大跨度高速铁路桥梁技术的发展与创新

···工程3（2017）787研究桥梁工程-评论我国大跨度高速铁路桥梁技术秦顺泉，高宗宇中铁大桥勘测设计研究院有限公司，有限公司、邮编：430050阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年7月18日收到2017年11月17日接受2017年11月21日在线发布保留字：高速铁路大跨度桥梁多功能组合桥高性能材料三索面空间结构整体制作A B S T R A C T随着我国高速铁路的快速发展，大量跨越江河峡谷的大跨度桥梁相继建成。目前已建成的高速铁路桥梁最大主跨仅为630 m。正在建设中的沪通长江大桥和五峰山长江大桥主跨均为1092m，跨度更大。为了克服大跨度高速铁路桥梁自重过大、结构刚度相对较小的技术难题，在桥梁施工、设计、材料等方面开发了许多新技术。本文详细介绍了我国多功能组合桥梁（包括公铁组合桥梁和多线铁路桥梁）施工技术的进展。介绍了三索面三主桁、斜主桁、板桁组合截面、钢-混凝土组合截面等新型桥梁和组合桥梁结构的创新与实践此外，还对大跨度铁路桥梁的高性能材料和整体制架设技术的研究进行了总结。最后，对大跨度高速铁路桥梁的未来发展进行了©2017 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍我国幅员辽阔，人口众多，铁路在国家交通运输体系中占有主导地位。中国早期铁路桥梁的设计运营速度大多不允许超过160 km h-1。秦沈客运专线于1999年开工建设，首次尝试将最高设计运行速度提高到250 km h-1。21世纪初，继京沪高速铁路、武广高速铁路建成后，中国又开始了大规模的高速铁路建设，最高设计运营速度达到350 km h-1。截至2016年底，已建成通车的高速铁路总里程达桥梁作为高速铁路的重要组成部分，在我国已建成的高速铁路中，桥梁占到总里程的一半。例如，京沪高速铁路85%以上的*通讯作者。电子邮件地址：qinshq@cae.cn（新加坡）秦）。跨度为32 m的有支撑箱梁桥然而，中国幅员辽阔，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、大峡谷和湍急的河流，而中国东南部有大海和宽阔的河流。因此，我国东南地区的大跨度高速铁路桥梁必须能够跨越河流和海峡。超过60座桥梁的主跨超过200米，大约10座桥梁的主跨超过500米，两座桥梁的主跨超过1000米。表1列出了中国已建成或在建的16座大跨度高速铁路桥梁的主要设计参数因此，为了保证高速铁路在大跨度桥梁上的运行安全性和舒适性，有必要建立大跨度高速铁路桥梁的耦合动力分析模型。桥梁结构、车辆、轨道等的影响应在模型中综合考虑了结构刚度和轨道平顺性的影响，以评价桥梁结构的动力性能，其关键是获得较大的结构刚度和较好的轨道平顺性。表2列出了轨道平整度的要求为满足大跨度高速铁路桥梁对轨道平顺性的要求，必须对桥梁结构、材料和施工技术进行系统研究。https://doi.org/10.1016/j.eng.2017.11.0012095-8099/©2017 THE COMEORS.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。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng788S. 秦， Z. Gao /工程3 （2017）787表1我国16座大跨度高速铁路桥梁主要设计参数桥梁名称主跨（米）设计运行速度（km·h-1）桥梁类型功能竣工年份武汉天兴洲长江大桥504 250钢桁梁斜拉桥4R6H 2009南京大胜关长江大桥2× 336 300钢桁拱桥6R 2011京沪济南黄河大桥3× 168 350钢桁拱桥4R 2011高铁北京正新黄河大桥广州高铁5 ×168350钢桁梁斜拉桥2R 6H2012武汉黄冈长江大桥567250钢桁梁斜拉桥2R 4H2014黄港高速铁路南广肇庆Xi河大桥450250钢箱拱桥2R2014高铁合福铜陵长江大桥630250钢桁梁斜拉桥4R 6H2015高铁宁安长江大桥安庆段580250钢桁梁斜拉桥4R2015高铁沪昆高架北盘江大桥445300钢筋混凝土拱桥2R2016速铁路沪通长江大桥1092250钢桁梁斜拉桥4R 6H在建五峰山长江大桥1092250钢桁梁悬索桥4R 8H在建商丘-杭州芜湖长江大桥588250钢桁梁斜拉桥4R 6H在建高铁重庆新建白沙沱长江大桥432250钢桁梁斜拉桥6R在建市成贵宜宾金沙江大桥336250钢箱拱桥4R 6H在建高铁成贵高架鸭池河大桥436250钢桁拱桥2R在建速铁路合九九江长江大桥672250钢箱梁斜拉桥4R正在设计高铁在功能栏中，R表示铁路，H表示公路;例如，4R 6H代表四线铁路和六车道公路。表2轨道规则性要求一览表。轨道超高时变率（最大）mm·s-1/25纵坡（最大）‰ 6 20铁路轨道半径（竖曲线;最小值）m 15000 25 000铁路轨道半径（最小水平曲线）m 3500 7 0002. 多功能组合造桥技术桥梁工程场地是一种自然资源。由于长江是“黄金水道”，航运繁忙，沿江的滨水区非常珍贵。 一个好的桥址选择，既要尽量减少建桥对河流航运、环境和经济的影响，又要满足日益增长的铁路、公路和其他交通方式过河的需求。为此，提出了公路、铁路、城市道路、轨道交通多功能组合桥的方案，以平衡相互矛盾的需求。2.1. 公铁两用桥公路铁路两用桥是公路和铁路共用的桥梁。公路和铁路是分开的，这样火车就可以和汽车同时运行了。例如，沪通长江大桥（图1）与沪通铁路、沪苏嘉城际铁路和无锡至南通的高速公路共用天兴洲长江大桥为京广、沪武蓉高速铁路共用武汉市三环路附近[2，3]（图2）。成贵高铁上的五峰山长江大桥[4]（图32.2. 多线铁路桥多轨铁路桥允许两条或多条铁轨通过。安庆长江铁路大桥有四条铁路线，其中包括两条双线铁路：新白沙沱长江大桥有渝贵高铁、渝长高铁、渝贵普速铁路共用的6条轨道另一个六线铁路桥的例子是大胜关长江大桥（图4），它由京沪高速铁路、上海-武汉-成都高速铁路和南京地铁共享公铁两用桥和多线铁路桥更好地利用了大跨度桥梁的结构宽度和刚度。多功能组合桥与公铁分离桥相比，大大节省了建筑材料的使用，从而大大降低了总投资。项目单元干线铁路（200km·h-1）高速铁路（350km·h-1）梁端坡度（最大）×10-3 rad3有碴轨道：2无碴轨道：1条轨道不平顺（最大）mm·（3m）-13.01.5··S. 秦、Z。 高/工程3（2017）787-794789图1.一、沪通长江大桥（单位：米）。3. 桥梁结构创新3.1. 三索面三主桁结构客货共线铁路设计活载是根据我国铁路活载标准确定的，其中包括模拟车辆的80 kN m-1均布荷载和模拟牵引机车的5个重载铁路设计应采用较大的设计荷载而高速铁路设计采用ZK活载，荷载强度为64 kN m-1。单线铁路的设计活荷载等于六车道或八车道公路的设计活荷载因此，铁路桥梁的内力是非常大的，由于沉重的活载。以近年来建成的公铁结合钢桁梁桥为例，通常上层桥面有6 ~ 8条公路车道，公路下有4条（甚至6条）铁轨穿过桁梁。由于该桥桁架宽度较大，横截面横向变形较大，影响高速铁路的运营。由于结构的变形来源于结构的柔度，减小结构变形的有效途径是增加主梁的横向刚度。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。一种三索面三主桁架结构，在传统的两平面主桁架的基础上增加一个桁架平面，790S. 秦， Z. Gao /工程3 （2017）787图二. 武汉天兴洲长江大桥。(a)三个索面;（b）断面布置图（单位：m）;（c）已建桥梁。图三. 五峰山长江大桥。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，每个双线铁路放置在一个框架中。三索面三主桁结构是一种较好的桥梁结构设计和运营方案，它使桥梁结构由简支变连续，使受力条件更加合理，减小了变形，提高了相应地，线缆系统具有三个线缆平面。武汉天兴洲长江大桥首次采用三索面三主桁结构[9]（图10）。 2），并已进一步应用于斜拉桥和钢桁拱桥，如铜陵长江大桥、沪通长江大桥等长江大桥、安庆长江大桥、大胜关长江大桥。中铁大桥勘测设计研究院有限公司，BRDI公司开发的桥梁设计软件专门用于实现这种复杂的空间结构。该软件不仅可以进行各种活载的加载，包括中国3.2. 倾斜主桁架结构如图5所示，郑新黄河大桥是京广高速铁路的重点工程。大桥上层为六车道高速公路，下层为双线高速铁路[10，11]。为了使上部高速公路桥面宽于下部轨道桥面，使用了倾斜的主桁架结构，该结构由三个主桁架和设置在倾斜位置的侧桁架组成。倾斜主桁结构减少了钢材用量，也应用于武黄高速铁路黄冈长江大桥4. 复合结构我国大跨度高速铁路桥梁一般采用三种组合结构形式。第一种是桥面-桁架组合结构，其中桥面结构和S. 秦、Z。 高/工程3（2017）787-794791见图4。 大胜关长江大桥。钢桁架一起工作以抵抗外部载荷。在早期的钢桁梁桥中，小的预制桥面板被放置在主梁和横梁上这种桥梁的桥面不与桁架一起承受荷载因此，甲板的能力没有得到充分利用。第二种是钢-混凝土组合结构，其中钢桁梁上的桥面板是由正交异性钢板和混凝土桥面板组成的组合结构公路桥面的混凝土结构基本上有助于避免由钢桥面引起的普遍问题，例如桥面的疲劳问题和路面的寿命。近年来，随着高速铁路桥梁的不断长大，提高桥梁结构的刚度已成为重要的设计目标之 最有效和最经济的方法是让甲板和主桁架一起工作;换句话说，形成板桁架组合结构。天兴洲长江大桥（图。（6）采用这种结构。天兴洲长江大桥主桥为斜拉桥。756m主跨和部分边跨采用正交异性板和主筋，两个边跨的其余部分（每个边跨长168 m）。在随后的项目中，如黄冈[12]和铜陵[13]长江大桥，公路和铁路桥面都与主桁架一起工作。桁架分别与上、下弦杆相结合，构成主桁梁的整个横截面。由于桥面板和主桁共同承担结构的全部荷载，主桁梁的刚度明显增加。这一创新有利于高速列车的运行。郑新黄河大桥公路上桥面预制混凝土板直接与主钢桁架上弦杆组合，与桁架共同工作[14]（图15）。 5）。此外，在沪通长江大桥和平潭公铁两用大桥中，多跨简支钢桁梁的公路上、铁路下桥面均采用了预应力混凝土结构这是双层钢-混凝土组合结构。第三种组合结构形式是钢桁-混凝土组合拱桥.成贵高速铁路鸭池河特大桥为中承式拱桥，主跨436 m（图）。 7）。一个钢骨架被用作主要的图五、郑新黄河大桥。（a）主桁梁横截面（单位：mm）;（b）主桁梁草图;（c）已建成桥梁。×南792号 秦， Z. Gao /工程3 （2017）787图六、武汉天兴洲长江大桥组合结构图7.第一次会议。成贵高铁鸭池河特大桥桁架拱。钢拱脚涂有混凝土，拱肋的上翼缘在靠近拱顶的部分填充有混凝土[15]。5. 高性能材料5.1. 高强度桥梁钢随着高速铁路桥梁跨度的增大和多功能组合桥的使用，结构内力越来越大。大胜关长江大桥是主跨2米的钢桁拱桥，336米和一条六轨铁路，已高达150 MN。沪通长江大桥是一座跨度1092米的斜拉桥，四线铁路，六车道公路，主梁最大压缩力高达750 MN。因此，研究和开发高强度桥梁用钢已迫在眉睫。先后开发了Q420q、Q500q桥梁钢。前者在大胜关长江大桥上开发应用[16]，后者在沪通长江大桥上应用[17]。不同强度等级的钢材可以用于同一桥梁的不同部位，使桥梁的结构刚度和几何形状更加合理。如大胜关长江大桥的拱肋采用Q420q，受力较大，其他部位采用Q370q[18]。对于沪通长江大桥，由于桥塔和辅助墩附近的压缩力较大，主梁使用Q500q，压缩力较低的构件使用Q420q和Q370q[19]。高强度材料的优点包括减轻结构自重，节省材料，从而减少资源和能源的消耗。5.2. 高性能斜拉索高性能斜拉索的开发和应用，在大跨度高速铁路桥梁的建设与桥梁用钢的演变类似，高性能斜拉索用钢丝的强度也从1570 MPa提高到1670 MPa、1770 MPa、1860 MPa，并进一步提高到2000 MPa（计划用于正在建设中的沪通长江锌铝（Zn-Al）合金已被涂覆到钢丝上，以进一步提高其耐久性[19]。铜陵长江大桥是一座主跨630米的钢桁梁桥，铁路四线，公路六车道，是迄今为止世界上最长的公铁两用大桥。它使用了平行的钢绞线电缆系统，其中每一股都与其他每一股分开采用高性能斜拉索的斜拉体系可以显著降低斜拉索的风雨振动[20]。6. 钢桁梁整体制作传统的钢桁架梁是一次制造和安装该程序只需要简单的机器和设备。然而，它需要大量的高空作业，这降低了施工质量并增加了人身伤害的风险。为了克服传统施工的局限性，天兴洲长江大桥率先采用整节段架设新技术[21]，要求将铁路桥面、公路桥面的横杆构件、纵横梁等桁架的所有构件在工厂内拼装成一节重达650 t的整节钢桁梁（图10）。 8（a））。与传统方法相比，单节段的运输和此外，铜陵长江大桥是第一座采用全焊接桁架平面单元技术建造的桥梁[22]。如图如图8（b）所示，该技术将每两个段作为一个单元，该单元的所有构件被分成若干个制造平面元件。每一个制造平面都是在工厂通过焊接制造的。例如，两个上弦杆、两个下弦杆、两个垂直杆和两个倾斜杆在工厂中焊接在一起以形成两个节段的主桁架平面元件，所述两个节段随后被运输并现场架设。沪通长江大桥采用桁架平面单元法施工，单元重量为2000 t，包括三个主桁面、铁路和公路桥面板以及每两个每个元件都在工厂完全焊接，然后运输并安装到桥梁中[23]。平潭海峡两岸公铁两用大桥更进一步，×××××S. 秦、Z。 高/工程3（2017）787-794793见图8。钢桁梁的整体制作和安装。(a)天兴洲长江大桥主桁梁整节段架设;（2）铜陵长江大桥全焊接桁架平面构件架设。由80 m和88 m钢桁架梁组成，它们焊接在一起，然后作为整个跨度运输和架设[24]。7. 大跨度高速铁路桥梁技术发展与展望7.1. 多塔斜拉桥中国有许多河流和海峡，水域广阔，航运繁忙 桥梁工程师有责任维护桥梁建设和“黄金水道”保护的和谐与可持续发展。多塔斜拉桥可以提供连续的多通道大跨度，并允许不同通道的上下游分离，因此具有显著的经济优势[25]。我国在多通道大跨度公路斜拉桥施工技术方面取得了一定的进展。多塔斜拉桥已经建成了很多座。较早的例子有夷陵长江大桥[26]、洞庭湖大桥[27]等，最近的例子有武汉二七长江大桥[28]、济南建邦黄河大桥[29]和在多塔悬索桥中也有突破性的进展。世界上首次建成了三座主跨长度超过1000 m的大跨度三塔悬索桥--泰州长江大桥[31]（主跨长度：2 1080 m）、马鞍山长江大桥[32]（主跨长度：2 1080 m）、鹦鹉洲长江大桥[33]（主跨长度：2 850 m）。另外，正在建设的瓯江北河口大桥主跨2800 m[34]采用双层钢桁梁。在铁路桥梁方面，内蒙古西部至华中煤炭走廊的洞庭湖特大桥采用主跨2 408 m的三塔斜拉桥方案。相信以上工程的建设，随着技术的不断积累，将为今后公铁两用桥和更大跨度的多塔斜拉或悬索桥提供重要的经验和良好的基础，可作为琼州海峡跨海大桥（图9）和渤海湾通道的设计方案。7.2. 桥梁基础的产业化和规模化预制如上所述，中国在大跨度铁路桥梁上部结构的产业化和预制方面已经取得了丰富的经验。此外，某些实现-见图9。琼州海峡跨海大桥设计方案。大型深水基础的工业化施工技术也取得了阶段性成果。例如，商丘至杭州高速铁路芜湖长江大桥和大连星海湾大桥采用了扩展基础，而不是桩基础。芜湖长江大桥采用预制钢箱扩底基础。星海湾大桥在砂质场地上采用预制混凝土沉箱基础。今后，有必要研究新类型的基础，以及可用于以下场地的相关施工设备和方法覆盖层较深，水深超过100 m。7.3. 材料支持更大跨度桥梁的建设需要材料科学领域的进步和支持未来的一个方向是不断提高传统桥梁建筑材料（如钢材和混凝土）的性能。但是，要大幅度提高钢材强度，以我们目前的科学技术来说，太难了。由于恒载所占比例超过总荷载的80%，另一个方向是减轻桥梁自重。到目前为止，纤维增强材料可以被认为是一种有效的解决方案。8. 结论大跨度高速铁路桥梁作为我国高速铁路的重要组成部分，在设计理论、结构、材料、工艺等方面已逐步形成了一目前，我国大跨度高速铁路桥梁在跨径、承载力、设计速度等主要技术指标上已达到世界领先水平。此外，到2020年，中国随着高速铁路的迅速发展，大跨度高速铁路桥梁的创新必将随着桥梁的发展而不断发展。未来，这些桥梁将越来越多地服务于国民经济和社会的可持续发展，以及“一带一路”倡议等国家战略的实施遵守道德操守准则秦顺泉及高宗宇声明彼等并无利益冲突或财务冲突须予披露。794S. 秦， Z. 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