中國公鐵兩用橋主橋結構體系分析與展望

孫建鵬，周鵬，劉銀濤，肇舉，李青寧，高暢

(西安建筑科技大學 土木工程學院，西安 710055)

公鐵兩用橋的發展最早始于歐洲，現存最早的公鐵兩用橋是位于法國的Cize-Bolo-zon高架橋[1]，建于1875年。中國的第一座公鐵兩用橋是位于哈爾濱的三棵樹松花江橋，由日本鐵道研究所設計、施工，建于1934年。中國自行設計、施工的第一座公鐵兩用橋——錢塘江大橋，建于1937年，標志著中國自行設計、自行建造公鐵兩用橋的開始。

中國公鐵兩用橋經歷了新中國初期的緩慢發展和改革開放至今的快速發展兩個階段[2-4]。第1階段：從新中國成立至改革開放時期，中國公鐵兩用橋發展緩慢。在結構設計方面：橋梁結構體系以最簡單的簡支體系為主，主橋上部結構形式采用了強度大、剛度大、穩定性強的鋼桁梁；下部結構主要由樁基礎和實體墩組成，少許由沉井基礎和實體墩組成；在施工方面，主梁主要采用桿件現場鉚接、主桁以伸臂法施工，基礎以鉆孔管柱法施工；在建筑材料使用上，從最初的主桁結構材料需要向發達國家引進到自行制造，這主要與當時中國經濟和橋梁技術的發展狀況有關[5-8]。第2階段：從改革開放至今，中國經濟的迅速發展帶動了中國公鐵兩用橋梁建設的發展。在這一時期，中國公鐵兩用橋不僅從設計、施工工藝、材料性能及加工工藝上都實現自主創造、自我創新和突破，而且在結構設計、施工工藝技術水平上不斷地創造世界奇跡，不斷地突破世界橋梁歷史上不可能完成的挑戰。數十年累積的橋梁建造技術和經驗，使中國公鐵兩用橋在結構體系上已經從小跨徑的簡支體系發展至大跨徑的拱式體系、超大跨徑的斜拉體系和懸索體系，同時，這3種體系的公鐵兩用橋主跨徑之最均在中國；大跨徑的拱式體系、超大跨徑的斜拉體系和懸索體系公鐵兩用橋在施工工藝難度和技術上均是史無前例的，中國實現了自行設計的創新和挑戰[9-19]；從工廠的加工工藝、運輸到現場吊裝和安裝的一系列過程更為系統、高效和經濟。

筆者通過收集中國已建和在建的公鐵兩用橋相關資料，對中國4種結構體系的公鐵兩用橋主橋主梁結構、基礎以及其他結構部分在結構設計、施工工藝、材料性能上的發展趨勢進行分析，為以后中國公鐵兩用橋的建設提供借鑒。

1 中國公鐵兩用橋發展現狀

中國的公鐵兩用橋主要分布在長江、黃河及一些內流河和沿海地區。中國典型的已建、在建公鐵兩用橋如表1所示。

圖1是中國4種結構體系的公鐵兩用橋主橋跨徑匯總圖。從圖1縱軸(主跨徑)數據可以看出，中國公鐵兩用橋主跨徑梁橋分布在50～200 m之間，拱橋分布在200～600 m之間，斜拉橋分布在300～700 m之間，而懸索橋分布在1 000～1 400 m之間。其中，拱式體系、斜拉體系公鐵兩用橋最大主跨徑的世界紀錄均在中國。從橫軸(橋梁建成年份)數據分布情況可看出，在1990年以前，中國的公鐵兩用橋只有梁式體系；2000年以后，拱式、斜拉、懸索體系開始出現并逐漸發展。從這兩方面綜合分析得出，中國公鐵兩用橋的發展與中國經濟的發展息息相關，從新中國成立至改革開放初期，中國經濟發展緩慢從而導致中國公鐵兩用橋的發展也相對緩慢；改革開放以后，中國經濟的高速發展推動了中國公鐵兩用橋梁建設的快速發展。

表1 中國公鐵兩用橋匯總表Table 1 Summary of rail-road bridges in China

續表1

圖1 中國4種結構體系的公鐵兩用橋主橋跨徑匯總圖Fig.1 Summary of spans of main beam of rail-road bridges with four structural systems in China

2 4種結構體系的公鐵兩用橋主橋發展趨勢及分析

公鐵兩用橋主橋主要包括兩部分，即上部結構和下部結構。中國已建和在建的公鐵兩用橋，從結構形式和受力特點兩方面來看，4種結構體系的主橋主梁及基礎均有著相似之處。

2.1 主梁發展趨勢及分析

中國已建和在建的4種結構體系公鐵兩用橋主梁的主桁架結構均采用了上弦桿與下弦桿平行的鋼桁架結構，其各個組成部分如表2所示。

表2 中國4種結構體系公鐵兩用橋主橋主梁設計匯總表Table 2 Summary of main girder design of main beam of rail-road bridges with four structural systems in China

2.1.1 主梁形式 圖2、圖3分別給出了4種結構體系公鐵兩用橋主梁的主桁桁式示意圖和匯總圖。如圖2、圖3所示，中國公鐵兩用橋主橋的主梁桁式主要采用了5種形式：華倫式、“N”字形、帶豎桿菱形、無豎桿三角形和帶豎桿三角形。從建成年份可以看出，改革開放之前，公鐵兩用橋的主梁桁式主要采用帶豎桿菱形。這主要受當時橋梁設計與建造技術偏低、使用的材料性能較差等條件限制，需要通過增加上下桁片之間的腹桿數量和連接來保證橋梁結構的整體剛度和穩定性。改革開放以后，隨著橋梁建造技術以及材料性能的提高，公鐵兩用橋主橋的主梁桁式經歷了由繁到簡，從桿件多、連接復雜的帶豎桿菱形到桿件少、連接簡單的無豎桿三角形和“N”字形的發展歷程。

圖2 4種結構體系公鐵兩用橋主橋主梁主桁桁式示意圖Fig.2 Schematic diagram of main girder truss of main beam of rail-road bridges with four structural systems

圖3 4種結構體系公鐵兩用橋主橋主梁主桁桁式匯總圖Fig.3 Summary diagram of main girder truss of main beam of rail-road bridges with four structural systems

從力學特性上來看，4種結構體系公鐵兩用橋主橋主梁的受力特點不同，其主桁桁式結構的受力特點也有所不同。在豎向荷載作用下，梁式體系公鐵兩用橋主橋的主梁支座處所受的剪力較大而跨中所受的彎矩較大；華倫式豎桿主要承擔主桁所受的豎向剪力，同時，在豎向荷載作用下，分擔了斜腹桿在豎向所受的分力，斜腹桿的對稱布置不僅可平衡主桁節點處所受到的水平力，而且可提高主桁的整體剛度和穩定性。帶豎桿菱形桁式中的豎桿與華倫式中的豎桿受力特點相似，斜腹桿與豎桿連接形成的菱形結構，可將主桁所受的豎向力均勻分配給各個腹桿，同時，可增加主桁的整體剛度和穩定性，斜腹桿桿件長度較小，減小了受壓斜腹桿屈曲的可能性。在改革開放以前，中國梁式體系的公鐵兩用橋主橋主梁桁式采用了帶豎桿菱形桁式。改革開放至今，主要采用了華倫式。在豎向荷載作用下，懸索體系公鐵兩用橋主橋的主梁主桁與吊桿連接處的腹桿所受拉力大。華倫式中的豎桿可抵消主桁所受的拉力，同時，充分發揮了鋼材抗拉強度大的特點，斜腹桿不僅可分擔主桁豎向所受的拉力，而且可增加主桁得整體剛度和穩定性。因此，華倫式也適用于懸索體系公鐵兩用橋。在豎向荷載作用下，拱式體系公鐵兩用橋主橋的主梁主桁的受力特點與懸索體系的主桁受力特點相似。“N”字形桁式的豎桿與華倫式的豎桿受力特點近似，斜腹桿未對稱布置，所以，在視覺通透性上，“N”字形要優于華倫式，適用于大跨徑拱式體系公鐵兩用橋主橋的主梁桁式；在豎向荷載作用下，斜拉體系公鐵兩用橋主橋的主梁斜拉索與主桁連接節點處的腹桿受拉，在斜拉索的作用下，弦桿受到沿縱橋向的軸向力。“N”字形斜腹桿未對稱布置，在斜拉索的作用下，主桁避免了受壓斜腹桿的產生，所以，“N”字形適用于斜拉體系公鐵兩用橋主橋的主梁桁式。

綜上所述，4種結構體系公鐵兩用橋主橋主梁桁式的采用，不僅與中國橋梁建造技術息息相關，而且與各結構體系主梁受力特點相關。

2.1.2 主梁斷面形式 圖4、圖5分別給出了4種結構體系公鐵兩用橋主橋主梁的橫斷面示意圖和匯總圖。

如圖4、圖5所示，公鐵兩用橋主橋的主梁橫斷面主要采用雙片、三片主桁桁架結構。梁式和拱式體系公鐵兩用橋主橋的主梁橫斷面主要采用雙片平弦直桁。斜拉體系和懸索體系公鐵兩用橋主橋的主梁橫斷面主要采用三桁片平弦直桁、斜桁、直桁+斜桁等形式。梁式和拱式體系公鐵兩用橋主橋的跨度較小，在相同的車道分布條件下，主梁的寬跨比較斜拉和懸索體系公鐵兩用橋主橋主梁的寬跨比大，主梁的橫向剛度也較大。所以，梁式和拱式體系公鐵兩用橋主橋的主梁斷面形式可以采用雙桁片主桁架結構。斜拉和懸索體系公鐵兩用橋主橋的跨度較大、車道數也較多。在斜拉體系公鐵兩用橋中，主梁斷面形式不僅要滿足主梁的橫向剛度和豎向變位要求，而且需要抵抗有索區主桁所受由斜拉索作用引起的軸向力。因此，斜拉和懸索體系公鐵兩用橋主橋的主梁斷面形式主要采用三桁片主桁結構，或者橋面系采用截面抵抗距較大的鋼箱截面。但是，主梁桁片的數量和布置形式還需要根據線路規劃的交通量、施工難度、鋼材用鋼量等多方面綜合考慮，這樣才能體現公鐵兩用橋建造過程中的安全性和經濟性。

圖4 4種結構體系公鐵兩用橋主橋主梁橫斷面示意圖Fig.4 Cross-sectional schematic diagram of main girder of rail-road bridges with four structural systems

圖5 中國四種結構體系公鐵兩用橋主橋主梁橫斷面形式匯總圖Fig.5 Summary of main girder cross section forms of rail-road bridges with four structural systems

2.1.3 橋面系 圖6、圖7分別給出了4種結構體系公鐵兩用橋主橋的橋面系示意圖和匯總圖。

如圖6、圖7所示，公鐵兩用橋主橋的橋面系主要采用了縱橫梁體系、密布橫梁體系兩大類。梁式體系公鐵兩用橋主橋的橋面系主要采用縱橫梁體系，拱式、斜拉和懸索體系主要采用密布橫梁體系。從建成年份可以看出，2000年以前，公鐵兩用橋主橋的橋面系均采用縱橫梁體系，2000年至今，公鐵兩用橋主橋的橋面系近90%采用密布橫梁體系。

圖6 4種結構體系公鐵兩用橋主橋橋面系示意圖Fig.6 Schematic diagram of main bridge decksystem of rail-road bridges with four structural systems

圖7 4種結構體系公鐵兩用橋主橋橋面系匯總圖Fig.7 Summary of main girder deck system of rail-road bridges with four structural systems

縱橫梁體系可提高主梁橫橋向剛度，但是縱橫梁與聯結系之間連接復雜，導致結構局部受力復雜、施工復雜和施工周期長等缺陷。密布橫梁體系具有施工快、增大主梁橫向剛度和減小主梁豎向變位等特點，同時，在中國交通快速發展背景下，中國公鐵兩用橋也需要滿足快速建造模式。此時，密布橫梁體系的優點完全適用于當下中國公鐵兩用橋的建設[20-23]，可逐漸取代縱橫梁體系。

2.1.4 橋面板 公鐵兩用橋主橋的橋面板主要采用混凝土橋面板和正交異性鋼橋面板這兩種類型。橋面板類型的選擇是根據主橋的載重要求、跨徑大小、主梁整體剛度和穩定性等因素來確定，其中，已建和在建的4種結構體系公鐵兩用橋主橋的公路和鐵路橋面板分布情況如圖8所示。

由圖8可以看出，公鐵兩用橋主橋的橋面板主要采用了混凝土橋面板和正交異性鋼橋面板兩大類。梁式體系公鐵兩用橋主橋的公路橋面板主要采用混凝土橋面板，鐵路橋面板主要采用混凝土橋面板或正交異性鋼橋面板。拱式體系、斜拉體系和懸索體系公鐵兩用橋主橋的公路和鐵路橋面板均主要采用正交異性鋼橋面板。從建成年份可以看出，在2000年以前，公鐵兩用橋主橋的公路橋面板主要以混凝土橋面為主，鐵路橋面以明橋面和混凝土橋面板為主，這與當時公鐵兩用橋的交通量小、載重要求低的特點有關，其中，公路主要是以國道為主，鐵路主要是以單線或雙線鐵路為主[24-26]。2000年至今，隨著中國經濟的高速發展、交通量和載重要求的激增，4種結構體系的公鐵兩用橋主橋的跨徑和橋面寬度也隨之增大。為滿足主橋主梁整體剛度和穩定性的設計要求，橋面板采用了自重更輕，強度更大的正交異性鋼橋面板。

圖8 4種結構體系公鐵兩用橋主橋橋面板匯總圖Fig.8 Summary of main girder deck of rail-road bridges with four structural systems

綜上所述，公鐵兩用橋主橋橋面板發展從自重大、強度較低、耐久性差的混凝土橋面板趨于自重輕、強度更大、穩定性好的正交異性鋼橋面板和高強合金鋼橋面板。但是，正交異性鋼橋面板有著抗疲勞性差、抗腐蝕性差等缺點，尤其是抗疲勞性差這一問題，是當下橋梁建設中一直未能解決的問題[27-34]，導致橋面板的壽命周期只有十幾年、甚至幾年。因此，鋼橋面板的疲勞問題將是公鐵兩用橋主橋未來發展需要重視和解決的關鍵問題。

2.1.5 主桁節點 改革開放以前，中國公鐵兩用橋主橋主桁節點是采用鉚釘將主桁弦桿與腹桿在現場拼裝而成的節點。20世紀90年代初期，整體節點首次運用到中國鋼桁橋當中，整體節點是采用焊接方式將弦桿與節點板焊接成整體結構的節點[35-37]，整體節點可在工廠組件拼裝，方便運輸，不僅減少了桿件在施工現場拼裝的工程量，而且縮短了施工周期。所以，從20世紀90年代初至今，中國公鐵兩用橋主橋的主桁節點一直采用整體節點。

2.1.6 主桁結構連接形式 圖9～圖11分別給出了鋼桁桿件典型的連接形式。從圖9～圖11可以看出，公鐵兩用橋主橋主梁的弦桿與弦桿、弦桿與腹桿、弦桿與橫梁以及弦桿與聯結系之間主要采用鉚接、栓焊和全焊的連接方式[38-39]。在改革開放以前，中國公鐵兩用橋主橋主梁的弦桿與弦桿、弦桿與腹桿、弦桿與橫梁以及弦桿與聯結系之間主要采用鉚接的連接方式，改革開放至今，主要采用栓焊和全焊的連接方式。九江長江大橋建設中采用栓焊的連接方式之后，公鐵兩用橋主橋主梁各組成部分之間的連接方式不再采用鉚接。因為鉚接與栓焊、全焊相比，栓焊和全焊不僅可提高主梁局部桿件之間受力的整體性和主梁的整體受力性能，而且可縮短主梁架設施工的工期、降低現場拼裝的危險性。但焊縫也存在局部應力集中和疲勞的問題，這是當下和未來公鐵兩用橋主橋主梁設計與施工需要重視的問題。

圖9 鋼桁桿件鉚接示意圖Fig.9 Schematic diagram of riveting of steel truss

圖10 鋼桁桿件栓焊連接示意圖Fig.10 Schematic diagram of bolt-welded connection of steel truss

圖11 鋼桁桿件全焊接示意圖Fig.11 Schematic diagram of full Welding of steel

2.1.7 主梁架設方法 公鐵兩用橋主橋主梁的架設施工方法不僅與主橋結構體系、主桁結構形式和主橋跨徑大小等有關，而且與建造時的施工條件、施工環境和經濟環境等因素有關。在改革開放以前，中國公鐵兩用橋主橋的主梁主要采用簡支和連續的鋼桁梁結構形式，跨徑偏小、橋面高程小，所以，主梁架設施工主要采用伸臂施工法、平衡懸臂架設施工法和臨時墩架設的施工方法。改革開放至今，中國公鐵兩用橋主橋的建設主要采用大跨徑的拱式體系以及超大跨徑的斜拉和懸索體系，不再采用梁式體系。在建的三門峽黃河公鐵兩用橋主梁架設施工是中國首次在梁式體系公鐵兩用橋中采用頂推施工法[40]，主要利用主桁結構是長聯大跨的特點。拱式體系公鐵兩用橋主橋主梁的架設方法與拱橋結構形式和受力特點相聯系，在主拱結構施工完成之后，主梁的架設以主拱為依托進行節段吊裝；斜拉體系公鐵兩用橋主橋主梁的架設均采用對稱懸臂吊裝的施工方法，將主塔作為平衡施工平臺，斜拉索控制主梁下撓；懸索體系公鐵兩用橋主橋主梁的架設方法與懸索橋結構受力特點相關，采用以主纜為施工平臺，從主橋跨中向橋塔兩側對稱吊裝完成的施工方法[41-43]。

綜上所述，由于主桁結構桿件現場拼裝的復雜性、施工設備和施工技術經驗的缺乏、材料性能偏低和建造資金不足等因素，早期公鐵兩用橋主橋主梁架設的施工周期長、施工危險性高、施工難度大。隨著經濟的迅速發展、橋梁建造技術的提升和材料性能的優化，公鐵兩用橋主橋主梁的主桁結構桿件連接可在工廠加工完成，然后將小節段主桁結構運輸至安裝位置，根據主橋結構體系的受力特點，再進行吊裝完成。整個流程趨于系統化、高效化和經濟化。

2.1.8 主梁結構材料 公鐵兩用橋主橋主梁結構材料主要是鋼材，最早采用鉻合金鋼、碳鋼和進口的CT3橋梁鋼，后來自行制造16Mn鋼、15MnVNq鋼、14MnNbq鋼和Q345～Q500qE鋼等不同材質的橋梁用鋼[44-46]。

隨著公鐵兩用橋主橋跨度的增加、交通量的激增和橋梁載重要求的提高，在需要滿足主梁豎向變位、整體剛度和整體穩定性的設計要求下，主梁作為主橋的主要承重結構，不僅需要采用承載能力強的結構形式，而且其材料性能也需要提高和優化。因此，可通過加工鋼材、添加有利微量元素以及合金元素等措施，實現鋼材材質的優化；也可通過加大鋼板的厚度來提高結構的整體剛度和承載能力。但如果鋼板厚度增加，屈服強度將減小，導致橋梁自重的增加與主桁承載能力的增加不成正比，因此，這一措施不具有經濟性；也可將以上兩種措施相結合，在改善鋼材材質的同時，適當地增加鋼板的厚度，這樣不僅提升了鋼材的性能，而且還節省了材料。除了提高鋼材的強度外，主梁結構用鋼還應具備抗沖擊韌性強、抗腐蝕性強和可焊性等性能。

綜上所述，隨著公鐵兩用橋主橋趨于跨度更大、載荷要求更高的發展之勢，其主梁結構的材料性能也需要不斷提高和優化，這樣才能充分發揮材料性能和節省材料。

2.2 基礎發展趨勢及分析

已建和在建公鐵兩用橋主要分布在沿江、沿河和沿海地區，其主橋的基礎均分布在有江水、河水和海水的區域，這給基礎類型的選擇和施工都帶來很大的困難，尤其對承載能力要求高的公鐵兩用橋來說，基礎的建設尤為重要，也更加困難。表3對4種結構體系公鐵兩用橋主橋基礎進行了匯總，并將匯總數據繪于圖12。

表3 4種結構體系公鐵兩用橋主橋基礎匯總表Table 3 Summary of foundations of main beam of rail-road bridges with four structural systems

從表3和圖12可以看出，4種結構體系公鐵兩用橋主橋的基礎主要采用了5種基礎類型：樁基礎、管柱基礎、混凝土擴大基礎、沉井基礎和沉箱混凝土基礎。其中，梁式體系公鐵兩用橋主橋所采用的基礎類型較多，拱式、斜拉和懸索體系公鐵兩用橋主橋的基礎主要以樁基礎為主。梁式體系公鐵兩用橋主橋的跨度小，上部結構荷載較小，所以，可以采用適用于淺水區域的橋梁基礎類型，如管柱基礎、沉井基礎和混凝土擴大基礎。拱式、斜拉和懸索體系公鐵兩用橋主橋的跨度大，上部結構荷載大，所以，需要采用剛度大、承載能力強和嵌入巖層能力強的樁基礎，才能更好地保證橋梁上部結構在荷載作用下的穩定。斜拉體系公鐵兩用橋主橋也采用沉井基礎，沉井基礎具有剛度大、承載能力大的特點，但其體積大，嵌入堅硬程度較大的巖層較困難。可對于一些較厚的軟弱巖層來說，沉井基礎比樁基礎更為適合，因為樁基礎與軟弱層之間的阻力小，減小了樁基礎的豎向承載能力。

圖12 4種結構體系公鐵兩用橋主橋基礎匯總圖Fig.12 Summary of foundations of main beam of rail-road bridges with four structural systems

改革開放以前，中國公鐵兩用橋主橋基礎施工困難，除了施工設備差、施工技術偏低的自身因素外，還與中國經濟蕭條、施工環境惡劣以及國外專家不給予技術支持的外界因素有關。在這個時期，盡管基礎施工困難重重，中國的專家們還是通過自行設計和自行施工，創造了史無前例的施工方法，為后來的公鐵兩用橋基礎施工提供了實際的經驗和方法。武漢長江大橋基礎施工中，在世界橋梁建筑史上首次采用了氣壓沉箱掘泥打樁的基礎施工方法，南京長江大橋基礎施工中采用了中國首創的大型管柱鉆孔法，九江長江大橋基礎施工中采用了鋼壁雙圍堰鉆孔施工方法[47-51]。從改革開放至今，中國公鐵兩用橋主橋基礎施工方法更為系統化和先進化，從基礎位置的地質勘察和施工場地與周圍環境的前期工作協調，到基礎類型的選擇和確定施工方案，再到搭建施工平臺和開始基礎施工，到最后完成基礎施工的整個過程趨于系統化，施工技術和施工設備趨于先進化。公鐵兩用橋基礎的材料均采用強度大、耐腐蝕性強的鋼筋混凝土。

綜上所述，公鐵兩用橋主橋基礎的發展在早期面臨的挑戰是前所未有的，但也創造了史無前例的成功案例，不僅推動了公鐵兩用橋的發展，而且將中國橋梁基礎的建造技術推向世界先進水平。

2.3 其他結構部分的發展趨勢及分析

4種結構體系公鐵兩用橋主橋除了主梁和基礎兩部分以外，其他結構部分在結構設計、施工工藝和材料性能等方面也發生了變化。

2.3.1 梁式體系公鐵兩用橋橋墩發展趨勢 在相同載荷條件下，梁式體系公鐵兩用橋主橋在豎向、順橋向所受的靜動荷載比單獨的公路橋和單獨的鐵路橋大。所以，已建和在建的梁式體系公鐵兩用橋橋墩均采用了實體結構。橋墩的施工方法沒有發生明顯變化，但橋墩所采用的結構形式和建筑材料卻有所變化。武漢長江大橋主橋橋墩采用鋼筋混凝土加外包磚體的結構，建筑材料采用了鋼筋、混凝土和沙磚。三門峽黃河公鐵兩用大橋橋墩采用門式實體鋼筋混凝土結構，建筑材料采用鋼筋和混凝土。

2.3.2 拱式體系公鐵兩用橋拱肋發展趨勢 拱式體系公鐵兩用橋主要承重結構是拱肋，由于公鐵兩用橋靜動荷載大，對于拱肋剛度、承載能力要求更高，因此，拱式體系公鐵兩用橋拱肋采用自重更輕、強度更大的鋼結構。隨著主橋跨徑的增大，拱式體系公鐵兩用橋主拱的結構形式從早期的柔性拱(圖13)發展到了結構剛度更大、承載能力更強的鋼桁架拱(圖14)、鋼箱截面拱(圖15)。拱肋的施工工藝和材料性能也發生了變化。

圖13 鋼桁梁柔性拱公鐵兩用橋Fig.13 Flexible arch of rail-road bridges with steel truss beam

九江長江大橋(圖13)是中國首座拱式體系公鐵兩用橋，采用剛性鋼桁梁+柔性鋼拱的結構形式[52]。結構設計方面，鋼桁梁是主橋主要承擔荷載作用的結構，鋼拱肋是輔助承擔荷載作用和增大鋼桁梁跨度的結構。雖然鋼拱不是主要承擔荷載作用的結構，但增大了橋跨徑，為中國大跨度拱式體系公鐵兩用橋提供了有益的經驗和技術。施工方面，首先采用懸臂拼裝法從兩岸向主橋跨中架設剛性連續鋼桁梁至合龍，之后再拼裝鋼拱肋和安裝吊桿[53]。架設完成后的剛性鋼桁梁不僅為架設拼裝拱肋提供了施工平臺，而且減小了鋼拱在安裝過程中所產生的附加內力和變形，這一施工技術為此后建造的拱式體系公鐵兩用橋的施工提供了實質性的技術和經驗。

圖14 鋼桁梁鋼桁拱公鐵兩用橋Fig.14 Steel truss girder and steel truss arch of rail-road bridges

圖15 鋼橋面鋼箱拱公鐵兩用橋Fig.15 Steel box arch of rail-road bridges with steel deck

重慶朝天門長江大橋主橋(圖14)是目前世界第一跨徑和首次采用鋼桁架拱結構的拱式體系公鐵兩用橋。結構設計方面，主拱采用剛度大、結構復雜、受力復雜的變高度鋼桁架形式，上下弦桿的幾何線型采用不同函數的二次拋物線，主跨上弦與邊跨上弦呈反向曲線，這樣的設計使得主跨與邊跨連接處桿件的受力更小、更合理，主拱引起的水平推力由上下弦桿平衡[54-55]，上下弦桿之間的腹桿均按照無應力狀態控制法設計；施工方面，首先施工主桁架拱，然后再吊裝主梁和安裝吊桿。主拱架設首先是設置臨時墩，搭設邊跨鋼桁架至主跨支墩后，再采用懸臂吊裝施工法將主拱節段吊裝至跨中合龍。為了控制主拱桁架的內力和減小最大懸臂端的撓度[56-57]，主拱懸臂安裝過程中，在最大懸臂端設置了斜拉扣索。主拱材料方面，主桁結構采用了Q345qD、Q370qD、Q420qD等3種不同材質的橋梁鋼，使主桁各個部位桿件內的力更加均勻。

宜賓金沙江公鐵兩用大橋主橋(圖15)是中國首座上層鐵路、下層公路的拱式公鐵兩用橋，打破了傳統的上公下鐵的建造形式。結構設計方面：主拱采用了剛度更大、抗扭剛度更大的箱形截面和有水平推力體系[58]，為了平衡主拱在拱腳處所產生的水平推力，主墩采用了體積更大、強度更大的混凝土結構。主梁不再是鋼桁梁的結構形式，兩橋面獨立存在，兩層橋面的間距達到32 m，上下橋面之間采用一般形式吊桿，主拱與上層橋面之間采用截面更大、強度更大的加強吊桿，代替鋼桁梁中腹桿的作用，這樣不僅滿足了上層高速鐵路橋面的整體剛度和穩定性，而且滿足了雙層橋面之間的整體受力和整體穩定性。施工方面，首先節段拼裝主拱結構，然后吊裝上層橋面和安裝上層加強吊桿，最后吊裝下層公路橋面和安裝兩層橋面之間的普通吊桿。材料性能方面，由于橋面所受載荷不同，主拱的吊桿采用了兩種材質，體現了材料性能運用的科學和經濟。

綜上所述，3座拱式體系公鐵兩用橋的主橋各采用了不同的結構形式，施工工藝和材料性能也有所不同。因此，拱式體系公鐵兩用橋主橋在結構設計、施工工藝和材料性能等方面上均實現了創新和突破，為未來拱式體系公鐵兩用橋的建造提供有利的借鑒意義。

2.3.3 斜拉體系公鐵兩用橋橋塔和拉索發展趨勢 橋塔是斜拉體系公鐵兩用橋的主要承重結構，拉索起著傳力及平衡橋塔兩側主梁軸向力的作用。拉索主要采用預應力鋼絞線材料。其中，已建和在建的斜拉體系公鐵兩用橋橋塔主要采用鋼筋混凝土結構，其結構類型主要有：“H”型、倒“Y”型、鉆石型。橋塔類型的選擇與主桁桁片多少和斜拉索索面數量有關，其中，雙桁片主桁、雙索面斜拉索所對應的橋塔類型為“H”型，三桁片主桁、三索面斜拉索所對應的是倒“Y”、鉆石型。因為拉索、橋塔和主梁三者在受力條件下能達到一個平衡狀態，橋塔的施工從滿堂支架法施工發展至采用移動支架法，減少了施工設備、提高了施工效率。黃岡公鐵兩用長江大橋主橋橋塔采用“H”型鋼筋混凝土結構，斜拉索采用雙索面對稱布置的結構形式。滬通長江大橋主跨跨徑為1 092 m，是中國首座主跨徑超千米的斜拉體系公鐵兩用橋，其主橋橋塔采用倒“Y”型鋼筋混凝土結構，斜拉索采用了三索面對稱布置的結構形式。

2.3.4 懸索體系公鐵兩用橋主纜、橋塔和錨碇發展趨勢 主纜是懸索體系公鐵兩用橋主要承重和傳力的結構，主梁所受荷載經吊桿傳至主纜，主纜通過橋塔將豎向荷載分給橋塔，水平力由主纜傳至錨碇。公鐵兩用懸索橋主纜是將多股高強鋼絞線擰成一束鋼纜。在建的中國公鐵兩用懸索橋五峰山長江大橋是世界最大載重公鐵兩用懸索橋，其主纜直徑也是世界公鐵兩用懸索橋之最，達到了1.3 m[59-60]。橋塔是公鐵兩用懸索橋的主要承重結構之一，主要承擔主梁荷載的豎向分力，采用抗壓強度大和帶有橫梁的門式鋼筋混凝土結構。橫梁采用預應力混凝土結構，提高橋塔橫橋向的剛度，增強橋塔縱橋向抵抗風荷載的能力。除了錨固主纜的作用以外，錨碇主要抵抗主纜所承受的主梁荷載水平分力，采用重力式鋼筋混凝土結構，其基礎采用擴大基礎和沉井基礎。

主纜采用智能化施工，利用自動牽引機將單股鋼絞線按照主纜設計線型依次從一側橋塔塔頂牽引至另一側橋塔塔頂，直至將所有鋼絞線牽引到位后，再用緊固設備將所有的鋼絞線夾緊，同時安裝吊桿；主塔施工方法與斜拉體系公鐵兩用橋主塔的施工方法相似；錨碇是大體積混凝土結構，采用分層或分段澆筑法施工。

3 結論

中國公鐵兩用橋主橋從跨徑小、結構受力簡單的梁式體系發展到目前大跨徑的拱式體系，以及大跨徑、超大跨徑的斜拉、懸索體系等。4種結構體系主橋的主梁和基礎結構以及其他結構部分在結構設計、施工工藝、材料性能優化等方面均實現了創新和突破。

1)在結構主梁設計上，4種結構體系公鐵兩用橋主橋的主梁結構形式由繁至簡，主桁桿件連接方式由離散拼裝至整體栓焊，主桁桁式在力學特性上與各結構體系公鐵兩用橋的受力特點相輔相成，充分發揮了材料性能和結構受力特點。由于上下橋面寬度差異較大，主梁橫斷面采用不同結構形式來滿足主梁上下橋面的整體剛度和整體穩定性。在施工工藝上，從所有主桁架桿件現場拼裝，發展至在工廠進行節段整體栓焊，運輸到現場節段吊裝完成。主梁架設施工的整個過程趨于系統化、高效化和經濟化。在材料性能上，公鐵兩用橋主梁的材料性能趨于優質化，從強度小、材質差和可焊性差優化至強度大、材質優和可焊性好。

2)基礎在結構類型上發展變化不大。隨著主橋上部結構荷載作用的增大、橋址地質環境的惡劣，基礎施工從探索性施工發展至自主創新。材料的性能從強度低、抗腐蝕性差的木材優化至強度大、抗腐蝕性強和耐久性好的高性能鋼筋混凝土。

3)中國拱式體系公鐵兩用橋主橋在跨徑上刷新了世界紀錄，主拱的結構設計趨于新型化，施工工藝趨于復雜化，材料性能趨于科學和經濟化。

4)斜拉體系和懸索體系除主梁和基礎兩結構部分，其他部分結構的設計趨于科學化，施工趨于經濟化、智能化，材料性能趨于優質化。

中國已建和在建公鐵兩用橋主橋在結構設計、施工工藝和材料性能等方面均實現了創新和突破。但在快速的交通運營模式下，對于沿海地區城市與城市之間、內陸城市與城市之間、平原與高原地區的交通建設和經濟發展來說，公鐵兩用橋的建設起著關鍵性作用。面對以上種種困難，中國打破了不可能在長江和黃河上建設公鐵兩用橋的格局，公鐵兩用橋的建設將充分利用目前先進的橋梁技術，并向著更新、更優、更經濟和更具有挑戰的方向發展，不斷地創新和突破公鐵兩用橋建造的可能性。