我國高速鐵路橋梁設計技術及探索

鄭旺

中交鐵道設計研究總院有限公司 北京 100088

1 高速鐵路橋梁的設計特點

高速列車的速度比普通列車快得多。它將對橋軌的平滑性產生很大影響，并且對結構的影響也會增加。導致軌道的狀態受到影響，甚至危及高速列車的正常運行。通常情況下高速鐵路的設計都會受到這些因素的影響。

1.1 大跨度橋梁多

高速鐵路為全封閉線路，在跨越既有公路、鐵路時均采用立交形式跨越，根據我國既有公路、鐵路現狀及路網規劃，在高速鐵路進行設計的過程中大跨度橋梁技術被廣泛的使用在其中，根據相關的資料可以看出，在我國高速鐵路中跨越超過100米的橋梁共有200多架。

1.2 剛度大,整體性好

減少高速鐵路在運行過程中的較大的偏轉與振幅能夠有效的提高高速列車在運行過程中的安全性以及舒適性，所以高速橋梁在建設過程中需要保持好其完整性以及橫向和豎向的剛度，除此之外還需要加大對溫差的控制，因為混凝土會由于溫差而產生結構的變形。

1.3 提高結構的耐久性,以便于橋梁的檢查和維修

高速鐵路是一個非常重要的交通設施。所以在對高速橋梁進行設計的過程中，要合理的考慮到每一個步驟，以便于更好對橋梁的穩定性和耐久性進行提高，同時，在橋梁正式施工過程中，必須嚴格控制橋梁的質量。在夜間時要加強對此的養護。

2 高速鐵路橋梁設計的一般規定和原則

2.1 高速鐵路橋梁設計注重結構的耐久性設計

從使用大量橋梁的過程來看，一個結論是橋梁結構必須具有耐久性，因此在高速鐵路的設計過程中，需要有一定的技術措施保證橋梁結構既經濟合理，又滿足耐久性要求。京滬高速鐵路是中國第一條高速鐵路。耐久性與安全性，良好的穩定性主要是為了保障高速鐵路橋梁在不受外界狀況的影響下還能夠穩定的運行，例如在修建過程中使用更高的洪水頻率標準。較大的剛度要求，較強的沉降控制措施等來滿足橋梁100年的使用要求。

2.2 高速鐵路橋梁應具有良好的動力性能

在高速鐵路運行過程中，橋梁結構的動態響應將得到加強，運動過程的安全性將降低，乘客的舒適性將會降低。為了避免這些情況，高速鐵路橋梁必須具有足夠的強度和剛度，以在設計中采用更大的結構尺寸。并結合地質情況，選擇合理穩固的基礎形式來滿足高速鐵路橋梁的強度和剛度要求。

2.3 高速鐵路橋梁應該優先選擇預應力混凝土結構

在高速鐵路施工的過程中最好是采用預應力混泥土，其材料具有很高的剛度和強度，受溫度以及噪音的影響比較的小，所以在高速鐵路橋梁施工中預應力混泥土最為適合。同時如果此混泥土使用的足夠的恰當還能夠減少后期的維護，節省了大量的人力和財力。

3 我國高速鐵路橋梁建設的關鍵技術

3.1 大跨度橋梁設計建造技術

一般來說，對于一般交通而言，安全性以及可靠性是最基本的要求，我國擁有廣袤的土地，在地形上有著很大的差別，所以為了交通方便，必須在大河或者是大山之間來架設橋梁，但是，在我國高速鐵路橋梁的建設和設計中由于困難重重而導致了設計速度以及施工的速度得不到提高。就目前的情況而言，施工過程中的速度和目標需要與其他簡單的道路施工一致，這大大增加了設計和建造大跨度橋梁的難度。其也是對一個國家橋梁施工水平的檢驗標準。

3.2 無縫線路橋梁設計建造技術

無縫鐵路和普通的鐵路相比較在列車運行過程中更加的平穩，其原因是由于無縫鐵路在施工中接頭的部分比較的少，除此之外還減少了鐵路在使用過程中的維護成本以及對使用周期的延長，尤其是在無縫鐵路施工的過程中可以有效的減少列車在橋上的作用力，以此來對列車行駛過程中的平穩性進行提升，列車在高速行駛的過程中，運行的速度越塊越能突出其無縫鐵路的優越性，重要的是無縫鐵路的建設在鐵路軌道中占據著重要的地位，可以為了能夠很好的發揮出無縫鐵路的優點就需要在建設過程中提高鐵路的強度和穩定性能，經過諸多的工程實際可以總結了中國建設無縫線橋的經驗，并通過機械模型的理論支持，制定了相應的技術控制指標。橋上的無縫線設計需要根據氣候，地形和其他條件合理選擇軌道結構模式，長軌布置和鎖定模式。準確計算中和溫度，減少其對熱膨脹和收縮等物理因素的影響，并確保軌道具有足夠的強度和穩定性。

3.3 無砟軌道橋梁設計建造技術

無碴軌道是由混凝土或瀝青砂漿與基礎材料形成的軌道結構。目前，無碴軌道橋梁設計與施工的關鍵技術是梁體的剛度和變形控制技術。為 為了保持軌道外觀簡單，施工方便，確保其耐用性和良好的動態性能。目前，中國已經基本掌握了這項技術。使無砟軌道橋梁更為堅固穩定。

3.4 高架長橋快速施工技術

中國東部人口稠密地區，華北平原和高山丘陵等地的高層鐵路比例占高速鐵路的很大比例。根據中國的地形條件，在建和規劃的高速鐵路橋梁比例遠高于普通鐵路。并出現了一些特長高架橋。中國長長的橋梁建設歷史悠久，經驗豐富。然后使用配套設備沿線豎立，并采用原位澆注施工方法對特殊跨度的連續梁進行施工。在不斷總結經驗的過程中，效率也在不斷提高。特殊橋梁的快速建設實現了質量和數量。

除以上提及的幾點技術，高速鐵路橋梁施工技術還包括900噸級全井簡支梁制造和運輸安裝技術，橋梁基礎沉降控制技術，高性能混凝土材料應用技術等。在中國高速鐵路橋梁的建設中，這些步驟中的每一步都與這些關鍵技術密不可分，它們發揮著重要作用。

4 案例探討

4.1 橋梁技術參數及設計特點

目前，高速鐵路是在最高緯度的高速鐵路上設計和實施的。其技術指標如表1所示。

表1 某高速鐵路橋梁設計技術參數

由于線路所處的特殊環境，橋梁工程設計還具有以下特點。

（1）氣候條件惡劣，存在凍融侵蝕和凍脹等問題。目前，高速鐵路在最高緯度的高速鐵路上設計和實施，最低溫度為-39.9°C，最大冰凍深度為205厘米。氣候條件惡劣，存在凍融，侵蝕和凍脹等問題。（2）技術標準高設計速度目標值為350km/h，整條生產線采用CRTS-I型板式無碴軌道技術。對橋梁的動態性能，剛度指標和變形控制提出了更高的要求。（3）橋梁的長度占線路長度的很大比例。橋的長度占該線長度的73.8%。（4）沿線地質條件復雜，橋梁設計和施工難度大。部分橋梁位于海灣或沿海地區。有些路段有熔巖地質，有些路段發育很強，有珠狀開發區，大部分都是未填充的空洞，難以建造。

4.2 橋梁設計

高速鐵路干線總長903.94公里，主干線總長度和大中橋橋梁總長657.182公里。橋的長度約為73.8%，橋的分布如表2所示。

表2 某高速鐵路橋梁分布

高速鐵路沿線的經濟發展相對較快。出現了一些長度超過20公里的長橋，大大節省了橋上的鐵路建設用地。減少道路和涵洞以及道路和橋梁的頻繁過渡有助于提高乘客的舒適度；它有效地減少了沿線城市沿線鐵路的切割，促進了城市規劃的整合，促進了沿線人們的生產和生活，為未來發展預留了空間。

（1）梁部設計。高速鐵路干線的簡支梁部分一般由預制框架構成。梁頂寬度12m；通橋（2005）2322-HD采用跨越河流，深谷和橋長200m的橋梁，頂寬13.4m。兩個簡單的箱梁梁的底板和腹板是相同的，只有橋面板的側面減少了70厘米。由于沿線的控制項目太多，某些路段的間隙受到橋機高度的限制，不可能使用預制設施。因此，重新設計了適合該生產線的現澆預應力混凝土簡支箱梁。箱梁的一般橫截面結構和橋面布局與通橋（2008）2322AHD相同。在設計中考慮了端部張力空間的設計要求，并修改和設計了梁體的相關尺寸。除了一般簡支梁外，預應力混凝土連續箱梁主要用于大于40m的大跨度梁截面。常用跨度有(32+48+32) m、(40+56+40) m、(40+ 64+40) m、(45+3×70+45) m、(48+80+48)m、(60+100+60) m、(32+2×48+32) m，(32+3×48+32) m，(40+3×64+40) m、(48+5×80+48) m連續梁，除了帶有支架現澆解決方案的（32+3×48+32） m連續梁外，所有設計都具有可變的橫截面。（60+ 100+ 60）m連續梁的交叉施工在鐵路上進行，其余采用吊籃分段現澆方案。

（2）支座設計。直線簡易箱梁采用橋（2007）8360盆式橡膠支座；大跨度連續梁橋承載采用“鐵路橋大噸位盆地橡膠支座（TGPZ型）”（叁橋（2007）8361）；DK0~DK144+000 采用常溫型軸承，DK144+000~終點采用耐寒型軸承。遼陽附近地下水沉降受影響區域的橋梁和連續梁采用可調高度軸承，其他橋梁采用不可調高軸承。相同的橋固定支撐和縱向可移動支撐位于線的同一側。

（3）橋墩臺設計。橋墩的形狀選擇與橋下水流和全墩高度分布相結合，遵循墩型均勻，相鄰橋墩剛度相近的原則，施工方便。在正常情況下，河流中的橋梁使用圓端橋墩。它不僅符合河流洪水，還符合高速鐵路的安全性，穩定性和舒適性要求。旱橋使用圓端橋墩或矩形橋墩，城市附近考慮景觀效果。在正常情況下，當墩身較低時使用直墩體墩，并且同一橋墩臺盡可能簡單。在正常情況下，當墩身較低時使用直墩體墩，并且同一橋墩臺盡可能簡單。當橫橋的交叉角較小時，框架墩用于交叉。基臺通常采用“一”字臺。

4.3 嚴寒地區鐵路混凝土結構耐久性研究

該線路位于東北腹地，冬季最低氣溫達-39.9°C，屬于嚴寒地區。橋梁的侵蝕環境包括碳化環境，氯鹽環境，化學侵蝕環境，凍融破壞環境和磨蝕環境等各種類型。最高級別是L3和H4，有些部分受到幾種腐蝕環境的影響。

通過分析嚴寒地區混凝土凍融破壞機理和氯鹽引起的鋼筋腐蝕，凍融破壞和鹽溶液腐蝕是基本前提。開展了提高混凝土抗凍性，抗海水中氯鹽腐蝕的研究。

（1）從混凝土通量和氯離子擴散系數的試驗結果來看，水膠比的影響最為明顯，水與粘結劑的比例也是影響混凝土強度的最重要因素。通過降低混凝土的水與粘結劑比例來適當提高強度等級是提高混凝土耐腐蝕性的有效方法。礦物摻合料的種類和用量也影響混凝土的氯離子滲透阻力，與粉煤灰和礦渣粉混合。粉煤灰與硅粉復合可以達到混凝土混合料性能，強度和氯離子滲透阻力的綜合滿意效果。

（2）混合比設計是耐用混凝土設計的關鍵環節之一。在條件允許的情況下，盡量使用較低的水與粘合劑比例來減少混凝土中使用的水和固井材料的量。有利于提高混凝土的致密性，降低混凝土的滲透性，減少收縮，并能有效地抵抗各種離子的運動。它大大延緩了碳化和氯離子和硫酸根離子的侵蝕，并阻止了鋼筋的腐蝕。

5 結束語

我國鐵路橋梁建設技術近年來取得了突飛猛進的發展，建成了世界上長度最長的高速鐵路橋（京滬高鐵丹昆特大橋） 和一批世界上技術復雜、工程規模和運營速度等級位于世界領先水平的大跨度橋梁。隨著國民經濟發展和鐵路網的延伸，橋梁設計還將迎來更大的機遇和挑戰，需要對跨海鐵路通道建設等新課題進行提前研究。本文通過研究和工程實踐，掌握建造1500～2000m跨度鐵路或公鐵兩用橋和水深100m以上跨海大橋的能力，以適應近期寧波至舟山鐵路、甬滬通道跨杭州灣工程等建設的需要，為將來建設瓊州海峽、跨渤海灣、臺灣海峽通道積累經驗和技術儲備。