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对我国铁路斜拉桥发展的探讨
2014-04-24 16:36:15 来源: 作者: 【 】 浏览:790次 评论:0
摘要:经济的发展,对我国铁路桥梁建设提出了更高的要求,其中,斜拉桥作为具有较大跨越能力的一种桥型,必将在未来的铁路建设中占有一席之地。

随着我国经济的发展,铁路建设不断扩大,这对铁路桥梁建设也提出了更高的要求,斜拉桥作为具有较大跨越能力的一种桥型,必将在未来的铁路建设中占有一席之地,本文根据一些铁路斜拉桥的设计研究情况对一些技术问题进行探讨,供同行参考指正。

一、斜拉桥的定义

斜拉桥的上部结构由梁,索、塔三类构件组成,它是一种桥面体系以加劲梁受压(密索)或受弯(稀索)为主、支承体系以斜索受拉及桥塔受压为主的桥梁。

二、我国铁路斜拉桥的发展现状

近年来,铁路建设加快了步伐,在一些新线的桥梁方案研究中提出了斜拉桥方案,特点是京沪高速铁路前期工作的开展,使铁路斜拉桥的设计研究工作得以深入进行,这是跨越各大水系的必然选择。目前所开展的铁路斜拉桥研究跨度已覆盖从200多米到800m的范围,这些研究工作的开展,为铁路斜拉桥的建设打下了坚实的基础,成为今后铁路斜拉桥发展的重要保证。高速铁路的桥梁建设在我国尚属空白,目前尚处在规划研究阶段,由于高速列车安全舒适运行对桥梁结构提出了更高的要求,因此大跨度的高速铁路斜拉桥所要解决的技术问题更加复杂。我国在未来的铁路建设中,修建大跨斜拉桥已经成为必然。

三、各类型铁路斜拉桥及其适用性

(一)混凝土梁斜拉桥

目前我国已经进行设计研究的三座铁路混凝土斜拉桥具有一定的代表性,三座斜拉桥主跨跨度分别为240m,293m,360m。三座斜拉桥均在边跨设有辅助撤。前两座均为双线高速铁路桥,后一座为单线普通铁路桥。双线高速铁路桥面宽度按净空尺寸,再加上斜拉索的锚固尺寸总宽应在15m左右,这一主梁宽度对主跨24Om,293m也即主跨在300m以内的斜拉桥,横向刚度均可满足高速列车运行要求,但为满足受力要求,主跨293m斜拉桥方案梁高需3.3m~3.5m。主跨360m斜拉桥因是单线普通铁路桥,实际行车净空所需宽度较小,但为满足横向刚度要求,梁宽仍用到15m,同时为满足受力之需梁高则用到了4m以上。研究表明,若要满足双线要求,梁高需增到5m,梁宽需增至16.8m,塔刚度及高度需加大,混凝土用到C60级,桥面恒载已与宽度30m的公路桥相当(应予说明普通铁路设计活载较高速铁路设计活载大约25%左右)。不难看出,双线铁路混凝土梁斜拉桥要达到360m以上跨度,技术难度很大。由于恒载较大,由斜拉索引入主梁的压力较大,加上活载产生很大的梁体弯矩作用,塔墩处主梁断面压应力及防中段主梁应力变幅都成为控制条件,不仅如此,主塔所承受的压应力及应力幅度也较大。显然通过增加梁塔尺寸的办法来改善梁塔压力状况这不到目的,因为当梁塔刚度增加其相应弯矩也将随之增加。此外,随跨度增加,混凝土收缩徐变引起线型变化对行车性能的影响更大,为满足横向刚度之需主梁宽度也需进一步加大。不言而喻,更大跨度的混凝土斜拉桥将失去技术、经济上的优势。

(二)钢梁斜拉桥

钢梁斜拉桥的问题、首先应从钢桥梁开始讨论,这是常用的成熟梁式。钢振梁的适用范围较大,用于斜拉桥,从研究情况看可达到88m跨度,主要是其技术、经济方面在不同跨度范围、不同情况下的竞争力问题。钢桁梁按双线高速铁路行车净空考虑,其行宽一般仅需14m左右,这一行定要满足横向刚度要求所能适应的斜拉桥跨度是有限的,但其桁高、桁宽可随跨度、受力变化较方便地调整,以满足强度及刚度方面的要求,桥宽、桥高增加虽会引起材料数量的增加,但引起重量的增加是有限的,远小于混凝土梁高、宽变化引起重量变化的幅度。但随斜拉桥跨度的加大,主桁杆件的杆力则随之明显增加,相应要加大杆件尺寸,大杆件会带来技术上的困难,包括选材、制造加工及施工安装等各个方面。另一方面,由于钢梁自重较轻,斜拉索用量相对较少,相对地降低了斜拉索对提高结构体系竖向刚度的作用,这将需要为满足刚度要求而增加材料投入。另外斜拉索(主要是尾索)应力幅度也较高。典型的钢抗梁的桥面系采用纵横梁体系,在纵梁上铺设混凝土桥面板,在桥面板上设置碎石道床轨道,其特点是恒载重。但维修方便。但大跨度斜拉桥采用钢行架时,主流杆件很大,过大的杆件将因上述原因成为技术难题,在这种情况下,桥面采用正变异性钢桥面板与主桁结构共同受力,这种构造受力合理区可减轻桥面重量,但存在不便养护的问题,一旦桥面板锈蚀需更换维修,则要中断行车。为解决这一问题,一种可能的方式是在正变异性钢桥面板上结合一层混凝土板,既可防止钢桥面板锈蚀,又可参与共同受力,这在设计受刚度指标控制的条件下可能更加需要,一方面增加了主梁自身刚度,另一方面由于主梁重量增加斜拉索也相应增加面积,这对提高竖向刚度非常有效。但是,每种构造形式都有其优缺点,必须结合具体情况适当选用才能取得最佳效果。

(三)pc箱钢桁叠合梁斜拉桥

斜拉桥结构用于铁路桥,特别是用于高速铁路桥梁,由于铁路荷载大,列车行车的平稳住与安全性要求较高。斜拉桥属于柔性结构,结构刚度常成为控制因素,这就要求设计必须根据铁路运行特点、荷载状况并结合斜拉桥的力学特点,提出符合规律的结构形式。

通过对提高斜拉桥体系刚度影响因素的研究,斜拉索刚度的增大对提高体系刚度最有效,但是由于斜拉索存在较为严重的几何非线性,其弹性模量随着应力水平降低衰减越来越快。因此,单纯依靠增加斜拉索面积,增加不了其承载刚度,要想使增加的索面积有效发挥,必须使斜拉索承载后具有相应的应力水平,也即只有增加梁重。基于这种观点,从充分发挥钢与混凝土各自优势出发,根据主梁在斜拉桥中要承受巨大轴力和较大的弯矩但剪力较小的力学特点,采用pc箱与钢桁叠合,形成一种全新的铁路斜拉桥主梁截面形式。这种主梁结构具有较大的截面刚度及足够的重力,使斜拉索在成桥阶段形成具有重力刚度较大的斜拉承载体系,从而加强结构体系刚度,改善结构受力,对保证列车行车安全及平稳运行更具优势。

PC箱结构恒载重,整体性强,具有良好的抗侧弯和抗扭转刚度,以其作用承载主干形成斜拉桥结构的基本体系,但是pc箱竖弯模量不足,在采用大跨斜拉桥的情况下,难以承受铁路活载所产生的弯矩,同时也不能满足体系对竖向刚度的要求,为此采用无下弦的三角形钢桥与之叠合,利用桁高和钢材的高强度,形成具有足够竖向抗弯刚度的组合截面。PC箱承压能力强,为此在实现体系转换的过程中,让绝大部分恒载轴力由PC箱承受,再将钢桁与pc箱相叠合,使钢桥仅承受话载及部分恒载。斜拉索直接锚干PC箱梁两侧,钢桥腹杆受力较小,钢桁与pc箱节点剪力很小将使钢桁与pc箱节点处理较为简便。由于受叠合钢桁的约束影响,PC箱梁收缩徐变对线型的影响明显减小。此外,pc箱兼作桥面系构造,有利于铺设道碴降低噪音。由于恒活比增大,有利于降低斜拉索的应力幅值;并且后期养护工作大为减小。

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