秦沈客运专线桥梁综述及高速铁路桥梁建设的思考

秦沈客运专线桥梁综述及高速铁路桥梁建设的思考刘家锋刘春彦铁道专业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 院摘要秦沈客运专线是我国已建成的第一条时速200km的客运专线，并于2003年10月投入正式运营。其桥梁结构采用了许多新的结构形式，如大规模采用有碴桥面箱形简支梁，有针对性的采用钢混结合连续梁，部分地段采用无碴轨道预应力混凝土梁。这些结构形式的桥梁较以往普通铁路桥梁的纵横向刚度有较大的提高，注重桥梁的耐久性和少维修，在架设方法上也突破了以往的先铺轨后架梁的施工方法，大吨位的架桥机、造桥机成功应用于20~32m单双线箱梁的架设。对高速铁路的桥梁结构设计、施工有针对性地提出了相关的建议，并对今后我国高速铁路和客运专线桥梁建设技术进行了展望。关键词客运专线；高速铁路；桥梁；设计；施工1概述列车运行速度是衡量一个国家铁路现代化的一个重要指标，在新的世纪，党中央提出了“全面建设小康社会”的宏伟目标，铁道部提出了实现铁路跨越式发展的要求，进一步提高列车运行速度和旅客舒适度，方便旅客出行。我国于1999年动工建设秦沈客运专线，在历时4年的建设中取得了一系列的新成果，尤其是桥梁建设的新成果，秦沈线试验段列车最高运行时速达321.5km/h，为今后高速铁路的建设积累了宝贵的经验。面对铁路行车速度不断提高和客运专线建设日益紧迫的新形势，，笔者结合以往的工程实践谈一点自己的看法。2秦沈客运专线桥梁建设的特点秦沈客运专线是我国第一条设计时速200km的客运专线，全线一次性铺设跨区间无缝线路，基础设施预留进一步提速的条件，部分区间要进行200~300km/h的列车运行试验。为了保证轨道结构的受力安全和列车运行的安全、平稳，对秦沈客运专线的桥梁结构提出了一些不同于以往普通铁路的特殊要求，可以归纳为以下4个方面：（1）为满足一次性铺设跨区间无缝线路的要求，考虑到桥上线路的安全，为了使轨道受力不超过规定值，桥梁下部结构的纵向刚度要满足一定的限值；（2）为了保证列车运行的平稳性和旅客的舒适度，桥跨结构的纵横向刚度要比以往的普通铁路桥梁有很大的提高；（3）对桥梁的结构形式、路桥过渡段的刚度、桥梁结构的工后沉降、预应力混凝土梁的徐变上拱等都提出了更加严格的要求；（4）注重桥梁结构的耐久性，作到少维修、免维修。根据上述要求，秦沈客运专线的桥梁建设采取了一系列不同于普通铁路桥梁的措施。2.1秦沈客运专线桥梁结构形式（1）大规模采用有碴桥面箱形简支梁针对秦沈客运专线建设的特点和我国铁路桥梁建设的技术水平，设计单位和科研单位通力协作，提出了以整孔预应力简支箱梁为主的桥梁结构模式，其主要截面尺寸及主要的工程数量见表1。（2）有针对性地采用钢混结合连续梁钢混结合连续梁在公路和市政桥梁上应用较多，而国内铁路一直停留在简支结合梁的应用水平上。根据工程需要，秦沈线在14座桥上采用了7种钢混结合连续梁，主要是解决跨越既有道路，净空和施工都受到限制问题。与简支结合梁相比，负弯矩区混凝土板受拉是连续梁的一个突出特点；与公路和市政桥梁相比，二期恒载和活载较大是铁路桥梁的特点。因此如何保证在成桥后的后期荷载作用下，负弯矩区梁体受力状态满足结构刚度和耐久性的要求是秦沈线钢混结合连续梁设计的技术关键。表1有碴简支箱梁截面主要尺寸及主要工程数量类型双线箱梁单线箱梁（单线孔）跨度/m2024202432全长/m20.624.620.624.632.6梁高/m1.82.01.82.02.7顶宽/m12.412.46.156.156.15底宽/m6.166.123.003.003.00跨中腹板厚/m0.450.450.300.300.30顶板厚/m0.300.300.300.300.30底板厚/m0.250.250.250.250.25梁重/t421.0510.75205.92251.75368.5每孔混凝土/m3168.4204.382.37100.7147.4每孔钢绞线/t4.3166.2502.1093.1255.439每孔钢筋用量/t29.9534.7812.0914.4221.14根据日本、法国、德国等发达国家修建高速铁路的经验，结合连续梁的跨度一般在40m左右（个别桥梁跨度较大）。钢梁通常采用2片或3片工字形梁。秦沈线主跨32m、40m连续结合梁的截面形式采用2片工字形梁型，工字型梁之间用隔板连接，间距4m；主跨50m结合连续梁的截面形式采用2个箱形梁组成，箱梁之间每隔6m设一工形横梁，截面尺寸见图1。1240/21240/2250普通截面横隔板处(24m+32m+24m)钢混结合梁断面示意端支点处(40m+50m+40m)钢混结合梁断面示意1240/2360中支点处1240/2图1：钢混连续结合梁截面型式示意（单位：cm）（3）对无碴轨道预应力混凝土梁进行设计研究与传统的有碴轨道相比，无碴轨道结构由于其维修作业量显著减少，具有轨道稳定性好，平顺性高的突出特点，在日本、德国、英国等国家的高速铁路桥梁设计中广泛应用；另外无碴轨道桥梁克服了有碴轨道桥梁因列车高速运行形成真空而将石碴吸到车底、打坏车底设备的弊端。桥上无碴轨道（图片1）从根本上解决了传统的有碴轨道在频繁动荷载作用下轨道状态不稳定的问题，大幅度减少了线路维修工作量，简化轨道的维修管理。但无碴轨道结构在铺设后不能像有碴轨道那样进行起道和拨道作业，而且轨道扣件的调高量有限，因此要保证无碴轨道结构的平顺性，就必须解决轨道铺设后预应力混凝土梁的后期徐变上拱问题，对预应力产生的徐变上拱值进行严格控制。秦沈线从设计、施工、环境等方面着手来保证无碴梁徐变上拱值在规定的范围之内，取得了较好的效果：提高桥梁的设计刚度（加大高跨比），调整预应力筋的布置使箱梁截面上下翼缘在预应力和恒载作用下尽量接近；调整混凝土的水灰比（不大于0.4），选用合适的骨料以及控制张拉龄期、张拉应力、环境的温度和湿度等。图片1无碴轨道梁2.2秦沈线桥梁的架设方法秦沈客运专线的桥梁跨度在16m以下采用分片式T梁，跨度20m以上采用箱梁，箱梁跨度系列有20、24、32m单线简支箱梁，20、24m双线简支箱梁，以上设计主要是从我国当时铁路桥梁架设设备的运架能力的实际情况考虑。过去我国铁路桥梁主要为T型梁，架桥机的最大架设重量为160t，运梁采用轮轨式，要求先铺轨后运梁，这在一定程度上制约了箱梁设计跨度的选择和发展。秦沈线要求一次性铺设跨区间无缝线路，必须先架梁后铺轨，且不能破坏路基。针对秦沈线大量采用箱形梁，工期紧，架梁难度大的新形势，各施工单位开展了大吨位架桥机、造桥机和轮胎式运梁车的研制，并在短期内取得了成功，个别单位引进了意大利NICOLA公司运架一体机，取得了很好的效果（表2），现分述如下。表2秦沈客运专线采用的架桥机及运梁车主要技术参数架桥机类型使用范围走行方式架设吨位/t外形尺寸/m支腿横向间距/m运梁车类型轮胎总数运梁车轴数运梁车轴重/t运梁车纵向最小间距/m运梁车横向两组轴距/mJQ600型架桥机20、24m双线箱梁迈步式60057.45*12.3*14.425.95TE/600轮胎式运梁车4020341.85.3JQ600下导梁式架桥机20、24m双线箱梁下导梁式60060*15*36.4轮轨式运梁车6432221.04.0轮胎运架一体式架桥机20、24m双线箱梁运架一体式55053*7.17*8.55.3轮胎式运架梁机4020402.35.3DF450型双臂桁架式架桥机20、24、32m单线箱梁迈步式45068.6*8.9*9.8腹板中心线上轮胎式运梁车1122819.31.554.45SPJ450/32拼装式架桥机24、32m单线箱梁悬臂走行式45080*15.2*10.8腹板中心线上轮胎式运梁车1441837.41.554.592.2.1国内架桥设备的研制情况国内的架桥机过去一直局限于吊装吨位在160t以下的标准化架桥机，适应于架设分片式T梁和小跨度无悬臂板的单线箱梁。20世纪80年代的单梁简支式架桥机最大吊重为130t，其特点是架桥机可以悬臂前移，梁体架设时从机身内穿过落梁到墩顶后，需人工在墩顶横移就位，90年代的双导梁式架桥机吊重为160吨，解决了墩顶横移梁的问题。当时国内不具备架设300t以上箱梁的架桥机。秦沈线架桥机及运梁车根据箱梁的特点分为运架单线箱梁和双线箱梁两类，从走行形式上分为：迈步式、导梁式、运架一体式和悬臂走行式等。实际应用于秦沈客运专线的架桥机有：武汉机械研究所研制的JQ600型架桥机、中铁大桥局集团研制的JQ600型下导梁式架桥机（照片2）、郑州大方桥梁机械有限公司研制的DF450型双臂桁架式架桥机、石家庄铁道学院研制的SPJ450/32拼装式架桥机（照片3），各架桥机的主要性能指标见表2。照片2JQ600型架桥机照片3SPJ450/32型架桥机2.2.2意大利尼古拉（NICOLA）运架一体机秦沈客运专线共引进2台意大利尼古拉运架一体机（照片4），该机集运架功能于一体，在秦沈线上架设24m双线单箱简支梁中显示出了其独特的优越性，应成为高速铁路桥梁架设的主要设备，其功能在架设过程中得到进一步挖掘，如在桥头作180°转体以改变架设方向。照片4意大利尼古拉运架一体式架桥机2.2.3移动支（模）架造桥机的研制应用情况秦沈客运专线设计有少量32m双线简支梁桥，重达720t，超过了现有架梁设备的最大架设能力，故采用移动支（模）架造桥机施工。投入现场应用的主要有：中铁大桥局集团的MZ32型移动模架造桥机和中铁十三局集团用八七型抢修钢梁组拼的移动支架造桥机。现分述如下。（1）MZ32型移动模架造桥机在秦沈线小凌河特大桥的应用秦沈线小凌河特大桥全长1617m，共计49孔32m双线箱形简支梁，受运架设备能力的限制，采用墩顶原位制梁施工 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。MZ32型移动模架造桥机由墩旁托架、支承台车、主梁、模板以及附属设备组成。该造桥机是利用支承在墩旁托架上的两组钢箱梁承重，在其上安装可调式底模和侧模并配置专用内模和内模折送小车，在桥墩上原位制造双线铁路预应力混凝土箱形简支梁或连续梁的大型桥梁施工设备。在小凌河特大桥的施工中每11~12d可建造一孔32m双线箱梁。（2）用八七型抢修钢梁组拼的移动支架造桥机在辽河特大桥上的应用秦沈线辽河特大桥全长2433.59m，上部为74孔32m跨度简支箱梁。该桥采用由铁道建筑研究设计院研制的八七型抢修钢梁作移动支架，在以往架设普通铁路48m、56m箱梁的基础上进行了改进，主要是增大了造桥机的主桁宽度以满足拼架双线32m箱梁的要求，其次是将原来的支架由单层变为双层，增加桁架的刚度，同时满足支架腹内吊梁天车走行运梁的需要。32m双线梁分为5节在桥头预制厂预制，架设方法同以往使用该设备造梁相同，这里不再赘述。（3）JZ-24型架造一体机JZ-24型架造一体机是由由铁道建筑研究设计院研制的集造桥机和架桥机于一体的大型架设设备，适应于架设或现浇、节段拼装20m、24m箱梁。该设备在秦沈线下枣山大桥上得到应用。3对高速铁路桥梁结构和架设方法的思考3.1对高速铁路桥梁结构的思考秦沈客运专线的建成对我国今后高速铁路和客运专线的建设具有重要的借鉴意义，其依据的《时速200km新建铁路线桥隧站设计暂行规定》在当时起到了重要的指导作用。应当看到，这个《暂行规定》只是针对200km/h的客运专线而定，桥梁设计依据的荷载型式、线路标准、轨道结构型式等方面都有待完善，在施工验交时也发现了以下一些问题：（1）箱梁的进人检查孔设在箱梁腹板底部，检查维修不方便；（2）桥墩没有设顶梁千斤顶位置，支座更换不便；（3）24m双线箱梁张拉时梁端部底板跨中出现不同程度的裂纹，后对底板内预应力束位置和数量以及张拉顺序进行调整，才消除这些问题。针对这些问题，笔者提出以下建议：（1）高速铁路桥梁的设计应遵循免维修、少维修的原则，尽量做到设计简洁、施工方便、维修养护方便；（2）高速铁路桥梁设计应把桥梁的耐久性放在重要位置，尽量采用高性能混凝土。对孔道压浆的后张梁预应力混凝土梁采用性能更好的压浆材料，而且应研制能够对压浆效果进行检测的设备，以确保梁使用的可靠性。有条件可采用先张折线配筋的桥梁（该种梁型已在青藏线上使用）；（3）建议高速铁路预应力混凝土特大桥在梁端部设千斤顶顶梁部位，方便顶梁更换支座；（4）在基础条件好的地方设计为连续无碴梁，而不要千篇一律地采用简支梁结构；（5）国外高速铁路的连续梁往往采用400~500m一联，而国内目前设计的连续梁多为100~200m一联，该值是否合适，建议对此进行进一步研究；（6）对采用体外预应力索的连续梁在高速铁路的应用展开研究，以丰富梁型结构；（7）在秦沈线无碴轨道结构箱梁和其他预应力箱梁徐变研究观测的基础上进行 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，以期得出徐变控制的合理限值。（8）桥梁的动力响应问题。应按350km/h检算列车通过桥梁时的舒适度指标；对于竖、横向刚度较弱的大跨度桥梁，需进行动力响应仿真分析，其分析内容应包括动力检算、评价指标、结构优化等。（9）应开展大跨度连续梁无缝线路关键技术研究。包括有关设计参数的合理取值范围、纵向力的传递规律、伸缩调节器设置的条件及结构设计等。3.2对高速铁路桥梁架设设备研制的思考桥梁架设设备是架设的关键，架设设备的架设能力也制约着桥梁结构型式的发展。秦沈线诸多的桥梁架设设备为今后高速铁路桥梁的建设积累了许多成功的经验，架设设备应朝着大跨度、大吨位、机械化的方向发展，满足架设大吨位桥梁类型（至少32m双线箱梁）的需要。研制开发先简支后连续的工艺，提出工艺原则和验收标准，架设设备在引进国外技术的基础上自主创新，以减少对国外设备的依赖性，降低工程造价。4对高速铁路桥梁建设技术的展望高速铁路在我国还处在起步阶段，2003年10月秦沈客运专线已正式开通运营，其试验段的三次试验数据将为客运专线的设计提供极有价值的技术参数。与普通铁路相比，秦沈线的桥梁建设技术有较大的发展，今后客运专线和高速铁路桥梁建设应在此基础上完善提高，并有更大的创新。目前为适应铁路跨越室发展的新形势，铁道部在2003年以[铁建设2003]76号文发布了《新建科或贡献铁路设计暂行规定》，并在一些繁忙干线建设客运专线，以改变铁路运能紧张的局面。《京沪高速铁路线桥隧站设计暂时规定》已出台，但仍有许多不足之处，需要在实践中完善、优化。可以预见，随着我国客运专线和高速铁路的建设，桥梁结构设计理论、设计规范会越来越完善，桥型结构和架设方法会越来越丰富，能更好地满足铁路实现跨越式发展的需要，满足人民群众快速出行的需要，满足全面实现小康社会的需要。参考文献[1]刘春彦，雷慧锋，陈良江.秦沈客运专线桥梁技术特点及高速条件下桥梁建设展望[J].铁道标准设计，2001（9）[2]盛黎明，陈良江.秦沈客运专线常用跨度简支梁设计与施工[J].铁道标准设计，2001（9）[3]刘建瑞，陈良江.无碴轨道预应力混凝土梁设计研究[J].铁道标准设计，2001（9）[4]王喜军，申全增.秦沈客运专线桥梁新结构综述[J].铁道标准设计，2002（1）[5]刘家锋.我国移动支架造桥机的发展综述[J].铁道标准设计，2002（2）[6]邓运清，盛黎明.秦沈客运专线大吨位架设设备的应用[J].铁道标准设计，2001（9）[7]彭岚平.秦沈客运专线连续结合梁设计[J].铁道标准设计，2001（9）[8]刘家锋.预应力混凝土桥上无碴轨道结构的探讨[J].铁道标准设计，2001（11）[9]肖敏，雷昌龙.MZ32型移动模架造桥机在秦沈客运专线的应用[J].铁道标准设计，2002（1）[10]刘亚滨.吊运架一体式架桥设备的技术特点及其应用前景[J].铁道标准设计，2002（1）[11]肖新华.秦沈客运专线辽河特大桥32m双线箱梁制架施工[J].铁道标准设计，2002（1）[12]林原，罗朝基，曾敏.秦沈客运专线570t箱梁制架设备的转场方案[J].铁道标准设计，2002（1）[13]邢琦.秦沈客运专线跨沈山铁路特大桥钢混结合连续梁拖拉推进法施工[J].铁道标准设计，2002（1）[14]杨勇，刘治宝.秦沈客运专线PC箱形简支梁现浇施工技术[J].铁道标准设计，2002（1）[15]李开言.运架一体式架桥机架设技术及工艺[M].北京：中国铁道出版社，2002[16]李黎.采用无缝线路的津滨轻轨高架桥梁下部结构设计研究[J].铁道标准设计，2003（8）[17]徐鹤寿.秦沈客运专线建造技术[J].中国铁道科学，2003（2）[18]刘春凤，刘家锋.高速铁路中小跨度桥梁结构模式及架设方法[J].铁道标准设计，2000（3）[19]王兴铎，张煅，韩启孟.高速铁路构筑物设计参数选择的分析[J].铁道标准设计，2003（7）[20]铁道第三勘察设计院.京沪高速铁路设计暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2003