深切峡谷场地铁路悬索桥合理结构体系及结构适用性研究

摘要

随着我国经济的快速发展和交通需求的大量增长，以及全国铁路路网建设的进一步完善的需要，西部地区将修建更多的铁路，以满足国家开发大西部的战略需求。铁路桥梁建设不可避免地要跨越近断层高烈度地震区的深切峡谷。悬索桥为柔性结构，抗震性能较好且跨越能力强。悬索桥刚度小所带来的一系列问题和不利因素却一直在制约着铁路悬索桥的发展。结构体系的转换可以改变结构的力学性能，从而克服结构本身的缺点，充分发挥其优点。文中针对深切峡谷场地，开展了铁路悬索桥合理结构体系和结构适用性的研究，研究内容和成果有以下几方面。　　(1)论文选择三种深切峡谷场地典型地形，根据每种典型地形的特征，将其分类归纳为双岸侧陡坡、单岸侧陡坡、双岸侧缓坡三类地形。通过阅读相关文献，根据现有的研究成果，参考实际拟建和在建铁路悬索桥工程项目和设计方案，结合双岸侧陡坡地形特点，设计了主跨跨径分别为500m、800m、1100m的三种跨度，桥型为两岸无桥塔单跨悬吊的铁路悬索桥方案；结合单岸侧陡坡地形特点，设计了主跨跨径分别为500m、800m、1100m的三种跨度，桥型为一岸无桥塔另一岸有桥塔的带外伸跨的单跨悬吊铁路悬索桥方案；结合双岸侧缓坡地形特点，设计了主跨跨径分别为500m、800m、1100m的三种跨度，桥型为双塔带外伸跨的单跨悬吊的铁路悬索桥方案。　　(2)采用桥梁结构非线性分析系统BNLAS建立各铁路悬索桥设计方案空间有限元模型，并进行刚度分析。确定不同桥型、不同跨度铁路悬索桥方案通行列车车速的适用范围。提出不同桥型、不同跨度铁路悬索桥方案不满足设计要求的刚度指标。　　(3)针对主跨1100m无塔单跨和单塔双跨铁路悬索桥方案梁端竖向转角过大的问题，提出了将主缆与桁梁通过桁架(斜杆)连接、梁端设置双支座、采用拉压杆与拉索交替布置悬吊主梁和设置地锚索四种解决方案。将主缆与桁梁通过桁架(斜杆)连接可以提高结构竖向刚度，减小梁端竖向转角，但斜杆疲劳问题严重且稳定性难以满足设计要求。在梁端设置双支座可以约束梁端竖向转角，但支座竖向负反力较大。采用拉压杆与拉索交替布置悬吊主梁可以提高结构竖向刚度，减小梁端竖向转角，但拉压杆、拉索疲劳问题严重，拉压杆稳定性难以满足设计要求，索夹下滑力较大。设置地锚索对结构竖向刚度影响不大，但可以有效减小梁端吊索应力幅。针对500m、800m、1100m三种跨度的无塔单跨和单塔双跨铁路悬索桥方案梁端横向转角过大和最小曲线半径过小的问题，提出了采用空间主缆、采用空间主缆并将主缆与桁梁通过桁架(斜杆)连接和设置水平拉索三种解决方案。采用空间主缆对结构刚度影响不大。采用空间主缆并将主缆与桁梁通过桁架(斜杆)连接可以提高结构横向刚度，减小横向梁端转角和增大最小曲线半径，但设置斜杆吊点索夹下滑力很大。设置水平拉索可以提高结构横向刚度，减小横向梁端转角和增大最小曲线半径。通过对以上7个解决方案的研究，分析其优势和存在的问题，为实际铁路悬索桥设计提供参考。

目录

声明

第1章绪论

1.1 本文的研究背景及选题意义

1.2 铁路悬索桥的发展

1.3 铁路桥梁刚度研究现状

1.4 铁路悬索桥研究现状

1.5 论文的研究内容

第2章结构总体设计方案

2.1 深切峡谷场地典型地形

2.1.1 双岸侧陡坡地形

2.1.2 单岸侧陡坡地形

2.1.3 双岸侧缓坡地形

2.2 总体设计

2.2.1 双岸侧陡坡地形方案总体布置

2.2.2 单岸侧陡坡地形方案总体布置

2.2.3 双岸侧缓坡地形方案总体布置

2.3 构件类型与设计参数

2.3.1 加劲梁类型与设计参数

2.3.2 桥塔类型与设计参数

2.3.3 主缆设计参数

2.3.4 吊索设计参数

2.4 各设计方案主要构件强度验算

2.4.1 钢桁梁简化

2.4.2 模型建立

2.4.3 运营阶段荷载取值

2.4.4 荷载组合

2.4.5 计算结果

2.5 本章小结

第3章铁路悬索桥设计方案刚度分析

3.1 模型建立

3.2 各国铁路桥梁刚度标准

（1）竖向挠跨比

（2）竖向梁端转角

（3）轨面垂向偏位

（4）扭转变形

（5）横向挠跨比

（6）横向梁端转角和最小水平曲线半径

3.3 铁路悬索桥刚度评价指标

3.4 无塔单跨悬索桥方案刚度分析

1） 各跨径无塔单跨悬索桥方案竖向刚度指标计算结果

2） 各跨径无塔单跨悬索桥方案加劲梁活载挠度包络图

3） 各跨径无塔单跨悬索桥方案横向刚度指标计算结果

4） 各跨径无塔单跨悬索桥方案加劲梁横风挠度图

3.5 单塔两跨铁路悬索桥方案刚度分析

1） 各跨径单塔两跨悬索桥方案竖向刚度指标计算结果

2） 各跨径单塔两跨悬索桥方案加劲梁活载挠度包络图

3） 各跨径单塔两跨悬索桥方案横向刚度指标计算结果

4） 各跨径单塔两跨悬索桥方案加劲梁横风挠度图

3.6 双塔三跨铁路悬索桥方案刚度分析

1）各跨径双塔三跨悬索桥方案竖向刚度指标计算结果

2）各跨径双塔三跨悬索桥方案加劲梁活载挠度包络图

3）各跨径双塔三跨悬索桥方案横向刚度指标计算结果

4）各跨径双塔三跨悬索桥方案加劲梁横风挠度图

3.7 本章小结

第4章提高铁路悬索桥结构刚度的措施研究

4.1 设置斜杆方案

4.1.1 斜杆设置位置影响分析

4.1.2 斜杆强度、疲劳、稳定计算分析

4.1.3 斜杆数量影响分析

4.1.4 方案优势分析

4.2 梁端设置双支座方案

4.2.1 支座间的距离影响分析

4.3 采用拉压杆—拉索悬吊主梁方案

4.3.1 拉压杆、拉索强度、疲劳、稳定计算分析

4.3.2 索夹下滑力

4.3.3 方案优势分析

4.4 设置地锚索方案

4.4.1 地锚索设置位置影响分析

4.4.2 地锚索截面面积影响分析

4.4.3 方案优势分析

4.5 采用空间主缆方案

4.5.1 横向矢跨比影响分析

4.5.2 方案优势分析

4.6 空间缆设置斜杆方案

4.6.1 斜杆数量影响分析

4.6.2 斜杆内力、强度、稳定、疲劳计算分析

4.6.3 方案优劣势分析

4.7 设置水平拉索方案

4.7.1 拉索在主梁上的设置位置影响性分析

4.7.2 拉索截面面积影响分析

4.7.3 方案优势分析

4.7.4 设置水平拉索对各跨径无塔单跨悬索桥横向刚度影响分析

4.8 本章小结

结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间参与的科研实践项目