我国铁路桥梁的现状和展望

・本刊特稿・

我国铁路桥梁的现状和展望

项海帆　吴定俊

(同济大学土木工程学院　上海　200092)

　　　　项海帆, 男,1935年12。现任同。我国著名

、桥梁结构理论与工程　　摘　, 论述了既有桥梁提速后出现的问题以及解决问题的对策、高速铁路桥梁的特点和设计要求, 最后对新世纪铁路桥梁的几个主要发展方向的前景做了评述。

关键词　铁路桥梁　高速铁路　铁路提速　展望

1　我国铁路桥梁的现状

铁路桥梁由于荷载大、动力响应剧烈, 与公路桥梁相比, 其结构形式创新和跨度发展的速度受到了制约。在众多的铁路桥梁当中, 简支的中小跨度桥梁占有很高的比例, 主要型式有:

(1) 钢筋混凝土简支梁　跨度一般小于20m , 1975年铁道部对小跨度的钢筋混凝土桥编制了标准设计, 在4～20m 跨度范围内编制了8种不同跨度的定型设计。

(2) 预应力混凝土简支梁　20世纪50年代初试制的是跨度2318m T 型截面的PC 梁,1957年编制了跨度1918～2717m 的标准设计, 以后又生产了3117m 的T 形截面的PC 梁, 这种跨度梁在目前铁路建设中被广泛的采用。80年代后, 又设计了24m 、40m 跨度的箱型截面梁。目前, 铁路预应力混凝

目前常见的有32m 和40m 两种跨度。下承式板梁主梁间距大于上承钢板梁, 又带有纵横梁结构的桥面系, 因此, 下承式板梁横向刚度较大, 稳定性好。由于预应力混凝土梁的普遍采用, 目前铁路建设中这种型式桥梁很少采用。

(4) 简支钢桁梁　有上承式、半穿式和穿式桁梁桥3种。半穿式桁梁桥其横截面为开口截面, 抗扭刚度和横向刚度小, 不适合高速行车, 主要用于中等跨度的桥梁上, 常见的定型设计跨度有40m 、44m 、48m 这3种。常见的下承式桁梁桥大多为定型设

计, 其跨度范围在48～128m 之间。

解放以来, 在发展上述各类简支梁定型设计的同时, 也着力于铁路桥型新结构发展。圬工梁桥方面,50年代在修建成渝、宝成铁路时建造了许多石拱桥、钢筋混凝土拱桥、预应力混凝土系杆拱桥, 如兰新线的单跨56m 预应力混凝土系杆拱桥, 迄今仍是世界少数几座混凝土系杆拱桥之一。60年代起, 相继建成预应力混凝土连续梁桥、悬臂梁桥、斜拉桥、斜腿刚架桥等, 其中80年代建成湘桂线红水河斜拉桥为双线双塔双索面预应力混凝土斜拉桥, 主跨达96m , 标志我国铁路桥梁设计、施工技术达到

土简支梁最大跨度为64m 。

(3) 钢板梁　有上承与下承式2种类型, 解放前遗留下来的钢板梁跨度不一, 解放后进行定型设计,

收稿日期:20001227

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了一个新的水平。随着设计计算理论、材料、施工等技术的发展, 到80年代以上所述的新型桥梁结构设计施工技术日趋成熟, 数量增多, 跨度也越做越大, 1995年建成的金沙江3孔PC 连续刚构桥最大跨度达168m , 石长线的湘江PC 连续梁桥最大跨度达96m 。但在特大跨度的铁路桥梁方面, 钢桥还是占主导地位。20世纪50年代至60年代末, 大跨度钢桁梁基本上以连续钢桁梁为主要结构形式, 如武汉长江大桥、南京长江大桥。70年代起, 出现了简支的刚性桁梁和柔性拱的组合结构, 跨度达112m (成昆线的迎水村桥) 。80年代初建成的汉江钢箱斜腿刚构桥, 斜腿底铰中心距176m , 居世界同类型桥梁跨度第一位。进入90年代后, 新的大跨钢桥结构典型代表分别为九江长江大桥、芜湖长江大桥, 最大跨度达到, 180m +312m +180m 。大量的现场实测资料表明, 客车荷载小, 车辆采用两系弹簧悬挂系统, 动力性能好, 尽管车速较高, 但引起桥梁振动响应均较小, 一般均能满足铁路桥梁检规横向振幅限值的要求; 而采用一系弹簧装置的货车, 特别是空重混编列车, 虽然速度比客车小, 但其引起桥梁的动力响应还是比客车大。因此, 提速时起控制作用的是货车而不是客车。212　主要问题及其对策

既有桥梁在提速运营中主要出现以下几个问题:

(1) , 。, 高速列车, , 影响行车安全。

(2) 预应力钢筋混凝土梁　对于分片式T 梁的结构, 当2片T 梁结构连牢时, 一般横向振幅很小, 如果施工质量不良,2片梁联系较弱时, 会产生超限的横向振幅。

(3) 单线半穿式钢桁梁和上承式钢板梁、钢桁梁　这2种类型的钢梁本身横向刚度差, 先天不足, 普遍横向振幅超限, 因此提速列车经过这些桥梁时, 大都采用限速措施。

对于采用橡胶支座的小跨度钢筋混凝土梁的横向位移, 目前铁路养护部门大都采用在梁端支座处增加支挡结构, 以阻止梁的过大侧向位移, 已取得明显的效果。预应力混凝土分片T 梁采用在2片梁之间浇筑混凝土, 并在2片梁腹板之间施加横向预应力筋。实践证明, 只要2片T 梁之间加强连接, 桥梁的横向刚度就能大大增强。列车过桥时, 桥梁横向振幅明显下降。对于既有各种类型的钢梁, 目前主要采取2种措施:①从结构上进行刚度加固, 修改定型设计; ②在桥上安装减振器, 以减小桥梁的振幅。这2种措施的研究目前尚未取得十分满意的效果, 有待于继续研究。列车通过这些横向振幅超限的桥梁还得采取限速运行, 以确保安全。对于新建的铁路桥梁, 尽量不采用钢板梁和半穿式桁梁桥。213　开展提速状态下桥梁检定标准合理值的研究[2]

我国《铁路桥梁检定规范》是1978年制订的。规范中所规定的既有铁路桥梁的横向振幅限值称之

前我国铁路钢桥的最高水平。

2　提速对桥梁结构的影响

211　动力影响

在提速前的桥梁设计技术标准中, 客车的车速小于120km/h , 货车的车速小于60km/h 。90年代中期, 为提高运营竞争能力, 全国铁路主要干线基本上实行了提速运营, 客车车速提高至160km/h , 货车车速提高至80km/h 。车速提高加剧了桥梁的振动, 由此产生的动力影响主要为:

(1) 车速提高, 桥梁的动力系数(冲击系数) 增大。由于铁路桥梁活载占的比例较大, 当冲击系数再增大时, 可能引起疲劳问题。由于目前电力机车和内燃机车已完全代替了蒸气机车, 而设计规范中轴重和冲击系数均按蒸汽机车来考虑的, 因此虽然提速加剧了桥梁的动力响应, 但其作用一般未超过设计时所考虑的范围。因此, 提速引起桥梁竖向动力响应不是一个突出的问题。

(2) 一些既有桥梁, 由于其横向刚度较弱, 提速后桥梁横向振动振幅超限容易引起列车的脱轨和影响乘客乘坐的舒适度, 这是提速中必须要解决的问题。关于列车过桥时桥梁横向振幅的限值《铁路桥,

[1]

梁检定规范》对各类型中小跨度的桥梁均作了明确的规定。2

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为常见值。常见值的制定是根据当时列车轴重、车

型和速度对48孔简支钢桁梁和15孔预应力钢筋混凝土梁进行现场实测所得的数据再进行统计归纳制订出来的。常见值可以用做判断桥梁结构是否存在某些病害的一种参考值, 但它没有用车桥动力理论作为制订限值的依据。随着车速的提高, 车辆轴重的改变和新结构体系的出现, 许多实测的振幅值超过既有规范所规定的参考限值。从目前情况来看, 并不是一超过限值就是不安全, 因此必须研究桥梁横向振动振幅合理的允许值。允许值是指铁路桥梁为了保证其基本功能的实现所必须满足的限值指标, 即铁路桥梁横向振幅允许值应根据脱轨安全度、旅客过桥舒适度以及养护工作可行性等要求来确定。目前有关院校、许值的研究, 冲击作用将更加剧烈, 因此要比单孔梁单一转角限制得更严。国外高速铁路竖向刚度的要求比我国规定值更严, 如日本要求单跨梁为L/1600, 多跨梁根据跨度不同其竖向刚度限值在L/1800～L/2000。对于桥梁的横向刚度, 各国规定相差不多, 基本都是要求静力计算所得的横向挠度不大于跨度的1/4000。

表1　我国高速铁路暂行规定的桥梁竖向刚度限值L 普通铁路钢桁梁

L ≤24m 24m

L/1000L/1200

3　自有铁路以来, 速度一直是人们追求的目标, 一

般认为时速低于200km 的铁路, 称为普通铁路或快速铁路, 高于200km , 称为高速铁路。1964年世界第一条高速铁路———日本东海道新干线建成, 行车速度达到210km/h , 揭示了铁路这一运输工具同其它运输行业竞争的巨大潜力。高速铁路速度快, 运输能力大, 节省能源及土地, 环境污染轻, 是一种有发展前途的现代化交通工具。继东海道新干线之后, 日本及西欧积极开展高速铁路技术研究与建设, 现在全世界高速铁路总营业里程已超过15000km , 最高运营时速为300km , 最高试验时速达51513km 。

与普通铁路相比, 高速铁路在动力牵引、信号安全系统、线路建筑和养护等方面都有很高技术要求, 作为线路的组成部分, 高速铁路的桥梁设计主要有下述几个方面的特点。311　刚度要求

高速铁路车速比提速列车的速度要高得多, 为保证列车过桥的平稳性和旅客的舒适度, 对桥梁的刚度要求相当严格。表1是我国京沪高速铁路暂行设计规范规定的挠度限值和普通铁路桥梁竖向刚度要求的对照表。多孔桥梁(指简支多跨) 限值比单跨更严, 这是因为梁端转角大小对车辆加减载作用以及对桥梁的冲击作用影响很大, 多孔简支梁梁端处存在相邻两梁端转角, 该处折角是两端转角的叠加,

312　桥型选择及构造要求

高速铁路桥梁由于要求有足够的竖向、横向刚度, 因此在桥型选择上有其特点, 国际铁路联盟[3]推荐尽量采用刚劲的上部结构。

(1) 小跨(L ≤20m ) 　采用带道碴的正交异性板的结构; 型钢混凝土梁; 钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土梁、结合梁结构。(2) 中跨(20m

(3) 大跨(L >60m ) 　双线桁架桥, 上弦设风撑。钢拱桥, 钢筋混凝土或预应力混凝土拱桥。

日本已修建的高速铁路桥梁当中预应力混凝土梁占绝大多数。采用T 形截面时, 各片梁之间要通过横隔板牢固地连成一体, 以增加桥梁的整体性及横向刚度。大跨度桥梁其结构型式多为连续刚构、连续梁桥等。斜拉桥也在北陆新干线中采用, 为增加桥梁刚度, 主梁大都采用刚度较大的箱形截面、塔梁固接, 如屋代桥和第二干曲川桥等。纵横梁桥面体系的钢桁梁在高速铁路桥梁一般不予采用, 当必须采用钢桁桥时, 往往将桥面系作成正交异性钢桥面板结构或作成钢与混凝土结合梁结构。软土路基地段往往采用一种高架桥(俗称板凳桥) 来代替路堤。这种桥梁一般跨度为10m 左右, 可以作成多孔连续, 如北陆新干线是10孔连续。与路堤相比, 采用高架桥占地面积小, 避免采用路堤时不易控制的

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沉降、翻浆、冒泥等问题。所以在日本高速铁路的修建中被大量采用。313　主要设计参数

铁两用桥的修建成功标志着我国铁路桥梁技术进入一个新的时代。但是和世界先进水平相比, 还存在着不少的差距, 特别是柔性大跨度轻型结构在铁路桥梁上应用还存在很多尚未解决的问题。越江跨海的大跨度桥梁的建造是桥梁工程各项技术的综合反映。和公路桥梁一样, 铁路桥梁向大跨度发展除了将面临的材料、非线性力学分析、风振、地震、深水基础施工等极具挑战性问题之外, 还须解决桥梁的合理刚度、疲劳、车桥共振等对铁路桥梁来说更显突出的问题。, m 。自行设计, 而国际上葡萄牙101219m 的公铁两用悬索。目前正在修建的意大利墨西拿海峡大桥主跨达3300m 。表2为世界各国已建成或正在修建的特大

高速铁路与普通铁路桥梁设计参数上的差别主要反映在设计荷载和动力系数这2方面。

目前世界各国已建成的高速铁路, 大部分都是客运线, 只有少数线路采用客货混跑, 所以, 设计荷载一般都比普通线路小, 我国拟建的京沪高速铁路其设计荷载采用018UIC (国际铁路联盟) 荷载。

高速铁路桥梁设计中的冲击系数与一般铁路设计中的表达式不同。一般铁路桥梁的冲击系数表示为跨度(或影响线加载的长度) 函数, 尚有很多不合理成分, 实际上桥梁冲击系数与移动载荷大小度、桥梁的刚度、, 路速度高, , 研究, [4]:

α+i =K a ・

α=

≤016

65+L

(1)

跨度的公铁两用桥一览表。

表2　世界各国特大跨度公铁两用桥一览表桥

名

结构型式

跨度布置/m

竣工

时间

备注

2n ×L

上式中, 第1项反映速度效应对动力系数的影响, 其中K a 为系数, α为速度参数, 是速度v 、频率n 、跨度L 的函数, 根据α数值不同范围, 取不同数值; 第2项表示轮轨之间不平顺引起的动力作用。松浦章夫的研究结果表明, 普通速度下, 速度对车桥动力的影响不是十分突出, 但到了高速铁路的速度, 动力响应随速度急剧增强。小跨度桥, 轨面不平顺对冲击系数的影响大于大跨度桥梁。与铁路桥涵设计规范中的冲击系数表达式比较, 可以看出高速铁路桥梁设计的冲击系数制订是更科学的。我国高速铁路设计暂行规定中将弯矩和剪力冲击系数分开是合理的, 因为在多自由度的结构中, 各力素的动力系数一般是不相等的, 但式中尚未区分速度的不同和轨道不平顺程度对结构动力响应的影响, 这项内容还须进一步研究完善。

葡萄牙4月悬索桥48314+101219+公铁

1966年

(钢箱主梁) 25日桥48314两用日本柜石岛斜拉桥(钢箱主梁) 大桥日本南备赞

濑大桥中国香港青马大桥

悬索桥悬索桥

185+420+185

1987年

公铁两用公铁两用

274+1100+2741988年

35516+1377+63+公铁

1997年

7615+4×72两用80+80+430+80+80180+3300+180

1997年

中国香港汲斜拉桥

(钢箱主梁) 水大桥意大利墨西

拿海峡大桥

悬索桥

公铁两用公铁两用

在建

　　悬索桥其主要承重结构缆索在受力时截面均匀受拉, 材料得到充分利用, 是目前桥梁跨越能力最强的结构型式, 世界上已有成功用于铁路的先例, 但悬索桥刚度小, 列车行驶时纵向, 横向振动衰减慢, 长跨梁端部挠角大, 于行车不利。随着科学技术的发展和生产的需要, 不久将来, 这种长跨式的桥梁将在我国铁路建设中出现。

和悬索桥相比, 斜拉桥具有较大的刚度, 容易满足行车要求, 对抗风稳定也有利, 将是铁路桥梁向大跨度发展的主要被选用的桥型之一, 公路上斜拉桥

4　新世纪铁路桥梁展望

411　发展大跨度铁路桥梁[5]

新中国成立以来, 铁路桥梁从较单一的简支结构到今天的连续梁、刚构、拱式桥、斜拉桥等多种结构形式, 其发展速度是很快的, 长江、黄河上几座公4

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已具有较成熟的设计和施工经验, 可供建造铁路大

跨度桥梁借鉴。在新世纪中, 斜拉桥将更多地应用在铁路桥梁建设中。

中国地域辽阔, 江河纵横, 漫长的海岸线分布着众多隔海相望的岛屿, 研究和发展铁路大跨度桥梁满足铁路交通要求势在必行。目前铁路部门已开始进行更大跨度公铁两用桥的技术研究。预计在本世纪初, 铁路桥梁的新桥式、新的跨度记录将不断出现在中国的江河湖海上。412　开展既有桥梁安全监测、状态评估、剩余寿命计算

中国标准轨铁路上既有桥梁有3万多座, 有相当一部分桥梁是旧中国遗留下来的, 使用年限长。新中国修建了不少大跨度桥梁。土桥梁存在混凝土老化、碱问题。题。。因此对既有桥梁安全监测、剩余寿命的估算是今后一项重要工作。新建的芜湖大桥开展了安全监测工作。许多既有大桥, 如南京长江大桥、九江长江大桥等实行安全监测工作也是非常必要的。新修的铁路桥梁设计除了注意强度、刚度等问题外, 还必须重视耐久性问题的研究。413　制订新的铁路桥梁规范

目前铁路桥梁设计规范基本沿用了1985年规范版本内容, 仅做了局部的修订, 这一桥梁设计规范满足不了铁路桥梁发展新水平的需要, 需要制订新的规范。

首先, 现行铁路桥梁设计规范仍采用了容许应

力法的设计理论, 这是一个早期的设计理论, 基于铁路桥梁荷载大、冲击作用强烈的特点, 规范一直采用比较保守的设计方法。随着科学技术的发展, 人们对结构破坏理论的认识加深, 已普遍感觉到容许应力法设计理论在安全度方面解释上概念模糊, 目前国外一些铁路桥梁设计规范、国内建筑行业、公路桥梁设计普遍采用了以极限状态和可靠度理论为基础的设计规范。铁路桥梁在设计理论上向国际先进水平靠近是势在必行的。

其次, 120km 以下, 、, 、新结构, 必; , 也必须制订相应的规范条文。设计规范反映一个国家对本行业认识的水平。可以预期, 在21世纪所制订的新的铁路桥梁设计规范中, 我们一定会看到中国铁路桥梁事业的最新发展和最新水平。

参考文献

1　中华人民共和国铁道部. 铁路桥梁检定规范. 北京:人民

铁道出版社,1978

2　曹雪琴等. 铁路桥梁刚度检定标准研究总报告. 19993　国际铁路联盟规范. 大桥局科研所译编. 1981

4　日本铁路结构设计标准和解说. 铁道部第三勘测设计院

译编. 1992

5　刘重庆, 张连有. 国外铁路主要技术领域发展水平与趋

势. 北京:中国铁道出版社,1994

敬告本刊作者

　　承蒙广大读者、作者厚爱, 本刊来稿量逐年上升。为了

进一步缩短稿件处理周期, 提高刊物质量, 请本刊作者在投

(载于本刊2000年第1、稿时除认真阅读本刊《稿约》2期)

外, 还着重注意以下事项:

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No. 2, 2001Abstracts and K eyw ords

The present situ ation and prospect of rail w ay bridge in China Xiang Haifang , Wu Dingjun

K eyw ords 　highway tunnel , sh otcrete and rock b olt support , cold weather construction

The general programme , mech anical and computational method of the rail w ay b ateau bridge River Xin Shi

Abstract 　T he paper firstly introduces the present situation of railway bridge in China and its development process after the foundation of New China. T hen , the paper discusses s ome problems caused by speed 2raising in railway transportation and corresponding s olutions , as well as characteristics and design code of high speed railway bridge. Finally s ome comments on railway bridge development in the new cen 2tury are presented.

K eyw ords 　railway bridge , high speed 2of railway , prospect

The to subw ay construc 2tion

Xu Bingzhuang , Cui Haitao

the at b oth peace 2achievements , the paper puts , mechanical m odel and com putational the railway bateau bridge across Y angtze River , which can meet the navigation requirements , obtain high degree of attack 2resis 2tance and be extensively used.

K eyw ords 　Y angtze River , railway bateau bridge , mechanical m odel A study of m ain technical p arameters for speed 2raising renova 2tion of B eijing 2Q inhu angd ao R ail w ay Line Shi Wangxin

Abstract 　G round freezing technique originated long ag o. As a ripe technique , it has been extensively used in subway construction abroad. In recent years , China began to use this technique in subway and conducted a series of research on it. T he paper describes its prin 2ciple , techn ology and key technical points , and proves its reliability and effectiveness in subway construction by tw o exam ples. K eyw ords 　ground freezing technique , subway , application Construction of sh allow subsurface excavated subw ay station us 2ing the method of piling in pilot tunnel Shen J iaguo

Abstract 　T he paper briefly analyzes and ex plains the main technical parameters such as line plane design parameters , line longitudinal cross section and railway track specifications in the ren ovation of Bei 2jing 2Qinhuangdao Railway Line for the purpose of raising train speed. K eyw ords 　speed 2raising of railway , railway line , technical parame 2ter

Construction technology of elastic monolithic track bed at extra 2long Q inling Tunnel

Shi Hongzhong , Wang Ansheng

Abstract 　T he paper mainly describes the meth od of piling in pilot tunnel used in construction of the principal part of D ongdan Subway S tation in Beijing. It gives a detailed introduction to main construction process , and analyzes the advantages and disadvantages of this meth od.

K eyw ords 　subway , station , construction , b ored pile

Shotcrete and rock bolt support technique used in construction of B eijing B ad aling Tunnel under cold w eather Condition Fu Zhaogang , Li Tiexiang , J iang Y ong

Abstract 　T he paper describes in detail the construction techn ology of elastic m on olithic track bed at extra 2long Qinling T unnel , i. e. , selection of material , quality control , preparation and casting of track bed concrete , as well as s ome points for attention during construction. K eyw ords 　tunnel , elastic m on olithic track bed , construction The outlook for application of roadheader to rail w ay tunnel exca 2vation in China

Li J ianying , Lai Diquan , Zhu Qiping

Abstract 　By using early 2strength frost 2resistant agent in cons olidat 2ing anch or b olt , extra early 2strength frost 2resistant thickener and spe 2cial techn ology in sh otcreting , the difficulty arising from freezing weather with an ambient tem perature of -10～-18℃was s olved.

Abstract 　T he merits and especial requirments of roadheaders for railway tunnel construction are discussed , and the developing trends of roadheader in China are brought forward.

K eyw ords 　roadheader , railway tunnel , construction