中國高速鐵路大跨度橋梁發(fā)展與實踐

陳良江 喬健

（1鐵道部工程設(shè)計鑒定中心副處長；鐵道部工程設(shè)計鑒定中心副總工程師，北京100844）

中國高速鐵路大跨度橋梁發(fā)展與實踐

陳良江1喬健2

（1鐵道部工程設(shè)計鑒定中心副處長；鐵道部工程設(shè)計鑒定中心副總工程師，北京100844）

綜述中國高速鐵路建設(shè)中大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)型式及相應(yīng)的主要和典型的工程，反映當(dāng)代中國高速鐵路大跨度橋梁的發(fā)展概貌。闡述大跨度橋梁變形控制、剛度標(biāo)準(zhǔn)、施工方法以及新材料的應(yīng)用情況，為今后類似橋梁的建設(shè)提供借鑒。

高速鐵路；大跨度橋梁；變形；剛度；發(fā)展

Abstract：The structural styles and corresponding typical engineering of Chinese high-speed railway are presented.These bridges reflect the general development of large structures in contemporary China.Deformation control,stiffness standard,construction methods and the application of new materials in long span bridges are discussed.This paper provides useful reference for the construction of similar bridges in the future.

Key words:high-speed railway；long span bridge；deformation；rigidity；development

1 概述

中國地域遼闊，南北縱貫熱帶、溫帶、寒帶，東西橫跨平原、山區(qū)、高海拔山區(qū)，其間分布有長江、黃河、海河和珠江四大江河流域。國家批準(zhǔn)的高速鐵路網(wǎng)北起黑龍江省的齊齊哈爾，南至海南省的三亞，東起福建省的廈門、上海市、山東省的青島，西至云南省的昆明、新疆自治區(qū)的烏魯木齊，工程技術(shù)條件十分復(fù)雜。為了節(jié)省可耕種的土地，減少對城市的分割，保持軌道的高穩(wěn)定性，在中原和東部地區(qū)建設(shè)的高速鐵路大量采用了高架橋的建設(shè)形式。在已建和在建的高鐵線路中，高架橋占線路比例在50%以上，其中京津城際鐵路、京滬高速鐵路、廣珠城際鐵路橋梁占線路比高達(dá)87.7%、80.5%和94.2%。這些高速鐵路跨越了中國的四大江河流域和密布的公路、水運網(wǎng)，需要建設(shè)大跨度和超大跨度的橋梁。中國的西南山區(qū)，山峰縱橫，溝谷深切，河流湍急，需要建造高橋墩大跨度的橋梁。

中國高速鐵路橋梁沒有隨著跨度的增加而降低標(biāo)準(zhǔn)，這就需要研究大跨度橋梁適應(yīng)高速行車的動力性能和保持軌道平順的變形控制等關(guān)鍵技術(shù)。隨著社會的發(fā)展，城市中和周邊的橋梁的景觀效果也受到重視，這些需求成為高速鐵路橋梁建設(shè)中需要深入研究和探索的重要課題。本文就這幾個主要方面的工程設(shè)計和實踐進(jìn)行討論和探索。

2 大跨度混凝土橋的變形

中國高速鐵路大多采用了無砟軌道系統(tǒng)，需要控制的變形有結(jié)構(gòu)受力的彈性變形、混凝土收縮徐變變形、橋墩基礎(chǔ)的沉降變形、風(fēng)吹日照溫度變形等，這些變形的控制設(shè)計方法已有多篇文章和實踐經(jīng)驗，這里不再贅述，這里就大跨度混凝土橋梁的混凝土收縮徐變變形的控制進(jìn)行探索和討論。

無砟軌道對結(jié)構(gòu)的變形要求嚴(yán)格，按照設(shè)計規(guī)范的相關(guān)要求，對于跨度>50m混凝土結(jié)構(gòu)，無砟軌道鋪設(shè)后的徐變上拱度不應(yīng)大于L/5000，且不得大于20mm?；炷潦湛s徐變問題本是材料領(lǐng)域的事情，但其結(jié)果只能產(chǎn)生量變且無方向。教科書中混凝土收縮徐變是彈性變形的函數(shù)的論述提醒了中國橋梁設(shè)計者，混凝土結(jié)構(gòu)的彈性變形是可以控制的且可以有明確的方向性，這就成為大跨度混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計指導(dǎo)思想。

減小彈性變形的有效手段是加大EI（剛度）值和降低恒載作用下梁體截面上下緣應(yīng)力差，而適當(dāng)加大梁高是提高剛度和降低應(yīng)力水平的重要手段，如主跨100m混凝土連續(xù)梁支點和跨中梁高分別為7.80m、4.85m。

中國鐵路大跨度混凝土結(jié)構(gòu)也采用兩向或三向預(yù)應(yīng)力索的配置，但梁體的主拉應(yīng)力主要依靠腹板索控制，基本不過分依賴豎向預(yù)應(yīng)力的分力，這就基本消除了豎向短索預(yù)應(yīng)力損失后，梁體主應(yīng)力失控的情況，但腹板索是配置在1/4跨的上緣及1/2跨的下緣，這就造成恒載下混凝土梁體上下緣的應(yīng)力差，控制梁體各部上下緣的應(yīng)力差就可以控制大跨度混凝土結(jié)構(gòu)橋梁豎向的混凝土收縮徐變變形。當(dāng)混凝土橋梁跨度大到難以合理控制梁體上下緣應(yīng)力差時，增加輔助結(jié)構(gòu)幫助控制應(yīng)力的橋式就在探索之中。中國高速鐵路大跨度橋梁中有增加拱、斜拉索、鋼桁架的形式，少有人知的是這些結(jié)構(gòu)的采用是為了控制混凝土收縮徐變變形，以滿足高速鐵路橋梁上線性長期穩(wěn)定的需求。

3 大跨度橋梁的剛度

高速列車在鐵路橋梁上運行時，列車與橋梁之間的互動影響明顯，為了減小橋梁動力響應(yīng)、保證列車運行舒適性，橋梁應(yīng)具有足夠的剛度和適宜的自振頻率。中國高速鐵路設(shè)計規(guī)范對于大于80m的多跨梁，梁體豎向撓跨比應(yīng)不大于1/1000。表1為中國近年來修建的部分大跨橋的剛度和梁端轉(zhuǎn)角。

從表1中可以看出，對于梁式橋或剛度較大的拱橋，設(shè)計的剛度可以滿足規(guī)范的要求，但中國高速鐵路需要跨越長江這樣的黃金水道，通航的要求較高，防汛的要求也較高。橋梁跨度在不同的航道區(qū)段有不同的要求，但均要求在300m以上。

大于300m的橋梁目前只能采用鋼梁橋，而對于高速鐵路采用的大跨度鋼梁橋要解決橋面系問題和高速列車運行的舒適性問題。

對于大跨度橋梁的剛度，世界各國都沒有一個明確的標(biāo)準(zhǔn)，日本在本四聯(lián)絡(luò)線的柜石島、巖黑島橋采用設(shè)計的變形曲線調(diào)整試驗線，運行實際列車，得到較為可靠的剛度數(shù)據(jù)，約1/400。中國參考了已建成的南京、九江、蕪湖等長江橋的實際表現(xiàn)，并采用計算機(jī)模擬仿真分析，分析中除采用中國規(guī)范指標(biāo)，也參考?xì)W洲和日本的舒適度標(biāo)準(zhǔn)，確定了京廣高速的天興洲長江橋和京滬高速鐵路的大勝關(guān)長江橋的剛度參數(shù)。

表2、表3為國內(nèi)外鐵路斜拉橋（含公鐵兩用斜拉橋）設(shè)計的豎橫向剛度值?？梢钥闯?，斜拉橋豎向剛度一般在1/400～1/800，而橫向剛度多數(shù)在1/4000左右。

大跨度橋梁因其撓度變形曲線較和緩，撓跨比不宜成為主要關(guān)注的控制指標(biāo)，影響行車安全和舒適的主要位于剛度突變區(qū)域，如梁端、主塔、橋墩等，需要對局部范圍的軌面變形進(jìn)行限制。法國規(guī)范規(guī)定，當(dāng)速度大于時速220km時，使用UIC71靜力荷載和沖擊系數(shù)計算軌道的變形，在3m的長度上最大變形低于1.2mm。

表2斜拉橋設(shè)計的豎向剛度

表3斜拉橋設(shè)計的橫向剛度

4 大跨高墩橋設(shè)計

對于大跨、高墩結(jié)構(gòu)如何適應(yīng)高速運行的要求，世界各國尚未有適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，為了使結(jié)構(gòu)設(shè)計既經(jīng)濟(jì)又能滿足結(jié)構(gòu)動力和旅客舒適度要求，主要借鑒我國鐵路高墩橋梁的建設(shè)經(jīng)驗和理論研究。如內(nèi)昆線李子溝、花土坡大橋(墩高110m、跨度100 m以上)和宜萬鐵路渡口河高墩連續(xù)剛構(gòu)橋(墩高128m、跨度128m)設(shè)計中，將結(jié)構(gòu)振動和列車響應(yīng)分析引入設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中，提出了高墩變形、變位和自振頻率限值的暫行規(guī)定，同時建立軌道結(jié)構(gòu)與橋梁共同作用力學(xué)計算模型，分析橋上無縫線路的縱向力和軌道的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。渝利鐵路蔡家溝特大橋是目前世界上墩高最高的鐵路剛構(gòu)-連續(xù)梁橋。橋墩高度達(dá)139m，為了控制橫向變位，采用了A型橋墩（見圖1）。設(shè)計中，墩身縱向剛度先按規(guī)范要求的墩頂位移控制，再進(jìn)行橋上鋼軌強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析，并將計算得到的軌道縱向力檢算橋墩受力和位移要求。墩身橫向剛度需滿足規(guī)范要求的橫向折角及梁體的橫向水平撓度L/4000要求；剛構(gòu)-連續(xù)組合梁的橫向一階自振頻率也作為設(shè)計的動力特性控制指標(biāo)，根據(jù)已建成高墩橋的經(jīng)驗采用橫向一階自振周期T<1.6s以內(nèi)。各個橋墩的縱橫向剛度如表4所示。可以看出，由于采用了A形墩，高墩的橫向剛度較大，對列車高速行車十分有利。

表4蔡家溝特大橋高墩剛度值kN/cm

5 大跨度橋梁的動力分析

大跨度橋梁的動力響應(yīng)需專門研究，國內(nèi)大跨橋梁一般先按強(qiáng)度和變形布置，在滿足強(qiáng)度和變形要求的前提下進(jìn)行車橋耦合振動分析，驗證動力和行車性能，必要時調(diào)整設(shè)計方案。

中國鐵路科研院校在車橋耦合振動領(lǐng)域做了深入系統(tǒng)的研究和實車試驗，建立了鐵路車橋耦合動力學(xué)分析理論，包括完善的機(jī)車車輛分析模型和精確的輪對運動方程、車橋系統(tǒng)運動方程的分離迭代技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)值解法，形成了相應(yīng)計算機(jī)仿真分析軟件等。建立了高速鐵路常用的各種中速客車和高速客車計算模型，在計算中將設(shè)計速度×1.2倍用于車橋耦合振動分析，橋梁結(jié)構(gòu)將上部結(jié)構(gòu)、橋墩及地基基礎(chǔ)均納入模型，以盡可能反映實際情況，車橋間通過輪軌蠕滑理論建立耦合運動，分析時橋梁兩端引入一定長度線路，用于考慮列車上橋前后的狀態(tài)，通過對橋梁自振頻率、變形、振動加速度、車輛行車安全性和車體加速度、乘坐舒適度等綜合考察來評價橋梁在高速行車條件下的動力性能，供設(shè)計參考。大跨度橋梁的車橋耦合振動分析除考慮軌道不平順激勵外，還考慮了風(fēng)載的影響，進(jìn)行橋上列車運行的抗風(fēng)安全性分析，對于超大跨度、設(shè)置梁端伸縮裝置的橋梁，伸縮裝置對高速行車的影響比較明顯，應(yīng)重點分析研究。

6 高速大跨橋梁的實踐和發(fā)展

中國鐵路工程技術(shù)人員廣泛進(jìn)行了探索，設(shè)計建造了一批適應(yīng)地貌、通航河流、道路立交、城市景觀及特殊地質(zhì)條件的特殊結(jié)構(gòu)橋梁，有混凝土連續(xù)梁、混凝土連續(xù)剛構(gòu)、鋼梁橋、組合體系橋梁、拱橋、斜拉橋等。據(jù)初步統(tǒng)計跨度大于100m的大跨度橋梁約有200多座，這在其他各國高速鐵路建造中是少有的。

6.1 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋

建成運營兩年多的京津城際鐵路，跨越北京市五環(huán)路大橋，主跨為128m，橋上鋪設(shè)無砟軌道，梁體后期徐變變形控制在10mm以內(nèi)。2009年開通的福州至廈門鐵路跨越烏龍江大橋，混凝土連續(xù)梁主跨為144m。而最大跨度為在建的廈門至深圳鐵路九龍江西溪大橋，主跨達(dá)154m，最大支座承載力為80000kN。

6.2 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋

最大跨度是已開通運營的襄渝線牛角坪大橋，其主橋跨度達(dá)192m。廣珠城際容桂水道大橋主跨為185m，是目前高速鐵路剛構(gòu)最大跨度。遂渝鐵路嘉陵江大橋的主跨為168m，橋上鋪設(shè)了無砟軌道，已開通運營兩年多。

6.3 組合體系橋

在混凝土連續(xù)梁（剛構(gòu)）上增加拱、桁架、索等輔助結(jié)構(gòu)，對控制恒載下梁體應(yīng)力十分有利，可以使預(yù)應(yīng)力混凝土梁（剛構(gòu)）向大跨度發(fā)展。在混凝土剛構(gòu)上增加拱建成的宜昌長江橋，其主跨跨度達(dá)到275m。建成運行兩年的京津城際鐵路跨越北京四環(huán)路大橋，主跨跨度為128m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁拱橋，橋上鋪設(shè)了無砟軌道。京滬高速鐵路鎮(zhèn)江運河大橋采用了（90+180+90）m預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁拱的橋式。已建成的廣珠城際鐵路跨越小欖水道的大橋采用了（100+220+100）mV形剛構(gòu)拱組合結(jié)構(gòu)。

在混凝土剛構(gòu)上增加斜拉索建成的廣珠城際鐵路跨越西江的大橋，其橋式為（100+210+100）m獨塔斜拉連續(xù)剛構(gòu)組合結(jié)構(gòu)。

在混凝土連續(xù)梁上增加桁架的橋梁有蘭州至烏魯木齊第二雙線鐵路跨越青藏高速公路的大橋，其主跨跨度為160m，擬在橋上鋪設(shè)無砟軌道。

6.4 鋼橋

2006年我國建成了第一座大跨度鋼桁拱橋——萬州長江橋，最大跨度360m，此后，鋼桁拱、鋼箱拱橋如雨后春筍般涌現(xiàn)，已建成的高速鐵路大勝關(guān)長江橋代表了我國鐵路鋼橋建造的最新水平。在鋼橋用材料方面，普遍采用具有良好低溫韌性的14MnNBq鋼，為我國鐵路橋梁向更大跨度發(fā)展準(zhǔn)備了條件。大勝關(guān)長江橋為雙主跨336m鋼桁拱橋式，部分桿件采用了Q420級鋼材。

下承式鋼桁結(jié)合梁由于建筑高度低、跨越能力大，正在福廈鐵路、廈深鐵路、京津城際等多條線路上應(yīng)用，最大跨度已達(dá)96m。高速鐵路鋼橋絕大多數(shù)采用了有砟橋面，僅在武廣客專汀泗河140m鋼箱拱橋上鋪設(shè)了無砟軌道。橋面系的結(jié)構(gòu)形式有縱橫肋加勁的正交異性整體鋼橋面、縱橫梁結(jié)合梁橋面、密布橫梁結(jié)合梁橋面及縱橫梁加混凝土道砟槽板橋面。

6.5 拱橋

下承式拱橋由于結(jié)構(gòu)高度低、外形美觀而在高速鐵路上大量采用，如福廈鐵路跨越福廈高速公路采用了128m的提籃式系桿拱橋，哈大客專跨越長春市富民大街采用了138m鋼箱疊拱，武廣客運專線跨越京珠高速公路采用了140m鋼箱系桿拱橋。而上承式拱橋由于適配地形、施工簡便，常用于西南山區(qū)或跨越道路，如滬杭客?？缭綔几咚俸褪T路兩次采用了跨度為（88+160+88）m上承式混凝土拱橋，采用了轉(zhuǎn)體的施工方法，單邊轉(zhuǎn)體自重達(dá)16800t，為世界同類型轉(zhuǎn)體橋梁之最。

6.6 斜拉橋

中國已經(jīng)建成的武漢樞紐天興洲長江公鐵兩用橋，是跨度達(dá)504m的四線鐵路斜拉橋。正在建設(shè)的銅陵長江公鐵兩用橋跨度達(dá)630m，其中京福高速鐵路運營速度時速350km。而正在建設(shè)的韓家沱長江橋和安慶長江橋跨度分別為424m和580 m，因為純鐵路雙線和四線鐵路斜拉橋，也將在世界橋梁史上占有一席之地。

7 結(jié)論

我國高速鐵路大跨度橋梁無論在數(shù)量上，還是在設(shè)計理論、建造工藝等技術(shù)方面，都取得了巨大進(jìn)步，建成了一批混凝土連續(xù)梁、剛構(gòu)橋、鋼梁橋、組合體系橋、拱橋、斜拉橋，已成為世界橋梁大國。

高速鐵路對軌道不平順以及橋梁變形的要求非常嚴(yán)格，大跨度橋應(yīng)盡可能采用剛度較大的結(jié)構(gòu)，綜合考慮車輛、軌道與橋梁之間的動力相互作用,進(jìn)而采取有效的控制策略，減小橋梁的動力響應(yīng)，滿足列車高速運營的需要。

我國正在進(jìn)行千米級鐵路橋梁越江跨海工程。即將開工建設(shè)的滬通長江公鐵兩用大橋跨度達(dá)1092m，是至今世界上最大跨度的斜拉橋。研究中的瓊州海峽工程橋梁方案，需要修建特大跨度橋梁和水深100m以下的深水基礎(chǔ)。

橋梁技術(shù)人員應(yīng)抓住中國大規(guī)模高速鐵路建設(shè)的有利條件，通過創(chuàng)新的設(shè)計、應(yīng)用高技術(shù)的材料和新的施工工藝，建造出一大批具有世界領(lǐng)先水平的大跨度橋，再造鐵路橋梁技術(shù)的輝煌。

[1]鄭健.中國高速鐵路橋梁[M].北京：高等教育出版社，2008

[2]喬健.鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁收縮徐變控制技術(shù)探索[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2007(6)

[3]喬健.中國高速鐵路橋梁的技術(shù)路線和標(biāo)準(zhǔn)[G]//高速鐵路橋梁技術(shù)國際交流會論文集.天津,2008

[4]鐵建設(shè)[2009]209號.高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2010

A

1004-9746（2010）06-0046-05

2010-10-20)