1.3　铁路混合组合梁斜拉桥荷载与结构体系特点

1.3.1　结构荷载体系特点

相对而言，世界范围内铁路专用斜拉桥应用很少，究其原因，由于斜拉桥毕竟是比较柔的结构，对动力因素影响较大的铁路列车荷载具有的抗振性能要差一些。因此，不得不强调铁路混合梁斜拉桥结构的铁路列车荷载特点。铁路行车固定的轨道位置、更重的轮轴压力以及行车安全性、平稳性和旅客乘坐舒适性的要求，使得铁路桥梁比公路桥梁需要具有更大的刚度和振动稳定性，以及更强的抗列车荷载的疲劳性能。因此，铁路列车荷载体系作用于铁路桥梁体现出许多不同的作用效应特点。

1.铁路列车荷载作用效应

（1）铁路列车荷载图式标准

①时速160km及以下的普速铁路、时速200km客货共线铁路桥梁采用“中-活载”，活载图式如图1-25所示。

②时速250～350km高速铁路桥梁采用ZK荷载图式，如图1-26和图1-27所示。

③时速200km城际轨道交通桥梁采用ZC荷载图式，如图1-28和图1-29所示。

④货运重载铁路桥梁采用ZH荷载图式，如图1-30所示，并乘以重载等级系数Z，Z一般取1.0～1.3。

以上几种铁路列车标准荷载图式中，ZH标准荷载图式值最大，欧洲UIC列车荷载与“中-活载”荷载图式基本相当。另一种是日本新干线H标准荷载，当为标准定员时轴重，160kN、170kN，考虑超员影响，轴重最大为220kN。日本H标准荷载最小，仅相当于0.4UIC。

上述列车荷载图式均为单线铁路，双线铁路列车荷载加载时除“中-活载”图式荷载值乘以1.8外，其余图式荷载值均乘以2。总体来说，铁路各种荷载图式中4个集中力总载重较大，均布荷载都在48kN/m以上，总的荷载值均较重，具体加载总值与列车加载长度有关。

（2）铁路列车荷载加载长度取值

加载长度考虑有两种方法取值，一是按到发线有效长度扣除两端安全距离考虑，到发线有效长度尚应考虑后期改造的可能性。例如到发线有效长度1050m，两端安全距离各40m，则加载长度为970m。二是由牵引定数反算加载长度。例如牵引定数5000t，对应的加载长度614.25m。

（3）铁路列车荷载对桥面宽度作用的影响

仅从满足各自承载功能要求来看，满足两线铁路功能要求的桥面宽仅需约12m，而满足6车道“公路-Ⅰ级”功能要求的桥面宽约35m。超大跨径公路斜拉桥梁本身宽度大，可以很好地满足功能与结构的统一。而单纯的同跨度铁路斜拉桥梁列车荷载比重大，对斜拉索以及钢结构的疲劳设计要求更高，为满足横向刚度要求，一般还会出现桥面结构宽度大于功能要求的情况，造成桥面浪费。

（4）公铁两用斜拉桥可降低铁路列车荷载的作用效应

公铁两用斜拉桥降低了铁路荷载的比例，合理利用了桥面宽度，较好地做到了结构宽度功能与构造的互补，改善了列车通行的安全性、舒适性条件，降低了列车与桥梁结构的动力响应。正是因为如此，超大跨度铁路斜拉桥一般多采用公铁合建。一定程度上也可以认为，功能上仅为双线铁路荷载的话，列车对超大跨径铁路斜拉桥的振动和稳定性的影响，均比同跨度公铁合建桥梁要大。

2.铁路斜拉桥受到车桥振动的耦合作用效应

铁路列车对桥梁的动力作用会引起桥梁上部结构的振动，可能使桥梁构件产生疲劳，降低其强度和稳定性，而桥梁振动过大又会对桥上车辆的运行安全和稳定性产生影响。因此，掌握列车与桥梁间的动力响应分析与监测技术是超大跨径铁路斜拉桥梁的关键技术，往往需依据桥上列车运行的安全性和旅客乘坐的舒适性来确定桥梁结构合理的刚度值。

反映列车安全性的指标是梁体横向振幅、列车脱轨系数、轮重减载率，反映乘坐舒适性的指标是车体加速度指标。不仅桥梁本身的竖向、横向及抗扭刚度需要满足这些指标的要求，而且桥面轨道条件、机车车辆的动力性能也需要达到这些指标的要求，因此，铁路斜拉桥需进行车桥动力响应分析研究，以此判断桥梁的竖向、横向刚度是否足够。此外，在风环境影响较大的区域还需进行风车桥耦合振动响应分析，以保证在有车风压状况下，列车过桥时具有足够的安全度和一定的舒适性。

3.桥上纵向长钢轨荷载与斜拉桥结构相互作用效应

桥上无缝线路纵向力是伸缩力、挠曲力及断轨力的总称。因“梁-轨”之间温度作用下的相互约束引起的钢轨纵向力称之为伸缩附加力，因梁的挠曲而引起的钢轨纵向力称之为挠曲附加力。这些力同时又反作用于梁跨和固定支座上，使桥墩台产生弹性变形，墩顶发生纵向位移。此外，如果桥上发生断轨，温度力和伸缩附加力就会得到释放，并通过梁、轨间的约束使墩台和固定支座受到断轨力的作用。斜拉桥上无缝线路梁轨相互作用方式已不再仅仅是一般桥上无缝线路“梁-轨”之间的相互作用，由于温度变化或列车荷载作用，斜拉桥会通过道床或扣件系统带动梁上铺设的钢轨一起受力和变形，形成“塔-索-梁-轨”的耦合作用体系，且需考虑梁-塔之间的阻尼限位作用。另外，长轨条因列车启动、制动、钢轨折断或位于无缝线路伸缩区产生纵向位移，通过扣件系统及道床对主梁施加纵向力，主梁通过拉索又将该纵向力传至桥塔，各部件之间的传力机理、相互作用方式更为复杂。

1.3.2　结构构造体系特点

斜拉桥最重要部分是塔、索、梁，其中加劲梁除了承受梁体自重外，还承受桥面轨道结构和栏杆、人行道等二期恒载，是直接传递铁路列车荷载的结构部件；斜拉索按一定的间距锚固在梁上，每一根斜拉索对加劲梁起着弹性支承的作用，将加劲梁及桥面荷载通过一根根的斜拉索传递至与其锚固的塔身；桥塔包含其基础，承受两侧斜拉索的拉力所合成的沿塔轴线压力和不平衡索力所产生对塔身的弯矩，单侧斜拉索的拉力与斜塔的情况铁路斜拉桥极少采用。为了使相对比较柔性的铁路斜拉桥能够安全地承受铁路列车及其轨道荷载体系，铁路混合组合梁专用斜拉桥的结构体系特点应该是塔、索、梁均具有相对比较大的刚度。

1.3.2.1　加劲梁结构构造

铁路混合梁斜拉桥中的加劲梁一般来说边跨是混凝土梁、主跨是钢梁，加劲梁截面有箱形、工字形梁和钢桁架梁，钢混结合段可以设置在主跨侧，也可以设置在边跨侧。如果是钢梁，将钢箱梁带有U形或V形加劲肋的钢顶板替换采用混凝土板，或将工字形钢梁布置成纵梁、横梁，再在纵横梁上翼缘顶面铺设混凝土单元板，或在钢桁架顶面布置混凝土板块，这种钢混组合截面就成组合梁。加劲梁截面设计需综合考虑结构强度、横竖及抗扭刚度、抗风性能及经济性等多种因素。箱形截面梁抗扭刚度大、空气动力稳定性好，结构构造简单，经济性也比较好，比较适合铁路混合梁斜拉桥选用。

1.加劲梁高度

斜拉桥的整体刚度由斜拉索、加劲梁和桥塔共同提供，加劲梁的高跨比不仅体现了斜拉桥的柔细程度，而且也是反映斜拉桥竖向刚度的指标。在一定的范围内，认为加劲梁越高对斜拉桥的整体刚度贡献越大，所以对铁路斜拉桥一般采用钢桁加劲梁。也许是因为铁路列车可以在桁架内通行，既可使钢桁架有足够的高度，对整体刚度有帮助，又不增加桥梁的建筑高度（指轨底至梁底的高度），从而可以使桥梁的整体高度降低，节省引桥工程造价。其实不然，像这样有足够高度的钢桁加劲梁，研究表明超过一定的梁高范围，加劲梁高度增加已经对斜拉桥的整体刚度贡献微乎其微，这时应注意其经济性了。虽然铁路斜拉桥的加劲梁高度采用钢箱加劲梁，桥梁的建筑高度相对较高一些，但是，钢箱梁可以灵活地应用于双向纵坡上，并不会因此而增加引桥工程造价，同时，钢箱梁斜拉桥仍不失斜拉桥柔细感的特色。国内外部分铁路斜拉桥箱形加劲梁高跨比统计见表1-2，国内外部分公路混合梁斜拉桥的高跨比统计见表1-3。

由表1-2和表1-3可知，铁路箱形加劲梁斜拉桥的高跨比多在1/30～1/70，个别小于1/100，而公路混合梁斜拉桥的高跨比大多在1/180～1/250，梁高绝大多数介于2.7～3.8m之间。可见铁路斜拉桥更注重结构的整体竖向刚度，而不同于公路桥以追求柔细感为发展趋势，因此加劲梁的高跨比均大于相同跨度的公路桥。

（1）梁高比较

为了研究梁高对斜拉桥整体刚度的影响，综合结构强度、横竖向刚度要求，以主跨468m钢箱混合梁斜拉桥为例，采用梁高4.5m、5m两种方案进行比较，高跨比分别为1/104、1/93.6，桥式布置及截面形式参见后续章节。不同梁高斜拉桥受力比较情况如图1-31～图1-37所示，不同梁高对比结果见表1-4，梁高对结构力学行为的影响程度见表1-5。

续上表

续上表

（2）梁高比较分析

①钢箱加劲梁的梁高每增加0.5m，加劲梁截面积增加约2％～3％，竖向抗弯惯性矩增大逾20％，抗扭惯矩增幅达20％左右。可见梁高适当增大可提高加劲梁的刚度，而增加的工程数量有限。

②随着梁高的加大，加劲梁活载挠度、桥塔活载纵向位移逐渐减小，梁端转角减小尤为明显，但梁高并非斜拉桥整体竖向刚度的主要控制因素，斜拉桥的整体刚度主要由斜拉索及桥塔提供。但梁高的变化增加了迎风面积，在风力、摇摆力、温度组合作用下的横向位移并不一定减小，这点需要关注。梁高4.5m方案虽然截面抗扭刚度、横向抗弯惯性距分别仅为5m梁高的83.6％和98.6％，但由于梁高的减小了加劲梁的迎风面积，4.5m梁高在风力、摇摆力、温度组合作用下的横向位移反而更小。

③梁高变化可使桥塔内力及斜拉索力发生微小变化，但影响甚微。

④4.5m梁高相比5m梁高，可节约混凝土加劲梁圬工量491m3、钢箱梁钢材用量53t、混凝土梁体内预应力筋31t，增加斜拉索用量17t。两方案工程量差别较小。

2.加劲梁宽度

加劲梁结构宽度首先需要满足单线铁路或双线铁路大跨度铁路斜拉桥的功能布置需要，其次须具有足够的横竖向刚度，良好的行车安全性和乘坐舒适性。单线铁路或双线铁路大跨度铁路斜拉桥满足了桥面线路构造布置所需要的梁体宽度，往往还不能满足铁路桥梁对横向刚度的要求。铁路桥梁的横向刚度主要体现在由列车摇摆力、横向风力和横向温度力共同作用产生的横向挠度或横向振幅指标即横向挠跨比。很明显，增加梁的宽度能够很显著地增加斜拉桥的横向刚度。但是，也会相应地增加工程量，特别是对超大跨铁路专用钢桁梁斜拉桥，一味地追求桥梁横向刚度而不得不加大钢桁梁的整体宽度，因此会显著地增加钢材用量而不经济。铁路混合梁斜拉桥边跨采用截面特性大、体量重的混凝土连续梁结构体系，保证桥梁的横向刚度具有自身优势，关键在于选取技术经济合理的主跨钢箱梁结构。

（1）梁宽比较

为了研究和说明加劲梁宽度的影响，以宁波甬江特大桥主跨468m钢箱混合梁斜拉桥为例，桥式布置及截面形式参见后续章节。在保证加劲梁气动外形基本一致的情况下，选取18m、21m、24m三种梁宽进行比较。不同梁宽度斜拉桥受力比较情况如图1-38～图1-44所示，不同梁宽对比结果见表1-6，梁高对结构力学行为的影响程度见表1-7。

续上表

（2）梁宽比较分析

①加劲梁宽度的增大提高了加劲梁刚度，尤其横向抗弯惯性矩增加显著，相应地也增加了加劲梁工程数量。加劲梁宽度每增加3m，截面积增加约10％，竖向抗弯惯性矩增加约14％，横向抗弯惯性矩增幅约50％。18m梁宽方案的结构竖向刚度稍差，结构横向刚度降低明显。

②加劲梁宽度的增大使结构整体横向刚度显著增加，但结构整体竖向刚度增大有限，即风力与摇摆力、温度组合作用下的加劲梁横向位移显著减小，但加劲梁活载作用下的竖向挠度、梁端转角减小幅度较小。

③加劲梁宽度的增加使得自身刚度及重量均有所增大，加劲梁相应承担了更大的弯矩，斜拉索的索力也有小幅增大，但桥塔受力影响甚微。

④从经济性考虑，在满足桥梁横向刚度条件下，加劲梁宽度越小越好。综合考虑结构受力、横竖向刚度以及工程经济性，选取21m梁宽方案。

3.加劲梁高度与宽度比较结论

斜拉桥加劲梁的高度和宽度是影响斜拉桥竖向和横向刚度的因素之一。对于铁路混合组合梁斜拉桥随着梁高的加大，加劲梁的活载挠度虽然逐渐减小，但影响程度很小，而对梁端转角减小则较为明显。从挠跨比指标值来说，加劲梁的高度可以考虑为主跨跨度的1/100，根据具体情况加劲梁梁高也可以考虑在主跨跨度的1/50～1/150变化。加劲梁宽度的增加使结构整体横向刚度显著增大，影响程度很大。从横向刚度考虑，加劲梁的总宽度在有条件的情况下，可以适当考虑比较宽一些，这也是铁路钢箱混合组合梁斜拉桥在铁路列车振动、摇摆力和风力与比较柔性的斜拉桥发生耦合作用对刚度的更好要求。根据具体情况加劲梁的宽度可以考虑在1/20～1/30，一般建议取1/25比较合适。

1.3.2.2　桥塔结构构造

斜拉桥桥塔高度直接影响到斜拉索对加劲梁的支承效应。桥面以上桥塔越高，斜拉索纵向水平倾角越大，其竖向分力对加劲梁的支承作用就越大，对提高桥面加劲梁结构竖向刚度有利。但是，若桥塔过高，不仅会使桥塔的线刚度减少，导致塔顶位移增加，从而影响加劲梁的挠度，而且，还会增加工程量和风载面积。同时，斜拉索相应加长，加大了长大拉索的振动响应。若桥塔较矮，斜拉索与加劲梁之间的夹角较小，此时，减少了斜拉索对梁竖向支撑的有效性，承载相同的恒载和活载，需更大的索力，加劲梁承受的轴力会显著增大，不利于加劲梁的抗弯压稳定，也会增加加劲梁材料用量。表1-8和表1-9分别列出了国内铁路（公铁）钢桁梁斜拉桥及国内外已建公路混合梁斜拉桥桥面以上塔高与主跨跨径之比。

由表1-8和表1-9可知，公路混合梁斜拉桥桥面以上塔高与主跨之比大多在1/4～1/5，中跨斜拉索与主梁间纵向最小水平夹角多处于20.5°～26°范围，而国内大跨铁路（公铁两用）钢桁梁斜拉桥，轨顶以上塔高与主跨之比介于1/3.35～1/3.81之间，主跨斜拉索与加劲梁间纵向最小水平夹角处于27.1°～30.1°范围。可见，在同等跨径的情况下，铁路斜拉桥塔高相对公路斜拉桥而言要高一些。表中所指均为铁路钢桁梁斜拉桥，而对于铁路钢箱混合梁斜拉桥，由于钢箱加劲梁自身刚度小于钢桁梁，斜拉桥整体刚度对铁路行车应具有同等要求，有必要寻求铁路混合梁斜拉桥的塔高（轨顶以上）与跨径之比的合理值。

（1）桥塔高度的比较

对于主跨468m混合梁铁路斜拉桥，选用三种不同的塔高方案见表1-10，在不改变桥塔截面刚度的情况下，比较分析三种塔高度对加劲梁、桥塔以及斜拉索内力、挠度、位移的影响。

三种不同塔高的主要比选情况如图1-45～图1-58所示，不同塔高对比结果见表1-11，对结构力学行为的影响程度见表1-12。

（2）塔高比较分析

①桥塔高度适当增加，加大了主跨斜拉索与加劲梁间纵向水平夹角，提高了斜拉索对加劲梁的竖向支承作用，有效减小了加劲梁列车荷载跨中挠度，增大了结构整体刚度，但梁端转角变化甚微，且桥塔增加使其自身总体横向刚度减小，使得结构整体横向刚度略微减小。如塔高（轨顶以上）由130m增至150m，主跨跨中列车荷载静载挠度减小8.1％，挠跨比由1/671减小至1/726。

②桥塔高度适当增加，会引起全桥斜拉索的纵向水平倾角普遍增大，斜拉索恒载及列车荷载的水平分力减小，因而斜拉索的索力、列车荷载索力幅都会不同程度减小，对加劲梁的轴向压力也相应显著减小，且离塔越近减小越明显；桥塔高度增加，因塔柱自重增大，塔柱轴力也会略微增大。

续上表

③从经济性考虑，合理范围内的塔高越小越好，但总体上带来的工程投资增加较为有限。主跨468m钢箱混合梁斜拉桥桥塔高140m方案相比130m方案，斜拉索用量、桥塔圬工量、混凝土加劲梁预应力钢束分别增加53t、672m3、100t。

综上可见，在经济性方面130m塔高方案最优，140m方案次之，而150m方案居末。在结构受力方面，140m方案和150m方案均满足要求、受力较优，而130m塔高的静活载竖向挠跨比稍差，且该方案的斜拉索列车荷载索力幅和加劲梁轴力显著增大，受力不利。

（3）桥塔高度比较结论

在铁路钢箱混合组合梁斜拉桥中桥塔不能太柔，但也不能太刚，刚度太大必然会增加桥塔的工程量而不经济，如果适当地偏向柔细一些，就可以节省工程量，此时可以采取预加力刚度法加大斜拉索的张拉力，使桥塔偏向边跨侧，以增大主跨加劲梁的整体刚度。合理的桥塔线刚度很重要，在一定的桥塔线刚度值的条件下，对于加劲梁自身刚度较小的铁路大跨度钢箱混合梁斜拉桥，适当提高塔高，一般可以考虑为主跨跨度的0.3倍左右，以使主跨最长索与加劲梁纵向水平夹角约30.0°作为选择桥塔高度的依据，技术经济性是较合理的。

1.3.2.3　斜拉索及其锚固结构

斜拉索在斜拉桥中无论是结构上还是造型上都是非常重要的，在结构上斜拉索是全桥最主要构件之一，斜拉索结构材质与截面积既要考虑高强度具有较高的承载能力和较好的抗疲劳性能，斜拉索结构截面要考虑紧凑具有良好的抗风性能和起到增大斜拉桥整体刚度的作用，不仅如此，而且还要考虑由于索结构耐久性的原因铁路斜拉桥断索、换索养护维修时强度的需要，这个问题在铁路斜拉桥中显得尤为重要。斜拉索的锚固不仅要考虑索结构所需要考虑的一切因素，还要注意锚固结构构造复杂应力集中现象突出等问题。

1.斜拉索结构

具体来说，铁路钢箱混合梁斜拉桥其斜拉索的规格选择不仅要关注强度安全系数，而且还要注意控制结构的疲劳应力幅，以及桥梁的整体刚度等多种耦合因素。

（1）斜拉索规格的选取原则

将斜拉索强度安全系数、活载疲劳应力幅、斜拉索应力变幅、成桥态斜拉索应力、结构整体竖向刚度等多种斜拉索规格选取的因素进行了量化，斜拉索规格选取原则应考虑：

1）斜拉索强度安全系数

①正常运营和施工状态的斜拉索强度要求。

根据钢丝索受力特性，当受载超过破断荷载的50％时，其非弹性应变将快速增加，因此斜拉索抗拉强度容许值一般控制在0.4～0.45倍抗拉强度标准值。即安全系数不小于2.5。施工阶段斜拉索容许拉应力为极限强度的50％，安全系数大于2.0。

②换索及断索的斜拉索强度要求。

根据相关研究，特殊状态应考虑斜拉索正常更换和任何一根或相邻两根斜拉索突然失效的情况。

a.斜拉索正常更换。

设计正常换索过程中，采用单线铁路限速通行（被替换斜拉索侧线路限行）措施，确保处于工作状态的斜拉索容许拉应力值控制在设计值的125％内。

b.一根拉索突然断裂的动力效应影响。

设计当一根斜拉索突然断裂时，此时列车正常通行，在不减小设计列车荷载的前提下，其他工作状态的斜拉索应力容许值可提高到设计值的133％。

c.相邻两根拉索突然断裂的动力效应影响。

设计当相邻两根斜拉索突然断裂时，此时列车正常通行，在不减小设计列车荷载的前提下，其他工作状态的斜拉索应力容许值可提高到设计值的154％。

2）疲劳活载应力幅

有关资料表明，对于公路桥，一般实测活载强度仅占20％，μ=σmin/σmax=0.8，斜拉索疲劳问题不大。而铁路活载则不同，由于活载大，μ值往往小于0.7，一般介于0.47～0.69之间，斜拉索疲劳强度控制斜拉索的规格选取。

①疲劳计算荷载。

疲劳加载参照《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB 10002.2—2005）第4.3.2条规定：“双线铁路桥主桁（或主梁）构件检算疲劳时，按一线偏心加载并以杠杆原理分配于主桁（或主梁），并以双线系数γd修正，双线系数γd应符合规范表4.3.2的规定。”疲劳荷载组合包括设计荷载中的恒载加活载，并应计入动力系数，即：

式中　L——影响线加载长度（m）。

如果是多线铁路应按照各线所开行运营列车的特点进行列车相遇概率组合，计算出斜拉桥加劲梁主梁的多线荷载系数γd。

②疲劳应力幅。

国内外确定疲劳应力幅有如下几种方法：

方法一：美国后张学会斜拉桥委员相关规定。

美国后张学会斜拉桥委员会给出的斜拉索疲劳设计的疲劳安全度准则，如图1-59所示。

图1-59中，折线（1）为单根构件疲劳应力幅验收标准值，折线（2）为成品斜拉索试验标准值，折线（3）为疲劳应力幅设计允许值。Δ1为质量保证数，是由钢丝组编为成品索过程中，由于展丝、编丝、扭角等造成的疲劳降低值；Δ2为考虑长度影响、锚固应力上升、斜拉索垂度效应的安全富裕量。

美国后张学会斜拉桥委员会给出的钢丝、钢绞线及钢筋设计允许疲劳应力幅值及相应寿命见表1-13。

由表1-13可知，对于200万次疲劳循环试验疲劳强度282.70MPa的钢丝，其成品斜拉索的疲劳应力幅设计允许值取144.8MPa。若钢丝的试验疲劳强度值进一步提高，则成品斜拉索的疲劳应力幅亦相应增大。

方法二：根据钢丝疲劳试验的结果或由钢丝生产厂家提供疲劳应力，然后考虑一定的安全系数，作为斜拉索的疲劳强度。

式中　ΔσS——钢丝的试验疲劳强度（MPa）；

γ1——钢丝的材料安全系数，取1.15；

γ2——由钢丝组成斜拉索的构造安全系数，取1.15；

γ3——一般人为规定的安全系数，取1.15。

根据《桥梁缆索用热镀锌钢丝》（GB/T 17101—2008）：

ΔσS=360MPa，则Δσ=236.7MPa或240MPa。

方法三：《斜拉桥热挤聚乙烯高强钢丝拉索技术条件》（GB/T 18365—2001）第6.4.2.2条规定。

6.4.2.2　　试验方法：先加设计荷载1.2倍的静载并持荷10min后卸载，量测分丝板内缩值。然后用脉冲荷载加载，使钢丝应力上限达0.4σb，下限达0.28σb。在200万次脉冲试验加载后，试验索的钢丝断丝数不大于总数的5％，即为合格。

以破断强度1670MPa平行钢丝索为例，Δσ=（0.4-0.28）×1670=200.4MPa。

方法四：《大跨度斜拉桥平行钢丝斜拉索》（JT/T 775—2010）第5.2.7条规定。成品斜拉索的200万次轴向疲劳循环的应力幅值不小于200～250MPa，弯曲疲劳的应力幅值不小于。

方法五：Eurocode 3：Design of steel structures—Part 1-11：Design of structures with tension components规定。Table9.1规定对于200万次的轴向疲劳循环的应力幅值不小于160MPa。

综合以上五种方法，斜拉索的疲劳活载应力幅取160～200MPa都是合理的。

3）成桥状态斜拉索有效弹性模量

斜拉索的修正弹性模量与斜拉索的垂度大小有关，而垂度大小又与斜拉索的应力和自重以及斜拉索的水平投影长度有关。在自重与水平投影长度不变时，斜拉索应力越大，其修正弹性模量越大，即斜拉索的弹性模量损失越少。严国敏《现代斜拉桥》给出了不同斜拉索长状态下，有效弹性模量E1与材料本身弹性模量E0的比值，以及与斜拉索应力的相互关系如图1-60所示。

由图1-60可知：

①索长L≤100m的斜拉索，应力σ0为200MPa时，有效弹模比E1/E0大于0.83；

②索长100m<L≤150m的斜拉索，应力σ0为250MPa时，有效弹模比E1/E0大于0.89；

③索长150m<L≤200m的斜拉索，应力σ0为275MPa时，有效弹模比E1/E0大于0.86；

④索长200m<L≤250m的斜拉索，应力σ0为300MPa时，有效弹模比E1/E0大于0.83。

成桥状态的斜拉索应力，可参照以上取值作为下限控制，使斜拉索有效弹性模量比大于0.83，以降低非线性的影响。

4）兼顾桥梁的整体竖向刚度

桥梁整体竖向刚度主要受斜拉索规格的影响，在斜拉索规格满足以上原则的基础上，对几对端锚索的规格予以适当加大，以增大桥梁的整体竖向刚度。

（2）斜拉索规格比选

遵照上述原则作为控制条件，以主跨468m钢箱混合梁斜拉桥为例。选取多组斜拉索规格进行反复比选优化后确定斜拉索规格见表1-14和表1-15，相应斜拉索实际有效弹性模量系数如图1-61所示。

续上表

（3）斜拉索规格选用结论

①运营状态下，塔根附近4对斜拉索（S1～S4、M1～M4）的规格属强度控制，边跨S7～S15、主跨M8～M19斜拉索规格由疲劳应力幅控制。

②各种断索工况下，斜拉索最小强度安全系数为2.62，大于要求值1.88，各种换索工况下，斜拉索最小强度安全系数为2.87，大于要求值2.0，均满足要求。

③边跨所有拉索及中跨M1～M17拉索的有效弹性模量系数在0.9以上，M18～M20有效弹性模量系数超过0.85，M21～M25兼顾结构的整体竖向刚度，有效弹性模量系数超过0.83。

④通过对几对端锚索（S21～S25、M21～M25）的规格予以适当加大，增大了结构整体竖向刚度，使得主跨跨中静活载挠跨比达到1/701。

2.斜拉索与塔、梁锚固结构

斜拉索最重要的作用是将斜拉索强大的拉力顺畅而有效地传递给加劲梁和桥塔，铁路斜拉桥还须注意连接构件和焊接的疲劳性能，以及还须注意锚固结构养护和斜拉索更换的方便性。

（1）斜拉索与塔的锚固结构

1）双钢锚箱

当铁路斜拉桥跨径很大，桥塔为双面索布置，上塔柱截面横桥向比较宽的情况下，塔内采用钢锚箱时，从经济和受力综合角度考虑，为了使钢锚箱结构的钢板厚度能够减小，以节省钢材，可以采用双锚箱结构。双锚箱结构构造如图1-62所示。若为混凝土桥塔，则钢锚箱与塔柱混凝土壁形成组合结构受力，钢锚箱由焊钉与塔柱混凝土壁连接，再用环形预应力筋将钢锚箱紧紧夹箍在两侧的塔柱混凝土壁之间。斜拉索就锚固在钢锚箱中，水平分力由钢锚箱的纵向钢板及钢锚箱两侧的混凝土塔柱壁共同承受，竖向分力则由上下各层整体焊接在一起钢锚箱来承受。

2）单钢锚箱

与上述双钢锚箱类似，当铁路斜拉桥跨径相对较小，桥塔仍然为双面索布置，上塔柱截面横桥向比较不太宽的情况下，塔内采用钢锚箱时，可以采用单锚箱结构，如图1-63所示。

3）钢锚固梁

将钢锚固梁置于上塔柱内壁牛腿上，斜拉索通过埋设在塔柱壁中的钢管锚固在钢锚固梁两端的锚块上，如图1-64所示。这也是一种常见的斜拉索与塔柱的锚固形式，受力明确，不过当桥塔两侧斜拉索的水平分力不平衡时，要使塔柱一侧柱壁承受不平衡水平力，竖向分力则由钢锚固梁通过牛腿传递至塔柱。

4）混凝土锚固块

一般情况下，当铁路混合梁斜拉桥跨径不是很大、斜拉索的索力较小时，常采用设置在塔柱内壁上的混凝土锚固块方式，斜拉索通过预埋在塔柱壁混凝土中的钢管斜向锚固在混凝土锚块上，如图1-65所示。通过塔柱混凝土壁传递斜拉索的水平分力和竖向分力，塔柱混凝土壁内布设有环向的水平预应力钢束。

（2）斜拉索与加劲梁的锚固结构

铁路斜拉桥大多采用双面索，常常锚固于加劲梁体两侧。铁路混合梁斜拉桥边跨混凝土梁两侧采用混凝土锚固块锚固斜拉索，主跨钢箱梁通过钢锚箱或锚拉板与斜拉索锚头锚固。在公路、铁路同层的斜拉桥中，虽然斜拉索也是采用双面索，当铁路布置在桥面中间而双幅公路分别布置在铁路两侧时，常常将斜拉索与加劲箱梁内的中间箱室锚固，此时，锚固块位于加劲箱梁顶板之下的两侧腹板之间，与顶板及腹板固结在一起。

1）双挑式钢锚箱

双挑式钢锚箱是利用加劲梁两侧风嘴当作梁体结构参与全截面受力，并作为锚固梁的一端，锚固箱梁的另一端与加劲箱梁边纵腹板固结，实质上是一种双挑钢锚箱梁，如图1-66所示。这种情况同样适应于带有中间箱室公铁同层合建的双索面钢箱梁斜拉桥，其目的是避免钢锚箱单侧焊接在边腹板上，对于铁路钢箱梁斜拉桥承受长大重载的货物列车振动不至于斜拉索钢锚箱结构及其与加劲梁相连结的焊缝产生高应力疲劳损伤等缺陷。

2）钢锚拉板

如图1-67所示，斜拉索锚拉板锚固形式比较常见，其受力路径明确、结构构造简单，但是，由于铁路斜拉桥桥面加劲梁相对比较窄，为获得柔性斜拉桥横向相对比较大的稳定系数，常常将双索面斜拉索内倾一定的角度，使得比较厚的锚拉板为与斜拉索受力方向一致，采取分块焊接与加劲箱梁腹板倾斜连接，此时，就带来了钢锚拉板的疲劳问题需要设计者去关注。

3）箱内混凝土锚固块

这种箱内混凝土锚固块的形式适应于比较小的箱室，斜拉索的水平分力通过锚固块传递至顶板后再分布到加劲梁的全截面，竖向分力则通过锚固块两侧的箱梁腹板传递，如图1-68所示。

4）加劲梁截面两侧混凝土锚固块

混凝土加劲梁截面两侧设混凝土锚固块是一种非常普通的双索面斜拉索锚固形式，如图1-69所示。这种形式的斜拉索水平分力通过混凝土梁两侧的实体快来传递，竖向分力需要通过厚的实体腹板传递至加劲梁的整个截面。

1.3.3　结构支承受力体系特点

铁路桥梁的列车制动力或牵引力按竖向静活载的10％计算，以牵引定数5000t为例，列车制动力或牵引力可达5000kN，其值远大于同类型公路桥梁，因此合理设计铁路斜拉桥的支承结构体系，以减少列车制动力、地震荷载和温度力的作用，是铁路大跨度斜拉桥设计关心的重要问题。

1.加劲梁的支承受力体系

铁路混合梁斜拉桥的最大特点就是边跨加劲梁要起到锚跨的作用，受力特点是主跨斜拉索的张力通过桥塔而传递给予锚跨加劲梁，不仅边跨加劲梁要比较重，相应边跨加劲梁根据锚跨的需要设置一个或多个竖向支承位置，而且桥塔处对加劲梁的支承应该具有竖向、横向并起到纵向转动作用。因此，混合梁斜拉桥加劲梁与桥塔之间不适合采用无支承的漂浮体系。另外由于铁路钢箱混合梁斜拉桥整体刚度、位移以及结构疲劳的要求，一般也不采用弹性约束体系，比较适合采用具有竖向支撑的半漂浮体系，也可以采用混合支承体系。塔梁固结体系一般只有在独塔斜拉桥或多塔斜拉桥的中塔柱的支承体系中采用。国内典型铁路（公铁）斜拉桥支承体系见表1-16。

续上表

（1）加劲梁竖向支承

加劲梁竖向支承体系在桥塔处设置可纵向滑动的竖向支座，亦称半漂浮体系。与漂浮体系相同，温度、纵向风荷载及活载将在梁端产生较大位移，也需要设置大型伸缩装置。弹性约束体系桥塔与加劲梁之间设置水平弹性索，其优点在于在任何荷载状态下都会在结构中发生作用，结构支承条件和受力状况比较明确。取用刚度合适的水平弹性索既可以减小塔梁水平位移、控制温度力，又可以抑制由风、地震等产生的结构动力反应，改变梁、塔的失稳形态。阻尼约束体系在塔、梁之间设置阻尼装置，特点是对温度变化、较小风速和车辆等缓慢荷载不约束，但对动荷载（制动力、脉动风、船舶撞击力和地震等）的动力响应产生缓冲和阻尼作用。目前，如黏滞阻尼器、液压缓冲器等已得到广泛应用。塔梁固结体系，各方向自由度均被约束，因限制了桥塔和加劲梁之间的相对滑动，可有效减小梁端位移，但温度变化将对结构内力产生较大的影响。

（2）加劲梁混合支承

加劲梁支承混合体系是将上述体系混合使用以满足结构所需功能要求。日本多多罗大桥为主跨890m的双塔斜拉桥，其在索塔处采用大型橡胶支座，竖向支撑与纵向弹性约束支承体系混合。还有采用了阻尼约束和弹性约束混合支承体系的形式，在塔梁连接处安装螺旋桨式阻尼装置和水平拉索弹性装置，如鹤见航道桥为主跨510m的双塔斜拉桥。

半漂浮体系与纵向液压黏滞阻尼器混合支承体系是铁路大跨度斜拉桥比较常用的混合体系方式。普通黏滞阻尼器装置仅具有动力阻尼约束作用，即对脉动风、刹车和地震引起的动荷载具有阻尼耗能作用，不能限制静风荷载、温度等引起的缓慢位移。液压限位黏滞阻尼装置具有动力阻尼和静力额定行程刚性限位的功能，当由静风、温度和汽车引起的塔梁相对纵向位移在阻尼器设计行程以内时，不约束加劲梁运动，超出限位行程时，对加劲梁运动产生刚性固定作用。同时还应保证在发生动荷载作用时，阻尼器有足够的行程正常工作。

在塔梁相对位移达到最大时，黏滞阻尼器的阻尼力最小，接近于零；而黏滞阻尼器的阻尼力最大时，塔梁相对位移最小，弹性力也最小。黏滞阻尼器的阻尼力和结构的弹性力之间有90°的相位差，因此，黏滞阻尼器并不增加桥塔的受力。实际工程中使用的黏滞阻尼器一般为非线性阻尼器。

2.桥塔的支承受力体系

（1）塔墩固结、塔梁分离

铁路混合梁斜拉桥桥塔的支承受力体系主要有塔墩固结、塔梁分离这种大多数大跨度斜拉桥所采用的支承形式。塔柱下端固结于墩顶部形成塔墩一体，上、中、下塔柱完整的桥塔结构，可在下塔柱顶部下横梁上设置对加劲梁的竖向、横向和纵向支承，如图1-70所示。既可以约束塔顶的位移又可以使加劲梁适应斜拉桥在列车荷载、温度荷载、风载和地震荷载作用下的变位与受力的要求。

（2）塔、梁、墩固结

在较小跨径的铁路混合梁独塔双跨式斜拉桥中，也采用塔、梁、墩固结的支承形式，因为独塔双跨式温度内力相对较小，塔、梁、墩固结不仅可以较好地增大斜拉桥的整体刚度，使塔、梁设置更纤细一些，而且还能够更好地满足跨越障碍物时实现转体施工的需要，如图1-71所示。在比较高的柔性塔墩双塔三跨式斜拉桥比较适合采用这种塔、梁、墩固结的支承形式，比如跨越山区深谷的斜拉桥。不过，在地震区应注意这种塔、梁、墩固结的支承形式斜拉桥对结构抗震的不利影响。

（3）塔梁固结、梁墩分离

如图1-72所示，塔梁固结、梁墩分离一般在比较小的跨径斜拉桥中采用，红水河铁路斜拉桥就是采用的这种支承形式，塔柱下端与梁固结后用支座支承在墩顶上。这种支承形式主要是考虑桥墩很矮，可以减少塔墩的弯矩。但是，当主跨满载时桥塔将随加劲梁的挠曲而发生倾斜，使主跨梁体挠度和边跨梁体负弯矩增大。此外，常常还需要大吨位的支座来适应，支座的养护更换均较困难。