第1章　绪论

1.1　概论

1.1.1　铁路混合组合梁斜拉桥的提出

斜拉桥是一种以斜拉缆索作为主要承力的桥式结构，桥梁的柔性较大，跨越能力强，桥面至加劲梁底的建筑高度低，桥型轻巧美观，而且综合工程造价相对较低。这样一种比较柔性的桥梁结构，应用到铁路桥梁中，由于斜拉桥整体刚度相对较小，全世界范围铁路斜拉桥工程实例相对来说比较少，特别是铁路专用斜拉桥就更少了。其实不然，斜拉桥加劲梁由于有斜拉索的支承而桥面位移曲线连续、变化小、曲率半径大等特点，有利于铁路行车对轨道的线形要求，只是需要我们合理地控制好铁路斜拉桥的整体刚度来适应桥上铁路列车运行要求。

铁路斜拉桥须注意控制在列车荷载下的摇摆力及其与横向风力共同作用时，主跨加劲梁竖向、横向挠度及边跨梁端角变位等刚度条件，须注意列车行走车桥耦合振动响应，影响桥上列车运行的安全性、平稳性和乘客乘坐的舒适性。铁路列车荷载比重较大，集度高，铁路桥梁在与公路桥梁同等跨度条件下，铁路的双线列车荷载集度是公路6车道汽车荷载集度4倍以上。铁路列车运行车桥耦合振动响应明显，会对斜拉桥的桥面加劲梁构件、斜拉索及其与加劲梁连接锚固处的疲劳破坏产生影响。此外，双线铁路或多线铁路列车偏载及其与列车摇摆力、横向风力共同作用，所产生对铁路斜拉桥扭转等问题，也是需要给予高度重视的。

正是由于铁路列车荷载应力占总荷载应力比重较大，疲劳问题突出，采用铁路专用斜拉桥比较少，在需要建造铁路斜拉桥的情况下，较多见的一般都会尽量采用公路与铁路合建的钢桁梁斜拉桥，一方面是为了节约桥位资源、节省工程造价，另一方面是为了增加恒载重量，以减少铁路列车荷载所占比重。

铁路斜拉桥采用公铁合建虽然是一个适应于铁路桥梁特点的途径，但是，人们还是在寻求如何采取提高铁路斜拉桥梁整体刚度的其他途径。比如：

其一，采用具有较高梁高的钢桁梁斜拉桥，这就是为什么铁路斜拉桥一般较多采用钢桁加劲梁的原因，这也许对于公铁两用分层斜拉桥是一个比较好的布置方案。

其二，适当延长边跨增设无索区桥跨，并可以使得铁路列车荷载下梁端转角满足桥上轨道的限制要求。

其三，有时对加劲梁采取必要的填充材质或增加桥面结构材质密度和改变结构布置，以增加边跨加劲梁结构的重量，起到对斜拉索的锚固作用，以平衡主跨列车荷载作用，力求提高铁路斜拉桥的整体刚度。除此之外，适当调整加大斜拉索的直径规格措施，以获取斜拉桥较大的刚度，也是一种行之有效的方法。

在铁路斜拉桥的设计实践中，钢桁斜拉桥加劲梁如果采用较小的梁高时，比如在钢桁梁高度10m范围内，增加钢桁梁高度虽然对斜拉桥整体刚度有所贡献，但是斜拉桥钢桁加劲梁高度是要受到铁路列车运行建筑限界要求限制的。超出建筑限界要求必要的最少高度时，增加钢桁加劲梁高度对斜拉桥整体刚度贡献就已经很小了，反而会因增加梁高显出不经济。能不能不受建筑限界限制在一个较少范围内适当增加加劲梁的高度来提高斜拉桥的整体刚度？斜拉桥边跨梁端增加无索区桥跨即为了解决边跨压重也是为了解决梁端转角的问题，边跨加劲梁增加重量仅仅是使边跨起到对斜拉索的锚固作用。混合梁斜拉桥的概念能够很好地解决上述三个技术问题，主跨采用更轻巧、更柔性、更节省的钢箱加劲梁，边跨采用比主跨重几倍、跨度较小的混凝土梁。提出采用铁路钢箱混合梁斜拉桥创新技术，以更为经济的目标达到铁路列车运行对铁路斜拉桥的整体刚度条件、车桥耦合动力响应及桥梁构件疲劳性能要求。在适当的建桥条件下，建造适当的桥梁。

铁路钢箱混合梁斜拉桥就是边跨加劲梁采用较重的预应力混凝土箱形截面梁，主跨加劲梁采用较轻的钢箱梁或钢桁梁，多塔斜拉桥也是如此。实际上，一般的钢桁梁斜拉桥，由于结构受力方面的原因，边跨采用混凝土预制道砟槽板与钢桁桥面纵横钢系梁结合，或者利用上层公路桥面混凝土板与钢桁梁上弦杆结合，既起到桥面结构承载的作用，又起到边跨压重的作用。也有钢桁混合梁斜拉桥，如香港昂船洲公铁两用钢桁混合梁斜拉桥。

组合梁斜拉桥是指桥面加劲梁在同一个梁体横截面内，采用不同材质的结构部件组成。一般来说，梁体截面顶板采用较重的混凝土板，腹板、底板采用较轻的钢结构，称为钢箱结合梁，或者梁体顶、底板均采用混凝土板，腹板采用波折钢板材料，称为波形钢腹板混凝土箱梁。也有组合梁为钢桁梁中混凝土板与桁架上下弦杆或桥面系钢纵横梁结合的加劲梁，称为钢桁结合梁。

铁路混合组合梁斜拉桥是在混合梁斜拉桥的基础上，将混合梁斜拉桥中的主跨采用组合截面加劲梁，既利用混合梁斜拉桥预加在结构上的力来提高铁路斜拉桥的整体刚度，又利用组合梁增加重力刚度来提高斜拉桥的整体刚度。特别是高速铁路斜拉桥，为了使桥上高速列车行驶满足车桥振动动力响应安全性、舒适性的要求，为了使梁轨相互作用变形所产生的桥上高速铁路无砟轨道线形满足高速行车的要求，必须减少梁轨相互作用的变形、位移的影响，必须在一定范围内整体提高桥梁刚度。

铁路混合梁斜拉桥与其他混合梁斜拉桥一样，通过加重边跨梁体重量，增加了边跨梁对斜拉索的锚固作用。同时，张拉斜拉索调整张拉力对结构施加预加力，以使得在结构中产生预存应力并产生相应的位移，使桥塔增加往边跨侧的弯矩（塔顶往边跨方向偏移）改善结构受力，增加斜拉索结构的有效应力，减少结构非线性影响，即对斜拉索、桥塔、桥面加劲梁均起到预加力的作用，使桥面加劲梁上拱，斜拉桥整体刚度得以提高，这是铁路与其他混合梁斜拉桥的不同之处。混合组合梁中组合截面由于桥面加劲梁重量增加，增加梁体的重力刚度、改善了桥面加劲梁在列车作用下梁顶面竖向变形曲线的曲率，进一步达到了桥上高速列车行驶安全性和旅客乘坐舒适性的目的。

1.1.2　混合梁斜拉桥的发展历程

1972年德国建成主跨达287m的Kurt-Schvmacher独塔混合梁斜拉桥，这是世界上首座混合梁斜拉桥，也是源于德国1963年Leverkussen混合梁斜拉桥设计方案的构思。此后，德国于1979年建成了主跨达368m的Dusseldorf-Flehe独塔混合梁斜拉桥，瑞典于1981年建成了主跨达386m的Tjorn双塔混合梁斜拉桥。

近二十年来，世界超大跨斜拉桥大部分均采用混合梁斜拉桥，在法国，诺曼底大桥建成于1995年，主跨达856m的混合梁斜拉桥。诺曼底大桥位于法国西北部诺曼底半岛的Honfleur南部和Le Havre北部之间的塞纳河河口上。加劲梁采用预应力混凝土箱梁和钢箱梁组成的混合梁斜拉桥，边跨和靠近桥塔的部分中跨是预应力混凝土，采用三室单箱梁，主跨中间624m是扁平钢箱梁。桥塔采用倒Y形，这对抵抗横向风荷载是非常有效的，桥塔和斜拉索的锚固采用钢锚箱。边跨引桥采用预应力混凝土梁顶推法施工；边跨混凝土梁伸入主跨116m，既节约了造价又增加了主跨的抗风稳定性、提高了斜拉桥的整体刚度，采用悬臂浇筑法施工；主跨为钢箱梁，节段采用悬拼法施工。该桥是混合梁斜拉桥的典范，引进了许多新技术，标志着这一桥型从当时既有的斜拉桥跨径比以往迈出了很大一步。建成后的诺曼底大桥如图1-1所示，是一座与当地景观完美协调的斜拉桥，以其细长的结构和典雅的造型而著称。诺曼底大桥被授予“20世纪世界最美的桥梁”。

日本多多罗大桥为主跨890m的混合梁斜拉桥，该桥引领世界超大跨径斜拉桥10年。日本是一个多台风、多地震的国家。因此多多罗大桥在抗风、抗震设计上要求很高。具体地说是抵抗像52m/s左右的暴风及最大级地震所设计的。此外，由于该桥两侧的边跨较短，分别为170m和270m，中间主跨跨度较大达到890m，故采用了边跨为预应力混凝土及中跨为钢箱的混合形式，以取得桥梁自重的平衡。如图1-2所示。

在中国，图1-3为2010年建成的（3×67.5+72.5+926+72.5+3×67.5）m鄂东长江公路混合梁斜拉桥，主跨926m，边跨275m，边跨与主跨之比为0.297，边跨设置三个辅助墩的双塔半漂浮体系。主跨加劲梁采用分离式双钢箱梁，边跨采用混凝土双箱梁，钢混结合段伸入主跨12.5m。边跨混凝土梁采用支架现场混凝土浇筑施工，钢混结合段采用大快件吊装再浇筑混凝土，钢箱梁采用节段悬臂拼装施工。混凝土箱梁、钢箱梁及钢混结合段箱梁外部尺寸协调一致，箱梁横向中心处高3.8m，全宽38m，梁高与跨径之比为1/243.7，梁高与宽度之比为1/10。桥面以上塔高为204.82m，塔高与跨度之比为0.22。斜拉索索距15m，边跨密索区间距为7.5m，全桥共240根斜拉索，最长索493.6m。

2009年建成主跨达1018m的香港昂船洲混合梁斜拉桥，两对称边跨跨径组合为（79.5+70+70+69.25）m，主跨加劲梁为流线型分离式双钢箱梁结构，并延伸至边跨49.75m，其余部分为预应力混凝土箱梁。如图1-4所示。

如图1-5所示，2012年，海参崴俄罗斯岛跨海大桥更是将混合梁斜拉桥的跨径大幅度提高到1104m，主跨钢箱梁长度为1220m，其余边跨为预应力混凝土箱梁，该桥亦为目前世界上最大跨度的斜拉桥。

据统计在世界范围内，目前已经建成的混合梁斜拉桥达到三十几座，可见，混合梁斜拉桥已经在世界范围内得以更加广泛的应用，特别是近些年世界超大跨度的斜拉桥大部分采用混合梁斜拉桥。可以说，混合梁斜拉桥将是世界超大跨径斜拉桥的一个发展方向。

1.1.3　铁路混合组合梁斜拉桥的应用现状

1.铁路钢桁混合梁的思想

目前的铁路斜拉桥加劲梁比较常见的是采用钢桁梁，为了平衡斜拉桥主跨的荷载，一般是采取加大或加长边跨形成多跨连续梁结构，当在不需要斜拉桥的边跨具有通航、防洪功能或斜拉桥的边跨处于滩地岸线的情况下，如果使得钢桁梁斜拉桥的边跨钢桁加劲梁去平衡主跨钢桁梁的重量，必然要加大边跨钢桁加劲梁的长度，相对而言就显得不是很经济了。因此，人们在设计钢桁梁斜拉桥时，往往也是根据桥址所处具体地形、地质、航道和水文等自然条件的不同特点，寻求着改变钢桁梁斜拉桥边跨结构重量的措施，或者干脆将边跨以钢桁加劲梁的截面尺寸采用混凝土箱形梁，以获得最佳的经济效益。一般会采取以下三种措施：

其一，边跨钢桁梁桥面系将纵横钢梁与混凝土铁路道砟槽桥面板结合形成组合截面。如图1-6所示，南广、贵广铁路的思贤窖和北江大桥，四线铁路双主桁，边跨钢桁梁道砟槽桥面板自梁端69m采用钢筋混凝土，其余均采用钢桥面加劲肋板。

其二，在公路与铁路合建钢桁梁斜拉桥中为满足边跨钢桁梁压重需要，将部分边跨钢桁梁上弦与公路混凝土桥面板结合。如图1-7所示，武广客运专线天兴洲长江大桥2009年12月建成通车，桥跨布置为（98+196+504+196+98）m，加劲梁采用三片主桁的板桁结合钢桁梁，四线铁路，6车道公路。公路桥面在钢桁上弦两端168m范围采用预制混凝土桥面板，其余为正交异性钢桥面板。

其三，主跨采用双向钢桁架与钢筋混凝土桥面板组合式加劲箱梁，边跨梁采用与主跨钢桁梁外形尺寸相同的预应力混凝土箱形加劲梁。香港汲水门大桥，加劲梁顶部及底部的钢桁架横梁均用钢筋混凝土桥面板组成上下层公路行车道板，两边外缘为钢腹板，位于下层中央为铁路，由钢横梁承托。这也是一座典型的钢桁混合组合梁斜拉桥，孔跨布置为（70+2×80+430+2×80）m，建成的香港汲水门大桥如图1-8所示。

2.铁路钢箱梁斜拉桥的应用历程

目前来说，大多数铁路斜拉桥都是采用钢桁梁斜拉桥，钢桁加劲梁桁高约14～16m，而钢箱加劲梁约只有4～5m高，由于钢箱加劲梁斜拉桥与钢桁加劲梁斜拉桥相比较，桥梁刚度相对而言要小一些，所以，也许是人们已经比较习惯了对钢桁梁刚度大的认识，一直以来在世界范围内，在铁路斜拉桥中首先想到的是采用钢桁加劲梁而很少去想采用钢箱加劲梁。铁路钢箱梁斜拉桥屈指可数，发展时期也比较晚，发展进程也比较慢，国外铁路（公铁两用）钢箱梁斜拉桥统计见表1-1。

续上表

萨瓦河桥Sava River Bridge，位于前南斯拉夫首都贝尔格莱德市的一座跨越萨瓦河的双线铁路钢斜拉桥。这座桥于1980年底完工，桥总长约2000m，正桥部分有6孔，长557.94m。其中主跨为3孔，主桥跨度为（50.15+253.7+50.15）m斜拉桥。加劲梁采用双箱形梁分置，箱形梁轮廓尺寸为3.2m×4.45m，两箱形梁间用宽8.1m的正交异性板连接，上面设置道砟桥面。正交异性板是由面板、纵肋和横梁组成。横梁间距为2.5m，每隔15m处设主横梁。两个分置的箱形梁连同正交异性板及主、次横梁成为一个纵向和横向具有很大刚度的整体结构。如图1-9所示。

主跨部分每段长约50m的加劲梁，用4根斜缆悬吊。边跨每段长50m的加劲梁，用两根拉索集中锚固在承受负反力的边墩上的加劲梁上。每根缆索由4束平行的钢丝束组成，每束有ф7mm钢丝240～290根，套在聚乙烯套管内。锚具采用能承受高应力幅度的冷铸钢索端锚，锚头的填料为钢球、锌粉末和环氧树脂。

加劲梁、索塔及所有主桥桥墩均为钢结构。索塔为门形，固结在箱形梁上，塔、梁均采用箱形截面的栓焊结构。索塔基础为沉箱，其他桥墩基础均为钻孔桩。建成后萨瓦河铁路斜拉桥如图1-10所示。

3.铁路钢箱混合组合梁斜拉桥发展现状

利用混合组合梁斜拉桥结构受力原理，通过采用预加力刚度法和重力刚度法，可以大大地提高铁路钢箱梁斜拉桥的整体刚度，这样一来，就提供了铁路钢箱梁斜拉桥的一个发展机遇；同时，铁路钢箱梁斜拉桥也提供了铁路钢箱混合组合梁斜拉桥一个施展应用的平台，同时也提供了铁路斜拉桥另一个技术发展方向。

在一定的条件下，铁路钢箱梁斜拉桥中的钢箱加劲梁与钢桁梁相比较，一方面，箱形梁的宽度不仅可以适应桥面宽度变化和线路平面弯曲的需要，而且还可以能够自由地适应多线铁路桥面布置或超大跨径斜拉桥桥面加宽的需要。另一方面，钢箱梁斜拉桥加劲梁的边跨能较好地采用混凝土箱形梁以节省钢材。从受力角度考虑钢箱梁为薄板结构面、线整体受应力，而钢桁梁主要是承受杆件力，应力相对集中，使得钢桁杆件板厚加厚而增加用钢量。

在铁路钢箱梁斜拉桥的基础上，将边跨采用预应力混凝土箱梁，主跨仍采用钢箱梁，发展成为钢箱混合梁斜拉桥，以适应普通铁路斜拉桥的需要；在铁路钢箱混合梁斜拉桥的基础上，将其主跨采用钢箱混凝土板的钢混组合截面，就发展成为铁路钢箱混合组合梁斜拉桥，以适应高速铁路无砟轨道斜拉桥或超大跨度铁路斜拉桥的需要。

1993年乌克兰建成第伯聂河南桥，主跨为271m的独塔公铁两用斜拉桥，包含双线铁路、6车道公路在内的活载集度约为246kN/m，是世界上首座公铁两用混合梁斜拉桥。以独塔为分界点，主跨采用钢箱结构，工厂焊接、栓焊组合连接；边跨为混凝土箱梁，节段施工。桥面宽度42m，双线铁路居中布置，两侧各布置3车道公路，另外尚布设4条大直径水管过桥。建成的第伯聂河南桥如图1-11所示。

新萨瓦河桥（The New Sava Bridge）跨越塞尔维亚贝尔格莱德市的萨瓦河，是一座独塔公铁两用钢箱混合梁斜拉桥，如图1-12所示。该桥的A形混凝土桥塔高200m，钢箱梁主跨长376m，由80根斜拉索支承；起平衡作用的背跨长200m，为后张预应力钢筋混凝土连续箱梁结构；边跨为长338m的后张预应力钢筋混凝土连续箱梁结构。桥面宽45m，布置双向6车道、双线轻轨线及2条人行道和2条自行车道。

在中国，贵广、南广铁路以曲线形式斜跨高速公路高架桥和广州市区道路，构成三层立体交叉的交通体系，为四线铁路，曲线半径约1148m，采用跨径布置为（32+2×175+32）m独塔弯曲的钢箱混合梁斜拉桥，桥面宽24m，塔梁固结。弯曲的钢箱混合梁斜拉桥如图1-13和图1-14所示。

如图1-15所示，宁波铁路枢纽北环双线货运铁路跨甬江大桥，世界上首次采用跨径达468m的钢箱混合梁铁路斜拉桥，有砟轨道，主跨419m钢箱，边跨采用混凝土箱梁，并伸入主跨24.5m，钻石形桥塔，桩基础，设计采用预加力刚度法尽量提高钢箱梁部分的刚度，使得桥塔在恒载作用下往边跨偏移、主跨钢箱梁成曲线上拱，已于2014年建成通车。实桥各项测试及实桥试验结果证明，铁路钢箱混合梁斜拉桥可以满足铁路桥梁刚度、列车行车安全性和舒适性良好以上的指标要求。

如图1-16所示，南昌至赣州高速铁路跨越赣江斜拉桥，是在建的世界上首次采用列车时速350km通过的混合组合梁斜拉桥，无砟轨道，桥面二期恒载为133kN/m。主跨300m，跨度布置为（35+40+60+300+60+40+35）m，边跨过桥塔距塔中心20m采用预应力混凝土箱梁，其余主跨260m范围采用钢箱混凝土组合截面梁，桥面宽16.3m。钢箱混凝土组合截面梁中心梁高4.5m，预制混凝土桥面板厚30cm，局部加厚至50cm。钢梁采用带弧形风嘴的箱形截面，外轮廓与边跨混凝土主梁基本一致。钢梁截面为槽形，混凝土桥面板通过设置在翼板上的剪力钉与钢梁结合。钢梁翼板厚36mm，底板、腹板根据受力采用不同厚度：底板厚为16～20mm，中腹板厚为20～24mm，边腹板厚分别为30mm（无索区）、40mm（有索区）。混凝土桥面板横向分三块预制，在钢梁上翼缘带状区浇筑二次混凝土形成结合，现浇混凝土采用补偿收缩（微膨胀）混凝土。桥塔采用人字形桥塔，桥面以上塔高88m，为主跨的1/3.409。

1.1.4　小结

铁路混合组合梁斜拉桥能够有效解决铁路斜拉桥的整体刚度问题与钢桁梁相比，还具有突出的经济性，推动了钢箱梁在铁路斜拉桥中的应用。技术上的突破，把组合梁引入混合梁斜拉桥中形成混合组合梁斜拉桥，不仅经济性优良，而且使得在时速350km的高速铁路斜拉桥中设计采用桥上铺设无砟轨道的技术。显而易见，铁路混合组合梁斜拉桥技术思想的提出，开创了世界铁路斜拉桥设计的一个新思路。我们相信铁路混合组合钢箱梁斜拉桥将会得到更好、更进一步的发展，将更加突显其优越的技术经济性。