世紀之交鐵路橋梁發展的體會

摘　要:世紀之交的鐵路橋梁主要以高墩、大跨、高速、耐久性為主要發展形式,結合近些年鐵路橋梁的建設,介紹鐵路橋梁在跨越能力、允許通過速度、新材料、耐久性等方面取得的重大成就和長足的發展。隨著多條客運專線及宜萬、福廈等鐵路及多座跨長江橋梁的建設,這些橋梁建成后將會對世界橋梁建設產生影響。

關鍵詞:鐵路橋梁;跨越能力;新材料;耐久性;允許通過速度

中圖分類號:Ｕ44　　文獻標識碼:Ｃ　　文章編號:10042954(2004)07010604　

自上世紀90年代初,中國鐵路以大秦線、京九線、南昆線、哈大線、寶成線、浙贛線等新建和改擴建鐵路為契機,掀起了一輪鐵路大發展的高潮。這一輪鐵路建設的特點是,加大重要干線的運輸能力和大量填補國土資源運輸的空白。至90年代末和本世紀初,從考慮運輸質量出發和進一步填補國土資源運輸空白的鐵路以廣深線、秦沈線、青藏鐵路及三大干線等提速改造為代表的提速、準高速、高速、高源凍土鐵路相繼建設,鐵路和國民經濟的比例發展關系更加明朗。這一時期對鐵路橋梁的要求也從重視載重發展成為對列車過橋速度和平順性的要求,鐵路橋梁除了不斷發展跨越能力外,從計算理論方面也走過了強度、抗裂性、剛度、舒適度和耐久性幾個階段,這標志著我國鐵路橋梁的發展跟上了世界橋梁發展的步伐。從秦沈客運專線的高速行車試驗和青藏鐵路耐久材料的研究等表明,我國鐵路橋梁界也正在同步研究相同類型的問題。世紀之交的鐵路橋梁發展是以高墩、大跨、高速、耐久性為主要形式的發展。

1　混凝土簡支橋梁

混凝土標準梁在加快鐵路建設中起到重要作用是不爭的事實,而其盡量少用材料及鋼料以適用國情和能夠用架橋機架設的365JT設計理念在世紀末發生了變化。用于廣深鐵路的標準梁,列車速度達到200ｋｍ/ｈ左右時一些梁需要進行必要的加固,若干干線提速后,標準梁橫向連接較弱的問題突出了出來。本世紀初新修編的標準梁圖,調整了梁截面尺寸,加寬了主梁間距,增加了橫向預應力,加強了橫向剛度,使之能夠適應客車160ｋｍ/ｈ乃至200ｋｍ/ｈ左右的運行速度。在混凝土簡支梁的跨度方面,90年代初曾有采用架橋機架設40ｍ簡支Ｔ形梁橋的工點,如京廣線的江村橋等。由于運輸過程中受隧道凈空的限制,橋面寬須減窄,部分小曲線半徑和道岔須加固,不得不逐漸放棄。在寧武線黃河橋上首次采用“造橋機”節段拼裝48ｍ混凝土箱形簡支梁;繼而在南昆線打埂、白水河橋采用的跨度發展為56ｍ;在神延線禿尾河橋工點,從32ｍ簡支梁橋方案比較到150ｍ跨度的連續梁橋方案,最終確定采用較為經濟的64ｍ混凝土箱形簡支梁橋式方案。由于大跨混凝土簡支梁橋在較高橋墩的工點上有橋式的合理性和經濟性的優勢,在世紀之交我國建設的南昆線、內昆線、渝懷線、株六線、包石線、神延線等線均有采用此種橋式的工點。株六線的響琴峽發展為“造橋機”架設的先簡支后連續(40+64+40)ｍ橋式;而在建的蘭武線河口黃河橋擬采用“造橋機”建多孔56ｍ的連續彎梁橋。32ｍＴ梁架設見圖1,移動支架造橋機見圖2。

高速鐵路上的混凝土簡支梁橋,梁在設計中的控制因素已不僅是強度、抗裂性、剛度等,而是要考慮列車過橋時旅客的舒適程度。秦沈客運專線高速列車的行車試驗表明,經過動力仿真模擬確定的混凝土簡支箱形梁橋的設計參數基本合理,調整后優化可以用于我國今后建設的高速鐵路上。

在建的青藏鐵路是世界上第一條高原凍土鐵路,其環境的惡劣以及對橋梁構件的耐久要求和沒有依靠大量人力養護維修的條件,在4500ｍ海拔高程以上的高原凍土區段采用的混凝土簡支梁的對策中,盡量采用先張梁,通過研究和參照國外有關規范要求降低鋼及混凝土的允許應力,加大保護層厚度,首次在后張梁采用真空壓漿工藝及能通過凍融循環300次的混凝土配方等。與之配套的支座亦采用少或免維修的圓柱面鋼支座,橋墩和基礎的設計采用抗凍融、凍漲、凍拔的措施,期望能達到提高耐久性的預期效果(圖4)。

2　高橋墩

山區鐵路的建設,免不了需要修建高橋墩,而修建高橋墩的能力也影響山區鐵路的選線。本世紀初建成的內昆線李子溝大橋(圖5)、花土坡大橋創高橋墩之最,分別達到107ｍ和110ｍ。值得一提的是,較低的李子溝大橋由于地質較差,將橋墩建成掃把形方才能通過模擬列車運行的動力仿真分析,通過實橋行車試驗,實測和分析結果相近;至于高橋墩自身的溫度、風振、車振、地震等問題尚有待進一步研究。

3　預應力混凝土連續梁橋

橋墩較低矮,設剛構橋剛度難以調整或溫度聯長太長時,預應力混凝土連續梁橋是合理的選擇。由于受到大噸位支座的限制,預應力混凝土連續梁的跨度較上世紀90年代初建成的侯月線海子溝橋只前進了20ｍ,建成的寶成線清江7號橋主跨徑88ｍ,長荊線漢江橋主跨徑100ｍ,內昆線花土坡橋(圖6)和包石線三道坎黃河橋主跨徑分別為單、復線104ｍ,為目前我國鐵路預應力混凝土連續梁之最。秦沈客運專線建成的主跨徑64ｍ和80ｍ的預應力混凝土連續梁高速運行情況良好。南昆線板其2號橋主跨徑為72ｍ的預應力混凝土連續彎梁,其曲線半徑Ｒ=450ｍ,為我國鐵路預應力混凝土連續彎梁之首座。值得一提的是南昆線八渡南盤江橋,主跨為90ｍＶ形支撐連續梁,原設計意圖是減少梁的支撐長度,從而優化梁體的橫截面尺寸,更適合單線鐵路橋,而這一點頗有爭議。

4　預應力混凝土連續剛構橋

此種橋式由于大跨度主墩上沒有支座,不受大噸位支座研發的限制,橋墩和梁體可以協調受力,懸灌365JT施工時可不設臨時支座,故發展迅猛。繼攀枝花金沙江橋建成主跨168ｍ預應力混凝土連續剛構橋后,建成和在建的有一大批此類橋梁,南昆線清水河橋主跨128ｍ,渝懷線黃草烏江橋主跨168ｍ。值得注意的是發展到如此跨度,受橫向剛度的限制,主梁箱寬已能滿足雙線橋的要求,建單線鐵路橋已很不經濟。另一方面,此種橋式聯長太長時,溫度力難以控制,不得不將部分采用連續梁,即剛構連續梁組合結構,內昆線李子溝橋就是其靈活應用的例子。渝懷鐵路井口嘉陵江特大橋見圖7。

5　鋼橋

在人們對不停的刷油漆感到厭倦和不能忍受其造價后,全國各鐵路部門一段時間內較少采用鋼梁橋,在世紀末鋼梁的涂裝得到飛速發展,其稱謂壽命已超過人的工作壽命。一些西方發達國家的報道,當混凝土結構達到近百年壽命時,其整修比鋼結構更加麻煩,從而印證了人們對混凝土結構問題的看法,又重新審視鋼梁橋。建成九江橋后,對是否采用高強鋼建橋產生了看法,大部分學者認為宜采用中強鋼。京九線孫口黃河橋采用的就是ＳＭ50Ｃ中強鋼(受焊接的限制采用的是日本鋼材及標準)整體節點;新荷線長東黃河橋正式采用國產中強鋼14ＭｎＮｂｑ;之后采用中強鋼建設的有蕪湖長江橋、長壽長江橋、佳木斯松花江橋等。建成的蕪湖長江橋為斜拉索加勁的連續鋼桁梁橋式,跨度為312ｍ,已建成的長壽和在建的萬洲長江橋主跨分別是192ｍ鋼桁梁橋式、主跨360ｍ鋼桁拱橋式,均為國內同類型橋梁之最(圖8)。

鋼混凝土結合梁受剪力鍵制約多年,西康線洵河橋采用的48ｍ簡支梁結合梁其剪力鍵是高強螺栓。經試驗研究,剪力釘仍為較好的連接方式,秦沈客運專線采用的主跨30、40、50ｍ鋼混凝土結合連續梁的剪力鍵為剪力釘,并有兩座橋鋼梁采用工地全焊,另有一座為Ｒ=1500ｍ的連續彎梁橋。

6　拱橋

水柏線北盤江橋為236ｍ的鋼管混凝土上承式拱橋橋式(圖9),但其鋼管只起到鋼筋和模板的作用,并未按約束混凝土呈三向應力狀態計算分析,鐵路橋梁承受活載大、剛度要求嚴是其表現的特點。該橋創多項之最,橋高達280ｍ,轉體重達萬余ｔ;若早年有此365JT技術,貴昆線或許不是現在的走向。在建的宣杭線東笤溪橋橋式為112ｍ的提籃式系桿拱橋;在建的萬州長江橋橋式為主跨360ｍ桁架拱橋,其特點是橋形美觀但各桿件長短不一,結點多不相同,設計、施工均較麻煩。在改革開放前,人們不愿意建造此類橋梁,此橋建成后將創亞洲紀錄(圖10)。

7　斜拉橋

繼紅水河斜拉橋之后,世紀末建成了大秦線大里營主跨50ｍ混凝土剛性索轉體斜拉橋和蕪湖長江矮塔斜拉加勁的鋼桁梁橋;擬建的武漢樞紐天興洲長江橋為500ｍ左右跨度的四線鐵路斜拉橋,將在世界橋梁史上占有一席之地(圖11)。

綜上,世紀之交,在我國鐵路橋梁人員的共同努力下,橋梁的跨越能力、允許通過速度、新材料、耐久性等方面取得了重大的成就和長足的發展,隨著多條客運專線及萬宜、福廈等鐵路以及多座跨長江的橋梁的建設,這些橋梁建成后將會對世界橋梁建設產生影響。表1～表6為歷年來大跨度鋼桁梁橋、大跨度拱橋、大跨度斜拉橋和特殊結構橋、鋼結合梁橋、大跨度混凝土連續梁橋、大跨度簡支梁橋一覽表,供讀者參考。

表1　大跨度鋼桁梁橋(部分)

線路名稱 橋名 主橋孔跨布置/ｍ 建成年代備 注

大準線 黃河特大橋 96+132+96 1992

淅贛線 尖山浦陽江大橋 128 1992

京九線 孫口黃河特大橋 4×180 1992

濱洲線 富拉爾基特大橋 3×64 1995 簡支

京九線 九江長江大橋 180+216+180 1995.6 鋼桁梁柔性拱

湘黔線 渠江大橋 2×80 1996

京九線 吉安贛江特大橋 64×96+64 1996

京包線 媯水河特大橋 4×128 1997 簡支

新荷線 長東黃河特大橋 9×96+4×108+3×108 1998

新長線 江陰輪渡棧橋 5×48 2001隨水往上、下變動

綏佳線 佳木斯松花江特大橋 96+2×128+96 2002

荷日線 兗北特大橋 64 2002

渝懷線 長壽長江大橋 144+2×192+144 2003

寧啟線 京杭運河特大橋 112 2004　

表2　大跨度拱橋

線路名稱 橋名 橋跨式樣/ｍ 建成年代 備注

北京鐵路 西站豐臺路立交橋 16+36+161995 尼爾森體系

西康線 豁口特大橋 42 1998 雙線下承

銅陵專用線 天橋路立交橋 50 2000 單線下承

水柏線 北盤江大橋 236 2001 上承鋼管拱

贛龍線 吊鐘巖大橋 140 在建 上承

宣杭線 東苕溪特大橋 112 在建 拱籃式下承拱

青藏線 拉薩河特大橋 36+72+108+72+36 在建 鋼管混凝土拱連續梁組合體系

宜萬線 萬洲長江大橋 168+360+168 在建 鋼桁拱　

表3　大跨度斜拉橋和特殊結構橋

線路名稱 橋名 橋跨式樣/ｍ 建成年代 備注

京九線 衛運河特大橋 32.5+65+32.5 1993 斜拉式預應力混凝土連續桁架

西長線 衙門口特大橋 2×24 1996 連續ＳＲＣ梁

杭州樞紐 大寨港1號橋 1×40 1996 無碴ＳＲＣ梁

大秦線 大里營特大橋 50+41.5 1997 槽形梁斜拉橋轉體施工

哈大線 鞍鋼橋 16.98 1999 預彎ＳＲＣ梁

蕪湖樞紐 蕪湖長江大橋 180+312+180 1997 斜拉加筋鋼桁梁　

表4　鋼混結合梁橋

線路名稱 橋名 橋跨式樣/ｍ 建成年代 備注

西康線 落馬寨特大橋 4×48 1998 單線、簡支

秦沈客運專線 丁香特大橋 40+50+40 2001 Ｒ=1500彎梁

秦沈客運專線 東高力污中橋 24+32+24 2001 全焊

秦沈客運專線 東李金屯大橋 24+32+24 2001 全焊

秦沈客運專線 卡力馬3號大橋 24+2×32+24 2001 全焊

秦沈客運專線 跨102國道1號大橋 32+40+32 2001

秦沈客運專線 跨305國道大橋 40+50+40 2001

秦沈客運專線 跨錦大公路大橋 32+40+32 2001

秦沈客運專線 跨遼江公路中橋 24+32+24 2001

秦沈客運專線 跨潘烏公路中橋 40+50+40 2001

秦沈客運專線 跨沈環線大橋 24+32+24 2001

秦沈客運專線 跨沈山石路大橋 32+40+32 2001

秦沈客運專線 跨老繞陽河大橋 24×2×32+24 2001　

表5　大跨度混凝土連續梁橋

線路名稱 橋名 橋跨式樣/ｍ 建成年代 備注

南防線 茅嶺江大橋 48.5+80+48.5 1983.1

衡廣復線 白面石武水大橋 32+64+32 1987

浙贛線 錢塘江二橋 48+65+14×80+65+45 1988.4

侯月線 海子溝大橋 63+2×84+63 1992 雙

廣梅汕線 東江特大橋 40+4×64+40 1992

寶中線 中衛黃河特大橋 7×48 1993 頂推施工

神朔線 神朔黃河特大橋 48+8×80+48 1993

西延線 狄家河特大橋 4×40 1993 頂推施工

石長線 沅江公鐵特大橋 62+5×96+62 1993.11

京九線 泰河贛江大橋50+4×80+50 1994

廣深準 高速石龍大橋40+3×72+40 1994

石長線 湘江特大橋61+7×96+61 1994.9造橋機施工

湘黔線 湘江特大橋42+10×75+42 1994

京九線 貢水贛江特大橋40+3×72+40 1995

京九線 黃沙尾特大橋40+3×72+40 1995

石長線 澧水特大橋40+4×72+40 1995

南昆線 八渡南盤江特大橋54+2×90+54 1996 Ｖ形支撐連續梁

石長線 資水特大橋50+4×80+50 1996

湘黔線 湘江大橋42+10×75+42 1996

廣大線 普棚大橋50+92+50 1997

包三復線 三道坎黃河特大橋64+104+64 1999雙

朔黃線 滴流澄滹渡河特大橋50+80+50 1999

朔黃線 莊里澄滹渡河特大橋40+3×80+40 1999

朔黃線 紅山崖滹渡河特大橋50+80+50 1999

達萬線 州河大橋48+80+48 2000

株六復線 響琴峽大橋40+64+40 2001造橋機施工先簡支后連續

六株復線 箭桿河大橋40+64+40 2001

內昆線 花土坡大橋64+2×104+64 2001

長荊線 鐘祥漢江特大橋60+3×100+60 2001

沈秦客運專線 跨102國道2號特大橋32+48+32 2001

秦沈客運專線 跨阜錦公路特大橋48+80+48 2001

秦沈客運專線跨錦娘公路特大橋40+64+40 2001

秦沈客運專線跨興閻公路特大橋40+64+40 2001

秦沈客運專線柳樹屯特大橋40+64+40 2001

京九線東江特大橋40+4×64+40 2002

南寧樞紐邕江大橋64+96+64 2002

渝懷線阿蓬江大橋40+64+40 2003

南倉東流解南倉特大橋40+62+72+62+40 003

南倉東流解南倉特大橋24+34+24 2003

呼準線黃河特大橋(48+10×80+48)+(7×48+3×40)在建48ｍ、40ｍ為造橋機制簡支梁

蘭武復線黃河特大橋40+4×56+40在建造橋機施工箱形彎梁Ｒ=600ｍ

贛龍線芋子英大橋60+100+60在建

贛龍線芋闕山壩大橋50+80+50在建

贛龍線松頭江大橋50+2×80+50在建　

表6　大跨度簡支梁橋

線路名稱 橋名 橋跨式樣/ｍ 建成年代 備注

焦枝線洛陽黃河特大橋51孔50ｍ 1992.5

靈武支線靈武黃河橋10孔48ｍ 1994

南昆線打埂大橋4孔56ｍ 1996

南昆線白水河1號大橋8孔56ｍ 1996

包三復線三盛公黃河橋12孔54ｍ 1998

株六線南山河大橋4孔64ｍ 2001

內昆線老煤洞大橋5孔64ｍ 2001

神延線禿尾河大橋11孔64ｍ 2002

渝懷線細沙河大橋4孔64ｍ 2003

渝懷線錦和錦江大橋7孔64ｍ 2003

南昆線清水河大橋72+128+72 1996

南昆線板其2號大橋44+72+44 1996Ｒ=450ｍ曲線梁

南昆線喜舊溪大橋56+88+56 1996

南昆線天生橋2號大橋56+88+56 1996

黎欽線飛龍郁江大橋62+2×100+62 1998.9

成都樞紐機場路立交大橋20+33+20 1998丫型剛構

成都樞紐土橋立交橋20+33+20 1998丫型剛構內

昆線李子溝特大橋72+3×128+72 2001剛構連續梁組合結構

內昆線烏家坪1號大橋56+88+56 2000

長荊線湯永中橋262001斜腿剛構

秦沈客運專線跨102國道3號大橋16+3×24+162001剛構連續梁

重慶樞紐井口嘉陵江大橋84+144+84 2003雙線

渝懷線涪陵烏江大橋66+128+66 2003雙線

渝懷線黃草烏江大橋96+168+96 2003雙線

渝懷線下塘口烏江大橋72+128+72 2003雙線

南倉東硫解線南倉特大橋38+62+38 2003剛構連續梁

宜萬線宜昌長江大橋130+2×275+130在建剛構拱組合體系