漫談中國鐵路橋梁發展的歷程

喬 健

(鐵道部工程設計鑒定中心,北京 100844)

1 概述

自20世紀中葉,新中國成立以來,中國鐵路橋梁建設者從搶修、維修德、俄、美、日、法等國家在中國各鐵路線上建造的標準不等的橋梁開始,逐步建立起我國自己的規范和設計標準體系,不斷研究橋梁設計理論,并間隔約10年修編1次設計規范,于1956年制成第1孔預應力混凝土梁,在前蘇聯專家的幫助下于1957年建成了武漢長江大橋鋼桁梁橋。到20世紀末,中國橋梁設計走過了強度、抗裂性、剛度、乘坐舒適性等設計階段,并開始研究高速鐵路橋梁設計、建造技術,對于中國大量鋪設無砟軌道的高速鐵路混凝土橋梁,各部位的長期變形控制成為成功與否的關鍵,橋梁設計者總結歷史經驗,采取了多種控制方法,至今首批建成的高速鐵路已不間斷的運行了3年多,為中國鐵路和高速鐵路橋梁的建造走出了一條自己的道路。

2 技術發展的烙印與國家經濟發展的聯系

我們今天的橋梁技術工作能夠離開國家的經濟發展水平和目標嗎？速度、平穩、安全、百年壽命等等成為今天橋梁技術工作的目標和潮流,在國外實例和計算機的幫助下,我們基本實現了這些目標,超過300 km/h運行速度的列車已經在新建線路的橋梁上不間斷地平穩運行了3年多,中國鐵路橋梁建造技術也隨著中國高速鐵路享譽世界,只差檢查壽命了,可嘆我等的壽命尚不及那要求的結構壽命長,看不見結果了。近來,隨著經濟形勢的發展,不再要求頂著列車構造速度跑和充分發揮運輸效率,唯安全要求沒有變化,鐵路橋梁的建造技術又要有新一輪變化,以適應社會需求和經濟發展的要求。看來鐵路橋梁建設的技術脫離不了政策、經濟環境的變化,我們發現最近修建的鐵路水文事故少了,是我們比前輩高明了嗎？是社會的經濟發展和要求變化了,河堤到河堤全部修建橋梁是對鐵路建造最少的要求,自然規避了許多水害發生的條件。純技術工作的烙印是社會歷史、經濟發展的縮影。

3 “精確的計算理論”不是精心設計的靈丹妙藥

從趙州橋起,精確的計算在精美和壽命上就未占過上風,試想如果當年就有計算機,那趙州橋可能站立不到今天。容許應力法設計使工程的不確定性和冗余度大了嗎？我們看看大家幾乎每天都在計算的橋梁樁基礎,曾記得某線增二線,鄰近的既有線和擬新建的兩個橋墩基礎的地基承載力相差了許多,追問地質人員,回答是都對,不解,一套地層2種承載力怎么會都對呢,規范改了,沒聽說對應可以塑性變形的地層的規范原理有什么變化啊,是規范里那個通常地層巖土承載力范圍的表刪掉了,認為地質鉆探的巖芯都有了,應該具體化驗和試驗,提供更加確定、真實的地層性能,道理是更細了當然也是對的,可是在我們這個飛速發展的年代,鉆孔、取芯、化驗的時間長于階段設計周期,地質人員提供的是他們腦子里記得的各類巖土地層的接近下限值,如果既有橋設計采用的地層承載力取得原表中的中間值,相對于修建成功的既有橋,則有約40%的安全儲備地基承載能力。在使用這些地質參數時,我們鐵路橋規的單樁承載力公式[2]括號外面有一個1/2,這是理論上的安全系數K,這些系數是相乘的關系啊,設計儲備有多少,這些都是容許應力計算理論造成的結果嗎？在安排單樁試驗時,壓力設備的儲備一般要有3～5倍,說明工程技術人員心里是有數的。

再說說梁,我們現在設計的梁一般都是剛度、頻率控制總體設計,剛度和頻率描述的是結構橫截面輪廓以及和質量的關系,這與計算理論沒有什么關系,現在已經不再考慮多用混凝土少用鋼材的概念了,自從請來的德國監理工程師不同意中國的橋墩、樁基承臺等小偏心彎壓構件采用素混凝土結構后,配筋則不在話下,梁體的構造鋼筋直徑也隨之不斷變化,鋼筋直徑10、12、14、16 mm變化等,用鋼量當然也直線上升,這與哪一條計算理論有關？重要的是工程技術人員把握結構設計的能力和責任心以及對混凝土結構基本表現的判釋。

鐵路橋梁從上世紀六七十年代的肥梁胖柱發展到板式墩、柔性墩超低超輕的梁,再于20世紀末回到胖梁肥柱,是在同一種計算理論的情況下反復,并未受到計算理論的左右,看來設計指導思想控制設計的能力遠大于計算理論所能造成的結果。

4 混凝土橋梁結構的變形控制

隨著中國高速鐵路大量采用無砟軌道,這就等于在橋梁、隧道和路基上設置了一把高精度的尺子,任何沉降和結構變形都可以用毫米表達出來,而無砟軌道的成敗除其自身結構外,也顯然取決于橋梁、隧道和路基等結構工程的穩定性。對于橋梁來講,高速鐵路橋梁設計的成敗除常規的荷載控制、乘坐列車舒適性外,還在于橋梁的各種變形控制。

我們的橋梁前輩曾經說,混凝土的徐變是彈性變形的函數,這還用說嗎,這不是教科書的開篇嗎,實際上是說用對結構變形的控制,間接控制混凝土材料在控制方向的徐變變形,混凝土材料的收縮問題只是問題的一個方面。橋梁設計工程師多關心的是混凝土徐變造成的豎向變形,就是通過控制結構的應力分布間接地控制混凝土的豎向徐變變位,橋梁徐變的縱向水平變形量可以通過支座水平變位和蓋板及可控的軌道應力順接。縱觀建國以來的簡支標準梁,建國之初的大-138和援阿爾巴尼亞的006A混凝土標準梁,恒載情況下梁體上下緣應力差為6.5 MPa,該梁一般后期上拱5～10 cm,之后的2019、2059、2051標準梁[3]、秦沈客運專線簡支箱形梁[4]等,恒載下的梁體上下緣應力差由5.5 MPa逐漸降到了4 MPa,混凝土收縮徐變上拱也逐漸縮小到1～2 cm,京滬高速鐵路的簡支箱形梁恒載下的梁體上下緣應力差是2.6 MPa,跨中混凝土收縮徐變上拱也縮小到0.8 cm,基本滿足了大量鋪設無砟軌道的需求。這就是小跨度混凝土梁用應力控制混凝土徐變的結果。

混凝土大跨度連續結構跨度超過100 m左右,梁體重力超過了體內索張拉的常規能力,想如法控制梁體上下緣應力是困難的,鐵四院在宜萬鐵路的萬州長江橋[5]以及鐵三院在京津城際鐵路混凝土連續剛構和混凝土連續梁上[6]增加了輔助拱結構,幫助梁體承擔部分二期恒載和活載,這一舉措,緩解了混凝土梁體上、下部的應力差,并收獲了較為輕盈的視覺效果。增加輔助結構的形式也曾考慮過增加斜拉結構,但其發揮的作用有限,并且升溫后位移反向,應證了日本第二阿武畏川橋橋梁和線路認識完全相反的爭議。

混凝土結構或鋼結構增加拱或其他結構幫助后,帶來了一個日溫升溫降問題,目前建成的橋梁日溫升造成梁體上拱最大值有達1 cm 者,雖不致影響行車,但不能再大了,鐵一院在蘭新第二雙線跨越高速公路和大西鐵路跨越黃河的混凝土連續結構上增加了鋼桁結構,預計比增加拱結構的日溫升降上拱減少約40%。但它和輔助拱結構一樣都有邊跨剛度如何適配的問題,經多方探討,設計、施工一致反對變高度邊跨梁體的探討,筆者也不敢強力推薦。

外國學者給中國高速鐵路的道岔提出了置于一聯結構的意見,雖然世界上尚無先例,但引起了相關部門和軌道同行強烈的響應,作一聯寬點的混凝土連續結構本身沒有問題,但寬梁和較窄銜接處的梁的橫向溫度變位差控制成了問題,我們學著國外規范按1 mm溫度變位差控制,需要研究、調整銜接梁型的選擇和固定支座的設置,并且超過兩線變四線的道岔區還是沒有合適的處理方式,外國學者提出的這個建議在我國高速鐵路和客運專線上均有成功的實踐,并有向速度較低的鐵路上發展的趨勢,我們則認為，是否采用這種結構形式,不宜以列車運行速度劃分,而以軌道形式劃分可能較為合理。

當然還有橋墩的水平剛度和基礎的沉降等變形控制,這些結構的變形控制構成了中國高速鐵路或客運專線橋梁結構設計和建造的精髓,高速鐵路無砟軌道是建造在復雜地質條件和結構變形的控制之上的,當人們熱議中國的高速動車組的時候,殊不知還有規模更大的完全屬于中國自主知識產權的橋梁工程和其他線下工程以及摸索出來的變形控制方法。

5 選線和橋位的關系

當高速鐵路的曲線半徑變成為7 000和9 000 m之后[7](成功的、舒適的),黃河、長江在選線和橋位關系中還算條河,其他河流的橋位與高速鐵路選線的矛盾突出,斜交跨越河流的橋位比比皆是。鐵一院曾在蘭武增二線多次跨越莊浪河的設計中試著依據線路較高標準的線形,不管與河流斜交的角度如何,具體橋梁設計時問題來了,經典水文要素算法都是將橋墩的截面積向河流正交斷面投影,國內的水力專家們也強硬地持有此類算法和觀點,但投影到正交斷面后沒有過水面積了。這好像與事實不符,水流并沒有受到太大約束,雖有多次斜交河流的水工試驗資料的旁證,但專家無人認可,而前蘇聯的專家則說斜交超過45°后越斜越好,想想完全順著河修橋,每個河床正交斷面不就只有1個橋墩阻水嗎,斜交設橋可能還有勝算的機會[8]。

在斜交設橋的計算分析方法沒有突破前,高速鐵路和快速鐵路與河流斜交的情況一時擺脫不了,水力部門專家則不斷要求加大跨度,以求減少正交投影面積,又有河堤前后不能碰,鐵路設計院的水文設計資質需要探討等等,使橋渡的設計真的變成玄學了,或者不能稱其為橋渡設計了。原先認知的橋渡概念需要通過理論和實踐方面得到突破。

6 鐵路橋式結構形式的發展以需求為出發點

當年武廣客運專線鐵路的天興洲長江大橋是采用488 m跨度還是采用504 m跨度意見不統一時,鐵道部總工程師認同了院士、大師、專家們的意見,在造價影響不大的情況下趕超同類型橋梁跨度世界水平,這一點在建成通車的宣傳時顯得更為重要,武漢天興洲長江大橋采用的是公鐵兩用鋼桁斜拉橋,用繩索吊著的橋本身重力或者稱重力剛度是重要的,也就是懸吊、斜拉的結構重力與運行列車重力所占的比例,讓人們想起車重600 kg的夏利轎車,與滿載乘客的重力接近,那載車彈簧應該按幾個乘客設計便是個問題了,當然乘客的乘坐舒適度就無從談起,再看奔馳汽車兩噸半的體重,就大致明白它在追求什么了。天興洲長江大橋公路雙向6車道鐵路四線,每延米87 t重,較丹麥的厄勒海峽橋公路雙向四車道鐵路兩線,每延米57 t重相當或稍重,成就了運行速度250 km/h列車的舒適度,它也是在中國首批采用道砟橋面的鋼桁梁橋。

宜萬鐵路的萬州長江橋[5]是中國第一次采用鋼桁拱的橋式,主跨360 m的跨度一跨跨過了長江,這種古老的橋式是以鋼桁拱為主的承力結構,用于鐵路橋要研究的是橋面系的橫向剛度和整體性問題,其后采用該橋式的還有京滬高速鐵路南京大勝關長江橋[9]和武廣客運專線東平水道大橋[10],都在橋面系的構造和聯系上采用了若干措施,從運營結果來看基本是成功的。

混凝土T構橋是在我國灰巖溶蝕地貌和黃土塬沖溝地區不能在陡峻的邊坡上設立橋墩的困難條件下逼出來的橋梁結構,較為典型的橋是宜萬鐵路馬水河大橋[11],性質就是半個懸臂施工的剛構橋并支立于橋墩臺上,其116 m+116 m的橋跨也創造了該種橋式的世界之最。這種橋型一出現就受到養修人員的青睞,因為他們發現這種橋上沒有什么東西需要反復養護,其實,該梁結構在邊墩臺上合龍的支座反力的由來是很有學問的。但這種橋式的梁高和配筋是接近它1倍跨度的混凝土結構橋梁,決定了它只適應特殊要求或特殊地形。

鐵路混凝土連續結構在跨度方面已逼近了極限,鐵二院在湘渝線上設計、建造的牛角坪大橋混凝土連續剛構橋的主跨跨度達到192 m[12],該橋通車至今運營良好。我們可能真的到了需要探討混凝土強度極限和預應力張拉能力之間的關系了,等應力狀態的放大樣界限到底在哪？鐵四院在宜萬線的宜昌長江大橋[13],混凝土連續剛構的跨度達到了275 m,再沿用加高梁體斷面、加大預應力的方法,其混凝土收縮徐變的豎向變位是可以預計的,也是不能接受的,增加輔助拱結構設計,幫助主梁承擔部分二期恒載和活載,或許是使混凝土結構進一步向大跨度延伸的一個方向。

為了控制結構的豎向剛度,派生出來了各種混凝土-鋼組合結構的拱橋,這里主要談的是下承式拱橋,采取的辦法主要是加大梁體的剛度,就是說叫剛性梁柔性拱,意思就是結構受力不能以拱為主,那不符合鐵路橋梁的特征,這些結構在各條高速鐵路線上起著重要的作用。上承式拱橋有適配地形的優越特性,但無論是混凝土結構的還是鋼結構的,其拱上結構無法做到較大的剛度,以至作為拱上結構時還可以,把它們移到地面上分析則超出了規范的要求,看來還要研究其合理性和適應性,并通過我們目前做的若干上承式拱橋來總結。宜萬鐵路野三河非對稱拱橋[14]是個特例,它的拱軸線和拱腳分別適應了兩邊的地形,并有協調亮麗的外觀效果,雖然有外國專家的稱贊,但其設計的繁瑣和施工的麻煩也促使我們反思這樣做值不值。

7 鐵路橋梁的設計要融于系統設計中

鐵路設計專業性強,條塊分割,橋梁設計者很少關注橋梁設計以外的事情,可相關的事情卻不斷地糾結著橋梁的設計,電氣化立柱位置、隔聲墻、接地線、養護小車走道、道岔梁、避難線、高架車站橋、橋上房屋立柱、救援通道,信號電力槽道,聲測管、斜交跨越管線等等,雖然我們不正眼看這些東西,但他們都可以找到合理的切入點,什么相關的規范、規定啊,某會議的精神啊,以至于到了對建成的橋梁結構改動承力鋼筋的程度。認真了解后發現相關專業的同行們在確定標準、方案前并不完全了解通常的橋梁設計情況,什么？明挖基礎里沒有鋼筋,那好吧,給你們畫兩條接地鋼筋,鋼筋直徑、位置都很明確,殊不想,那些東西在混凝土基礎外面不是導電更好嗎。什么？房屋立柱下的梁體有位移,那房子柱不能有位移。什么？ 摩擦樁下面多半截沒有鋼筋,那聲測管怎么呆得住。當需要采用80 m跨度的橋梁斜交跨越通信光纜,并被要求立牌注明此橋為跨越光纜所設時,才感到可能有點問題。林林總總,別說他們不知道,我們了解相關各專業的基本知識也很少。橋梁設計工作者有必要關注和融入鐵路系統設計特別是高速鐵路系統設計中去,共同討論處理方案,把零件裝修式的設計方式調整到系統設計中去,開拓相關專業的基礎知識,跨專業的矛盾點一般都是新思想、新方案的創新點,我們好像有點理解國外為什么叫土建工程師,發揮結構設計的特長解決交叉問題,在鐵路建造的高潮期,系統總結和系統設計將可能是我們下一個行動目標。

8 結語

新中國鐵路橋梁建設歷經60年的發展,走過了經濟發達國家約150年發展的歷程,在學習經濟發達國家建造鐵路橋梁的經驗的同時,根據我國的經濟情況和自然條件,不斷創新橋梁設計理念,伴隨著高速鐵路的發展取得了舉世矚目的成就。

我們還在可靠度理論方面和城市軌道及重載鐵路橋梁設計標準方面進行著探索,雖然這些理論和標準都是別的國家走過的道路,但歷史的經驗告訴我們,真經是學不來的,要靠自己實干和體會總結。在國外參觀橋梁工地時,總感到在人性化設計方面我們的差距最大,對環境的認識,對建筑美學的認識,對養護維修設備的認識等,每當討論到這些方面,我們的橋梁專家好像變成了文盲,孰輕孰重總糾結著橋梁工程師,節約每一個銅板就像歷史的烙印融進我們的血液中,以致影響到我們觀察這個美好的世界。我們已經基本解決了通常意義上的橋梁結構設計和建造技術問題,并取得了相當的成績,但還有必要加強人性化設計的知識和理念,將鐵路橋梁融匯在系統中去設計,把鐵路橋梁建造成作品。

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