发布时间：2021-12-16所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘 要：为促进我国高速铁路桥梁的建设发展，在回顾该类桥梁的发展历程和成就的基础上，对该类桥梁的设计技术进行总结和探索。分析常用跨度简支箱梁的动力性能和后期变形控制、大跨度混凝土梁式桥及组合结构的设计参数和极限跨度、大跨度上承式拱桥的结构形式和施工方法
摘 要：为促进我国高速铁路桥梁的建设发展，在回顾该类桥梁的发展历程和成就的基础上，对该类桥梁的设计技术进行总结和探索。分析常用跨度简支箱梁的动力性能和后期变形控制、大跨度混凝土梁式桥及组合结构的设计参数和极限跨度、大跨度上承式拱桥的结构形式和施工方法等关键技术;研究大跨度斜拉桥主梁的竖向刚度、横向平面曲线半径、梁体扭曲、梁体扭转等主要参数取值;开展铁路悬索桥应用的探索，提出大跨度缆索支承桥梁的运行速度、合理刚度等亟待解决的问题。从设计理论、材料、结构形式、装备和施工工艺等方面提出我国高速铁路桥梁的发展方向。
关键词：高速铁路;铁路桥;大跨度桥;设计技术;技术标准;变形控制;结构形式
1 概 述
近10年是我国高速铁路建设和发展的黄金期，由于高速铁路对运行的平稳性和舒适性要求严苛，桥梁工程成为了主要的工程载体。截至2017年底，在我国已建成的25000km 高速铁路中，桥梁总长约11300km，占线路长度的45.2%。
通过多年的研究、探索和工程实践，我国在高速铁路桥梁的设计理论、结构形式、施工工法、大型装备制造等方面取得了系统性的创新成果，突破了一系列关键技术，形成了具有我国自主知识产权的高铁桥梁建设技术体系。
我国高速铁路桥梁在数量、工程规模、技术水平等方面均 处 于 世 界 领 先 水 平。在常用跨度桥梁方面，系统掌握 了 简 支 箱 梁 的 动 力 性 能、徐 变 精 细 控制、大型装备研发等成套技术，大规模实现了900吨级箱梁的制造、架设的工厂化和机械化，目前正在探索推进40m 整孔箱梁和1000吨级箱梁运、架设备的工程应用[1];在大跨度桥梁设计和建造方面，我国铁路中跨度200m 及以上的桥梁达100余座，其中跨度超千米的2座[2-3]，跨度超过500m 的13座，跨度超过400m 的27座，结构类型涵盖了梁式桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥等所有常用桥梁结构形式，材料类型涵盖了钢结构、混凝土结构、组合结构和混合结构，自主创新发展了梁-拱组合、梁-桁组合、拉索加劲等多种组合结构桥型。
与普通速度铁路桥梁重点关注结构的强度、抗裂、疲劳、抗震等传统受力需求不同，高速铁路桥梁设计的重点和难点在于舒适度和轨道几何形位的保持，在长期的建设实践中，我国对大跨度桥梁设计的技术标准、徐变变形控制技术、结构形式、施工工法等均进行了系统的研究和创新，在大跨度桥梁的后期变形控制、新型组合结构桥梁、混合梁斜拉桥的设计关键技术、大跨度公铁合建桥梁和跨海桥梁施工成套技术等方面取得了重大突破，标志着我国高速铁路桥梁的发展跨入了世界现代桥梁发展先进行列。
2 高速铁路预制箱梁桥设计新技术
我国从20世纪90年代开始高速铁路桥梁技术研究和既有线 提 速 试 验、秦 沈 客 专 时 速250km 综合试验，相继建设了京津城际、武广高铁、郑西高铁、京沪高铁、甬台温铁路、温福铁路、广珠城际、沪宁城际等一大批不同设计速度和功能的高速铁路，高速铁路桥梁中大多采用32m 跨度的预应力混凝土简支箱梁桥，如何保证简支梁桥满足高速列车运行的舒适性和平稳性、避免产生较大的动力响应、尽量减小后期养护维修工作量，并实现梁体结构的工厂化制造和高效运输架设是高速铁路建设的关键技术问题。我国桥梁设计和研究人员通过多年的研究和探索，以及一系列综合试验和多条线的联调联试的验证，掌握了常用跨度梁的动力设计、后期变形控制等设计关键技术。
在动力设计方面，掌握了桥梁动力性能和速度的近似关系，如32m 简支梁梁体竖向基频≥1.5V/L(V 为列车速度，m/s;L 为 简 支 梁 跨 度，m)时，桥 梁的动力性能能够满足运营要求，可不再进行车桥耦合动力分析;反之，梁体可能会出现较大的振动，需要进行车桥动力响应分析以确认梁体的动力性能。为保持桥上轨道的平顺性、减小后期养护维修的工作量，无砟轨道线路必须严格控制简支箱梁的徐变变形。我国设计中采取控制梁体混凝土最大压应力在0.4Ra(Ra 为混凝土的棱柱体抗压强度)以内，使得徐变变形与应力呈线性发展;同时，使恒载作用下梁体截面上、下缘应力充分接近，应力差控制在3～4MPa较 为 理 想，这样梁体截面基本上长期处于均匀受压状态，徐变上拱很小。
京津城际、沪杭高铁和京沪高铁线路中大量使用简支箱 梁 桥，其运行试验中分别创造了 394.3，416.6，486.1km/h的最高速度记录[4]，充分说明我国高速铁路箱梁的设计和建造技术位于世界前列。
3 大跨度无砟轨道混凝土梁式桥及组合结构的设计关键技术
我国幅员辽阔，地形、地质条件复杂，公路、水运等交通网密集，因此高铁建设中大跨度桥梁的数量较多。混凝土结构具有刚度大、噪音小、成本低、维修养护方便等突出优点，针对我国的国情，即使修建大跨度桥梁时，混凝土桥仍是优先考虑的桥型。
由于国情不同，国外大跨度混凝土梁式桥较少，且跨度较小，因此无砟轨道大跨度混凝土桥的设计参数在国际上无成功经验可供借鉴，只能依靠自主研究、探索和实践获得。通过长期的研究和工程实践，我国提出了梁式桥及其组合结构的设计参数建议值，即连续刚构(梁)桥、连续刚构(梁)-拱、部分斜拉桥的支点 梁 高 宜 分 别 取 主 跨 跨 度 的1/14.5～1/13、1/20～1/18、1/20～1/18，跨 中 梁 高 与 支 点 梁高之比宜分别采用0.45～0.53、0.4～0.5、0.45～0.6。
随着跨度的加大，桥梁的变形必然增加，而无砟轨道的要求并不随着跨度的变化而变化，因此如何控制大跨度混凝土桥的收缩徐变变形是设计关注的重点技术难题，同时，在有效控制后期变形的前提下如何拓展混凝土桥的跨越能力也是一个重点问题。
我国技术人员除延续了常用跨度梁设计时控制最大压应力和恒载作用下截面应力差的思路外，创造性地在设计中采用了从减小弹性变形入手以达到控制梁体收缩徐变的技术路径，在混凝土连续结构上增加拱结构、桁结构、拉索结构等辅助加劲结构，加劲结构承担了部分荷载，提高了结构的刚度，从而进一步控制了混凝土梁体的上、下部应力差，控制梁体的变形。
通过设置加劲结构，连续梁和连续刚构的理论极限跨度均可达到253m，通 过 设 置 加 劲 结 构 形 成连续梁-拱、连续刚构-拱、部分斜拉桥等组合结构后，其理论极限跨度分别可达301，301，365m，大大拓展了混凝土梁式桥在高速铁路上的应用。
4 大跨度上承式拱桥的设计技术
拱桥充分利用自身几何形态来平衡外荷载的弯矩，因此其结构受力以受压为主，这使得大量应用抗压能力强、抗拉能力弱的混凝土等低造价材料建造拱桥成为可能。
由于跨越能力强、刚度大、养护维修工 作 量 小，上承式拱桥是艰险山区高速铁路跨越 V 形 沟 谷 的最佳桥型。主拱的施工是限制上承式拱桥应用的主要技术问题，针对我国不同的地形地质条件，对工法和结构形 式 均 开 展 了 大 量 的 研 究 和 探 索。工 法 层面，开展了主拱平面转体、竖向转体、二次分段竖转、劲性骨架法等工法的研究;同时在结构形式上开展了混凝土拱桥、钢管混凝土拱桥、钢-混凝土混合结构拱桥、钢拱桥等不同结构类型的研究和探索，从而使拱桥焕发出新的生机和活力。
型钢劲性骨架分段分层形成主拱是我国自主创新的施工方法，高铁拱桥设计在借鉴万州长江公路大桥研究成果的基础上，集中深化研究了主拱施工线形控制、截面应力重分布规律、徐变特性、施工工艺等关键技术问题，从而使其设计和施工逐渐成熟。拱上结构层面，针对拱上1号立柱自重对主拱受力不利的问题，创造性地提出在0号立柱设置中等跨度 T 形刚构的方案，明显优化了主拱截面的受力。
我国沪昆铁路南盘江大桥、成贵铁路鸭池河大桥、拉林线藏木特大桥、大瑞线怒江大桥分别为世界上跨度最大的铁路混凝土拱桥、钢-混凝土混合拱桥、钢管混凝土拱桥、钢拱桥，标志着我国大跨度拱桥的建设技术处于世界先进水平。
5 大跨度缆索支承桥梁的设计和探索
5.1 大跨度斜拉桥的设计
我国大跨度斜拉桥多为跨越大的江河而设置的特大型桥 梁，线路的速度目标值普遍在 250km/h以上，考虑桥位资源的利用一般采用公路与铁路合建，多数为4线铁路和6车道(或8车道)公路合建，设计荷载大。
世界上关于大跨度桥的桥上行车速度目标值等主要技术标准没有成功的经验可以借鉴，我国技术人员通过对已建和在建的40余座铁路和公铁斜拉桥的研究、设计、探索和总结，掌握了铁路斜拉桥的刚度标准和不同列车速度下桥上轨道形位的要求。
5.1.1 主梁的竖向刚度
主梁的竖向刚度采用活载作用下的挠跨比和梁端转角进行控制。
从国内外已经建成的公铁两用桥情况看[5-9]，斜拉桥 的 挠 跨 比 在1/800～1/350。从 我 国 的 经 验 来看，铁路斜拉桥竖向挠跨比采用1/600，公铁两用斜拉桥竖向挠跨比采用1/500是比较合适的，能够满足高速列车的运营要求。
对高速列车而言，刚度突变区域是影响行车安全和舒适的主要位置，如梁端、桥塔、桥墩等，控制梁端转角的主要因素是限制扣件的上拔力，我国的工程实践认为铁路斜拉桥梁端转角仍采用中、小跨度桥的规定是适宜的。
桥梁的横向刚度，通常以宽跨比(B)来表示，一般选用B≥L/20，日本新干线规定横向刚度取竖向刚度的一半，考虑到我国列车荷载较大，我国铁路斜拉桥横向挠跨比以1/1200为宜。
5.1.2 轨道形位的控制标准
(1)平面 挠 曲 曲 线 半 径。活 载、风 荷 载、温 度、横向摇摆力、离心力作用下主梁发生横向位移，设计速度分别 为350，300，250km/h时，推 荐 的 横 向 平面曲线半径如表1所示。
(2)竖向挠曲曲线半径。活载作用下主梁挠曲后的最小曲线半径应根据所处区段设计行车速度选用，设计行车速度为350km/h和300km/h时，最小竖向曲线半径为25000m;设计行车速度为250km/h时，最小竖向曲线半径为20000m。
(3)梁体扭曲。静活载作用下梁体扭转引起的 轨面不平顺限值[10]，以 一 段3m 长 的 线 路 为 基 准，一线2根钢轨的竖向相对变形不应大于1.5mm。
(4)梁体扭转。梁体扭转关系到列车运行的安全性和旅客乘坐的舒适性，梁体扭转实质上是引起同一轨道横截面上左、右钢轨顶面产生高度差，即改变了轨道的水平几何状态。高速铁路桥梁设计时，成桥状态建议参考轨道几何状态幅值评价允许偏差验收管理值，即：扭转角度限值为2.0‰rad;轨道高差限值为3mm。
5.2 悬索桥应用的探索
悬索桥利用高强钢丝等材料制成的缆索作为主要承重构件，是跨越能力最强和刚度最小的桥型，尤其适用于跨越江面宽度大、通航等级高的大型河流和深切沟谷。由于对柔性结构能否适应车辆的走行性要求的担忧，除日本的本州四国联络线南、北备赞濑户大桥等少数工程外，国际上铁路悬索桥的工程应用很少。
为适应未来铁路建设发展的需要，在前期研究的基础上，铁路桥梁设计人员开始进行铁路悬索桥工程应用的探索，同时设立了专门的科研项目进行技术攻关，分析了垂跨比、加劲梁边中跨比、加劲梁高跨比和宽跨比以及加劲梁支承体系等对结构刚度的影响，从而总结出了提高大跨度铁路悬索桥刚度的有效措施。
目前我国有2座铁路悬索桥正在建设，一座为丽香铁路的虎跳峡金沙江特大桥，主跨660m 的双线铁路钢桁梁悬索桥，该桥是跨度最大的纯铁路桥;另一座为连镇铁路五峰山长江大桥，主 跨 为1092m 的4线高速铁路与8车道高速公路的综合过江通道，加劲梁采用钢桁梁，该桥是世界上最大跨度的高速铁路悬索桥。
为解决梁端 转 角 问 题，2座桥均采用了加劲梁连续布置、中跨悬吊的结构形式。由于铁路的二期恒载较大，2座桥的刚度水平较常规公路悬索桥明显增强，其刚度水平已经与同跨径的斜拉桥接近。
5.3 大跨度缆索支承桥梁亟待解决的问题
随着我国经济实力的不断提升以及跨海交通的迫切需要，势必会产生更多的缆索支承桥梁的建设需求。
我国的铁路大跨度斜拉桥和悬索桥的结构设计中均进行了详细的风-车-桥耦合动力分析，研究了桥梁和车辆的动力响应。为获得较大的刚度，设计实践中我国缆索支承桥梁普遍采用了较大的恒载，千米跨度的斜拉桥和悬索桥的基础、斜拉索、主缆的规模均为世界之最，但此类桥梁的运行速度尚应根据各种因素综合考虑，并结合实际试验运行后再作准确的判断。
悬索桥的合理刚度仍然是制约其经济性和向更大跨度方向发展的主要因素，有必要结合运营情况对大跨度铁路悬索桥的刚度进行更为深入的研究。
6 发展与展望
我国铁路桥梁建设技术近年来取得了突飞猛进的发展，建成了世界上长度最长的高速铁路桥(京沪高铁丹昆特大桥)和一批世界上技术复杂、工程规模和运营速度等级位于世界领先水平的大跨度桥梁。
随着国民经济发展和铁路网的延伸，桥梁设计还将迎来更大的机遇和挑战，需要对跨海铁路通道建设等新课题进行提前研究。
设计理论方面，需要系统地总结和深化大跨度桥梁刚度控制标准的研究，同时系统地开展温度、徐变等后期变形的控制标准及相关技术措施的研究;材料方面，需要开展高强度自密实混凝土、强度等级600～800MPa超 高 强 度 和 高 耐 久 性 钢 结 构、强 度等级2100～2300 MPa超高强度钢丝和钢绞线以及开展海洋环境高耐久性新材料的研究;结构形式方面，宜适时开展部分预应力梁、斜拉-悬吊协作结构体系、新型钢-混组合结构等新结构的研究;装备和施工工艺方面，宜尽快开展海洋深水桥梁基础和重大装备的研发。
通过研究和工程 实 践，掌 握 建 造1500～2000m 跨度铁路或 公 铁 两 用 桥 和 水 深100m 以 上 跨 海大桥的能力，以适应近期宁波至舟山铁路、甬沪通道跨杭州湾工程等建设的需要，为将来建设琼州海峡、跨渤海湾、台湾海峡通道积累经验和技术储备。——论文作者：周勇政，陈良江，高 策
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