铁路混合梁斜拉桥设计创新与实践

北京 100081)摘要:研究目的:依托多工点桥梁，本文开展合理成桥状态、关键设计参数、钢混结合段构造、钝形钢箱梁气动

选型等理论分析及试验研究，以解决铁路大跨度混合梁斜拉桥荷载重、疲劳活载大、动力性能及刚度要求高等 诸多技术难题。研究结论：(1)建立的“塔偏梁拱”合理成桥状态，解决了铁路活载大、恒活比小引起的结构受力不均衡性

难题;(2)推导的梁、塔、索关键设计参数解析公式，揭示了结构受力行为及影响规律；(3)采用的钢混结合段

梯形填充混凝土连接构造技术，解决了铁路荷载作用下结合段刚度过渡平顺性技术难题；(4)提岀的铁路正 交异性钢桥面板的疲劳应力解析公式,揭示了疲劳影响因素及规律，首创的加厚加高型V肋改善了铁路钢桥

面结构疲劳性能;(5)提岀了钝形钢箱梁涡振扭转振幅限值标准;(6)本研究成果可为类似大跨度斜拉桥的设

计提供参考。关键词:斜拉桥;成桥状态;设计参数;结合段;气动选型 中图分类号:U44& 27;U44& 38

文献标识码:ADesign Innovation and Practice of Railway Hybrid Girder Cable - stayed BridgeLIU Zhenbiao' , WEN Wangqing' , CHEN Liangjiang2(1. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co. Ltd, Wuhan, Hubei 430063, China; 2. China Railway

Economic and Planning Research Institute, Beijing 10081 , China)Abstract: Research purposes: Based on the multi - station bridge, theoretical analysis and experimental research on

key structures such as reasonable finished bridge state, key design parameters, steel - concrete joint section,

aerodynamic selection of blunt steel box girder are carried out to solve many technical problems such as heavy load, heavy fatigue live load, high dynamic perfonnance and stiffness requirements of long 一 span railway hybrid girder cable 一

stayed bridges.Research conclusions: (1) This paper establishes a reasonable finished bridge state of \" tower slant girder arch\" , which

solves the problem of unbalanced structural force caused by large live load and small constant live ratio of railway.(2) Analytical formulas for key design parameters of girders, towers and cables are deduced, which reveal the

mechanical behavior and influence law of structures. (3 ) The technology of steel - concrete composite section trapezoidal connection structure is adopted to solve the technical problem of transition smoothness of stiffness in joint section under

railway load. (4)The analytical formula for fatigue stress of railway orthotropic steel bridge deck is presented, and the influencing factors and rules of fatigue are revealed, and the initial extra thick and high type V 一 shaped stiffener

improves fatigue performance of railway steel bridge deck structure. ( 5 ) A criterion of amplitude control for torsional*收稿日期:2019-01-18*索作者简介：刘振标,1972年出生，男，教授级高级工程师。第5期刘振标文望青陈良江:铁路混合梁斜拉桥设计创新与实践31vortex - induced resonance of blunt steel girder is proposed. ( 6 ) The research results can provide reference for the

design of similar long 一 span cable 一 stayed bridges.Key words: cable 一 stayed bridge ； reasonable finished bridge state ； design parameters ； steel - concrete composite

section ； aerodynamic selection1铁路混合梁斜拉桥的技术特点混合梁斜拉桥是当今世界大跨度斜拉桥的发展方

列原创性成果，桥型相比钢桁梁斜拉桥方案节约工程

投资约20% ~25%⑵。2向，其中跨全部或部分采用钢梁,具有材质均匀、自重 轻、跨越能力大、工期短的优点。边跨采用自重较大的 混凝土梁作为压重跨，增强了对中跨的锚固作用，提高 了整体竖向刚度，改善了梁端转角。建造铁路大跨度

铁路混合梁斜拉桥技术体系构建2.1合理成桥状态研究铁路列车活载远大于公路汽车荷载，以宁波甬江 桥主跨468 m为例，双线铁路ZKH竖向静活载相当于

6车道“公路-I级”4.33倍。若采用常规“塔直梁

混合梁斜拉桥面临着荷载重、动力性能及刚度要求高

等诸多技术难题:一是铁路列车活载集度高、恒活比 平”成桥状态，桥塔两侧纵向弯矩和跨中钢梁正负弯 矩量值相差较大，结构受力不均衡。由此提出预加弯 矩成桥状态理论:首先确定桥塔、主梁的恒载弯矩合理

大、疲劳问题突出，铁路双线列车荷载是同跨度公路 桥梁6车道汽车荷载集度4倍以上，会对加劲梁构件、

结合段的承载力及疲劳产生不利影响;二是刚度指标 域，待全桥合龙后调整斜拉索力，使桥塔向岸侧偏移、 跨中钢箱梁上拱（图1）,以介于恒载弯矩合理域区间 作为偏移、上拱控制值，即对塔、梁施加预存弯矩，平衡

控制严格,作为承轨结构，须控制荷载作用下的刚度

指标，提供良好的轨道平顺性，满足安全性及舒适性 要求。宁波铁路枢纽北环线甬江特大桥的建成，开创了

部分活载效应，减小主力工况下中跨钢箱梁正负弯矩 和桥塔下塔柱两侧纵向弯矩差值（图2）,同时提高了 索力，减小了斜拉索非线性影响，提升了结构整体刚

铁路采用箱形混合梁斜拉桥的先河⑴。依托项目开

展了铁路大跨度混合梁斜拉桥合理成桥状态、关键设 计参数、关键连接构造、新型铁路桥面加劲肋、钝形钢 箱截面气动选型等理论分析及试验研究，取得了一系

6646度。建立铁路混合梁斜拉桥“塔偏梁拱”合理成桥状 态，解决了铁路活载大、恒活比小引起的结构受力不均 衡难题。660.1250.109J:-0.121 kO.105S0.0—

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-264 272-339 183660EE600Z.E6SOSZ.223 264272 973I6EE6S60JZ9Z0（a）主梁（b）桥塔图2主力作用下的梁、塔弯矩包络图（单位:kN • m）32铁道工程学报2019年5月2.2关键设计技术参数研究基于斜拉索用量最省原则，建立计算图示3 ,研究 边跨跨度、中跨跨度、桥面以上塔高，以及边、中跨恒活

载集度比等关键设计参数之间的相互关系。图中，边 跨跨径为人，锚固跨和压重跨长度分别为几和主跨

跨径为厶,半主跨长度为边跨加劲梁包括二期恒载 在内的单位长度平均重量计为弘(不含锚固跨恒载增 加量)，边跨锚固跨加劲梁比所增加的单位长度重 量计为g”主跨在恒载与列车活载作用下，单位长度 重量计为?zo图3混合梁斜拉桥布置示意图(仅示半跨)假定斜拉索呈放射形布置,斜拉索集中布置在设 定的桥塔顶，斜拉索张拉应力为％,在血范围内的加

劲梁荷载重量由该范围内的斜拉索承担,则半桥中跨、 边跨(不计锚固跨增加量)的斜拉索用量为巴=JR +x2• 2\"JO\"罗-。h5)屮\\ +斜3h)yk2 +x2(1)7b • A(2)”0由于混合梁斜拉桥边跨一般较短,锚固跨斜拉索

间距一般较密，斜拉索规格相对较大，设想半中跨长度 /扣除与边跨人对称长度范围内的斜拉索量，多出的

这部分斜拉索用量均布置在边跨的锚固跨，得到=齐\" — )+命W)]

(3)则边跨斜拉索总用量为式(2)与式(3)之和：将肌和/分别对人和I求导，忽略桥塔纵向水

平刚度,晋，可求出钢索的最少用量，得到你-qm(5)”0令仏=坐，心=纽,代入式(5 ),得到边跨跨度人、

Qz

Qz中跨跨度厶、桥面以上塔高h ,以及边、中跨恒活载集度

比鼠/”之间的相互关系为b 一(6)式中心——单位长度边跨主梁恒载重与中跨主梁恒

载、满布活载之和的比值；乓——单位长度边跨主梁压重与中跨主梁恒

载、满布活载之和的比值。分析式(6)可得到如下规律：第一,一旦中跨跨度L确定,根据中跨端斜拉索的

倾斜角度，可以得到桥面以上塔高力，随之可依据建桥 条件，调整边跨长度人及边跨荷载集度心、心,灵活设

置钢混结合段位置，使不对称独塔斜拉桥的孔跨布置

做到因地制宜。第二，若受建桥条件限制，边跨跨度人、中跨跨度

厶确定后，可以通过调整锚固跨匚、压重跨人的截面类

型、结合点位置，边跨荷载集度以及桥塔高度 加得到合理的桥式方案。第三，当客观条件要求加大中跨跨度时，可将边跨

压重跨人采用与中跨相同的钢梁以减轻梁重,并适当 加长压重跨-,增大中跨跨越能力；当压重跨Z¥需要与

对应的部分中跨对称悬臂施工时,压重跨I,以及与之

对称悬臂施工的部分中跨均可采用混凝土梁。第四，进一步研究表明⑵，铁路混合梁斜拉桥边、

中跨比一般控制在0.3-0.45范围。上述公式揭示了梁、塔、索等关键设计参数与体系 力学性能的关系，形成了有别于公路桥的“高”塔、

“大”边中跨比、“大”高跨比的铁路混合梁斜拉桥技术 体系，成果已应用于多个工点项目。2.3关键构造技术研究2. 3.1钢混结合段梯形填充混凝土连接构造技术

除保证连接可靠、传力平顺以外，铁路钢混结合段

还需要重点关注刚度突变造成的长、短波不平顺，避免 截面形心轴变化产生的附加弯矩而影响连接的可靠

性。为此,提岀并采用了钢混结合段梯形填充混凝土

(图4)、控制结合段各截面形心突变、减小截面附加弯 矩影响的工程措施。与传统钢混结合段相比,一是将第5期刘振标文望青陈良江:铁路混合梁斜拉桥设计创新与实践33钢格室顶底板梯形倾斜布置、加长渐变,其内填充混凝 加弯矩;二是纵预应力束分散锚固于钢混结合段的前

土,控制形心轴变化幅度，保证刚度过渡平顺，减小附 后承压板，实现混凝土梁与钢箱梁的可靠连接。14.05 m3.0m（混凝土箱梁过渡段）2.0 m（横隔梁）4.05 m（钢-混过渡段）5.0 m（钢箱梁过渡段）向塔向2.0 m 2.0 ni 11.0 m背塔向图4钢混结合段梯形填充混凝土构造宁波甬江特大桥钢箱梁和混凝土梁截面形心轴距 上缘的距离分别为2.052 26 m和2. 136 75 m,仅相差

&45 cm,由此产生的成桥状态附加弯矩占总弯矩的比

2.3.2铁路正交异性钢桥面结构研究铁路活载轮载作用范围固定，通过轨枕、道祚或基

座分散均匀传递至桥面，相比公路车辆荷载随机作用， 受力更明确。基于弹性支撑梁理论与闭口薄壁杆件理

值约为0.5% -11.7% o承载力及实桥荷载试验结果

均表明:结合段刚度过渡平顺，连接安全可靠,结合点 横竖向振幅和加速度值无异常跳越，安全性有保障，舒

论,推导得到加劲肋与横隔板连接处沿焊缝长度剪应 力丁,与法向应力S、焊缝端部加劲肋疲劳敏感部位面 内疲劳应力。解析公式。g(*,y)—Th适性良好。Q.图5横隔板与加劲肋连接处的传力模型Tt = Q%/(21 • h(/sina + 耳• hf)=化 sino/ (2/ • h{/sina +• hj (i = 1 ,2)(7)(8)(9)cr, =Fn：/(2/ • /if/sina+t] •/ij =F；cosa/(2/•/i/sina+t] •/ij(i = l,2)

Qy ~Qz r .

° 2z, (2hf + ) I- +『(/ _3人)耳]_g(x,y)sina加3/xsin2a J 2\" (2/i『+ \")I,——截面V肋含顶板的抗弯惯性矩； 人——加劲肋形心到顶板上缘的距离。式中——加劲肋两侧腹板与横隔板焊缝传

递的剪力和法向力；——加劲肋与横隔板连接焊缝两侧加劲

肋上的剪力合力；I——焊缝横向水平投影长度；—横隔板厚度；—

公式表明:加劲肋与横隔板的焊缝长度增加、加劲 肋腹板与顶板内夹角减小、横隔板厚度增加均能降低 敏感点的疲劳应力；焊孔尺寸的减小提高了横隔板对

加劲肋的竖向支撑刚度，改善了敏感点的疲劳性能。

h,——焊脚尺寸；a——加劲肋腹板与顶板的内夹角；该解析公式的计算结果与有限元分析、疲劳加载试验 结果⑶吻合良好，误差控制在5% ~10%。基于以上理论首创加厚加高型V肋，与面积、惯

b——加劲肋的宽度；34铁道工程学报2019年5月性矩相等的常规U肋相比（图6）,V肋腹板高度增加

10%，与横隔板焊缝长度增加23. 4%，圆弧形过焊孔

（图7）表明，V肋较U肋的疲劳敏感点应力幅降低5% ~12%。面积减小20.9%。理论分析及足尺疲劳对比试验⑶150 丄

300

丄 150图6 U肋及V肋（单位:mm）于200 m的桥梁，铁路无相关条文。一般而言,与列车 活载挠度相比，竖向涡激共振振幅值一般较小,对轨道 的高低几何状态影响相对有限，可视为桥梁变形引起 的轨道不平顺，作为系统激励源进行输入。但铁路桥

梁扭转涡振实质上引起同一轨道横截面上左、右钢轨 顶面产生高度差，即改变了轨道的水平几何状态。若

扭转涡激共振允许振幅［仇］较大，将导致轨道水平几 何状态恶化,不能满足轨道线形动态检测要求。为研究钝性截面涡振性能,深茂铁路潭江特大桥

图7疲劳加载试验比选了三种宽度的风嘴：D = 1.0 m、D = 1.5 m、D=2.0 m,

如图8所示。模型主要参数以及试验结果如表1所 示，最不利扭转涡振响应如图9所示。由试验结果⑷

2.4铁路钝形钢箱梁涡振振幅允许值研究铁路混合梁斜拉桥加劲梁的宽高比小，截面呈钝 形，容易发生涡激共振现象。当列车通过桥梁时，若起

可知：第一，风嘴有利于提高结构的涡振性能，风嘴宽度

振风速位于列车正常或限速运行环境风速阀值区间， 越大，抑振效果越好。第二,方案一、方案二的竖弯振幅、扭转振幅均超

风荷载激励引起的动态不平顺与轨道静态不平顺叠 加，影响安全性及舒适性。限，方案三在-3。攻角下扭转涡振不满足轨道线形动 态验收限值要求，方案四各项振幅均满足要求。我国公路规范关于涡振振幅允许值适用于跨径小

（b）风嘴模型图8潭江特大桥钢梁节段涡振试验第5期刘振标文望青陈良江:铁路混合梁斜拉桥设计创新与实践35表1潭江特大桥风嘴模型参数及试验结果参数频率/Hz阻尼/%风速比容许值竖向/mm3.387 50.49扭转/(°)7.2860.467.39172 mm7.381公路规范0.251°/ 动态验收0. 152 8°+ 3°-3°0°攻角-3°0°24.5+ 3°方案一 ：D =0 m(原截面)30.5143.50.0970.0850. 170方案二:0 = 1.0 m23.6535. 1893.610. 1150.0320.228方案三:0 = 1.5 m34. 1方案四:0=2.0 m12.316.871.30.2010.0280. 1366918.40.1230.0230.0623图9 -3。攻角扭转涡振响应建议铁路钢箱梁设计时，成桥状态按轨道几何状

典型工程及技术创新态幅值评价允许偏差验收管理值(表2)、公路规范规 定扭转涡激共振的允许振幅二者取小值，施工状态可 参考公路规范规定进行结构气动选型,并开展风车桥 振动耦合分析予以验证。表2轨道水平几何状态幅值幅值评价允许偏差验收管理值3.1整体闭口截面混合梁斜拉桥代表性桥梁有宁波铁路枢纽北环线甬江特大桥及

广州南沙港铁路西江特大桥等。甬江特大桥采用(53 +

50 + 50 + 66 + 468 + 66 + 50 + 50 + 53)m 钢箱混合梁斜

拉桥，钢混分界点位于主梁中跨侧距离桥塔24. 5 m 处，边跨及部分中跨主梁为预应力混凝土箱梁,其余中

线路设计速度等级/( km • h,)160WVW2504250 < VW3503轨道水平几何状态/nun跨主梁为钢箱梁，主桥总体布置如图10所示。图10甬江特大桥主桥总体布置图(单位:m)混凝土箱梁采用单箱三室等高截面，截面全宽21 m. 中心处梁高5.0 m,顶板、底板厚40 -50 cm,边室顶

构受力不均衡难题。二是.钢混结合段采用梯形填充混凝土连接构造 技术，解决了铁路荷载作用下结合段刚度平顺过渡技

板、斜底板厚32 cm,直腹板厚45 ~60 cm。中跨钢箱 梁采用带风嘴的单箱五室截面，截面外轮廓尺寸与混 凝土箱梁相同。中间三室与混凝土主梁三室相对应， 中纵腹板厚20 ~30 mm,边纵腹板厚30 mm。桥塔采用钻石形桥塔，全高177.91 m,纵向宽度

术难题，确保了传力可靠性及行车安全性。三是,提出铁路正交异性钢桥面板的疲劳应力解 析公式，揭示了疲劳影响因素及规律，首创加厚加高型

V肋，改善了铁路钢桥面结构疲劳性能。由9 m线性加宽至12. 53 mo斜拉索采用镀锌平行钢 丝拉索，空间双索面布置,全桥共100对斜拉索。混凝 土箱梁采用逐段支架现浇,钢箱梁采用节段吊装施工。

3.2结构不对称独塔混合梁斜拉桥代表性桥有深茂铁路潭江特大桥、潜江支线岳口汉

江特大桥。潭江特大桥孔跨为(31.8 + 57 + 130 + 256 +

63.9)m独塔混合梁鉗S桥。主跨256 m为通航孔.(31.8 + 57)m为混凝土梁，其余为钢箱双主梁，钢混结合面设置于

创新性体现如下：一是，首次建立了铁路混合梁斜拉桥“塔偏梁拱” 理想成桥状态,解决了铁路活载大、恒活比小引起的结

10号墩顶附近。主桥总体布置如图11所示。36铁道工程学报2019年5月图11潭江特大桥总体布置图(单位:m)混凝土梁采用双箱边主梁，截面全宽14 m,中心 术难题，确保了传力可靠性及行车安全性。(3) 提出铁路正交异性钢桥面板的疲劳应力解析

处梁高4.6 m,标准横截面边箱梁顶、底板厚度均为

80 cm,桥面板厚50 cm。钢箱梁与混凝土梁等高，两

公式,揭示了疲劳影响因素及规律，首创加厚加高型V

侧各设2.6 m宽风嘴，顶板厚28 ~44 mm,底板厚32 ~

48 mm,腹板厚24 ~ 28 mm。边箱梁之间每隔3 m设

肋,改善了铁路钢桥面结构疲劳性能。(4) 提岀了钝形钢箱梁涡振扭转振幅限值标准，

一道横梁。桥塔采用H型混凝土塔，全高157.6 m,纵 为气动选型提供了依据。向宽度由6.9 m变化至12.253 m。斜拉索采用镀锌 平行钢丝拉索，空间双索面布置,全桥共30对斜拉索。本桥位丁铺架通道，为节省工期,混凝土梁采用支 架分段现浇施工，钢梁采用30 m大节段浮吊整体吊

成果推广应用于主跨256 ~ 600 m等十余座不同 设计速度目标值的重大铁路项目关键控制性桥梁,构

建了铁路混合梁斜拉桥技术体系，是大跨度铁路斜拉 桥采用钢桁梁之外的又一创新技术体系。装。创新性体现如下：一是，国内大跨度铁路首次采用双主梁混合梁

参考文献：[1]

斜拉桥。双主梁主要承担纵向荷载，桥面活载由密 横梁传递至双主梁，传力途径清晰，钢梁段用钢量仅

15.7 t/m,技术经济性良好。陈良江.我国铁路斜拉桥的实践与设计参数研究[J].铁 道建筑,2017(11):1 -6.Chen Liangjiang. Study on Practice and Design

二是，推导了边中跨跨度、塔高、边中跨恒活载集

Parameters of Cable 一 stayed Bridges in China Railway Engineering[ J]. Railway Engineering,2017(11) ：1 -6.度等关键技术参数关系式，实现了铁路混合梁斜拉桥

孔跨的快速合理化布置。[2] 罗世东，刘振标•铁路钢箱混合组合梁斜拉桥[M].北京：

三是,首次提出了铁路桥梁扭转涡激共振允许幅 值控制标准。中国铁道出版社,2017.Luo Shidong, Liu Zhenbiao. Railway Steel and Concrete

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四是,国内铁路首次采用钢箱梁大节段架设及现 场高强螺栓连接技术，钢梁架设耗时缩短2/3,加快了

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395 -401.Pu Qianhui, Gao Liqiang. Liu Zhenbiao, etc. Fatigue

施工进度,保证了线形和现场焊接施工质量。4结论针对铁路荷载重、疲劳活载大、动力性能及刚度要

Assessment of Orthotropic Steel Bridge Deck Based on

求高等诸多技术难题，依托多工点桥梁开展理论分析 及科学试验，取得了一系列原创性成果，如下：(1) 建立了适应铁路混合梁斜拉桥“塔偏梁拱”的

Hot Spot Stress Method [ J ]・ Journal of Southwest Jiaotong University ,2013 (3) ：395 -401.[4]

西南交通大学风工程试验研究中心.深茂铁路潭江特大 桥主桥抗风性能研究[R].成都:西南交通大学,2016.Wind Engineering Research Center of Southwest

合理成桥理论，解决了铁路活载大、恒活比小引起的结

构受力不均衡性难题;确定了梁、塔、索关键设计参数

Jiaotong University ・ Study on Wind Resistance Performance of Main Bridge of Tanjiang Extra 一 large Bridge on Shenzhen - Maoming Railway [ R]・ Chengdu:

及其影响规律，揭示了结构受力行为。(2) 采用钢混结合段梯形填充混凝土连接构造技

术,解决了铁路荷载作用下结合段刚度过渡平顺性技

Southwest Jiaotong University ,2016.