工程结构(2014) 233–241

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工程结构

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综述文章：

中国高速铁路中大跨径桥梁设计与施工的最新进展

胡楠，戴公连，严彬，刘科

土木与环境工程，密歇根州立大学，东兰辛，MI 48824部，美国

中南大学土木工程学院，湖南长沙410075

摘要:

在跨越一定障碍时，比如河流，现有公路等等，高速铁路（高铁）中大跨径桥梁扮演着十分重要的角色。本文供述了对中国高铁此类特殊跨径桥梁设计实践的主流观点。规范的标准跨径通常小于100米，特殊跨径根据长度主要分为两类：中等跨径（100 - 200米）和大跨径（200 - 500米）。对于中等跨径，有三种可行性结构形式设计方案，分别为钢拱，钢架以及混合式拱桥。此外，近期完成了包括钢桁拱和斜拉桥此类中国高铁大跨径桥梁特点的一些创新的结构形式。最后，对大跨径铁路桥梁关键技术特点进行了总结，以及对长跨度铁路桥梁可行性的讨论。

关键词：

高速铁路，桥梁，设计，施工，中跨径，大跨径

目录：

1绪论 ...............................................................................................................................233

2偏转转制 .......................................................................................................................234

3中跨径（100-200）........................................................................................................235

3.1钢连拱 ....................................................................................................................235

3.2钢架 ....................................................................................................................236

3.3刚架拱混合 ..........................................................................................................237

4长跨径（200-500）........................................................................................................237

4.1钢桁架拱 ..........................................................................................................237

4.2斜拉索桥 ..........................................................................................................239

5讨论 .........................................................................................................................239

6总结 .........................................................................................................................240

致谢 ..........................................................................................................................240

引用 ..........................................................................................................................240

1绪论

高速铁路（高铁）提供了一个快速和强大的旅游功能并且提高了大众的生活质量，支撑着经济的增长。日本是第一个建立高铁旅游客运专线的国家，也就是著名的新干线。1964年日本为迎接东京奥运会开通了第一条东京-大阪段新干线。高铁建设最早只在少数几个欧洲国家，而今扩大至区域服务网络化。在过去的几十年里，有13个国家拥有发达的高铁网络，主要遍布在欧洲与东亚。来自这些国家的国际实例证明高速列车能够达到的速度超过250公里/小时的高速客运专线大大节约了出行时间。这些国家详尽的高铁历史发展记录可以通过Taniguchi[1]，Bouley [2]，欧洲委员会[3]，Gourvish [4]，Zuber [5]，Harrison [6]等人的资料获知。

中国高铁线路由现有的平均250公里/小时升级至平均350公里/小时，包括9356公里的新建线路和3209公里的线路升级。到2020年，中国高铁总长度将达到20000公里以上，并将形成一个连接所有省会城市以及超过五百万人口的城市的完整网络网格分布。作为中国一个典型的高铁线路，大部分由跨径小于40米的标准化跨径简支梁（24 m，跨度32 m和40 m）组成，以及一些标准化的连续梁桥（主跨径从48米到100米）组成。例如，在北京-上海段的桥95%为标准跨径（90%简支梁以及5%个连续梁），只有5%为特殊跨径。尽管中，大跨径桥梁只覆盖了高铁线路的一小部分，它在整个线路中却起着关键性作用，跨越物理屏障，包括现有的公路，铁路线和河流等。

在桥梁设计中，合理的选择具有成本效益的结构形式是桥梁设计的主要任务。在过去的两个世纪中，大跨径铁路桥梁主要在具有更长的跨径跟更多样化的形式的结构形式中进化。在蒸汽铁路诞生的基础上广泛修建了铁桁架桥，以支持这些最早的铁路列车。在第十九世纪末，为支持列车更大的活载先后修建了三座里程碑式的铁路桥，包括EADS桥（1874，158米），布鲁克林大桥（1883，486.3米），和铁路桥湾（1889，521米）。这些桥梁代表了先进的建筑技术，用于拱桥，悬索桥和悬臂桁架桥。那些公认的跨越的发展依赖于钢铁的使用，而不是铁，从而降低了自重。随着铁路在第二十世纪初扩展到世界各地，工程师们更注重更强大、更久的桥梁，并且不增加太多的重量，一批大跨径桥梁就此建成，如纽约地狱门大桥（1916）和悉尼港大桥（1932）。在上世纪70年代，日本开始建设连接本州和四国岛的本州四国桥梁工程，而冈山和香川之间的联系仅依靠铁路。为支持公路与铁路的建设，一共有六座大跨度桥梁建成，包括一个连续的桁架桥，斜拉桥，三座悬索桥。目前，中国在普通铁路升级和新高铁建设方面大量领先。

1937年钱塘江大桥的建设完成标志着我国铁路桥梁发展的开始。并分别在武汉（1957）和南京（1968）建立了两座里程碑式钢桁梁桥。自那时以来，钢桁架桥作为中国铁路桥梁主要的结构形式，直到2000年在芜湖建立了第一个横跨长江312米的斜拉桥。然后，一系列的斜拉桥开始计划和建造[ 7 ]。由于对轨道平顺性和高速列车的稳定的需要，类似于高铁标准跨径的设计、特殊跨径的设计也需要一个严格的限制。一定范围内，场地条件、结构形式可有几种选择[8,9].在中国高铁的特殊跨径可以分为以主跨长度的两类：中等长度（100–200米）和大型（200–500米）。几个主跨500米以上的较长斜拉桥也在其中。目前中国高铁没有采用悬索桥，悬索桥太过灵活，既保持低挠度梁和轨道，又以满足高铁的服务范围并不容易。高速铁路悬索桥在我国使用的进一步研究仍在进行中。本文的目的是提出一个关于中国高铁中、长跨径关键技术的新兴设计与施工理念，包括设计理念、主要结构尺寸和施工方法。对于中等长度的桥梁，讨论了三种形式，包括钢拱、刚架和混合式拱桥。对于大跨径桥梁，重点讨论了钢桁架拱和桁架斜拉桥。本文总结了未来特殊跨径高铁建设的结构选择。

2扰度控制

高铁需要很高的挠度限值以保证轨道平顺性。无论是什么结构形式的特殊跨径，火车跨越时的平均设计速度都超过250公里/小时[10]，因而对主梁的挠度控制仍然是关键。因为很难调整无砟道床甲板的平滑度，无砟道床桥梁阈值要高于有砟道床。因此所有中国大跨径高铁均采用有砟道床。然而，对于大跨径桥梁并没有详尽的规范，于是这些桥梁的设计与分析通常至少满足小跨径高铁桥梁的最低限制。如下关于小跨度挠度控制的四个关键点：（1）梁的垂直偏转小于2毫米；（2）在梁端的旋转小于0.4%；（3）长期的挠度（例如，蠕变效应），小于L/ 1000（L是每米变形多少毫米)；所有规条件必须满足以确保轨道的平顺性以及列车的安全。

高铁的轨道稳定性和光滑性高度依赖的纵向和横向主梁挠度的控制。由中国原铁道部（MOR）设计规范对短期和长期挠度的短长度的连续梁[ 11 ]有一定的要求：垂直偏转必须小于1.1L/ 1000（L是主跨）；横向偏转必须小于L/ 4000；在有砟道床上梁端旋转必须小于0.2%，而在无砟道床上则应小于0.1%。然而，设计规范并没有对于包括中长连续梁、拱桥和斜拉桥等特殊跨径桥梁提出要求。只能通过对国际类似桥梁扰度控制的研究与对比确定大跨径桥梁扰度值的一个范围。

与传统铁路桥梁较高的维护性限制设计相比，其他相关动力技术问题已被以前许多的研究解决，如抗震性能[ 13-17 ]，轨道结构相互作用[18-20]，徐变效应[21-22]，热效应[ 23 ]等，在我国高速铁路桥梁的发展中，这些特殊问题（如热膨胀、抗震设计、风效应和蠕变效应）已被考虑，在额外增加负载的情况下分析可能会导致大扰度的问题。（1）单跨100米长时，需要采取措施来控制钢轨的热膨胀和收缩。因为在炎热的天气下，连续焊接铁轨可能会变得扭曲，导致火车脱轨。分段和锚钉广泛的应用在高铁上的多跨桥梁[ 24 ]。朱[ 25 ]比较了斜拉桥伸缩装置的多种组合发现，最佳控制轨道上热效应的方式是沿着主梁在某些点上使用小片段并在梁的两端设置大型膨胀装置。严[ 26 ]对一座单塔112米长的斜拉桥进行了数值分析，证明了在塔和梁的联合段加入扩展装置轨道的纵向运动和应力水平可以显著降低。对于地震危险性要求，我国高速铁路设计规范中也有提到，但一般要求只适用于小跨径桥梁（即主跨跨径小于48米）。（2）中国大跨径高铁桥梁抗震设计与分析所需在不断变化。例如，岳[ 27 ]表明，大多数大跨径高铁桥梁沿纵向安装阻尼器以确保在地震或紧急制动的情况下降低巨大的动量。（3）类似的抗震设计问题，大跨度桥梁的空气动力效应也被考虑，但在中国许多大跨度桥梁的设计过程经历了动态多尺度风洞试验分析。李等[ 28 ]和王某等人[29]发现主梁的挠度可以受列车速度和风速的影响。李[ 30 ]进行了一个风洞试验，通过交叉梁连接的双梁，以确定一种较好的空气动力性能的深宽比优化。（4）过多的长期挠度（蠕变效应）可能会导致轨道表面不平衡，这可能会威胁到高铁列车正常运行。对于中大跨径高铁桥梁，所有长跨径桥梁目前使用的都是有砟轨道，它的蠕变作用比无砟轨道更容易调整。从结构设计角度看，在长期荷载作用下，通过增加梁的厚度，降低梁顶和梁底应力的差异以控制徐变效应。此外，火车的速度已被限制在低于250公里/小时，以减少引起的振动。值得注意的是，在中国设计规范中考虑蠕变效应的设计理念是非常保守的，并且在其长期影响方面进行了改进。总的来说，在未来的高速铁路桥梁设计中三个最重要的限制是为了保证梁端竖向刚度、旋转和桥墩纵向刚度。值得注意的是，我国高速铁路桥梁史上没有任何健全的大型结构监测系统记录的偏转数据，但

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