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我国中大跨径高速铁路桥梁设计与施工新进展

摘要

高速铁路中、大跨度桥梁在跨越河流、公路等特定障碍物时发挥着重要作用。本文对我国高铁工程中这些特殊跨段的设计实践进行了综述。考虑到标准跨度通常小于 100m，根据主跨的长度可将特殊跨度分为两类：中等跨度 (100 m-200m) 和大跨度 (200m-500m)。对于中等长度，作为可行的设计选择，讨论了三种结构形式：钢拱、刚架和混合拱梁。此外，对近年来建成的大跨度桥梁进行了评述，重点介绍了我国高铁上的几种创新结构形式，包括钢桁架拱和桁梁斜拉桥。最后，总结了大跨径高铁桥梁的关键技术特点，并对大跨径高铁桥梁的可行性进行了探讨。

1.引言

高速铁路（高铁）提供了一个快速和强大的旅行选择，提高生活质量和支持经济增长。日本是第一个建设高速旅游客运专线的国家，也被称为新干线。1964 年，第一个新干线为东京奥运会开通了东京-大阪段。欧洲的高铁首先在几个国家发展起来，现在扩展为区域性的服务网络。在过去的几十年里，共有 13 个国家发展了高铁网络，主要分布在欧洲和东亚。这些国家的国际实例证明，高速列车在高速客运专线上的时速可达 250 公里以上，大大缩短了旅行时间。

我国高铁由改造后的既有线路（平均设计时速 250 公里）和新线路（平均设计时速 350 公里）组成，其中新建线路 9356 公里，改造后线路 3209 公里。到 2020 年，全国总长度达到 20000 公里以上，建成连接全国省会城市和人口 500 万以上大城市的完整高速铁路网。对于我国典型的高铁线路，多采用标准化简支梁（跨径分别为 24 m、32 m 和 40 m）和少量标准化连续梁桥（主跨从 48 m 到 100 m）。例如，北京区段的 95 根桥是标准跨径（90 根简支梁和 5 根连续梁），只有 5 根是特殊跨径。尽管中、大跨度桥梁只覆盖了高铁线路的一小部分，但它在跨越现有公路、高铁线路、河流等物理障碍的整个线路的完成过程中起到了关键作用。

选择合理、经济的结构形式是桥梁设计的主要任务。大跨度铁路桥梁的结构形式在过去的两个世纪中不断发展，主要特点是跨度较大，形式较为多样。随着蒸汽铁路的诞生，铁桁架桥被广泛建造，以支撑这些最早的铁路列车。19 世纪后期，相继建成了三座具有里程碑意义的铁路桥梁，以支撑火车的较大活载，包括 布鲁克林桥 (1883，486.3m) 和福斯特铁路桥 (1889，521m)。这些桥梁代表了先进的建筑技术，用于拱桥，悬索桥和悬臂桁架。那些公认的跨度的发展依赖于钢的使用，而不是铁，这减少了恒重。20 世纪初，随着铁路在全世界范围内的扩张，工程师们竞相设计更坚固、更长的桥梁，但并没有增加太多的重量。一些较长的跨度被开发出来，如在纽约的地狱门桥（1916 年）和悉尼港大桥（1932 年）。20 世纪 70 年代，日本开始建设本州岛-四国岛大桥项目，连接本州岛和四国岛。冈山和山川之间的连接是唯一的铁路连接。共建成 6条大跨度桥梁，既支撑公路，又支撑铁路，包括 1 条连续桁架桥、2条斜拉桥和 3悬索桥。目前，中国在铁路升级和高铁建设方面处于领先地位。

我国铁路桥梁的发展始于 1937 年钱塘江大桥的建成。两座具有里程碑意义的钢桁梁桥分别于 1957 年和 1968 年在武汉和南京横跨长江。直到 2000 年芜湖长江大桥建成第一座主跨 312m 的斜拉桥，钢桁梁桥一直是我国铁路桥梁的主要结构形式。然后，一系列斜拉桥被规划和建造。与高铁标准跨距的设计类似，特殊跨距的设计由于要求轨道的平滑性和高速列车的稳定性，也要求有严格的使用极限。在一定的跨度范围和场地条件下，结构形式有多中国种选择。我国高铁特殊跨距按主跨距的长短可分为中等跨距 (100-200m) 和大跨距 (200-500m) 两类。几座主跨超过 500m 的斜拉桥也包括在大跨中。我国高铁目前没有采用悬索桥。吊桥过于灵活，无法保持主轴的低缺陷主梁和轨道不容易满足高铁的使用限制。我国对高铁悬索桥的进一步研究还在进行中。

介绍了我国高铁中、大跨度设计与施工的最新技术进展，包括关键设计理念、主要结构尺寸和施工方法。针对中等长度桥梁，分析了钢拱、刚构和混合拱梁三种形式。对于大跨度桥梁，重点讨论钢桁架拱和桁架斜拉桥。本文总结了未来高铁建设中特殊跨距的结构选择。

1.缺陷控制

高速铁路桥要求高缺陷限值，以确保轨道平滑度。对于特殊跨度的列车，无论采用何种结构形式，其主梁挠度的控制仍然是设计中的一个关键问题，因为跨度上列车的平均设计速度超过 250 km /h，由于桥梁的平整度难以调节，因此，设置无道床的桥梁的极限值要高于设置压载道床的桥梁。因此，我国大跨度高铁桥梁全部采用压载道。然而，由于大跨径桥梁的设计和分析通常是逐项进行的，至少应满足小跨径高铁桥梁的最低限值，因此对大跨径高铁桥梁的设计和分析并无具体要求。小跨度梁挠度控制的四个关键问题是：(1) 梁的竖向挠度小于 2.0 mm；(2) 梁端转动度小于 0.4；(3) 长期挠度（如蠕变效应）小于 L/ 1000（L 为 m，结果为 mm）；(4) 下部结构的纵向挠度。必须满足所有这些要求，以确保轨道的畅通和火车的安全。

轨道稳定性和平顺性很大程度上取决于主梁竖向和横向挠度的控制。原铁道部的设计规范对短长连续梁的短期和长期挠度有一定的要求：垂直挠度必须小于 1.1 L /1000（L 是主跨距）；侧向挠度必须小于 L/ 4000；压载道床梁端转角必须小于 0.2，无压载道床梁端转角必须小于 0.1。然而，对于中长连续梁、拱桥和斜拉桥等特殊跨径的桥梁，在设计规范中没有提出这样的要求。研究了国际上类似桥梁的设计限值，并对其进行了比较，以确定大跨径设计的推荐限值。

与常规铁路桥梁设计相比，高铁桥梁具有较高的使用性能限值，以往研究较多的是与动力响应相关的其他技术问题，如抗震性能 、轨道结构相互作用 、徐变效应 、热效应等。我国高铁桥梁在发展过程中，考虑了热膨胀、抗震设计、风效应和徐变效应等特殊问题，对可能引起大变形的多种荷载工况可能需要进行附加分析。单跨超过100m长的铁轨，由于连续焊接轨道在炎热的天气中可能变形而导致列车脱轨，因此需要采取措施控制钢轨的热胀冷缩。在多跨桥梁的高铁中，夹具和锚具得到了广泛的应用。对一座斜拉桥上的多种伸缩装置进行了比较。研究发现，控制热对轨道的影响是通过在沿着主梁的某些地点贴应变片和在主梁两端的大膨胀装置。对一座长112m的单塔斜拉桥进行了数值分析，证明在塔与梁的连接处采用伸缩装置可以显著减小钢轨的纵向位移和应力水平。我国《高铁设计规范》中已经提出了基于性能的地震危险性要求，但这些一般要求只适用于小跨度桥梁（即小于48m的主跨）。我国大跨度高铁桥梁抗震设计与分析需要因地而异。例如，大部分大跨度高铁桥梁确实沿纵向安装了阻尼器，以降低列车在地震或紧急制动下的大动力响应。与抗震设计问题类似，大跨度桥梁的气动效应也被逐个考虑，但我国大多数大跨度桥梁的设计过程都是经过动力分析和多尺度风洞试验的。李先生和王先生等人发现主梁的挠度会受到列车速度和风速的影响。李先生对交叉梁连接的双梁进行了风洞试验，以确定最佳的深宽比模式，从而获得更好的气动性能。长期过大的缺陷（蠕变效应）会导致轨道表面不平整，威胁到高铁的运行。对于中、大跨度的高铁桥梁，目前所有的大跨度高铁桥梁都采用压载轨道，这种轨道的徐变效应比无载轨道更容易调整。从结构设计的角度来看，在长期荷载组合作用下，徐变效应是通过增加梁的深度和减小梁顶与梁底的应力差控制的。此外，列车速度已被限制在250公里以下，以减少诱发振动。需要指出的是，我国设计规范中考虑蠕变效应的设计理念非常保守，对长期效应的要求正在不断提高。

总体而言，保证桥墩的竖向刚度、梁端转动和纵向刚度是今后高铁桥梁设计的三个最重要的限制。指出国内尚无大型结构健康监测系统记录高铁桥梁的损伤历史，但在传感器的优化布置、不同监测系统的使用、损伤的快速诊断等方面均有研究。

1. 中等长度 (100-200m)

通常采用中等跨度跨越现有公路或铁路。大部分标准跨径的主跨小于100m，最大跨径仅为128 m，预应力混凝土连续梁仍然是其中的一种选择，但对于高铁特殊跨径，可以选择其他形式。表 1 列出了过去五年完成的总共 19 个中等长度跨度。由此可见，系钢拱桥和刚构桥是两种常用的结构形式。这两种形式的混合系统也为特殊跨的设计提供了新的解决方案。每个表格的详细描述将在本节中使用设计示例进行讨论。

表格1中国高铁近期完成的中等长度特殊跨度

• 1. 系钢拱

常用的钢拱桥按拱肋截面的不同可分为管拱和箱拱。

钢管混凝土拱又称钢管混凝土拱，已在北广线、武广段使用。田先生等人证明了斜挂式拱比其它拱具有更好的动力特性，包括更大的竖向刚度和横向刚度。需要注意的是，如图 1a 所示，对带有倾斜吊架112 m长的管拱进行了标准化，因此这种设计可用于跨越现有线路的类似条件。主拱的上升幅度为1/5，相对于 甲板的上升幅度为22.4m。等高拱肋为双圆管，由填充低收缩混凝土的交联管连接。每根钢管直径1.28m，壁厚18mm，两根主拱肋向内倾斜约9度，具有较大的竖向刚度和较大的侧向刚度。吊杆间距8m，采用预应力筋作为主梁的系杆，无水平推力。主梁为单箱预应力混凝土结构，梁深2.5 m,宽 17.8 m, 在恒载作用下的结构响应估计值为：竖向偏差 19.4 mm, 修正转角0.0705。估计单位长度（一米）的材料成本为37.2 m³混凝土、8.9 吨钢和2.1吨预应力筋。主梁上的支撑和主梁两端的大伸缩装置满足平整度要求。这座桥开始施工随着拱肋的制作，混凝土浇铸为系梁。然后，将肋骨垂直旋转到安装在4个弹簧的临时铰链处。在肋骨旋转过程中进行了额外分析，以确保弹簧线处的应力集中符合质量标准。

2008 年建成的亭四合大桥是双轨高铁线路系杆拱桥的典型实例，如图 1b 所示。140m长的拱桥具有1/5的上升跨径比，2.0m等宽拱肋具有薄壁矩形截面，其深度从顶部的3.0m到弹簧线处的4.5m不等。肋间距16 m，与 5个侧向支撑相连。在每根肋下采用单根箱形钢梁，深度3.5m，内宽1.94m，作为拱肋的系杆。吊架被设计为具有等间距孔的刚性组件，以改善空气动力学特性。这座桥的建造消耗了3800多吨钢。采用悬臂法分段架设拱肋，避免了公路运营中断，降低了成本。该段肋骨是由重型卡车起重机通过临时堵塞的半车道在高速公路上吊装，没有使用在肋骨安装工程。在恒载下的结构响应估计值包括48.7 mm的垂直偏差和186%的梁端旋转。由于系梁端部回转度大，采用短梁作为拱与相邻 32m 简支梁的过渡构件。已建成桥梁中的系杆箱拱桥，包括图1c和d所示的其他形式。

• 1. 刚性框架

由于梁和墩之间的刚性连接，与连续梁相比，刚性框架桥可以跨越更大的长度，并提供更好的垂直刚度。这种形式最好是在良好的现场条件，否则它可能遭受下部结构不均匀沉降，导致轨道平顺性降低。完成的例子在高铁线路上包括天洛大桥 (88 160 88) m（图 2a）和流溪河大桥 (84 168 84) m 39（图 2b）。这两个桥具有相似的结构构型。因此，仅选取天洛大桥进行结构设计探讨。

图 2. 中国高铁刚性框架桥。

天洛大桥拟建一座抵抗设计风速达 56m /s 的浅滩海峡，选择该预应力混凝土结构满足 120*24m 的间隙要求，上部结构横截面为变深箱，顶部宽度为13m, 底部宽度为 8.2m, 在与桥墩刚性连接处，箱梁深度为9.8 m，顶壁厚度为55 cm，底壁厚度为100 cm，腹板厚度为150 cm。在两个支撑柱处，底壁加厚至200 cm。在跨中和边跨结束时，箱梁的深度为5.0m，顶壁厚度为45 cm，底壁厚度为50 cm，腹板厚度为100 cm。在主梁的横向增加了三个薄壁以保证主梁的稳定性，每边跨的端部增加两个160 cm 厚的墙，边跨增加一个80 cm 厚的墙。桥面采用双向排水，坡度为2。在主梁的三个方向上都采用预应力筋，以保证主梁结构处于完全压应力状态。预应力千斤顶的拉压力一般在1230～1300 MPa之间。由于桥位腐蚀电位高，采用了高性能C60 级混凝土。梁每米材料消耗混凝土26.1 m³，钢材3.3t，预应力筋1.5t。

刚性框架的支撑物通常是两个薄壁支腿。在这种情况下，采用两根间距为8m 的垂直支腿，支腿高度与主跨比为0.2，保持支腿和横梁上的最佳应力分布。腿的横向宽度为10 m，纵向宽度为2.2 m。与单腿相比，两腿的使用提高了梁的纵向刚度，并为跨中提供了相对灵活的约束。两柱由（14.5m times;19.7mtimes;5m）的立方体混凝土桩帽和12根直径为2.5 m的钻孔灌注桩支撑，桩腿采用C45级混凝土，桩帽采用C30级混凝土。刚性框架的施工通常采用悬臂法。主梁的架设从支座开始，闭合在每边跨的中跨和末段。悬臂法的关键问题是，需要实时监测以测量每个节段的位置，并在梁的顶部保持理论上的线形。对于天洛大桥，需要额外的分析来测量和控制施工阶段的梁的动力响应。对该桥进行了动力分析，发现结构的实际反应优于综合模型的估计关于火车和结构的。研究还发现，增加声屏障的深度可以提高列车的稳定性。

图 3。中国高铁混合拱-刚构桥。

3.3. 拱形刚架

如前所述，系杆拱和刚构桥在高铁线路上都具有一定的优势。当钢拱或刚架的使用不能满足间隙要求时，这两种形式的混合系统也是一种选择。中国高铁线路的例子包括图 3a 中的昆阳大桥和图 3b 中的宜昌长江大桥。下面讨论与昆阳大桥有关的这种混合动力系统的关键结构特征。

昆阳大桥主跨为 (64 times;136 times;64) m 的双线联合客运高铁线路，主梁宽11.5m，双箱截面，跨中3.5 m至支座7.0 m不等。采用高性能C60级混凝土来提高结构在环境影响下的耐久性能。这些尺寸比纯

资料编号：[4407]