我國高速鐵路橋梁設(shè)計技術(shù)及探索

鄭旺

中交鐵道設(shè)計研究總院有限公司 北京 100088

1 高速鐵路橋梁的設(shè)計特點

高速列車的速度比普通列車快得多。它將對橋軌的平滑性產(chǎn)生很大影響，并且對結(jié)構(gòu)的影響也會增加。導(dǎo)致軌道的狀態(tài)受到影響，甚至危及高速列車的正常運行。通常情況下高速鐵路的設(shè)計都會受到這些因素的影響。

1.1 大跨度橋梁多

高速鐵路為全封閉線路，在跨越既有公路、鐵路時均采用立交形式跨越，根據(jù)我國既有公路、鐵路現(xiàn)狀及路網(wǎng)規(guī)劃，在高速鐵路進行設(shè)計的過程中大跨度橋梁技術(shù)被廣泛的使用在其中，根據(jù)相關(guān)的資料可以看出，在我國高速鐵路中跨越超過100米的橋梁共有200多架。

1.2 剛度大,整體性好

減少高速鐵路在運行過程中的較大的偏轉(zhuǎn)與振幅能夠有效的提高高速列車在運行過程中的安全性以及舒適性，所以高速橋梁在建設(shè)過程中需要保持好其完整性以及橫向和豎向的剛度，除此之外還需要加大對溫差的控制，因為混凝土?xí)捎跍夭疃a(chǎn)生結(jié)構(gòu)的變形。

1.3 提高結(jié)構(gòu)的耐久性,以便于橋梁的檢查和維修

高速鐵路是一個非常重要的交通設(shè)施。所以在對高速橋梁進行設(shè)計的過程中，要合理的考慮到每一個步驟，以便于更好對橋梁的穩(wěn)定性和耐久性進行提高，同時，在橋梁正式施工過程中，必須嚴(yán)格控制橋梁的質(zhì)量。在夜間時要加強對此的養(yǎng)護。

2 高速鐵路橋梁設(shè)計的一般規(guī)定和原則

2.1 高速鐵路橋梁設(shè)計注重結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計

從使用大量橋梁的過程來看，一個結(jié)論是橋梁結(jié)構(gòu)必須具有耐久性，因此在高速鐵路的設(shè)計過程中，需要有一定的技術(shù)措施保證橋梁結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟合理，又滿足耐久性要求。京滬高速鐵路是中國第一條高速鐵路。耐久性與安全性，良好的穩(wěn)定性主要是為了保障高速鐵路橋梁在不受外界狀況的影響下還能夠穩(wěn)定的運行，例如在修建過程中使用更高的洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)。較大的剛度要求，較強的沉降控制措施等來滿足橋梁100年的使用要求。

2.2 高速鐵路橋梁應(yīng)具有良好的動力性能

在高速鐵路運行過程中，橋梁結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)將得到加強，運動過程的安全性將降低，乘客的舒適性將會降低。為了避免這些情況，高速鐵路橋梁必須具有足夠的強度和剛度，以在設(shè)計中采用更大的結(jié)構(gòu)尺寸。并結(jié)合地質(zhì)情況，選擇合理穩(wěn)固的基礎(chǔ)形式來滿足高速鐵路橋梁的強度和剛度要求。

2.3 高速鐵路橋梁應(yīng)該優(yōu)先選擇預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)

在高速鐵路施工的過程中最好是采用預(yù)應(yīng)力混泥土，其材料具有很高的剛度和強度，受溫度以及噪音的影響比較的小，所以在高速鐵路橋梁施工中預(yù)應(yīng)力混泥土最為適合。同時如果此混泥土使用的足夠的恰當(dāng)還能夠減少后期的維護，節(jié)省了大量的人力和財力。

3 我國高速鐵路橋梁建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大跨度橋梁設(shè)計建造技術(shù)

一般來說，對于一般交通而言，安全性以及可靠性是最基本的要求，我國擁有廣袤的土地，在地形上有著很大的差別，所以為了交通方便，必須在大河或者是大山之間來架設(shè)橋梁，但是，在我國高速鐵路橋梁的建設(shè)和設(shè)計中由于困難重重而導(dǎo)致了設(shè)計速度以及施工的速度得不到提高。就目前的情況而言，施工過程中的速度和目標(biāo)需要與其他簡單的道路施工一致，這大大增加了設(shè)計和建造大跨度橋梁的難度。其也是對一個國家橋梁施工水平的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 無縫線路橋梁設(shè)計建造技術(shù)

無縫鐵路和普通的鐵路相比較在列車運行過程中更加的平穩(wěn)，其原因是由于無縫鐵路在施工中接頭的部分比較的少，除此之外還減少了鐵路在使用過程中的維護成本以及對使用周期的延長，尤其是在無縫鐵路施工的過程中可以有效的減少列車在橋上的作用力，以此來對列車行駛過程中的平穩(wěn)性進行提升，列車在高速行駛的過程中，運行的速度越塊越能突出其無縫鐵路的優(yōu)越性，重要的是無縫鐵路的建設(shè)在鐵路軌道中占據(jù)著重要的地位，可以為了能夠很好的發(fā)揮出無縫鐵路的優(yōu)點就需要在建設(shè)過程中提高鐵路的強度和穩(wěn)定性能，經(jīng)過諸多的工程實際可以總結(jié)了中國建設(shè)無縫線橋的經(jīng)驗，并通過機械模型的理論支持，制定了相應(yīng)的技術(shù)控制指標(biāo)。橋上的無縫線設(shè)計需要根據(jù)氣候，地形和其他條件合理選擇軌道結(jié)構(gòu)模式，長軌布置和鎖定模式。準(zhǔn)確計算中和溫度，減少其對熱膨脹和收縮等物理因素的影響，并確保軌道具有足夠的強度和穩(wěn)定性。

3.3 無砟軌道橋梁設(shè)計建造技術(shù)

無碴軌道是由混凝土或瀝青砂漿與基礎(chǔ)材料形成的軌道結(jié)構(gòu)。目前，無碴軌道橋梁設(shè)計與施工的關(guān)鍵技術(shù)是梁體的剛度和變形控制技術(shù)。為 為了保持軌道外觀簡單，施工方便，確保其耐用性和良好的動態(tài)性能。目前，中國已經(jīng)基本掌握了這項技術(shù)。使無砟軌道橋梁更為堅固穩(wěn)定。

3.4 高架長橋快速施工技術(shù)

中國東部人口稠密地區(qū)，華北平原和高山丘陵等地的高層鐵路比例占高速鐵路的很大比例。根據(jù)中國的地形條件，在建和規(guī)劃的高速鐵路橋梁比例遠(yuǎn)高于普通鐵路。并出現(xiàn)了一些特長高架橋。中國長長的橋梁建設(shè)歷史悠久，經(jīng)驗豐富。然后使用配套設(shè)備沿線豎立，并采用原位澆注施工方法對特殊跨度的連續(xù)梁進行施工。在不斷總結(jié)經(jīng)驗的過程中，效率也在不斷提高。特殊橋梁的快速建設(shè)實現(xiàn)了質(zhì)量和數(shù)量。

除以上提及的幾點技術(shù)，高速鐵路橋梁施工技術(shù)還包括900噸級全井簡支梁制造和運輸安裝技術(shù)，橋梁基礎(chǔ)沉降控制技術(shù)，高性能混凝土材料應(yīng)用技術(shù)等。在中國高速鐵路橋梁的建設(shè)中，這些步驟中的每一步都與這些關(guān)鍵技術(shù)密不可分，它們發(fā)揮著重要作用。

4 案例探討

4.1 橋梁技術(shù)參數(shù)及設(shè)計特點

目前，高速鐵路是在最高緯度的高速鐵路上設(shè)計和實施的。其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 某高速鐵路橋梁設(shè)計技術(shù)參數(shù)

由于線路所處的特殊環(huán)境，橋梁工程設(shè)計還具有以下特點。

（1）氣候條件惡劣，存在凍融侵蝕和凍脹等問題。目前，高速鐵路在最高緯度的高速鐵路上設(shè)計和實施，最低溫度為-39.9°C，最大冰凍深度為205厘米。氣候條件惡劣，存在凍融，侵蝕和凍脹等問題。（2）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高設(shè)計速度目標(biāo)值為350km/h，整條生產(chǎn)線采用CRTS-I型板式無碴軌道技術(shù)。對橋梁的動態(tài)性能，剛度指標(biāo)和變形控制提出了更高的要求。（3）橋梁的長度占線路長度的很大比例。橋的長度占該線長度的73.8%。（4）沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，橋梁設(shè)計和施工難度大。部分橋梁位于海灣或沿海地區(qū)。有些路段有熔巖地質(zhì)，有些路段發(fā)育很強，有珠狀開發(fā)區(qū)，大部分都是未填充的空洞，難以建造。

4.2 橋梁設(shè)計

高速鐵路干線總長903.94公里，主干線總長度和大中橋橋梁總長657.182公里。橋的長度約為73.8%，橋的分布如表2所示。

表2 某高速鐵路橋梁分布

高速鐵路沿線的經(jīng)濟發(fā)展相對較快。出現(xiàn)了一些長度超過20公里的長橋，大大節(jié)省了橋上的鐵路建設(shè)用地。減少道路和涵洞以及道路和橋梁的頻繁過渡有助于提高乘客的舒適度；它有效地減少了沿線城市沿線鐵路的切割，促進了城市規(guī)劃的整合，促進了沿線人們的生產(chǎn)和生活，為未來發(fā)展預(yù)留了空間。

（1）梁部設(shè)計。高速鐵路干線的簡支梁部分一般由預(yù)制框架構(gòu)成。梁頂寬度12m；通橋（2005）2322-HD采用跨越河流，深谷和橋長200m的橋梁，頂寬13.4m。兩個簡單的箱梁梁的底板和腹板是相同的，只有橋面板的側(cè)面減少了70厘米。由于沿線的控制項目太多，某些路段的間隙受到橋機高度的限制，不可能使用預(yù)制設(shè)施。因此，重新設(shè)計了適合該生產(chǎn)線的現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。箱梁的一般橫截面結(jié)構(gòu)和橋面布局與通橋（2008）2322AHD相同。在設(shè)計中考慮了端部張力空間的設(shè)計要求，并修改和設(shè)計了梁體的相關(guān)尺寸。除了一般簡支梁外，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁主要用于大于40m的大跨度梁截面。常用跨度有(32+48+32) m、(40+56+40) m、(40+ 64+40) m、(45+3×70+45) m、(48+80+48)m、(60+100+60) m、(32+2×48+32) m，(32+3×48+32) m，(40+3×64+40) m、(48+5×80+48) m連續(xù)梁，除了帶有支架現(xiàn)澆解決方案的（32+3×48+32） m連續(xù)梁外，所有設(shè)計都具有可變的橫截面。（60+ 100+ 60）m連續(xù)梁的交叉施工在鐵路上進行，其余采用吊籃分段現(xiàn)澆方案。

（2）支座設(shè)計。直線簡易箱梁采用橋（2007）8360盆式橡膠支座；大跨度連續(xù)梁橋承載采用“鐵路橋大噸位盆地橡膠支座（TGPZ型）”（叁橋（2007）8361）；DK0~DK144+000 采用常溫型軸承，DK144+000~終點采用耐寒型軸承。遼陽附近地下水沉降受影響區(qū)域的橋梁和連續(xù)梁采用可調(diào)高度軸承，其他橋梁采用不可調(diào)高軸承。相同的橋固定支撐和縱向可移動支撐位于線的同一側(cè)。

（3）橋墩臺設(shè)計。橋墩的形狀選擇與橋下水流和全墩高度分布相結(jié)合，遵循墩型均勻，相鄰橋墩剛度相近的原則，施工方便。在正常情況下，河流中的橋梁使用圓端橋墩。它不僅符合河流洪水，還符合高速鐵路的安全性，穩(wěn)定性和舒適性要求。旱橋使用圓端橋墩或矩形橋墩，城市附近考慮景觀效果。在正常情況下，當(dāng)墩身較低時使用直墩體墩，并且同一橋墩臺盡可能簡單。在正常情況下，當(dāng)墩身較低時使用直墩體墩，并且同一橋墩臺盡可能簡單。當(dāng)橫橋的交叉角較小時，框架墩用于交叉?；_通常采用“一”字臺。

4.3 嚴(yán)寒地區(qū)鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究

該線路位于東北腹地，冬季最低氣溫達-39.9°C，屬于嚴(yán)寒地區(qū)。橋梁的侵蝕環(huán)境包括碳化環(huán)境，氯鹽環(huán)境，化學(xué)侵蝕環(huán)境，凍融破壞環(huán)境和磨蝕環(huán)境等各種類型。最高級別是L3和H4，有些部分受到幾種腐蝕環(huán)境的影響。

通過分析嚴(yán)寒地區(qū)混凝土凍融破壞機理和氯鹽引起的鋼筋腐蝕，凍融破壞和鹽溶液腐蝕是基本前提。開展了提高混凝土抗凍性，抗海水中氯鹽腐蝕的研究。

（1）從混凝土通量和氯離子擴散系數(shù)的試驗結(jié)果來看，水膠比的影響最為明顯，水與粘結(jié)劑的比例也是影響混凝土強度的最重要因素。通過降低混凝土的水與粘結(jié)劑比例來適當(dāng)提高強度等級是提高混凝土耐腐蝕性的有效方法。礦物摻合料的種類和用量也影響混凝土的氯離子滲透阻力，與粉煤灰和礦渣粉混合。粉煤灰與硅粉復(fù)合可以達到混凝土混合料性能，強度和氯離子滲透阻力的綜合滿意效果。

（2）混合比設(shè)計是耐用混凝土設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在條件允許的情況下，盡量使用較低的水與粘合劑比例來減少混凝土中使用的水和固井材料的量。有利于提高混凝土的致密性，降低混凝土的滲透性，減少收縮，并能有效地抵抗各種離子的運動。它大大延緩了碳化和氯離子和硫酸根離子的侵蝕，并阻止了鋼筋的腐蝕。

5 結(jié)束語

我國鐵路橋梁建設(shè)技術(shù)近年來取得了突飛猛進的發(fā)展，建成了世界上長度最長的高速鐵路橋（京滬高鐵丹昆特大橋） 和一批世界上技術(shù)復(fù)雜、工程規(guī)模和運營速度等級位于世界領(lǐng)先水平的大跨度橋梁。隨著國民經(jīng)濟發(fā)展和鐵路網(wǎng)的延伸，橋梁設(shè)計還將迎來更大的機遇和挑戰(zhàn)，需要對跨海鐵路通道建設(shè)等新課題進行提前研究。本文通過研究和工程實踐，掌握建造1500～2000m跨度鐵路或公鐵兩用橋和水深100m以上跨海大橋的能力，以適應(yīng)近期寧波至舟山鐵路、甬滬通道跨杭州灣工程等建設(shè)的需要，為將來建設(shè)瓊州海峽、跨渤海灣、臺灣海峽通道積累經(jīng)驗和技術(shù)儲備。