中、日高鐵常用跨度橋梁結(jié)構(gòu)比較研究

楊得旺 ，陳 棟 ，柳 鳴

（1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063；2.深圳市高級中學(xué)，廣東深圳 518000）

日本是世界上最早發(fā)展高鐵的國家，中國是高鐵運營里程最長的國家，中、日高鐵在常用跨度橋梁建設(shè)面，均形成了各自的設(shè)計、施工成套技術(shù)體系。各國高鐵常用跨度橋梁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣化，如簡支箱梁、混凝土剛架、多片T梁、鋼-混結(jié)合梁等。

1 中、日高鐵發(fā)展概述

中國高鐵指新建設(shè)計速度250—350km/h、運行動車組的標(biāo)準(zhǔn)軌距客運專線高鐵。近年來，中國高鐵迅猛發(fā)展，預(yù)計到2020年底，全國鐵路營業(yè)總里程將達(dá)到14.6萬公里，其中高鐵（含城際鐵路）大約3.9萬公里，繼續(xù)領(lǐng)跑世界。與國外相比，我國高鐵具有規(guī)模大、橋梁比重高、長大橋梁多的突出特點。

圖1 中國高鐵

根據(jù)1964年日本運輸省制定的《新干線鐵路結(jié)構(gòu)規(guī)則》和1970年日本政府制定的《全國新干線鐵路整備法》，“新干線”定義為：軌距為1435mm，線路正線與和道路沒有平面交叉，在線路主要區(qū)間列車運行速度200km/h以上的干線鐵路。1964年10月1日，日本第一條高鐵——東海道新干線建成通車，也是世界上第一條真正意義上的高鐵，最高運營速度210km/h，全長515.4km。繼東海道新干線之后，日本相繼建成通車山陽新干線、東北新干線、上越新干線、北陸新干線、九州新干線，累計通車?yán)锍坛?000km，長期規(guī)劃的高鐵有12條，總長約為3510km。

圖2 日本新干線

日本正在建設(shè)中的中央新干線設(shè)計營運時速500km，是一條連接?xùn)|京、名古屋（約2027年）和大阪（約2045年）的采用磁懸浮技術(shù)的高鐵。

2 中國高鐵常用跨度橋梁結(jié)構(gòu)

中國高鐵橋梁占比較高，普遍占線路總長度的50%以上，常用跨度簡支梁橋占橋梁比例基本在80%以上，最高達(dá)到96%，其具有受力明確、構(gòu)造簡單、施工便捷、耐久性好、造型美觀等優(yōu)點，并且以跨度24m、32m混凝土簡支箱梁的應(yīng)用最為廣泛[1]。

2.1 混凝土簡支箱梁

整孔簡支箱梁具有受力簡單明確、抗扭剛度大、整體性好、運營養(yǎng)護(hù)工作量小以及噪音小等優(yōu)點。根據(jù)工期要求和技術(shù)特點，結(jié)合我國制運架工裝設(shè)備水平，通過深入的技術(shù)研究，確定以32m簡支箱梁作為標(biāo)準(zhǔn)跨度，整孔預(yù)制架設(shè)施工。簡支箱梁采用梁場集中預(yù)制，品質(zhì)容易得到控制，配合運架設(shè)備，可提高橋梁的施工效率，縮短施工工期，架橋速度可達(dá)一天3孔。

根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土雙線簡支箱梁用量巨大的情況，原鐵道部自1990年起，針對高鐵橋梁特點、設(shè)計原則、設(shè)計暫規(guī)制定以及京滬高鐵、秦沈高鐵等新建高鐵橋梁，設(shè)立了系列相關(guān)科研項目，主要包括通過混凝土箱梁模型試驗、秦沈客專實體箱梁靜載及綜合試驗、時速350km/h箱梁試驗研究、時速250km/h箱梁試驗研究、預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計優(yōu)化研究、混凝土橋面合理布置研究等系統(tǒng)研究、常用跨度橋梁動力仿真分析等，對常用跨度混凝土簡支箱梁的設(shè)計、施工、受力性能、長期變形等方面進(jìn)行全面分析及試驗驗證。

常用跨度橋梁以32m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁為主型結(jié)構(gòu)，采用24m雙線預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁進(jìn)行少量配跨。如圖3所示，施工主要采用沿線設(shè)置預(yù)制梁廠進(jìn)行集中預(yù)制，運梁車、架橋機運輸架設(shè)，少量采用膺架法、移動模架橋位現(xiàn)澆施工。我國新建高鐵橋梁中90%以上為32m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁結(jié)構(gòu)，已實現(xiàn)機械化、工業(yè)化施工建造。

圖3 中國高鐵簡支箱梁

近年來，我國高鐵開展了40m預(yù)制簡支箱梁技術(shù)研究，結(jié)果表明：技術(shù)可行，在地形、地質(zhì)復(fù)雜的高墩、深基礎(chǔ)區(qū)段，具有經(jīng)濟優(yōu)勢[2-3]。目前，40m預(yù)制簡支箱梁已在鄭濟高鐵、南沿江城際鐵路中得到成功應(yīng)用。

2.2 混凝土簡支T梁

如圖4所示，T梁由于結(jié)構(gòu)和制造工藝相對簡單、運輸及架設(shè)方便，與箱梁相比經(jīng)濟性略占優(yōu)，但整體性差、施工速度慢，常用在設(shè)計速度200km/h及以下的鐵路橋梁中。T梁為保證結(jié)構(gòu)的整體性，單片架設(shè)后通過現(xiàn)澆濕接縫將橋面、橫隔板連成整體，并布置橫向預(yù)應(yīng)力保證整體受力性能。與混凝土簡支箱梁相比，T梁豎向剛度差異不大，橫向剛度、抗扭剛度則明顯小于箱梁。

圖4 中國高鐵簡支T梁

3 日本新干線常用跨度橋梁結(jié)構(gòu)

日本自第一條高鐵東海道新干線建成后，逐步推廣采用無砟軌道橋梁[4]。如表1所示，橋梁總延長所占線路長度比重較大，高架橋約占橋梁總長的70%以上，為標(biāo)準(zhǔn)的小跨度鋼筋混凝土連續(xù)剛架結(jié)構(gòu)，跨度系列為8m、10m、12m，橋位現(xiàn)澆施工。日本相關(guān)研究認(rèn)為，剛架橋適用多地震地區(qū)，且可節(jié)省土地。跨度40m及以下的橋梁以四片預(yù)應(yīng)力混凝土T梁組成的整孔簡支梁為主。采用T梁預(yù)制、輪胎吊架設(shè)、現(xiàn)場灌筑混凝土聯(lián)成整體[5]。表2給出了各條新干線上混凝土橋與其他橋所占比例，可看出東海道新干線上除了采用較多的組合梁橋和鋼橋外，后來修建的新干線大量采用了混凝土橋，只在極少數(shù)特殊工點中使用組合梁、鋼橋。主要原因是東海道新干線建成運營后，發(fā)現(xiàn)橋梁存在許多問題，尤以鋼梁更突出，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)主要原因是設(shè)計處理不當(dāng)及橋梁振動、疲勞等原因所致；另外鋼梁橋振動、噪聲問題突出。

表1 新干線上的橋梁及高架橋所占比重

表2 各條新干線上混凝土橋與其他橋所占比例

3.1 混凝土剛架橋

混凝土剛架橋是一種空間超靜定結(jié)構(gòu)，整體性好，具有較好的剛度和抗震性能。在日本高鐵高架橋中占有十分重要的地位。據(jù)東北、上越、山陽和東海道等四條新干線的統(tǒng)計，混凝土剛架橋分別占高架橋總長度的65.9%、77.1%、95.3%和85.8%。如圖5所示，剛架橋多采用2柱式梁板式剛構(gòu)。

圖5 日本新干線剛架橋

3.2 混凝土T梁

混凝土T梁的跨度在15～45m范圍內(nèi)，雙線鐵路主梁數(shù)量3～8片不等（見圖6）?？缍?0m及以下的橋梁以4片預(yù)應(yīng)力混凝土T梁組成的整孔簡支梁為主。采用T梁預(yù)制、輪胎吊架設(shè)、現(xiàn)場灌筑混凝土聯(lián)成整體。日本相關(guān)研究認(rèn)為：跨度大于38m的梁型采用箱形梁才較為經(jīng)濟，故分片T梁的經(jīng)濟跨度為40m以下。

圖6 日本新干線混凝土簡支T梁

此外還有工字型預(yù)應(yīng)力混凝土梁，例如1973年建成的第2續(xù)羅木川橋（山陽新干線），跨度49.0m簡支I字梁，為新干線上工字型預(yù)應(yīng)力混凝土梁的最大跨度。

4 結(jié)語

高架線路具有節(jié)約土地資源、建設(shè)成本低、維修養(yǎng)護(hù)方便、適應(yīng)多種地形地質(zhì)條件等優(yōu)點，在中、日高鐵中均得到廣泛應(yīng)用。小跨度混凝土剛架橋抗震性能優(yōu)異，適用于日本地震多發(fā)區(qū)，且可節(jié)省土地。整孔預(yù)制架設(shè)的混凝土簡支箱梁、T梁施工速度快、標(biāo)準(zhǔn)化程度高，一定程度上加快了我國高鐵建設(shè)速度。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁在高鐵橋梁中占有絕對優(yōu)勢，日本線新干線中多孔一聯(lián)的剛架結(jié)構(gòu)對我國高烈度地震區(qū)高鐵建設(shè)具有重要參考意義。