發(fā)布時間：2021-12-16所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：為促進我國高速鐵路橋梁的建設(shè)發(fā)展，在回顧該類橋梁的發(fā)展歷程和成就的基礎(chǔ)上，對該類橋梁的設(shè)計技術(shù)進行總結(jié)和探索。分析常用跨度簡支箱梁的動力性能和后期變形控制、大跨度混凝土梁式橋及組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)和極限跨度、大跨度上承式拱橋的結(jié)構(gòu)形式和施工方法
摘 要：為促進我國高速鐵路橋梁的建設(shè)發(fā)展，在回顧該類橋梁的發(fā)展歷程和成就的基礎(chǔ)上，對該類橋梁的設(shè)計技術(shù)進行總結(jié)和探索。分析常用跨度簡支箱梁的動力性能和后期變形控制、大跨度混凝土梁式橋及組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)和極限跨度、大跨度上承式拱橋的結(jié)構(gòu)形式和施工方法等關(guān)鍵技術(shù);研究大跨度斜拉橋主梁的豎向剛度、橫向平面曲線半徑、梁體扭曲、梁體扭轉(zhuǎn)等主要參數(shù)取值;開展鐵路懸索橋應(yīng)用的探索，提出大跨度纜索支承橋梁的運行速度、合理剛度等亟待解決的問題。從設(shè)計理論、材料、結(jié)構(gòu)形式、裝備和施工工藝等方面提出我國高速鐵路橋梁的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：高速鐵路;鐵路橋;大跨度橋;設(shè)計技術(shù);技術(shù)標準;變形控制;結(jié)構(gòu)形式
1 概 述
近10年是我國高速鐵路建設(shè)和發(fā)展的黃金期，由于高速鐵路對運行的平穩(wěn)性和舒適性要求嚴苛，橋梁工程成為了主要的工程載體。截至2017年底，在我國已建成的25000km 高速鐵路中，橋梁總長約11300km，占線路長度的45.2%。
通過多年的研究、探索和工程實踐，我國在高速鐵路橋梁的設(shè)計理論、結(jié)構(gòu)形式、施工工法、大型裝備制造等方面取得了系統(tǒng)性的創(chuàng)新成果，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，形成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高鐵橋梁建設(shè)技術(shù)體系。
我國高速鐵路橋梁在數(shù)量、工程規(guī)模、技術(shù)水平等方面均 處 于 世 界 領(lǐng) 先 水 平。在常用跨度橋梁方面，系統(tǒng)掌握 了 簡 支 箱 梁 的 動 力 性 能、徐 變 精 細 控制、大型裝備研發(fā)等成套技術(shù)，大規(guī)模實現(xiàn)了900噸級箱梁的制造、架設(shè)的工廠化和機械化，目前正在探索推進40m 整孔箱梁和1000噸級箱梁運、架設(shè)備的工程應(yīng)用[1];在大跨度橋梁設(shè)計和建造方面，我國鐵路中跨度200m 及以上的橋梁達100余座，其中跨度超千米的2座[2-3]，跨度超過500m 的13座，跨度超過400m 的27座，結(jié)構(gòu)類型涵蓋了梁式橋、拱橋、斜拉橋、懸索橋等所有常用橋梁結(jié)構(gòu)形式，材料類型涵蓋了鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)，自主創(chuàng)新發(fā)展了梁-拱組合、梁-桁組合、拉索加勁等多種組合結(jié)構(gòu)橋型。
與普通速度鐵路橋梁重點關(guān)注結(jié)構(gòu)的強度、抗裂、疲勞、抗震等傳統(tǒng)受力需求不同，高速鐵路橋梁設(shè)計的重點和難點在于舒適度和軌道幾何形位的保持，在長期的建設(shè)實踐中，我國對大跨度橋梁設(shè)計的技術(shù)標準、徐變變形控制技術(shù)、結(jié)構(gòu)形式、施工工法等均進行了系統(tǒng)的研究和創(chuàng)新，在大跨度橋梁的后期變形控制、新型組合結(jié)構(gòu)橋梁、混合梁斜拉橋的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)、大跨度公鐵合建橋梁和跨海橋梁施工成套技術(shù)等方面取得了重大突破，標志著我國高速鐵路橋梁的發(fā)展跨入了世界現(xiàn)代橋梁發(fā)展先進行列。
2 高速鐵路預(yù)制箱梁橋設(shè)計新技術(shù)
我國從20世紀90年代開始高速鐵路橋梁技術(shù)研究和既有線 提 速 試 驗、秦 沈 客 專 時 速250km 綜合試驗，相繼建設(shè)了京津城際、武廣高鐵、鄭西高鐵、京滬高鐵、甬臺溫鐵路、溫福鐵路、廣珠城際、滬寧城際等一大批不同設(shè)計速度和功能的高速鐵路，高速鐵路橋梁中大多采用32m 跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁橋，如何保證簡支梁橋滿足高速列車運行的舒適性和平穩(wěn)性、避免產(chǎn)生較大的動力響應(yīng)、盡量減小后期養(yǎng)護維修工作量，并實現(xiàn)梁體結(jié)構(gòu)的工廠化制造和高效運輸架設(shè)是高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題。我國橋梁設(shè)計和研究人員通過多年的研究和探索，以及一系列綜合試驗和多條線的聯(lián)調(diào)聯(lián)試的驗證，掌握了常用跨度梁的動力設(shè)計、后期變形控制等設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)。
在動力設(shè)計方面，掌握了橋梁動力性能和速度的近似關(guān)系，如32m 簡支梁梁體豎向基頻≥1.5V/L(V 為列車速度，m/s;L 為 簡 支 梁 跨 度，m)時，橋 梁的動力性能能夠滿足運營要求，可不再進行車橋耦合動力分析;反之，梁體可能會出現(xiàn)較大的振動，需要進行車橋動力響應(yīng)分析以確認梁體的動力性能。為保持橋上軌道的平順性、減小后期養(yǎng)護維修的工作量，無砟軌道線路必須嚴格控制簡支箱梁的徐變變形。我國設(shè)計中采取控制梁體混凝土最大壓應(yīng)力在0.4Ra(Ra 為混凝土的棱柱體抗壓強度)以內(nèi)，使得徐變變形與應(yīng)力呈線性發(fā)展;同時，使恒載作用下梁體截面上、下緣應(yīng)力充分接近，應(yīng)力差控制在3～4MPa較 為 理 想，這樣梁體截面基本上長期處于均勻受壓狀態(tài)，徐變上拱很小。
京津城際、滬杭高鐵和京滬高鐵線路中大量使用簡支箱 梁 橋，其運行試驗中分別創(chuàng)造了 394.3，416.6，486.1km/h的最高速度記錄[4]，充分說明我國高速鐵路箱梁的設(shè)計和建造技術(shù)位于世界前列。
3 大跨度無砟軌道混凝土梁式橋及組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)
我國幅員遼闊，地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，公路、水運等交通網(wǎng)密集，因此高鐵建設(shè)中大跨度橋梁的數(shù)量較多。混凝土結(jié)構(gòu)具有剛度大、噪音小、成本低、維修養(yǎng)護方便等突出優(yōu)點，針對我國的國情，即使修建大跨度橋梁時，混凝土橋仍是優(yōu)先考慮的橋型。
由于國情不同，國外大跨度混凝土梁式橋較少，且跨度較小，因此無砟軌道大跨度混凝土橋的設(shè)計參數(shù)在國際上無成功經(jīng)驗可供借鑒，只能依靠自主研究、探索和實踐獲得。通過長期的研究和工程實踐，我國提出了梁式橋及其組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)建議值，即連續(xù)剛構(gòu)(梁)橋、連續(xù)剛構(gòu)(梁)-拱、部分斜拉橋的支點 梁 高 宜 分 別 取 主 跨 跨 度 的1/14.5～1/13、1/20～1/18、1/20～1/18，跨 中 梁 高 與 支 點 梁高之比宜分別采用0.45～0.53、0.4～0.5、0.45～0.6。
隨著跨度的加大，橋梁的變形必然增加，而無砟軌道的要求并不隨著跨度的變化而變化，因此如何控制大跨度混凝土橋的收縮徐變變形是設(shè)計關(guān)注的重點技術(shù)難題，同時，在有效控制后期變形的前提下如何拓展混凝土橋的跨越能力也是一個重點問題。
我國技術(shù)人員除延續(xù)了常用跨度梁設(shè)計時控制最大壓應(yīng)力和恒載作用下截面應(yīng)力差的思路外，創(chuàng)造性地在設(shè)計中采用了從減小彈性變形入手以達到控制梁體收縮徐變的技術(shù)路徑，在混凝土連續(xù)結(jié)構(gòu)上增加拱結(jié)構(gòu)、桁結(jié)構(gòu)、拉索結(jié)構(gòu)等輔助加勁結(jié)構(gòu)，加勁結(jié)構(gòu)承擔(dān)了部分荷載，提高了結(jié)構(gòu)的剛度，從而進一步控制了混凝土梁體的上、下部應(yīng)力差，控制梁體的變形。
通過設(shè)置加勁結(jié)構(gòu)，連續(xù)梁和連續(xù)剛構(gòu)的理論極限跨度均可達到253m，通 過 設(shè) 置 加 勁 結(jié) 構(gòu) 形 成連續(xù)梁-拱、連續(xù)剛構(gòu)-拱、部分斜拉橋等組合結(jié)構(gòu)后，其理論極限跨度分別可達301，301，365m，大大拓展了混凝土梁式橋在高速鐵路上的應(yīng)用。
4 大跨度上承式拱橋的設(shè)計技術(shù)
拱橋充分利用自身幾何形態(tài)來平衡外荷載的彎矩，因此其結(jié)構(gòu)受力以受壓為主，這使得大量應(yīng)用抗壓能力強、抗拉能力弱的混凝土等低造價材料建造拱橋成為可能。
由于跨越能力強、剛度大、養(yǎng)護維修工 作 量 小，上承式拱橋是艱險山區(qū)高速鐵路跨越 V 形 溝 谷 的最佳橋型。主拱的施工是限制上承式拱橋應(yīng)用的主要技術(shù)問題，針對我國不同的地形地質(zhì)條件，對工法和結(jié)構(gòu)形 式 均 開 展 了 大 量 的 研 究 和 探 索。工 法 層面，開展了主拱平面轉(zhuǎn)體、豎向轉(zhuǎn)體、二次分段豎轉(zhuǎn)、勁性骨架法等工法的研究;同時在結(jié)構(gòu)形式上開展了混凝土拱橋、鋼管混凝土拱橋、鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)拱橋、鋼拱橋等不同結(jié)構(gòu)類型的研究和探索，從而使拱橋煥發(fā)出新的生機和活力。
型鋼勁性骨架分段分層形成主拱是我國自主創(chuàng)新的施工方法，高鐵拱橋設(shè)計在借鑒萬州長江公路大橋研究成果的基礎(chǔ)上，集中深化研究了主拱施工線形控制、截面應(yīng)力重分布規(guī)律、徐變特性、施工工藝等關(guān)鍵技術(shù)問題，從而使其設(shè)計和施工逐漸成熟。拱上結(jié)構(gòu)層面，針對拱上1號立柱自重對主拱受力不利的問題，創(chuàng)造性地提出在0號立柱設(shè)置中等跨度 T 形剛構(gòu)的方案，明顯優(yōu)化了主拱截面的受力。
我國滬昆鐵路南盤江大橋、成貴鐵路鴨池河大橋、拉林線藏木特大橋、大瑞線怒江大橋分別為世界上跨度最大的鐵路混凝土拱橋、鋼-混凝土混合拱橋、鋼管混凝土拱橋、鋼拱橋，標志著我國大跨度拱橋的建設(shè)技術(shù)處于世界先進水平。
5 大跨度纜索支承橋梁的設(shè)計和探索
5.1 大跨度斜拉橋的設(shè)計
我國大跨度斜拉橋多為跨越大的江河而設(shè)置的特大型橋 梁，線路的速度目標值普遍在 250km/h以上，考慮橋位資源的利用一般采用公路與鐵路合建，多數(shù)為4線鐵路和6車道(或8車道)公路合建，設(shè)計荷載大。
世界上關(guān)于大跨度橋的橋上行車速度目標值等主要技術(shù)標準沒有成功的經(jīng)驗可以借鑒，我國技術(shù)人員通過對已建和在建的40余座鐵路和公鐵斜拉橋的研究、設(shè)計、探索和總結(jié)，掌握了鐵路斜拉橋的剛度標準和不同列車速度下橋上軌道形位的要求。
5.1.1 主梁的豎向剛度
主梁的豎向剛度采用活載作用下的撓跨比和梁端轉(zhuǎn)角進行控制。
從國內(nèi)外已經(jīng)建成的公鐵兩用橋情況看[5-9]，斜拉橋 的 撓 跨 比 在1/800～1/350。從 我 國 的 經(jīng) 驗 來看，鐵路斜拉橋豎向撓跨比采用1/600，公鐵兩用斜拉橋豎向撓跨比采用1/500是比較合適的，能夠滿足高速列車的運營要求。
對高速列車而言，剛度突變區(qū)域是影響行車安全和舒適的主要位置，如梁端、橋塔、橋墩等，控制梁端轉(zhuǎn)角的主要因素是限制扣件的上拔力，我國的工程實踐認為鐵路斜拉橋梁端轉(zhuǎn)角仍采用中、小跨度橋的規(guī)定是適宜的。
橋梁的橫向剛度，通常以寬跨比(B)來表示，一般選用B≥L/20，日本新干線規(guī)定橫向剛度取豎向剛度的一半，考慮到我國列車荷載較大，我國鐵路斜拉橋橫向撓跨比以1/1200為宜。
5.1.2 軌道形位的控制標準
(1)平面 撓 曲 曲 線 半 徑。活 載、風(fēng) 荷 載、溫 度、橫向搖擺力、離心力作用下主梁發(fā)生橫向位移，設(shè)計速度分別 為350，300，250km/h時，推 薦 的 橫 向 平面曲線半徑如表1所示。
(2)豎向撓曲曲線半徑。活載作用下主梁撓曲后的最小曲線半徑應(yīng)根據(jù)所處區(qū)段設(shè)計行車速度選用，設(shè)計行車速度為350km/h和300km/h時，最小豎向曲線半徑為25000m;設(shè)計行車速度為250km/h時，最小豎向曲線半徑為20000m。
(3)梁體扭曲。靜活載作用下梁體扭轉(zhuǎn)引起的 軌面不平順限值[10]，以 一 段3m 長 的 線 路 為 基 準，一線2根鋼軌的豎向相對變形不應(yīng)大于1.5mm。
(4)梁體扭轉(zhuǎn)。梁體扭轉(zhuǎn)關(guān)系到列車運行的安全性和旅客乘坐的舒適性，梁體扭轉(zhuǎn)實質(zhì)上是引起同一軌道橫截面上左、右鋼軌頂面產(chǎn)生高度差，即改變了軌道的水平幾何狀態(tài)。高速鐵路橋梁設(shè)計時，成橋狀態(tài)建議參考軌道幾何狀態(tài)幅值評價允許偏差驗收管理值，即：扭轉(zhuǎn)角度限值為2.0‰rad;軌道高差限值為3mm。
5.2 懸索橋應(yīng)用的探索
懸索橋利用高強鋼絲等材料制成的纜索作為主要承重構(gòu)件，是跨越能力最強和剛度最小的橋型，尤其適用于跨越江面寬度大、通航等級高的大型河流和深切溝谷。由于對柔性結(jié)構(gòu)能否適應(yīng)車輛的走行性要求的擔(dān)憂，除日本的本州四國聯(lián)絡(luò)線南、北備贊瀨戶大橋等少數(shù)工程外，國際上鐵路懸索橋的工程應(yīng)用很少。
為適應(yīng)未來鐵路建設(shè)發(fā)展的需要，在前期研究的基礎(chǔ)上，鐵路橋梁設(shè)計人員開始進行鐵路懸索橋工程應(yīng)用的探索，同時設(shè)立了專門的科研項目進行技術(shù)攻關(guān)，分析了垂跨比、加勁梁邊中跨比、加勁梁高跨比和寬跨比以及加勁梁支承體系等對結(jié)構(gòu)剛度的影響，從而總結(jié)出了提高大跨度鐵路懸索橋剛度的有效措施。
目前我國有2座鐵路懸索橋正在建設(shè)，一座為麗香鐵路的虎跳峽金沙江特大橋，主跨660m 的雙線鐵路鋼桁梁懸索橋，該橋是跨度最大的純鐵路橋;另一座為連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋，主 跨 為1092m 的4線高速鐵路與8車道高速公路的綜合過江通道，加勁梁采用鋼桁梁，該橋是世界上最大跨度的高速鐵路懸索橋。
為解決梁端 轉(zhuǎn) 角 問 題，2座橋均采用了加勁梁連續(xù)布置、中跨懸吊的結(jié)構(gòu)形式。由于鐵路的二期恒載較大，2座橋的剛度水平較常規(guī)公路懸索橋明顯增強，其剛度水平已經(jīng)與同跨徑的斜拉橋接近。
5.3 大跨度纜索支承橋梁亟待解決的問題
隨著我國經(jīng)濟實力的不斷提升以及跨海交通的迫切需要，勢必會產(chǎn)生更多的纜索支承橋梁的建設(shè)需求。
我國的鐵路大跨度斜拉橋和懸索橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計中均進行了詳細的風(fēng)-車-橋耦合動力分析，研究了橋梁和車輛的動力響應(yīng)。為獲得較大的剛度，設(shè)計實踐中我國纜索支承橋梁普遍采用了較大的恒載，千米跨度的斜拉橋和懸索橋的基礎(chǔ)、斜拉索、主纜的規(guī)模均為世界之最，但此類橋梁的運行速度尚應(yīng)根據(jù)各種因素綜合考慮，并結(jié)合實際試驗運行后再作準確的判斷。
懸索橋的合理剛度仍然是制約其經(jīng)濟性和向更大跨度方向發(fā)展的主要因素，有必要結(jié)合運營情況對大跨度鐵路懸索橋的剛度進行更為深入的研究。
6 發(fā)展與展望
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。
設(shè)計理論方面，需要系統(tǒng)地總結(jié)和深化大跨度橋梁剛度控制標準的研究，同時系統(tǒng)地開展溫度、徐變等后期變形的控制標準及相關(guān)技術(shù)措施的研究;材料方面，需要開展高強度自密實混凝土、強度等級600～800MPa超 高 強 度 和 高 耐 久 性 鋼 結(jié) 構(gòu)、強 度等級2100～2300 MPa超高強度鋼絲和鋼絞線以及開展海洋環(huán)境高耐久性新材料的研究;結(jié)構(gòu)形式方面，宜適時開展部分預(yù)應(yīng)力梁、斜拉-懸吊協(xié)作結(jié)構(gòu)體系、新型鋼-混組合結(jié)構(gòu)等新結(jié)構(gòu)的研究;裝備和施工工藝方面，宜盡快開展海洋深水橋梁基礎(chǔ)和重大裝備的研發(fā)。
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。——論文作者：周勇政，陳良江，高 策
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