組，對不同跨度簡支梁所產(chǎn)生的荷載效應(yīng)的包絡(luò)線，通過幾種具有代表性的活載圖式的分析對比，從中選定的列車活載標(biāo)準(zhǔn)圖式。對于大跨度橋梁，有必要確立能反映實(shí)際交通狀態(tài)的合理的活載體系。因此，將中-活載換算成均布荷載作用在大跨度橋梁上的合理性有待進(jìn)一步研究。

另外，沖擊系數(shù)是表示橋梁動(dòng)力撓度或動(dòng)態(tài)應(yīng)力比相應(yīng)靜力值增加的比例，原有規(guī)范都是針對簡支梁或連續(xù)梁等跨度較小的橋型[10]，所以沖擊系數(shù)的選取也需要進(jìn)一步調(diào)查分析研究。日本規(guī)范對此做了如下解釋：對于懸索橋來說，列車的質(zhì)量與懸索橋的質(zhì)量相比是小的，軌道上如果使用直接緊固在鋼梁的長鋼軌時(shí)，估計(jì)除了列車的速度效果之外，忽略其他因素也不會(huì)有很大的差別，在列車行駛對橋梁產(chǎn)生的動(dòng)力效果中，豎直方向的影響估計(jì)在設(shè)計(jì)中只需用沖擊系數(shù)來反映即可。參考日本在懸索橋的加勁梁及吊索設(shè)計(jì)時(shí)所用的新干線沖擊系數(shù)，暫選取沖擊系數(shù)1.12。

根據(jù)TB 3466—2016《鐵路列車荷載圖示》，計(jì)算橋梁在雙線高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路和重載鐵路(計(jì)算時(shí)荷載系數(shù)Z=1.2)4種不同類型線路荷載下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。圖4～圖7分別反映了在不同荷載類型下的主梁跨中撓度、主纜應(yīng)力、吊索應(yīng)力和跨中上下弦桿的應(yīng)力。

圖4對比了4種列車荷載作用下的主梁跨中豎向撓度，從圖中可以看出，雙線重載鐵路荷載作用下主梁跨中豎向撓度最大，撓跨比約為1/500，城際鐵路下?lián)隙茸钚。瑩峡绫燃s為1/1 000。

圖4 不同列車荷載下主梁跨中撓度

圖5對比了不同列車荷載下主梁跨中上下弦桿的應(yīng)力，在雙線重載鐵路荷載下，上弦桿應(yīng)力為57.8 MPa，下弦桿應(yīng)力為85.6 MPa，斜桿應(yīng)力為98.0 MPa。

圖5 不同列車荷載下主梁跨中上下弦桿應(yīng)力

圖6對比了不同列車荷載下主跨部分主纜的應(yīng)力，在雙線重載鐵路作用下主纜應(yīng)力由跨中的880 MPa變化到960 MPa。

圖6 不同列車荷載下主纜應(yīng)力

圖7對比了不同列車荷載下吊索的應(yīng)力，在雙線重載列車荷載下，吊索應(yīng)力由跨中的655 MPa變化到塔根部924 MPa。

圖7 不同列車荷載下吊索應(yīng)力

結(jié)合本公鐵兩用懸索橋參數(shù)與我國高速重載鐵路現(xiàn)狀，參照大秦鐵路的實(shí)際運(yùn)營情況對模型進(jìn)行移動(dòng)荷載的加載，與上述按照TB 3466—2016《鐵路列車荷載圖示》[9]進(jìn)行加載的結(jié)果進(jìn)行對比。

大秦鐵路是中國第一條雙線電氣化重載運(yùn)煤專線，是中國西煤東運(yùn)的主要通道之一，其運(yùn)行的2萬t載重的重載列車長度達(dá)2 700 m，均布荷載約為72.6 kN/m，而已經(jīng)進(jìn)行試驗(yàn)的3萬t載重的重載列車長度達(dá)到3 971 m，均布荷載為75.6 kN/m。因此，結(jié)合本公鐵兩用懸索橋的具體情況，在移動(dòng)荷載加載時(shí)，算例按加載長度為全橋長度加載，集中荷載按照《鐵路列車荷載圖示》[9]取為250 kN，均布荷載取74 kN/m。

按客貨共線鐵路計(jì)算結(jié)果，橋梁跨中撓度為2.18 m，撓跨比約為1/550；主纜應(yīng)力在846～912 MPa之間，安全系數(shù)約為2.0，需要再加大主纜的直徑或者使用高性能高強(qiáng)鋼材，如抗拉應(yīng)力達(dá)到2 100 MPa；吊索應(yīng)力在640～690 MPa之間，安全系數(shù)約為2.4，吊索也還需要加大直徑或使用高強(qiáng)高性能的鋼材，使安全系數(shù)在3～4之間；加勁梁跨中上弦桿應(yīng)力為48.2 MPa，下弦桿應(yīng)力為71.3 MPa，斜桿應(yīng)力81.7 MPa，加勁桁架的應(yīng)力比較富余。

4 材料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

主纜在索塔頂?shù)闹魉靼凹板^碇支墩的散索鞍處存在轉(zhuǎn)向，所以同時(shí)也承受彎曲應(yīng)力；每根主纜都是由若干根鋼絲組成，制造時(shí)每根鋼絲的無應(yīng)力長度都不可避免地存在誤差，而施工工藝也決定了在緊纜后每根鋼絲的松緊程度也不完全一致。由于上述兩個(gè)原因(主纜彎曲應(yīng)力及受力不均勻性)，懸索橋主纜的安全系數(shù)一般取2.2～2.5。

吊索[11-13]主要有如下兩種形式：騎跨過索夾的鋼絲繩吊索(由若干根直徑不同的細(xì)鋼絲編制而成)和預(yù)制平行鋼絲吊索(有若干根直徑相同的平行鍍鋅鋼絲組成)。鋼絲繩和平行鋼絲吊索，安全系數(shù)分別取為4.0和3.0。

5 大跨度公鐵兩用懸索橋結(jié)構(gòu)靜力特性參數(shù)研究

以矢跨比1/10，加勁梁梁高15 m，梁寬30 m為例，建立公鐵兩用懸索橋有限元基本計(jì)算模型，進(jìn)行靜力計(jì)算分析。然后通過變化懸索橋的梁高、梁寬、邊中跨比、垂跨比、約束條件等，按中荷載作用分析這些參數(shù)對懸索橋豎橫向剛度的影響[14]。

5.1 不同支承體系對橋梁剛度的影響

懸索橋按照結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)進(jìn)行分類，可以分為如圖8所示的8種類型。

圖8 懸索橋結(jié)構(gòu)體系

單跨雙鉸體系常見于高山峽谷地區(qū)或者主塔已達(dá)河流岸邊，兩側(cè)橋梁直接搭建在輔助墩上更為經(jīng)濟(jì)，或者由于路線線型限制，橋梁邊跨為曲線，不能與主纜平行，無法使用吊索的情況[15-16]。

三跨雙鉸體系懸索橋和三跨連續(xù)體系懸索橋是世界上最常見也是應(yīng)用最廣泛的懸索橋類型。由于此類結(jié)構(gòu)受力較為合理，特別適用于大跨度懸索橋建設(shè)。

多跨連續(xù)體系懸索橋?yàn)槎嗨嗫缃Y(jié)構(gòu)(如武漢鸚鵡洲大橋)，由于主梁長度大，結(jié)構(gòu)較柔，因此自振周期較長。為了提高橋梁的整體剛度，索塔的順橋向剛度以及主纜的垂跨比需要增加[17-19]。

自錨式體系懸索橋區(qū)別于地錨式懸索橋，是將主纜直接固定在邊跨加勁梁上，由于主纜產(chǎn)生的水平分力需要與加勁梁的軸向壓力相平衡，所以這就要求自錨式懸索橋的主梁必須是連續(xù)的[20]。

懸索橋支承體系的選擇需要綜合橋梁的功能、規(guī)模、建設(shè)條件、地理?xiàng)l件以及經(jīng)濟(jì)性等各類因素確定，并結(jié)合相應(yīng)的支承方式、附屬構(gòu)造設(shè)施等，以滿足橋梁整體的剛度要求。本文將研究不同支承體系對懸索橋剛度的影響程度，從而合理選擇懸索橋支承體系。本文對比的支承體系分別是單跨帶伸出跨[21]、單跨雙鉸、三跨連續(xù)懸索橋。

(1)豎向剛度影響分析

在滿布活載的作用下，不同支承體系對應(yīng)的豎向撓度和豎向轉(zhuǎn)角包絡(luò)圖分別如圖9、圖10所示，其中邊跨長度均為300 m。

圖9 不同支承體系對應(yīng)的豎向撓度包絡(luò)圖

圖10 不同支承體系對應(yīng)的豎向轉(zhuǎn)角包絡(luò)圖

從圖9、圖10可以看出，在移動(dòng)荷載作用下，三跨連續(xù)體系懸索橋的豎向撓度以及轉(zhuǎn)角均與單跨帶伸出跨體系結(jié)果比較接近，三跨連續(xù)體系比其他兩種體系整體豎向撓度大約3%。而單跨雙鉸懸索橋，主跨加勁梁沒有邊跨的約束，最大豎向撓度比其他兩種體系增加約15.6%。可見宜避免采用單跨雙鉸體系，若遇到高山峽谷地區(qū)，邊跨較短或者不得不采用單跨雙鉸體系時(shí)，加勁梁梁端應(yīng)增加約束措施。單跨雙鉸比其他兩種體系梁端最大轉(zhuǎn)角大51.6%，三跨連續(xù)與單跨帶伸出跨結(jié)果較為接近，加勁梁邊跨部分，三跨連續(xù)的轉(zhuǎn)角略大。綜上，公鐵兩用懸索橋支承體系宜采用單跨帶伸出跨體系。

(2)橫向剛度的影響分析

橋梁橫向剛度通過施加橫向風(fēng)荷載進(jìn)行定量分析，如圖11、圖12所示為不同的支承體系下加勁梁橫向變形和橫向轉(zhuǎn)角包絡(luò)圖。

圖11 不同支承體系對應(yīng)的橫向撓度包絡(luò)圖

圖12 不同支承體系對應(yīng)的橫向轉(zhuǎn)角包絡(luò)圖

從圖11和圖12可以看出，三種懸索橋支承體系中，單跨帶伸出跨和三跨連續(xù)體系在橫向荷載的作用下的變形和轉(zhuǎn)角相近，而這兩種支承體系的橫向變形和轉(zhuǎn)角均明顯小于單跨雙鉸體系，橫向撓度上單跨雙鉸體系會(huì)增加110%，橫向轉(zhuǎn)角增加142%。另外，由于單跨雙鉸體系懸索橋加勁梁梁端橫向約束小，其橫向最大轉(zhuǎn)角出現(xiàn)在橋塔處，而其他兩種體系最大轉(zhuǎn)角出現(xiàn)在約1/5跨處。以上結(jié)果表明單跨雙鉸體系懸索橋在風(fēng)荷載作用下表現(xiàn)較差。若懸索橋位置處于風(fēng)力較大地區(qū)，應(yīng)盡量避免采用單跨雙鉸體系。

結(jié)合支承體系對公鐵兩用懸索橋剛度的影響分析可知，單跨帶伸出跨具有和三跨連續(xù)幾乎相同優(yōu)越的豎向和橫向剛度，行車平順性優(yōu)越，但是單跨帶伸出跨的經(jīng)濟(jì)性更好，因此后續(xù)分析的公鐵兩用懸索橋均采用單跨帶伸出跨的支承體系。

5.2 邊跨輔助橋墩布置方式對橋梁剛度的影響

總結(jié)不同支承體系對懸索橋的影響，可以得到單跨帶伸出跨體系懸索橋結(jié)構(gòu)特性與三跨連續(xù)較為接近，且結(jié)構(gòu)可行性及經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。

在懸索橋橋型確定采用單跨帶伸出跨體系條件下，通過改變邊跨橋墩布置方式，研究不同的邊跨橋墩布置形式對于懸索橋剛度的影響。邊跨橋墩的布置形式有很多種。為了方便對比，邊跨輔助橋墩布置分為3種形式，分別為104 m、78 m+104 m、78 m×2+104 m。也就是第一個(gè)邊跨跨度為104 m，后續(xù)增加2個(gè)78 m的連續(xù)邊跨。在研究過程中，橋梁其他參數(shù)保持不變。

(1)豎向剛度影響分析

在滿布活載的作用下，對比不同的連續(xù)邊跨數(shù)量的橋梁計(jì)算結(jié)果，邊跨數(shù)量對于加勁梁的撓度和豎向轉(zhuǎn)角的影響很小。也就是說在確定了第一個(gè)輔助墩位置的情況下，繼續(xù)增加邊跨數(shù)量，并不會(huì)增大橋梁剛度。而橋梁邊跨跨數(shù)增加僅可以影響輔助墩位置處主梁的轉(zhuǎn)角，綜合考慮，單跨帶伸出跨的邊跨建議采用兩跨形式。

(2)橫向剛度影響分析

在橫向風(fēng)荷載作用下，邊跨數(shù)量的不同對于橋梁橫向剛度來說影響也很小。但是主梁連續(xù)的長度增加，可以適當(dāng)減小風(fēng)荷載作用下加勁梁的橫向撓度和轉(zhuǎn)角的減小。

3種邊跨輔助墩的布置形式對公鐵兩用懸索橋的剛度的影響是不同的，但是(78+104) m的計(jì)算結(jié)果與(78×2+104) m的計(jì)算結(jié)果相近，差別不大，優(yōu)越性相同，但(78+104) m這種布置形式更為經(jīng)濟(jì)，后續(xù)的分析均采用(78+104) m的輔助墩的布置形式。

5.3 高跨比對橋梁剛度的影響

本節(jié)分析的懸索橋梁高分別為13.5，14,14.5 m，對應(yīng)的懸吊結(jié)構(gòu)重力分別為807,811 kN/m和815 kN/m，垂跨比都采用1/10，梁寬均取為30 m。

在列車活載作用下，隨著梁高的增加，懸索橋的豎向撓度和豎向轉(zhuǎn)角以及加勁梁的扭轉(zhuǎn)角均有所減??；最大撓度減小3.26%，跨中豎向轉(zhuǎn)角減小6.08%，扭轉(zhuǎn)角減小5.59%，所以適當(dāng)?shù)募痈吡焊吣茉黾討宜鳂虻呢Q向剛度。后續(xù)的分析均按具有較高的14.5 m梁高尺寸進(jìn)行分析。

5.4 寬跨比對橋梁剛度的影響

寬跨比，即加勁梁寬度與主跨的比值。已建的大跨度懸索橋中，懸索橋加勁梁寬跨比大致在140～160之間。為方便分析對比，選取的主桁桁寬分別為22.5，25，27.5 m和30 m共4種，對應(yīng)的加勁梁寬跨比分別為1/53，1/48，1/43，1/40。對應(yīng)的懸吊結(jié)構(gòu)重力分別為780,792,804 kN/m和815 kN/m，垂跨比取為1/10，加勁梁高均為14.5m。

(1)豎向剛度影響分析

在列車活載作用下，不同梁寬對應(yīng)的豎向最大撓度和中跨跨中的梁部轉(zhuǎn)角如表5所示。

表5 不同梁高對應(yīng)豎向最大撓度和中跨跨中梁部轉(zhuǎn)角

從表5可知，隨著梁寬的增加，懸索橋的豎向撓度和豎向轉(zhuǎn)角以及加勁梁的扭轉(zhuǎn)角均有所減??；最大撓度減小4.7%，跨中豎向轉(zhuǎn)角減小13.1%，所以適當(dāng)加寬梁寬能增加懸索橋的豎向剛度。

(2)橫向剛度影響分析

在風(fēng)荷載作用下，加勁梁的寬跨比對于懸索橋橫向的撓度和轉(zhuǎn)角影響很大。寬跨比越大，橫向撓度和橫向轉(zhuǎn)角越小。當(dāng)寬跨比由1/53增加到1/40時(shí)，橫向撓度將減小40.5%，橫向最大轉(zhuǎn)角減小45.7%。

5.5 懸索橋邊中跨比對橋梁剛度的影響

邊中跨比，也就是邊跨與主跨的比值。邊中跨比越大，意味著邊跨跨度越大，邊纜傾斜角度就越小，對應(yīng)的邊纜內(nèi)力會(huì)減小，懸索橋的剛度也會(huì)受到影響。

采用4種不同邊中跨比的懸索橋進(jìn)行對比分析，為了對比結(jié)果明顯，邊跨分別為200，300，400，600 m，對應(yīng)的邊中跨比分別是1/6，1/4，1/3，1/2。采用單跨帶伸出跨支承體系，邊跨橋墩布置方式采用78 m+104 m，除邊中跨比外，其他參數(shù)保持不變。

(1)豎向剛度影響分析

活載作用下，懸索橋減小邊中跨比，加勁梁豎向撓度、豎向轉(zhuǎn)角在邊中跨位置都減小。豎向撓度呈現(xiàn)向上提的趨勢，即加勁梁的下?lián)蠝p小，而上拱增加。其中，加勁梁在主跨跨中處的下?lián)戏葴p小最多，而豎向轉(zhuǎn)角變化不大。邊中跨比由1/2增加到1/6時(shí)，加勁梁豎向撓度最多可以減小11.4%，而豎向轉(zhuǎn)角最多僅減小2.9%。反映出邊中跨比對加勁梁的豎向撓度的影響較大。

(2)橫向剛度影響分析

在橫向風(fēng)荷載作用下，改變懸索橋的邊中跨比，加勁梁的橫向撓度和轉(zhuǎn)角的變化都很小，幾乎可以忽略。

5.6 垂跨比對橋梁剛度的影響

垂跨比，即懸索橋主纜在主跨的垂度和主跨的比值。懸索橋主跨確定的情況下，主塔高度決定著垂跨比的大小。增加主塔高度，垂跨比也增加，橋塔施工難度加大，工程量也會(huì)增加；若減小懸索橋垂跨比，雖然可以減小主塔高度，但主纜傾斜角度減小，主纜在豎向內(nèi)力不變的情況下，水平分力將增大較多，主纜截面將會(huì)增大。因此選定合理經(jīng)濟(jì)的懸索橋垂跨比十分重要。

懸索橋垂跨比一般適合在1/8～1/12范圍內(nèi)選取。分別選取垂跨比1/8、1/9、1/10、1/11，分析對懸索橋豎向剛度的影響。

(1)豎向剛度影響分析

在滿布活載的作用下，不同垂跨比懸索橋?qū)?yīng)的豎向撓度包絡(luò)圖如圖13所示。

圖13 不同跨度對應(yīng)的豎向撓度包絡(luò)圖

從圖13可以看出，隨著垂跨比的減小，懸索橋加勁梁豎向撓度增大，而主跨跨中加勁梁豎向撓度增大最多。隨著邊垂跨比從1/8減小到1/11，加勁梁豎向最大撓度增大約15%。

(2)橫向剛度影響分析

隨著懸索橋垂跨比變小，風(fēng)荷載作用下的主梁橫向撓度同時(shí)減小。垂跨比從1/8減小到1/11，主梁橫向撓度減小11.4%。隨著垂跨比變小，主纜吊索橋塔的高度將下降，橋梁整體所受風(fēng)荷載也變小，對于橋梁抗風(fēng)都是有益的。

6 結(jié)語

綜合分析計(jì)算結(jié)果，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)(梁高、梁寬、邊中跨比、垂跨比、支承體系和邊跨輔助橋墩)對公鐵兩用懸索橋的影響規(guī)律。前述模型計(jì)算出的撓跨比都在1/500左右，所有撓跨比都能滿足條件，表明所給出豎向撓跨比的限值是合理的。所有參數(shù)分析時(shí)對應(yīng)的橫向撓跨比，除單跨雙鉸懸索橋有一個(gè)特別大的值1/574外，其余模型計(jì)算出的撓跨比的值都在1/1 000左右，橫向撓跨比均能滿足給出的建議限值。

整體結(jié)構(gòu)參數(shù)對于主梁橫向剛度的影響，在風(fēng)荷載作用下，改變主梁寬跨比，對橋梁橫向撓度和轉(zhuǎn)角均影響較大。寬跨比增加，可有效減小橫向撓度和橫向轉(zhuǎn)角；對于懸索橋垂跨比的減小，風(fēng)載下主梁橫向撓度和轉(zhuǎn)角同時(shí)減小。3種支承體系中，單跨雙鉸體系懸索橋在抗風(fēng)中是最不利的。因此，大風(fēng)地區(qū)盡量避免采用單跨雙鉸體系。綜合對比來看，單跨帶伸出跨的懸索橋支承體系是一種比較適宜的選擇。