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工程结构

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文献综述

中国中、大跨度高速铁路桥梁设计与施工的最近发展

Nan Hu^a, Gong-Lian Dai^b , Bin Yan^b.* , Ke Liu^b

^a密歇根州立大学土木与环境工程系，美国MI48824

^b湖南长沙中南大学土木工程学院，中国 410075

文章信息：

文章历史：

2013年9月18日收到

2014年5月26日修订

2014年5月30日同意

2014年6月20日上线

关键词：

高速铁路

大桥

设计

建设

中跨度

大跨度

目 录：

摘 要：

在穿越河流，现存的高速公路等等障碍物上，中长跨度的高速铁路桥梁扮演着重要角色。本文对中国高铁工程中特殊跨度的设计工程进行了综述。标准跨距一般小于100米，特殊跨度按主跨长度可分为两类:中跨距（100-200m）和大跨距（200-500m）。对于中跨距，讨论了钢拱、刚架和混合拱桁三种结构形式的可行性设计方案。此外，最近建成的大跨度桥梁的特点是中国高铁的几种创新的结构形式，包括钢桁架拱和桁架梁斜拉桥。最后，总结了大跨度高铁桥的主要技术特点，并对大跨度高铁桥的可行性进行了探讨。

copy;2014 Elsevier Ltd.版权所有

1. 介绍233
2. 扰度控制234
3. 中跨度（100-200米）235
   3.1钢拱结构235

3.2钢架结构236

3.3混合拱桁结构237

1. 大跨度（200-500米）237
   4.1钢桁架拱237
   4.2桁架梁斜拉桥239
2. 讨论239
3. 总结240

鸣谢240

参考文献240

1. 介绍

高铁(HSR)提供了一个快速和强大的旅行选择，用以提高生活质量，支持经济增长。日本是第一个建造高速客运专线的国家，其也被称为新干线。第一新干线为迎接1964年东京大阪的东京奥运会开业。高铁在欧洲几个国家首先开发，现在扩大到一个地区的服务网络。在过去的数十年间，一共有13个国家发展了高铁网络，这些国家主要集中在欧洲和亚洲。来自这些国家的国际例子已经证明，高速列车能够在高速客运专线上达到250公里/小时以上的速度，这大大减少了旅行时间。关于这些国家高铁发展的详细历史回顾可以在Taniguchi [1], Bouley [2], the European Commission[3], Gourvish [4], Zuber [5], Harrison. [6]等期刊上找到。

中国的高铁由平均设计速度为250公里/小时的现有升级线路和平均设计速度为350公里/小时的新线路组成，其中包括9356千米的新建线路和3209千米的升级线路。截止2020年，中国的高铁总长度将超过20,000公里，组成完整的流通网络以连接所有的省会城市与人口超过500万的城市。对于中国典型的高铁线路，大多数跨径由标准化的跨度小于40米的简支梁(跨度分别为24米、32米和40米)及数座标准连续梁桥(主跨48米至100米之间)组成。例如，在北京-上海线路桥梁中有95%的标准跨度（90%的简支梁和5%连续梁）和只有5%的特殊跨度桥梁。尽管中大跨度桥梁在高铁线路中仅仅占小部分，它在整个线路的完成，跨越现有的公路、高铁线路和河流等物理障碍方面起着关键作用。

合理、经济的结构形式的选择是桥梁设计的主要任务。大跨度铁路桥的结构形式在过去两个世纪中不断演变，其主要特点是跨度更大、形式更多样。随着蒸汽铁路的诞生，铁桁架桥被广泛地建造来支持这些最早的铁路列车。在19世纪后期，三座具有里程碑意义的铁路桥相继建成，以支持更大的列车载荷，包括欧洲宇航防务集团大桥(1874年,158米)，布鲁克林大桥(1883年，486.3米)，以及福斯铁路桥第一段(1889年，521米)。这些桥梁代表了在拱桥、悬索桥和悬臂桁架上使用的先进建筑技术。这些有名的大跨度桥基于使用钢代替铁从而大大降低了自身净载荷。20世纪初，随着铁路在全球范围内的扩张，工程师们竞相设计出更坚固、更长同时又不增加太多的重量的桥梁。一些更长的桥梁被建设出来，如纽约的地狱门大桥(1916年)和悉尼海港大桥(1932年)。20世纪70年代，日本开始建造本州-四国大桥工程，连接本州岛和四国岛。冈山和香川之间的联系仅仅依靠着这条铁路。共修建了6座大跨径桥梁，以支撑公路和铁路，其中包括一座连续桁架桥、两座斜拉桥和三座悬索桥。现如今，中国在大数量级的常规铁路升级和新高铁建设上处于世界领先地位。

中国铁路桥的发展始于1937年钱塘江大桥的建成。两座具有里程碑意义的横跨长江的钢桁架桥梁随后在武汉（1957年）和南京（1968年）建成。从那时起，钢桁架桥被用作中国铁路桥梁的主要结构形式，直到2000年，第一座主跨度312米的斜拉桥在芜湖长江上建成。随后，一系列的斜拉桥陆续被设计建设而出[7]。与高铁标准跨距的设计相似，由于对轨道平稳性和高速列车稳定性的要求，特殊跨距的设计也需要严格。对于一定的跨度范围和场地条件，结构形式有多种选择[8,9]。中国高铁的特殊跨度按主跨长度可分为两类:中等长度(100-200米)和大跨度(200 – 500米)。一些主跨度大于500米的斜拉桥也包括在大跨度桥梁中。迄今为止，中国铁路网中还尚未使用悬索桥。悬索桥由于太过灵活，无法保持主梁和轨道的低挠度，因此不容易达到高铁的使用要求。关于我国高速铁路悬索桥的进一步研究仍在进行之中。

本文的目的是对中国高铁中长跨径的最新设计和施工技术进行综述，包括主要的设计理念、主要的结构尺寸和施工方法。对中跨度桥梁，讨论了中长桥梁的钢拱、刚架和组合拱桁三种形式。对大

跨度桥梁而言，讨论的重点是钢桁架拱和桁架斜拉桥。本文总结了未来高铁建设中特殊跨度的结构选择。

1. 挠度控制

高铁要求高挠度限制，以确保轨道平顺。因为无论选择何种结构形式的特殊跨，主梁挠度控制仍然是关键设计问题，因为这些跨上列车的平均设计速度超过250公里/小时[10]。无砟轨道桥面的门槛比道床桥面的门槛高，因为无砟轨道桥面的平整度难以调节。因此，我国所有的大跨度高铁桥梁都采用了压载轨道。然而，对于大跨度桥梁却没有具体的要求，因为这些桥梁的设计和分析通常是具体地进行，其至少应该满足小跨度高铁桥梁的最小极限。

小跨度桥梁的挠度控制有以下4个关键方面：（1）梁的垂直挠度，小于2.0毫米；（2）梁的末端转角，小于0.4%；（3）长期挠度（例如蠕变效应），小于Lensp;/ensp;1000（L单位米 结果单位毫米）；（4）底部结构的竖向挠度。为了保证轨道的平顺和列车的安全，必须满足所有要求。

高铁轨道的稳定性和平稳性在很大程度上取决于主梁竖向和横向挠度的控制。由我国原铁路部设计的规范里对短连续梁的短期和长期挠度都有明确的要求[11]：垂直挠度必须小于1.1 L/1000 (L为主跨度长度)；侧部挠度必须小于L/4000；梁端转角在道床上小于0.2%，在无碴道床上小于0.1%。然而，在设计规范中没有对特殊跨度的桥梁提出这样的要求，包括中等长度的连续梁，拱桥和悬索桥。对国际同类桥梁的挠度限值进行了研究和比较，提出了大跨度桥梁的推荐设计范围[12]。

由于高铁桥梁比传统的铁路桥具有更高的使用极限，与高铁桥梁动力响应相关的其他技术问题也在以往的许多研究中得到了研究，如抗震性能[13-17]、轨道结构相互作用[18-20]、蠕变效应[21、22]、热效应[23]等。在中国高铁发展中，将这些特殊问题(如热膨胀、抗震设计、风效应、蠕变效应等)考虑在内，对于可能引起较大挠度的多种荷载情况可能需要进行补充分析。(1)超过100米的单跨梁需要采取措施来控制钢轨的热胀冷缩，因为连续的焊接铁轨在炎热的天气下会变形，导致火车脱轨。在高铁多跨桥梁中，广泛使用了锚和卡箍[24]。朱[25]比较了斜拉桥伸缩装置的多种组合形式。通过在某些主梁和大型伸缩装置梁的末端使用小型卡箍被发现是一种理想的方式去控制铁轨的热效应。Yan[26]对一座长112米的单塔斜拉桥进行了数值分析，证明了在桥塔与主梁连接处采用膨胀装置以显著降低钢轨的纵向移动和应力水平。中国《高铁设计规范》中提到了基于地震灾害的性能要求，但这些一般要求仅适用于小跨径桥梁(即主跨小于48米)。(2)我国高铁大跨度桥梁需要抗震设计和分析，但具体情况各不相同。例如，Yue[27]指出，大多数大跨度高铁桥梁确实沿纵向安装了阻尼器，以减少列车在地震或紧急制动情况下的大动态响应。(3)与抗震设计问题类似，大跨桥梁的气动效应也是逐案考虑，但我国大多数大跨桥梁的设计过程都是通过动力分析和多尺度风洞试验进行的。Li等人[28]和Wang等人[29]发现主梁的挠度会受到列车速度和风速的影响。为了获得更好的气动性能，Li[30]对由交叉梁连接的双梁进行了风洞试验，以确定最佳的深宽比模式。(4)过大的长期挠度(蠕变效应)可能导致轨道表面不平整，威胁高铁列车的运行。对于中、大跨度高铁桥，目前所有大跨度高铁桥均采用压载轨道，其蠕变效应比无砟轨道更容易调整。从结构设计的角度看，在长期荷载组合作用下，通过增加梁的深度、降低梁顶与梁底的应力差来控制徐变效应。此外，列车速度被限制在250公里/小时以下，以减少诱导振动。值得注意的是，中国设计规范中考虑蠕变效应的设计理念十分保守，对长期效应的要求正在不断改进。

总的来说，未来高铁桥梁设计的三个最重要的限制是保证桥墩的竖向刚度、梁端转角和纵向刚度。值得注意的是，目前国内还没有大型结构健康监测系统记录高铁桥梁的挠度历史，但在传感器的优化布置、不同监测系统的使用以及损伤的快速诊断等方面都有研究。

1. 中跨度桥梁

中跨度桥梁往往适用于穿过现有的高速公路和铁路。大多数标准跨度的主跨度小于100米，最大跨度仅为128米。尽管预应力混凝土连续梁仍是可选方案之一，但高铁特殊跨径也可以选择其他形

式。表1列出了在过去5年中完成的19个中等长度跨度。可见，系钢拱桥和刚架桥是两种常用的结构形式。这两种形式的组合体系也为特殊跨度的设计提供了新的解决方案。本节将使用设计示例讨论每个表单的详细描述。

3.1 钢架结构

常用的钢拱桥按主拱圈截面形式分为: 钢箱拱、钢管拱。

钢管拱又称钢管混凝土(CFST)拱，已用于武广段的京广线[31]。Tian等人[32]证明了这种斜吊杆拱型比其他拱型具有更好的动态特性，包括更大的垂直和横向刚度。值得注意的是，图1a所示的112米长管拱斜吊杆已标准化，因此本设计可用于类似条件下的现有线路跨越。主拱高跨比为1/5，比桥面[33]高22.4 米。等深拱肋为双圆管，由填满低收缩混凝土的交联杆连接。每管直径1.28米，壁厚18毫米。两个主拱肋向内倾斜约9°，具有较好的动态特性，包括较大的竖向刚度和较大的横向刚度。悬吊管之间的间距是8米。由于在主梁中使用了预应力筋作为系杆，拱的设计没有水平推力。主梁为斜箱式预应力混凝土结构，纵深2.5 m，宽度17.8 m。结构在恒载作用下的预估反应为19.4 毫米的垂直挠度和0.0705%的梁端转角。每单位长度(1米)的材料成本估计为37.2立方米的混凝土，8.9吨的钢材和2.1吨的预应力钢筋。主梁上的卡箍和梁两端的大伸缩装置用以满足平稳性要求。这座桥的建造始于拱肋的制作以及作为系梁的混凝土浇筑。然后，肋骨垂直旋转到安装在四个弹簧线上的临时铰链的位置[34]。为了确保弹簧线处的应力集中满足规范要求，在肋骨转动过程中进行了附加分析[35]。

表一

最近中国完成的中跨度桥梁

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