高鐵橋梁設(shè)備運(yùn)用與維修分析

王 樞

（中鐵十九局集團(tuán)有限公司，北京 100176）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高鐵建設(shè)已進(jìn)入前所未有的時(shí)代。鐵路客運(yùn)專線建設(shè)已經(jīng)在中國(guó)高鐵橋梁建設(shè)中取得了重大進(jìn)展，高鐵線路橋梁所占份額遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通鐵路。為了確保高鐵橋梁的安全、穩(wěn)定和平穩(wěn)運(yùn)行，有必要研究高鐵橋梁的維護(hù)技術(shù)。高鐵橋梁的設(shè)計(jì)理念是免維護(hù)或盡量少維護(hù)，然而，由于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)各領(lǐng)域存在局限性造成的諸多缺陷，使高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)無(wú)法滿足免維護(hù)和少維護(hù)的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。因此，在操作過(guò)程中做好橋梁設(shè)備的檢查和維護(hù)尤為重要。在當(dāng)前高鐵橋梁運(yùn)行狀態(tài)和維護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合高鐵的運(yùn)行條件以及高鐵橋梁的維護(hù)要求，汲取國(guó)內(nèi)外的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提出適用于高速橋梁的維護(hù)和維修技術(shù)，并檢驗(yàn)證其實(shí)用性和科學(xué)性。

1 高鐵橋梁基本特點(diǎn)

除了要滿足對(duì)普通鐵路橋梁的一般要求外，高鐵橋梁還要滿足一些特殊要求。列車高速運(yùn)行的條件下，結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能得到了增強(qiáng)，從而增加了火車運(yùn)行和乘客的安全性。與普通鐵路相比，舒適性、負(fù)荷、材料疲勞、火車運(yùn)行過(guò)程中的噪聲以及結(jié)構(gòu)的耐久性等問(wèn)題均有所不同。當(dāng)火車過(guò)橋時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生影響火車運(yùn)行安全性和乘客舒適度的剛性和橫向振動(dòng)，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和橫向剛度提出一些要求，同時(shí)橋梁變形受到某些限制。綜上，橋梁結(jié)構(gòu)必須足夠強(qiáng)，確保列車高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，同時(shí)還要確保高鐵橋梁上的軌道能維持高平滑狀態(tài)，從而使高鐵橋梁結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)力特性。

為確保列車能夠高速平穩(wěn)行駛，橋梁軌道需要滿足嚴(yán)格的運(yùn)行要求，另一方面，為高鐵橋梁提供用于檢查和維護(hù)的時(shí)間有限。據(jù)此，高鐵橋梁的施工應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、規(guī)格和外觀規(guī)范、施工方便、施工質(zhì)量易于控制的特點(diǎn)，以達(dá)到消除結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)和減少維護(hù)的目的。

（1）當(dāng)列車在橋上運(yùn)行時(shí)，由于速度過(guò)快而產(chǎn)生較大的振動(dòng)，橋梁上部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力和撓度，橋梁軌道也會(huì)發(fā)生幾何形變，在這種情況下，列車運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性和安全性等都會(huì)受到一定程度的影響。高鐵橋梁結(jié)構(gòu)必須具備相當(dāng)大的剛度和彎曲能力，并且不易發(fā)生明顯的幾何形變。為同時(shí)確保列車在高速行駛狀態(tài)下的安全性和舒適性，高鐵橋梁需要具備良好的的垂直方向和水平方向的剛度，以防止大幅度的振動(dòng)破壞橋梁結(jié)構(gòu)的完整性。另外，由上拱的徐變引起的結(jié)構(gòu)變形和混凝土填筑造成的各處溫度不同也需要進(jìn)行嚴(yán)格控制，以保證橋梁軌道的平滑度。

（2）由于橋梁各處結(jié)構(gòu)的溫度發(fā)生變化產(chǎn)生溫差，列車的突然制動(dòng)或橋梁方向的偏轉(zhuǎn)等情況，高鐵橋梁會(huì)在垂直方向發(fā)生少許位置偏差，因此，橋梁上的無(wú)縫軌道會(huì)被額外加載。過(guò)多的額外加載會(huì)破壞無(wú)縫軌道的結(jié)構(gòu)，最終可能干擾列車高速行駛時(shí)的穩(wěn)定性。因此，橋墩和橋臺(tái)必須具有足夠的縱向剛度，最大程度地減小軌道上的附加載荷以及橋梁與軌道之間的相對(duì)位移。

（3）高速鐵路是極為重要的運(yùn)輸設(shè)施，橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)保持盡可能少或免維護(hù)。因此，建造高鐵橋梁的基本原則之一就是要保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，與此同時(shí)，還要適當(dāng)考慮橋梁結(jié)構(gòu)的其他細(xì)節(jié)，在施工過(guò)程中嚴(yán)格遵循各項(xiàng)施工原則。無(wú)特殊情況發(fā)生時(shí)，高鐵橋梁的維護(hù)工作一般在晚上進(jìn)行，通常需要約4 h，因此，橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)易于檢查和維護(hù)。

高速鐵路橋梁的特點(diǎn)可以概括為：①必須具備足夠的剛度和良好的完整性，這意味著在橋梁施工過(guò)程中會(huì)遇到較多的困難；②為避免高鐵橋梁上的無(wú)縫軌道受到過(guò)多的額外加載而被破壞，要嚴(yán)格控制橋梁的沉降和徐變，盡量縮小橋梁結(jié)構(gòu)在垂直方向上產(chǎn)生的位置偏差；③由于高鐵運(yùn)行的特殊性，為盡量減少高鐵橋梁的維護(hù)次數(shù)，要求橋梁結(jié)構(gòu)有良好的耐用性。

2 高鐵橋梁設(shè)備的狀態(tài)要求

近年來(lái)，根據(jù)高速鐵路的發(fā)展要求，各國(guó)對(duì)列車高速行駛條件下橋梁結(jié)構(gòu)所能承受的動(dòng)力影響進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)理分析，將分析得出的試驗(yàn)報(bào)告應(yīng)用于高鐵橋梁的設(shè)計(jì)工作，并逐漸改進(jìn)和完善。

2.1 高鐵橋梁一般設(shè)計(jì)原則

為了滿足列車高速運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性要求，在設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量做到簡(jiǎn)明規(guī)范，適用于建筑物的建造和維護(hù)，此外，還需要考慮橋梁結(jié)構(gòu)的耐用性和動(dòng)力特性等。

雙排箱形截面梁結(jié)構(gòu)適用于跨度≥20 m 的橋梁，如果需要，也可以使用2 個(gè)帶偏移孔的單行箱形截面支撐；跨度＜20 m的梁結(jié)構(gòu)通常使用剛性鋼筋混凝土框架，框架結(jié)構(gòu)和多部分T形梁使用水平連接形成整個(gè)橋面板。

此外，高鐵橋梁最重要的設(shè)計(jì)原則還體現(xiàn)在以下5 個(gè)方面：

（1）為確保橋梁上的軌道盡量少受列車高速運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力影響，需要適當(dāng)增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的剛度。

（2）為了維持橋梁無(wú)縫軌道的正常狀態(tài)，需要分別提高橋梁在水平方向和垂直方向允許產(chǎn)生的最小位移限度。

（3）嚴(yán)格限制地基施工后的不均勻沉降。

（4）改善橋梁結(jié)構(gòu)的完整性。

（5）橋面結(jié)構(gòu)滿足橋面系統(tǒng)的安裝要求，滿足提高結(jié)構(gòu)耐用性，減少振動(dòng)和噪聲的措施以及維護(hù)和修理要求。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則

（1）為提供良好的運(yùn)行條件，確保列車高速平穩(wěn)行駛，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮高鐵橋梁結(jié)構(gòu)使用對(duì)熱相對(duì)不敏感的材料。一些國(guó)家在建造新的高鐵橋梁時(shí)一般使用混凝土作為填筑材料，以做到免維護(hù)或盡量少維護(hù)。

（2）使用道硅橋面時(shí)，壓限以下的壓載物通常≥0.25 m，并且底部有一層厚度0.1～0.15 m 的小石頭或其他透水性好的耐水性材料。

（3）由于金屬的線性膨脹，橋面板的位移很大。在橋面板一端安裝跨度＞15 m 的浮動(dòng)軸承，可以考慮使用伸縮裝置在相應(yīng)的橋面板上焊接長(zhǎng)鋼軌。

（4）橋梁軌道的過(guò)渡銜接問(wèn)題。由于橋梁和路基兩部分的剛度不同，橋頭可能會(huì)因此而跳倒，為避免該現(xiàn)象的發(fā)生，必須在施工時(shí)對(duì)與橋梁連接的路基進(jìn)行一些特殊處理。如日本采用的特殊處理措施是橋墩后面的三棱柱中充滿礫石或礫石大小的硬礫石，并且需要壓實(shí)至90%以上的密度。

3 國(guó)內(nèi)外高鐵橋梁設(shè)備維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)

3.1 我國(guó)既有維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)

3.1.1 橋梁軌道

高鐵橋梁線路各項(xiàng)指標(biāo)的允許誤差都要比普通線路的更加嚴(yán)苛。為了確保橋上線路的拱度達(dá)到要求，應(yīng)增加對(duì)橋上線路的檢查、監(jiān)視和維護(hù)，增加對(duì)線路維護(hù)和檢查次數(shù)，并使用先進(jìn)設(shè)備確保線路質(zhì)量，從而保證列車行駛安全。

3.1.2 鋼梁

相關(guān)提速試驗(yàn)表明，高速行駛對(duì)鋼橋的影響更大。鋼橋的振動(dòng)，特別是側(cè)面振動(dòng)的放大，會(huì)導(dǎo)致橋梁下軸承板產(chǎn)生裂痕。此外，還可能存在以下問(wèn)題：上、下承板水平拉桿斷裂、鉚釘或螺栓松動(dòng)、枕木失效或有效周期縮短以及護(hù)軌螺栓斷裂等。因此，在橋梁的日常維護(hù)過(guò)程中，需要注意以下6 點(diǎn)：①用于鋼橋的木墊緊固件，需要從原來(lái)使用的普通型變?yōu)镵 型；②橋接面上裸露的帶槽螺釘不得松動(dòng)；③注意鋼橋的橫向和縱向振幅。提速試驗(yàn)表明，上端板支撐的平均橫向幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)橋梁測(cè)試規(guī)定的參考極限，同時(shí)，當(dāng)達(dá)到一定條件時(shí)，梁體會(huì)發(fā)生共振；④注意橋梁橫截面的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，避免無(wú)法控制承板上裂痕的發(fā)展趨勢(shì)；⑤注意鉚釘和螺栓的松動(dòng)和斷裂；⑥注意頂蓋的腐蝕。

3.1.3 混凝土梁

相關(guān)測(cè)試結(jié)果表明，在列車時(shí)速為160 km/h 時(shí)，盡管橋梁的中間撓度、橫截面張力、水平方向的振幅等指標(biāo)均未超過(guò)現(xiàn)行規(guī)范的最大允許值，但混凝土橋梁還是產(chǎn)生了裂紋。普通的雙T形混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁在中間被撕裂，這意味著兩根梁的聯(lián)合張力無(wú)法協(xié)調(diào)。橫梁之間沒有橫梁的雙T 形橫梁振動(dòng)相位不一致，橫梁下緣的內(nèi)外張力差異明顯，傾斜明顯。因此，應(yīng)考慮維護(hù)和修理：①注意監(jiān)視交叉分區(qū)的狀態(tài)，并將非預(yù)應(yīng)力分區(qū)轉(zhuǎn)換為預(yù)應(yīng)力分區(qū)；②注意混凝土橋枕上的裂縫；③注意梁的撓度，鋼筋混凝土梁的開裂和預(yù)應(yīng)力混凝土梁的開裂。

3.2 國(guó)外相關(guān)維修養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)

3.2.1 德國(guó)

德國(guó)制定的高速鐵路橋梁的設(shè)計(jì)原則特別強(qiáng)調(diào)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)要求，并在設(shè)計(jì)中考慮維護(hù)控制通道的需求，以確保檢查員可以在檢查期間隨時(shí)到達(dá)橋梁結(jié)構(gòu)的任何部分。德國(guó)在高鐵維護(hù)方面的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，及時(shí)檢查是維護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。為此，建立可以隨時(shí)隨地進(jìn)行近距離檢查的維護(hù)控制通道已成為維護(hù)技術(shù)的重要組成部分。

3.2.2 日本

日本的高鐵把橋梁結(jié)構(gòu)的檢查作為維護(hù)管理技術(shù)的重點(diǎn)，并將其檢查過(guò)程分為預(yù)檢查、整體檢查、始終檢查和隨時(shí)檢查，整體檢查又分為普通整體檢查和特殊整體檢查。該檢查通?；诩夹g(shù)人員的目視檢查，并有大量維護(hù)設(shè)備供選擇。如有必要，可以使用適當(dāng)?shù)膬x器和設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)檢查。

3.2.3 法國(guó)

法國(guó)鐵路橋梁的維護(hù)主要是預(yù)防性維護(hù)，若故障已經(jīng)發(fā)生，則對(duì)其進(jìn)行維修保養(yǎng)。如果系統(tǒng)達(dá)到疲勞極限，則采取轉(zhuǎn)換措施。橋梁維護(hù)管理使用信息系統(tǒng)收集、分類和分析所有橋梁的數(shù)據(jù)，并精確定義系統(tǒng)的老化和維護(hù)要求，這被用作橋梁維護(hù)的基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)最合理的維護(hù)資源分配。

4 高鐵橋梁設(shè)備維修建議

4.1 確定維修養(yǎng)護(hù)周期

根據(jù)鐵路橋梁的位置和設(shè)計(jì)，應(yīng)在研究討論后確定橋梁的適當(dāng)維護(hù)周期。為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，必須對(duì)鐵路橋梁及設(shè)備進(jìn)行檢查。維護(hù)周期的確定應(yīng)結(jié)合鐵路橋梁設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和不斷變化的法規(guī)，通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)木S護(hù)間隔，不僅可以節(jié)省人工和物質(zhì)資源的消耗，也大大提高了鐵路管理的效率。在此期間，主管部門應(yīng)認(rèn)真討論并制定適當(dāng)?shù)木S護(hù)計(jì)劃，明確鐵路橋梁維修過(guò)程中的技術(shù)指標(biāo)，明確操作標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范操作要求。

4.2 建立適當(dāng)?shù)木S護(hù)體系

橋梁的不同部分需要有不同的維護(hù)。主管部門根據(jù)鐵路橋梁設(shè)備的變化規(guī)律和功能要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S護(hù)檢查，并完善相關(guān)條款及細(xì)則。

4.3 全面質(zhì)量控制

對(duì)操作質(zhì)量進(jìn)行全面控制。檢查設(shè)備除了在戶外進(jìn)行例行檢查，還必須對(duì)所有員工、設(shè)備和項(xiàng)目進(jìn)行檢查，以建立檢查責(zé)任系統(tǒng)和分級(jí)狀態(tài)控制。除了強(qiáng)調(diào)公司的標(biāo)準(zhǔn)化和嚴(yán)格的操作紀(jì)律外，公司的質(zhì)量控制還包括對(duì)關(guān)鍵項(xiàng)目進(jìn)行質(zhì)量管理，并執(zhí)行工作質(zhì)量控制。

5 結(jié)束語(yǔ)

高鐵橋梁設(shè)備有其自身的特點(diǎn)和規(guī)律。例如，高速橋梁對(duì)諸如土樁和建筑工程等外部環(huán)境影響更為敏感，出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)直接影響橋梁軌道的穩(wěn)定性和安全性。簡(jiǎn)單梁的上拱的徐變變形、連續(xù)縱梁的溫度膨脹和收縮、約束拱橋、具有特殊結(jié)構(gòu)的大面積橋梁變形變化等對(duì)軌道線平整度的影響仍待繼續(xù)研究分析和總結(jié)。因此，研究和掌握高速鐵路橋梁設(shè)備的變化規(guī)律和特性還有很長(zhǎng)的路要走。此外，不懈地探索養(yǎng)護(hù)模式和創(chuàng)新作業(yè)方法，是高速鐵路橋梁設(shè)備維護(hù)的趨勢(shì)。高速鐵路橋梁設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)應(yīng)樹立免維護(hù)、低維護(hù)的理念，積極促進(jìn)新材料、新工藝、新設(shè)備的使用，全面提高設(shè)備的整體質(zhì)量，增強(qiáng)設(shè)備的耐用性。