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中国大跨度高速铁路桥梁技术的发展与展望
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文章信息 文章历史： 2017年7月18日收到 2017年11月17日接受 2017年11月21日在线提供 关键词： 高速铁路 长跨桥梁 多功能组合桥 高性能材料 具有三种电缆平面的空间结构的整体制造 |
摘要 随着我国高速铁路的快速发展，修建了大量大跨度桥。目前，修建的高速铁路桥最长主跨度只有630米。正在建设中的胡同长江大桥和五峰山长江大桥的主跨度将会长得多，各为1092米。为了克服大跨度高速铁路桥梁源于巨大的自重和相对较小的结构刚度引起的技术问题，开发了桥梁施工、设计、材料等方面的新技术。本文综述了我国公路、铁路联合桥梁和铁路多轨桥梁等多功能联合桥梁的建设技术进展。介绍了新型桥梁和复合桥梁结构的创新和实践，如三索面、三主桁架、斜主桁架、板桁架复合结构和钢混凝土复合结构的桥梁。此外，还总结了对大跨度铁路桥梁的高性能材料、整体制造和安装技术的研究。最后对大跨度高速铁路桥梁的发展进行了展望。 2017年作者。由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CCBY-NC-ND许可下的一篇开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。 |
1.介绍
由于国土辽阔，人口众多，铁路在全国交通运输系统中占主导地位。我国大部分早期铁路桥梁的设计运行速度不允许超过160公里/小时。首次尝试将最大设计运行速度提高到250公里/小时在秦沈客运专线(PDL)上进行，并于1999年开始建设。在21世纪初，中国启动了大规模的高速铁路项目，在北京-上海高速铁路和武广高速铁路成功建设后，其最大设计运行速度为350公里/小时。截至2016年底，高铁已经通车的里程共有22000公里。
作为高速铁路的重要组成部分，在我国建设的高速铁路总长度中，有一半是桥梁。例如，85%以上的京沪高铁都是由预应力混凝土简单构成的支撑式箱梁桥，跨度为32米。
然而，中国是一个幅员辽阔的国家，地理特征多样，气候复杂。中国西部有干燥的高原、壮丽的山脉、较大的峡谷和湍急的河流，而中国东南部有大海和宽阔的河流。因此，中国东南部的大跨度高速铁路的桥梁必须能够跨越河流和海峡。60多座桥的主跨度超过200米，约10座桥的主跨度超过500米，两座桥的跨度超过1000米。表1列出了中国已建设或在建的16座大跨高速铁路桥的主要设计参数。
因此，为了高速铁路运行安全和舒适，有必要建立大跨度高速铁路桥梁耦合动力分析模型。模型中应综合考虑桥梁结构、车辆、轨道等因素的影响，以评价桥梁结构的动态性能，其关键是获得更大的结构刚度和更好的轨道规律性。表2提出了对轨道规律性的要求。
应对桥梁结构、材料和施工技术进行系统的研究，以实现对大跨高速铁路桥梁轨道规律性的要求。
❊通讯作者。
电子邮件地址：qinshq@cae.cn(秦先生）
https://doi.org/10.1016/j.eng.2017.11.001
作者由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CCBY-NC-ND许可下的一篇开放获取文章
（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。
表1
中国16座大跨高速铁路桥的主要设计参数。
桥梁名称 主跨度(m) 速度（kmh1) 桥型 功能 建成时间
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武汉市天兴洲长江大桥 504 2x336 3x168 5x168 567 450 630 580 445 1092 1092 588 432 336 436 672 南京市大关长江大桥 济南黄河大桥 高速铁路 正新黄河大桥在北京- 广州高速铁路 位于武汉的黄冈长江大桥- 黄冈高速铁路 南广市肇庆西河大桥 高速铁路 位于合肥-福州的铜陵长江大桥 高速铁路 宁-安庆市安庆长江大桥 高速铁路 沪昆高地北盘河大桥 高速铁路 胡同长江大桥 五峰山长江大桥 位于商丘至杭州的芜湖长江大桥 高速铁路 重庆新白石托长江大桥 城市 位于成都-贵阳的宜宾金沙江大桥 高速铁路 成都贵阳亚八河大桥 高速铁路 九江长江大桥 高速铁路 |
250 300 350 350 250 250 250 250 300 250 250 250 250 250 250 250 |
钢桁架梁斜拉桥 4R 6H 6R 4R 2R 6H 2R 4H 2R 4R 6H 4R 2R 4R 6H 4R 8H 4R 6H 6R 4R 6H 2R 4R 钢桁架拱桥 钢桁架拱桥 钢桁架梁斜拉桥 钢桁架梁斜拉桥 钢箱拱桥 钢桁架梁斜拉桥 钢桁架梁斜拉桥 钢筋混凝土拱桥 钢桁架梁斜拉桥 钢桁架主梁悬索桥 钢桁架梁斜拉桥 钢桁架梁斜拉桥 钢箱拱桥 钢桁架拱桥 钢箱梁斜拉桥 |
2009 2011 2011 2012 2014 2014 2015 2015 2016 在建工程在建工程在建工程 在建工程 在建工程正在在建工程正在设计工程 |
在功能列中，R表示铁路，H表示高速公路；例如，4R6H表示四线铁路和六车道高速公路。
表2
对轨道规则性的要求清单。
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项目 |
单位 |
干线铁路(200km.h-1) |
高速铁路(350km.h-1) |
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梁端坡（最大） |
103rad |
3 |
镇流器轨道：2 |
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无镇流器轨道：1 |
|||
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轨道不规则性（最大值） 轨道超高程时变率（最大值） |
mm.(3 m)1 mm.s1 |
3.0 / |
1.5 25 |
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纵坡（最大） |
permil; |
6 |
20 |
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铁路轨道半径（垂直曲线、最小值） |
m |
15 000 |
25 000 |
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铁路轨道半径（水平曲线、最小值） |
m |
3 500 |
7 000 |
2.多功能组合桥梁施工技术
桥梁项目的场地是一种自然资源。由于长江是“黄金水道”，航运繁忙，沿河的滨水面积非常珍贵。作为桥梁选址的良好选择，不仅要尽量减少桥梁建设对河流航运、环境和经济的影响，而且要满足通过铁路、公路等交通方式日益增长的过河需求。因此，为了平衡相互冲突的需求，提出了一种由高速公路、铁路、城市公路和轨道交通组成的多功能组合桥的方案。
2.1.公路和铁路联合桥
公路和铁路结合的桥梁是公路和铁路共用的桥梁。公路和铁路是分开的，以便火车可以与汽车同时运行。例如，胡同长江大桥(图1)由沪通铁路、沪苏嘉兴城际铁路和从无锡至南通的高速公路共享[1].天兴洲长江大桥由京广州和沪武成都高铁共享，然后走在武汉的第三环路旁[2,3](图2).五峰山长江大桥[4](图3)和成贵高铁上的宜宾金沙江大桥也是共享桥梁。
2.2.多轨铁路桥梁
多轨铁路桥允许通过两条或更以上的轨道。安庆长江铁路大桥载有四条铁路轨道，其中包括两条双线铁路：宁至安庆高铁和阜阳至景德镇铁路[5].新白石洲长江大桥由渝贵阳高速铁路、渝长沙高铁、渝贵阳高速铁路共有6条轨道[6].另一个六轨铁路桥的例子是大关长江大桥(图4)，由京沪高铁、沪-武汉-成都高铁和南京地铁共享[7,8].
公路、铁路桥和多轨铁路桥更好地利用了大跨度桥梁的结构宽度和刚度。与单独的公路桥梁和铁路桥梁相比，多功能组合桥梁大大节省了建筑材料的使用，从而大大减少了总投资。
图1.胡同长江大桥（单位：m）
3.桥梁结构创新
3.1.三索平面和三主桁架结构
客货混合铁路设计活载根据中国标准铁路活载获得，包括均匀负荷，强度为80kNm1模拟车辆和5个220kN集中力在1.5m的距离来模拟牵引机车。重型运输铁路的设计应采用较大的设计荷载。但高速铁路设计采用ZK活载，负荷强度为64kNm1。单线铁路的设计实际负荷相当于六车道或八车道高速公路的设计实际负荷。因此，由于活的重载，铁路桥的内力非常大。
以最近修建的公路和铁路钢桁架梁桥为例，上层甲板上通常有6到8条公路车道，公路下穿过桁架通常有4条（甚至6条）轨道。由于桥桁架较宽，横截面的横向变形很大，影响高速铁路的运行。由于结构的变形源于结构的柔韧性，因此增加梁的横向刚度是减少变形的一种有效方法。如果材料保持不变，两种常用的方法是增加截面几何形状或缩短梁的跨度。
图2.位于武汉的天兴洲长江大桥。(a)三电缆平面，
(b)横截面布置（单位：m），(c)以建大桥
三索平面和三主桁架结构在传统的两平面主桁架中又增加了一个桁架平面，并将一个矩形框架分成两个并排的矩形框架。铁路的四条轨道分为两个双线组，每条双线铁路分为一个框架。三索平面、三主桁架结构是桥梁结构设计和运行的好方案，由简单支撑改为连续横截面，使力学条件更加合理，减少了变形，增加了轨道行驶的舒适性。相应地，电缆系统有三个电缆平面。三索平面、三主桁架结构首次应用于武汉的天兴洲长江大桥[9]lt;
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