中國(guó)大跨度高速鐵路橋梁技術(shù)的發(fā)展與前景

一、概述中國(guó)幅員遼闊、人口眾多，鐵路在國(guó)家交通運(yùn)輸體系中一直占主導(dǎo)地位。20世紀(jì)，中國(guó)新建鐵路橋梁設(shè)計(jì)運(yùn)行速度一直不超過160km·h–1，1998年開工建設(shè)的秦沈客運(yùn)專線基礎(chǔ)設(shè)施的最高設(shè)計(jì)運(yùn)行速度提高到250km·h–1，這是中國(guó)建設(shè)更高速度鐵路的第一次嘗試。21世紀(jì)初，以京滬高鐵和武廣客運(yùn)專線開工建設(shè)為標(biāo)志，中國(guó)開始了大規(guī)模的高速鐵路建設(shè)，最高設(shè)計(jì)速度達(dá)到350km·h–1。到2016年年底，高鐵通車?yán)锍踢_(dá)22000km。橋梁是高速鐵路的重要組成部分。中國(guó)已建成的22000km高速鐵路中，橋梁總長(zhǎng)度超過50%，其中京滬高速鐵路橋梁長(zhǎng)度更是達(dá)到線路全長(zhǎng)的85%以上，這些橋梁中大多采用跨度32m的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁。同時(shí)，中國(guó)地理和氣候具有多樣性，西部有干燥高原、巍巍高山、深大峽谷、湍急河流；東南部瀕臨大海，河流寬闊。要跨越寬闊水域和高山峽谷還必須建設(shè)大跨度橋梁。截至目前，中國(guó)已建成和在建的跨度超過200m的大跨度高鐵橋梁已達(dá)60余座，其中跨度超過1000m的2座，超過500m的約10座。表1列舉了有代表性的中國(guó)高速鐵路大跨度橋梁。

表1

中國(guó)部分大跨度高鐵橋梁主要參數(shù)表橋梁通行高速鐵路的先決條件是要保證高鐵列車在橋梁上運(yùn)行時(shí)的安全性和舒適性，必須建立高速列車-橋梁耦合動(dòng)力分析模型，綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)、運(yùn)行車輛、軌道等因素，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)。從橋梁結(jié)構(gòu)的角度來講，核心是要求橋梁具有更好的剛度，以獲得更好的軌道平順性（見表2）。

表2

軌道平順性要求比較表為實(shí)現(xiàn)高速列車在橋梁上運(yùn)行的需求，必須對(duì)結(jié)構(gòu)、材料、建造施工技術(shù)等開展系統(tǒng)研究。二、多功能合建橋梁技術(shù)橋位也是一種資源。長(zhǎng)江是中國(guó)的黃金水道，航運(yùn)業(yè)發(fā)達(dá)，岸線資源十分寶貴。既要考慮建設(shè)橋梁對(duì)環(huán)境、岸線和長(zhǎng)江通航的影響，又要滿足不斷增長(zhǎng)的鐵路、公路和其他交通方式過江需求，將公路、鐵路、市政道路和城市軌道交通等建設(shè)在同一座橋梁上，是工程師的最好選擇。（一）公鐵兩用橋公路和鐵路建設(shè)在同一座橋上。如滬通長(zhǎng)江大橋通行滬通鐵路和通蘇嘉城際鐵路外，還承載無錫至南通高速公路（圖1）；武漢天興洲長(zhǎng)江大橋通行京廣高鐵和滬漢蓉鐵路外，還承擔(dān)武漢城市三環(huán)線交通功能（圖2）；五峰山長(zhǎng)江大橋（圖3）、成貴鐵路金沙江大橋也都是高鐵和高等級(jí)公路的合建橋梁。

圖1.滬通長(zhǎng)江大橋（單位：m）

圖2.武漢天興洲長(zhǎng)江大橋。（a）三索面；（b）橫截面（單位：m）；（c）建成橋梁

圖3.五峰山長(zhǎng)江大橋（二）多條鐵路共用橋同一座橋上通行兩條或兩條以上的鐵路，如安慶長(zhǎng)江大橋通行南京至安慶城際鐵路和阜陽(yáng)至景德鎮(zhèn)鐵路共4線，新白沙沱長(zhǎng)江大橋通行渝黔客專、渝長(zhǎng)客專和渝黔鐵路共6線，大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋（圖4）通行京滬高鐵、滬漢蓉客專和南京地鐵共6線。

圖4.大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋公鐵兩用橋和多條鐵路共用橋可更好地利用大跨橋梁所必須的結(jié)構(gòu)寬度和剛度，同時(shí)，與分別建設(shè)多座單一通道橋梁相比，可節(jié)省大量工程材料，從而顯著節(jié)約工程總投資。三、復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)概述（一）三索面三主桁結(jié)構(gòu)中國(guó)客貨共線鐵路使用中-活載，用荷載集度為80kN·m–1的勻布荷載模擬車輛，5個(gè)集中力模擬牽引機(jī)車，每個(gè)220kN，間距1.5m，重載鐵路的荷載更大。高速鐵路使用的ZK荷載，其荷載集度也有64kN·m–1。可見，一條單線鐵路的活載集度即相當(dāng)于一條6~8車道的公路。所以鐵路橋梁所承載的活載非常大，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)力巨大。近年建設(shè)的鋼桁梁公鐵兩用橋，通常是上層為6~8車道的高速公路，鐵路通常為4線鐵路甚至6線鐵路，橋梁的寬度較大，其橫截面變形成為影響高速鐵路運(yùn)營(yíng)速度的一個(gè)難題。變形是由于結(jié)構(gòu)的柔性產(chǎn)生的，減小變形的唯一途徑就是提高剛度，在材料種類確定后，提高剛度的途徑有兩個(gè)：一是加大梁的截面；二是減小梁的跨度。在常規(guī)的兩主桁的中間增加一個(gè)桁架組成三片主桁的桁架結(jié)構(gòu)，形成橫向布置的兩個(gè)凈空框格，將4線鐵路兩個(gè)一組分別置于一個(gè)框格內(nèi)。采用三片主桁后，相當(dāng)于截面橫向從簡(jiǎn)支梁變成了連續(xù)結(jié)構(gòu)，受力更加合理，變形減小，提高了軌道的平順性。對(duì)應(yīng)地，斜拉索也設(shè)計(jì)成三個(gè)索面，這種三索面三主桁結(jié)構(gòu)首先應(yīng)用于武漢天興洲長(zhǎng)江大橋（圖2），此后，推廣應(yīng)用于銅陵大橋、滬通大橋、安慶鐵路大橋等斜拉橋和大勝關(guān)大橋的鋼桁拱等工程。為實(shí)現(xiàn)這樣的空間結(jié)構(gòu)，中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司研發(fā)了專用的橋梁設(shè)計(jì)軟件，可進(jìn)行中-活載、ZK荷載、公路荷載等多種活載加載，并能進(jìn)行公路鐵路雙層加載。（二）斜主桁結(jié)構(gòu)京廣高鐵鄭新公鐵兩用黃河大橋上層通行6車道高速公路，下層通行雙線京廣高速鐵路（圖5）。上層公路面寬度大，下層鐵路面寬度小，針對(duì)這種情況，將鋼桁梁設(shè)計(jì)成倒梯形結(jié)構(gòu)。斜主桁鋼桁梁結(jié)構(gòu)可以顯著節(jié)省鋼材用量，武漢至黃岡城際鐵路黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋也采用了這種結(jié)構(gòu)形式。

圖5.鄭新公鐵兩用黃河大橋。（a）主桁架梁的橫截面（單位：mm）；（b）主桁架梁草圖；（c）建成橋梁四、組合結(jié)構(gòu)中國(guó)高速鐵路大跨度橋梁采用的組合結(jié)構(gòu)大致有以下幾種情形。（1）板桁組合結(jié)構(gòu)，即鋼桁梁的橋面板結(jié)構(gòu)與桁架共同受力。早期的鋼桁梁結(jié)構(gòu)，公路橋面為縱橫梁上擱置小塊預(yù)制的公路橋面板，它們只負(fù)責(zé)將公路荷載傳遞給主桁節(jié)點(diǎn)，橋面結(jié)構(gòu)不參與主桁受力，橋面板的作用未能充分發(fā)揮。（2）鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，鋼桁梁橋面采用正交異性鋼板與混凝土板混合橋面。公路橋面采用混凝土結(jié)構(gòu)，可以從根本上避免鋼橋面帶來的疲勞壽命和鋪裝壽命普遍存在的問題。近年來，隨著高鐵橋梁的跨度越來越大，提高橋梁的剛度成為一個(gè)重要設(shè)計(jì)目標(biāo)，使橋面板與主桁結(jié)合共同受力，形成板-桁組合結(jié)構(gòu)是提高橋梁剛度的最為有效、最經(jīng)濟(jì)的途徑。天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋的設(shè)計(jì)中即采用了這樣的板-桁組合結(jié)構(gòu)（圖6），主橋斜拉橋中跨及部分邊跨共756m區(qū)段采用公路面正交異性鋼板與主桁架結(jié)合共同受力，兩側(cè)各168m區(qū)段采用公路面混凝土橋面板與主桁架結(jié)合共同受力的組合結(jié)構(gòu)。后續(xù)建設(shè)的黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋、銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋等項(xiàng)目中，不僅公路橋面板與主桁結(jié)合，而且鐵路橋面板也與主桁結(jié)合，公路橋面板和鐵路橋面板分別與桁梁的上下弦桿共同組成桁架梁的上下弦截面，共同承擔(dān)結(jié)構(gòu)的總體受力，極大增加了主梁結(jié)構(gòu)的剛度，對(duì)高鐵列車的運(yùn)行十分有利。

圖6.武漢天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋復(fù)合結(jié)構(gòu)鄭新公鐵兩用黃河大橋的上層公路面采用分塊預(yù)制的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，并且通過剪力釘與鋼主桁的上弦結(jié)合形成共同受力的組合結(jié)構(gòu)（圖5）。此外，滬通大橋、平潭海峽公鐵大橋的多孔80~112m簡(jiǎn)支鋼桁梁的上層公路面和下層鐵路面均采用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，形成了雙層鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。（3）鋼桁-混凝土組合拱橋。成貴鐵路鴨池河大橋是跨度436m的中承式拱橋（圖7），采用鋼桁拱骨架，拱腳部分包覆混凝土，拱頂部分區(qū)段拱肋上翼緣填筑混凝土。

圖7.成貴鐵路鴨池河大橋五、高性能材料（一）高性能橋梁鋼隨著橋梁跨度越來越大，特別是多功能合建橋梁的建設(shè)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力越來越大，大勝關(guān)大橋?yàn)橹骺?×336m的鋼桁拱橋，通行6線鐵路，最大桿力達(dá)到150MN；滬通長(zhǎng)江大橋通行4線鐵路6車道高速公路，主航道橋?yàn)橹骺?092m的斜拉橋，主梁最大壓力達(dá)750MN，迫切需要研發(fā)更高強(qiáng)度的橋梁用鋼。為此，先后成功研發(fā)了Q420q和Q500q橋梁鋼。Q420q首先在大勝關(guān)大橋中獲得應(yīng)用，Q500橋梁鋼已在滬通大橋中應(yīng)用。為保持結(jié)構(gòu)的合理剛度和尺寸，在同一座大橋的主梁不同區(qū)段采用不同強(qiáng)度等級(jí)鋼材。大勝關(guān)大橋受力較大的拱肋桿件采用Q420鋼，其余部位采用Q370鋼；滬通大橋主梁靠近主塔和輔助墩附近的壓力較大，采用Q500鋼，壓力稍小的區(qū)段采用Q420鋼，壓力較小的區(qū)段采用Q370鋼。采用高強(qiáng)度材料可減輕結(jié)構(gòu)自重、減少材料用量，從而減少對(duì)資源和能源的消耗。（二）高性能斜拉索高強(qiáng)度高耐久性拉索體系也在高鐵橋梁中獲得開發(fā)應(yīng)用。和橋梁鋼發(fā)展道路一樣，橋梁用斜拉索鋼絲的強(qiáng)度也走過了一條從1570MPa、1670MPa、1770MPa到1860MPa不斷提高的道路，在建的滬通長(zhǎng)江大橋斜拉索研發(fā)了強(qiáng)度為2000MPa的鋼絲，并采用鋅鋁鍍層以進(jìn)一步提高其耐久性。2015年建成通車的銅陵公鐵兩用大橋是一座鋼桁梁斜拉橋，主跨630m，通行4線鐵路和6車道高速公路，是世界上已建成的最大跨度公鐵兩用斜拉橋，其斜拉索采用平行鋼絞線拉索體系，鋼絞線拉索內(nèi)每根絞線基本相互獨(dú)立，可有效防止風(fēng)雨振的產(chǎn)生。六、鋼桁梁整體化工廠制造傳統(tǒng)上，鋼桁梁的制造、架設(shè)均是以一根一根桿件為單位進(jìn)行的，這樣的模式需要的施工機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)單，但有大量的高空工作，對(duì)工程質(zhì)量、工人作業(yè)安全都具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋首次采用了整節(jié)段架設(shè)新技術(shù)，即將鋼桁梁一個(gè)節(jié)間的所有主桁桿件、橫聯(lián)桿件、鐵路面縱橫梁、公路橋面板均在工廠連接好，形成一個(gè)重650t的整節(jié)段[圖8（a）]后運(yùn)輸、安裝，顯著減少了高空作業(yè)量。銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋首次采用了全焊接桁片單元技術(shù)，即以鋼桁梁的每?jī)蓚€(gè)節(jié)間為一組，將所有構(gòu)件分為若干個(gè)制造單元，每個(gè)制造單元在工廠全部采用焊接工藝制造，如每片主桁的兩根（兩個(gè)節(jié)間）上弦桿、兩根下弦桿、兩根豎桿、兩根斜桿在工廠全部采用焊接連接在一起，形成桁片后運(yùn)輸、安裝[圖8（b）]。滬通長(zhǎng)江大橋則將鋼桁梁每?jī)蓚€(gè)節(jié)間的所有三片主桁、公路和鐵路橋面、橫向連接結(jié)構(gòu)全部在工廠全焊接，形成重達(dá)2000t的整體后運(yùn)輸安裝。平潭海峽公鐵大橋的80m和88m兩種跨度的鋼桁梁則更進(jìn)一步，整孔在工廠全部焊接成整體后運(yùn)輸安裝。

圖8.鋼桁梁的整體制造和安裝。（a）天興洲公鐵兩用長(zhǎng)江大橋主桁架梁全段安裝；（b）銅陵公鐵兩用長(zhǎng)江大橋全焊接桁架平面構(gòu)件組裝七、大跨度高鐵橋梁的技術(shù)發(fā)展與展望（一）多塔纜索承重橋梁技術(shù)我國(guó)諸多河流（如長(zhǎng)江）、海峽水域?qū)掗?、航運(yùn)繁忙，作為橋梁工程師必須保證橋梁建設(shè)與維護(hù)黃金水道的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。多塔纜索承重橋梁可提供連續(xù)多孔大跨，將上行、下行航道分孔布置，具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。就承載公路荷載的橋梁而言，中國(guó)在多孔大跨纜索承重橋梁建造技術(shù)方面已有進(jìn)展。多塔斜拉橋已建成多座，早期的公路橋有宜昌夷陵長(zhǎng)江大橋、洞庭湖大橋等，近年來陸續(xù)建成了武漢二七長(zhǎng)江大橋、濟(jì)南建邦黃河大橋、嘉紹大橋等。多塔懸索橋技術(shù)也有所突破，率先在世界上建成了3座千米級(jí)的大跨度三塔懸索橋，即泰州長(zhǎng)江大橋（跨度2×1080m）、馬鞍山長(zhǎng)江大橋（跨度2×1080m）和武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋（跨度2×850m），目前正在建設(shè)的還有采用鋼桁梁雙層橋面的溫州甌江北口大橋（跨度2×800m）。鐵路橋方面，蒙華鐵路洞庭湖大橋采用了主跨2×408m的三塔斜拉橋。相信通過這些工程的建設(shè)和不斷的技術(shù)積累，為未來瓊州海峽通道（圖9）、渤海灣通道建設(shè)橋梁方案采用更大跨度的公鐵兩用多塔斜拉橋和多塔懸索橋儲(chǔ)備了技術(shù)，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖9.瓊州海峽跨海大橋設(shè)計(jì)方案（二）基礎(chǔ)工程的工廠化、大型化預(yù)制如前所述，大跨度鐵路橋梁的上部結(jié)構(gòu)在工廠化、預(yù)制化技術(shù)上已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，另一方面，大型深水基礎(chǔ)工程的工廠化建造技術(shù)也取得了一定的成果，商合杭鐵路蕪湖公鐵兩用長(zhǎng)江大橋和大連星海灣大橋均采用了設(shè)置基礎(chǔ)，蕪湖公鐵橋采用的是巖石地基上的