试论中国铁路桥梁技术发展与展望

试论中国铁路桥梁技术发展与展望

摘 要：本文以时间为线索，论述了新中国成立以来具有典型特征的铁路桥梁在跨径、结构形式、工程材料、施工工艺、技术装备等各个方面所取得的技术进步。简要地介绍了我国铁路桥梁的现状和解放以来的发展历程 ,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; 技术成就; 桥梁科技；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 20 m ,1975 年铁道部对小跨度的钢筋混凝土桥编制了标准设计 ,在 4～20 m 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 23.8 m T 型截面的 PC 梁 ,1957 年编制了跨度 19.8～27.7 m 的标准设计 ,以后又生产了31.7 m 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、40 m 跨度的箱型截面梁。目前 ,铁路预应力混凝土简支梁最大跨度为 64 m。

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 , 目前常见的有 32 m 和 40 m 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。

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 112 m (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 176 m ,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 ,前者是一座主桥结构型式为连续钢桁拱结合的公铁两用桥 ,最大跨度达到 216 m ,而后者是一座斜拉索加劲的公铁两用连续钢桁桥 ,主桥孔径布置为 180 m + 312m + 180 m。这2 座大桥的跨度和结构型式代表着目前我国铁路钢桥的最高水平。

2提速对桥梁结构的影响

2.1 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 120 km/ h ,货车的车速小于 60 km/ 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160 km/ 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。当冲击系数增大时 ,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 ,《铁路桥梁检定规范》对各类型中小跨度的桥梁均作了明确的规定。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。

2.2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) 小跨度钢筋混凝土桥梁

这类型桥梁具有足够的横向刚度 ,但普通采用的是板式橡胶支座。现场测试发现 ,由于支座处横向约束不足 ,高速列车进桥时的冲击作用往往使梁体会产生一横向刚体位移 ,其值比弹性体振动位移值大得多 ,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 梁结构连接时 ,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。

3高速铁路桥梁的主要特点

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。

3 .1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 , 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 / 1 800～L / 2 000 。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/ 4 000 。

3.2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 ,国际铁路联盟推荐尽量采用刚劲的上部结构。

1) 小跨( L≤20 m) 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(20 m 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 ,往往将桥面系做成正交异性钢桥面板结构或做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 10 m 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。