大跨度轨道专用斜拉桥横向刚度分析

【摘 要】随着社会的不断进步和科学理论与技术的不断丰富与更新，大跨径桥梁的横向刚度问题正愈来愈受到业内人士的重视，然而如何来准确衡量桥梁的横向刚度，特别是对于大跨径轨道专用斜拉桥而言，在国内乃至全世界，依然是一个难点。目前我国设计人员主要通过宽跨比和横向挠跨比来衡量桥梁的横向刚度。文章通过实例对比大跨度轨道专用斜拉桥的宽跨比与横向挠跨比，指出了两种尺度的优劣，为设计人员提供了参考。

【关键词】大跨度桥梁；横向刚度；宽跨比；挠跨比；对比分析

0 引言

大跨度轨道专用斜拉桥的横向刚度问题在业内一直是个难点，技术十分复杂。列车在桥上行驶过程中，由于车速、轨道缺陷以及轮对的蛇形运动等众多不利因素的影响，将会导致桥梁产生横向振动，如果桥梁横向刚度不足，振幅过大，将导致桥上列车出现过大的横向振动，如此便会影响列车及乘客的安全。所以必须对桥梁横向刚度作出一定的限制。如今我国规范对于评判桥梁横向刚度的尺度有多种，比较有代表性的有宽跨比与横向挠跨比。本文通过实例分析，对两种尺度作出了对比分析，指出了两种尺度的优劣，为类似设计提供了参考。

1 横向刚度

1.1 宽跨比

通常情况下，设计人员根据规范取1/20作为主梁宽跨比的最小限值，用以保证桥梁的横向刚度。但是，当桥梁跨度较大时，桥面宽度比较大的公路桥梁满足此项要求没有问题，而轨道专用桥梁由于轨道太窄而难以达到此项要求。同时，对于大跨度轨道专用斜拉桥而言，影响其横向刚度的因素很多，例如斜拉索的希密程度、强弱程度、索面形式（单索面或双索面）以及横向倾角大小等等。宽跨比对这些因素并未考虑。下面列举了一些铁路斜拉桥的主梁宽跨比资料。

从此表可以看出一点，这些桥梁的宽跨比虽然满足我国规范要求，但是都远远大于规范列出的最小限值1/20。

1.2 横向挠跨比

轨道桥梁的横向挠度主要是由列车的横向摇摆力以及横向风力等因素造成的，《铁路桥涵设计基本规范》规定的最大横向挠跨比只是针对一般桥梁，对于大跨度轨道专用斜拉桥并未作出规定。日本已经投入使用的岩黑岛桥和柜石岛桥，均为公铁两用的斜拉桥，计算出来的横向挠度分别为0.43m与0.33m，主跨均为420m。于是计算得出的挠跨比分别为1/1997和1/1270，远远大于我国《铁路桥涵设计基本规范》规定的最大值1/4000。

2 实例计算结果

本文以重庆市高家花园嘉陵江轨道专用桥为背景，采用有限元分析程序Midas Civil 2012建立整体空间有限元模型进行动力分析。该桥为双塔斜拉桥，为城市轨道专用桥梁，主跨340m，桥面宽度为19.6m。

2.1 横向挠跨比

在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度等横向外力作用下，通过软件计算出梁体的水平挠度为12.1cm，大于L/4000=8.5cm。因此用横向挠跨比衡量其横向刚度是不满足要求的。

2.2 宽跨比

根据梁体的构造，可以得到轨道专用斜拉桥的宽跨比为：19.6 /340=1/17.3。因此用宽跨比衡量其横向刚度是满足规范要求的。

3 对比分析

以上实例的计算结果显示，重庆市高家花园嘉陵江轨道专用斜拉桥的挠跨比不满足要求，宽跨比满足要求。

宽跨比作为约束桥梁横向刚度的一项指标，没有考虑斜拉桥的斜拉索希密程度、强弱程度、索面形式（单索面或双索面）以及横向倾角大小等等因素。而且从表1可以看出，众多铁路斜拉桥的宽跨比均远大于规范的最小限值，因此对于铁路斜拉桥宽跨比的最小限值相对一般桥梁而言，应适当增大。

实例中挠跨比过大，超出了规范规定值，直接反映了该轨道专用斜拉桥的横向刚度不足，然而根据国外经验，如上面提到的日本的岩黑岛桥与柜石岛桥均不满足我国《铁路桥涵设计基本规范》规定的最大限值，但是在运营过程中，其横向刚度并未如计算所反映的横向刚度不足，而是使用正常。

通过以上分析，宽跨比在衡量大跨度斜拉桥横向刚度时，结果并不准确，目前仅适合反映一般公路桥梁的横向刚度问题。横向挠跨比相对宽跨比而言，考虑的因素要多一些，反映的结果跟实际情况也更加吻合一些。

4 结论

（1）由国内外资料以及国内工程实践表明，对于大跨度轨道斜拉桥而言，我国规范对于宽跨比和挠跨比的限制应当予以适当的放宽。

（2）对于一般桥梁，较之横向挠跨比，宽跨比在衡量桥梁的横向刚度更方便。就大跨度斜拉桥而言，用挠跨比来衡量桥梁的横向刚度，相对宽跨比更准确且更有意义。

（3）对于大跨度桥梁，规范规定的宽跨比和挠跨比应适当放宽，但放宽尺度很难给出，需要我国科研人员不断努力以实现这一目标。

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