中国铁路桥梁技术发展与展望

　2007年1月

第1期(总100) 铁　道　工　程　学　报J O U R N A LO FR A I L WA YE N G I N E E R I N GS O C I E T Y J a n 2007

N O .1(S e r .100)

收稿日期:2007-01-17

作者简介:高宗余,1964年出生,教授级高级工程师。1985年西南交通大学铁道桥梁专业毕业,现为中铁大桥勘测

设计院有限公司总工程师,湖北省人大常委,詹天佑铁道科学技术奖成就奖获得者,享受国务院政府特殊津贴专家,中国土木工程学会桥梁和结构工程分会常务理事,长期从事桥梁设计工作。

作为技术负责人,负责了武汉天兴洲公铁两用长江大桥、上海东海大桥、杭州湾大桥、福州市青洲闽江大桥、重庆奉节长江大桥等多座大桥的设计,其中多座大桥已经建成或正在施工之中。在大跨铁路桥、跨海大桥、斜拉桥、桥梁结构设计理论方面有较深的研究。

文章编号:1006-2106(2007)01-0055-05

中国铁路桥梁技术发展与展望

高宗余

　方秦汉　卫　军

(中铁大桥勘测设计院,　武汉430050)

摘要:研究目的:和公路桥梁相对而言,铁路桥梁荷载大,冲击力大,要求能抵抗自然灾害的标准高,特别是结构要求有一定的竖向横向刚度和动力性能。本文以大量事实论述了100多年来中国铁路建桥技术取得的举世瞩目的进步。

研究结论:中国铁路桥梁研究制造出高强度耐久的新材料,设计出先进合理的桥式结构,拥有科学先进的制造和施工工艺设备。中国桥梁的设计和施工已经达到了世界先进水平。新世纪还需进一步开展多项科技研究。

关键词:铁路桥梁;技术成就;桥梁科技中图分类号:U 44 文献标识码:A

D e v e l o p m e n t a n dP r o s p e c t s f o r T e c h n o l o g y o f R a i l w a y B r i d g e i n C h i n a

G A OZ o n g -y u ,F A N GQ i n -h a n ,WE I J u n

(S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e ,C h i n a Z h o n g t i e M a j o r B r i d g e E n g i n e e r i n g G r o u p ,Wu h a n ,H u b e i 430050,C h i n a )A b s t r a c t :R e s e a r c hp u r p o s e s :C o m p a r e dw i t hh i g h w a y b r i d g e ,r a i l w a y b r i d g eb e a r s l a r g e r l o a da n dl a r g e r f o r c eo f i m p a c t ,s o i t r e q u i r e s h i g h e r s t a n d a r d f o r r e s i s t a n c e t o n a t u r a l d i s a s t e r ,e s p e c i a l l y i t r e q u i r e s c e r t a i n v e r t i c a l a n d l a t e r a l r i g i d i t y t o i t s s t r u c t u r e .T h e g r e a t a c h i e v e m e n t s m a d e i n t e c h n o l o g y f o r c o n s t r u c t i o n o f r a i l w a y b r i d g e i n C h i n a o v e r 100y e a r s a r e e x p r e s s e d .

R e s e a r c hc o n c l u s i o n s :C h i n ah a s r e s e a r c h e da n dm a n u f a c t u r e dn e w d u r a b l em a t e r i a l s f o r r a i l w a yb r i d g e ,d e s i g n e d a d v a n c e d a n d r e a s o n a b l e s t r u c t u r e s o f r a i l w a y b r i d g e ,a n d h a s a d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g a n d c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e s a n d e q u i p m e n t s .H o w e v e r ,i t i s n e c e s s a r y f o r C h i n a t o m a k e f u r t h e r s c i e n t i f i c a n d t e c h n i c a l r e s e a r c h o n s o m e f i e l d s o f i t .K e y w o r d s :r a i l w a y b r i d g e ;t e c h n i c a l a c h i e v e m e n t s ;s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y f o r b r i d g e

1　解放前我国铁路桥梁技术

铁路桥梁是伴随着铁路的兴建而诞生的。从鸦片

战争到解放前夕近100年的时间,我国在漫长的封建社会的桎梏下,致使桥梁建筑技术同其他科学技术一

样,进展缓慢。1876年(清光绪二年),英商怡和洋行

修筑了淞沪(吴淞至上海)轻便铁路,它是我国领土上修筑的第一条营业铁路。在淞沪铁路上,曾建有中小桥梁10余座,这是我国最早出现的铁路桥梁。其中最大的一座是长约50m的吴淞蕴藻浜桥。各铁路干线,修建管理大权实际全操纵在帝国主义手中。解放前仅有的几座特大型桥梁,大都由外国控制修建。京汉铁路黄河桥,是我国黄河上第一座铁路桥梁,修建于19世纪末期,共102孔,全长3010m,由法比公司承建。建成后由于跨度小,基础埋深浅(仅16m),年年汛期出险情,靠投抛大量片石护基勉强维持通车。津浦线泺口黄河桥由德国孟阿恩公司承建,全桥12孔,全长1255.2m,主跨为3孔悬臂钢桁梁,两锚跨跨度128.1m,中跨164.7m,是当时我国跨度最大的桥梁。1934—1937年,以茅以升为代表的我国工程技术人员修建了浙赣线钱塘江大桥,正桥16孔,上部均为简支钢桁梁,除风撑及公路承载杆件外,钢梁均用铬铜合金钢制造,用铆钉连接,全长1453m,是我国第一座双层公铁两用大桥,是继京张铁路之后,由我国技术人员自主完成的又一重大工程。然而由于当时我国工业和施工技术落后,钢梁和机具由国外进口,正桥主体工程由外商承包,无法完全摆脱帝国主义的控制。综上所述,旧中国铁路支离破碎,几乎遇江即断,如京汉—粤汉铁路断于武汉,津浦—沪宁铁路断于南京等,抗日战争和解放战争中,桥梁又遭受了严重破坏,到新中国成立前夕,中国的铁路桥梁技术几乎是停滞不前。

2　新中国成立后我国铁路桥梁技术取得的成就

新中国成立初期,举国欢庆,百废待兴。进入第一个五年计划以后,我国铁路桥梁技术的发展开始步入快车道。从修建万里长江第一桥———武汉长江大桥开始,我国的桥梁技术经历了“建成学会”到飞跃发展的历程。桥梁跨径不断提高,桥梁的结构形式不断创新,从桥梁勘测设计、材料、施工工艺等诸多方面都反映出桥梁建设所取得的巨大成就。下面从不同的角度回顾一下铁路桥梁技术的发展。

2.1　跨度

解放前,跨度20m以上的铁路桥梁几乎全靠进口钢梁。新中国成立后,随着混凝土梁的应用发展,新型桥梁用钢的研究,桥梁的跨度逐步扩展,对推动铁路桥梁的总体水平有着极其重要的作用。

2.1.1　铁路预应力混凝土桥梁

20世纪50年代初期,16m及20m跨度大量使用钢筋混凝土梁。从1955年开始研制后张拉预应力混凝土铁路桥梁(以下简称P C梁)。首先试制的是23.8m的T型P C梁;1957年编制了跨度19.8～27.7m 标准设计;1959年,随着吊重能力130t架桥机的制成,试制跨度31.7m的P C梁,编制了标准图并投入了工厂大量生产。

20世纪80和90年代,较大跨度的P C连续梁桥及P C刚构桥都有了进一步的发展,施工方法有顶推法、悬臂灌注法、移动支架法、专用架桥机架设法等,代表性的桥梁有:

东陇海新河大桥,我国第一座铁路预应力混凝土桥梁,跨度19.8～27.7m,1956年11月5日建成, 1957年3月通车。

北京枢纽通惠河桥,跨度(26.7+40.7+26.7)m,单线铁路连续梁桥,1966年建成通车。

西延线狄家河大桥,4×40m单线铁路连续梁桥, 1977年建成通车。

湘桂复线红水河桥,主跨(48+96+48)m,单线铁路斜拉桥,1980年建成通车。

京广线白面石武水桥,跨度(32+64+32)m,双线铁路连续梁,1987年建成通车。

钱塘江二桥,主桥跨度(45+65+14×80+65+ 45)m,变高度箱型连续梁,悬臂浇注法施工,引桥采用32m跨等高度箱型连续梁;1991年建成通车。

石长线长沙湘江桥,跨度(61.65+7×96+ 61.65)m,单线铁路连续梁,1997年建成通车。

2.1.2　铁路钢梁桥

随着国民经济的发展,为适应通航的要求,铁路桥梁的跨度越来越大,钢梁桥也越来越多,在整个铁路桥梁中扮演了举足轻重的作用,铁路钢梁的结构形式主要有钢板梁和钢桁梁2类,连接形式经历了从铆接到栓焊连接的变化,代表性的桥梁有:

沈山线大凌河桥,25×32m上承式钢板梁,桥长818m,1954年建成通车。

京广线郑州黄河(新)桥,71×40m上承式钢板梁,桥长2889.8m,1960年建成通车。

20世纪50及60年代,用铆钉连接的铆接钢梁在我国铁路钢桥中占垄断地位。其中小跨度钢桥几乎全部为24～44m铆接钢板梁。截止1973年,共使用9万余吨。随着栓焊钢梁的发展,1973年以后不再生产铆接钢板梁。预应力混凝土梁推广后,32m及以下跨度不再使用钢板梁。

新荷线长东黄河大桥,100×40m焊接钢板梁,桥长10282.75m,1985年建成通车。

成昆线三堆子金沙江大桥,主跨192m,为简支铆接钢桁梁,边跨32m为上承式钢板梁,采用两岸悬臂跨中合拢的架设方法,1969年建成。

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武汉长江大桥,由3联3×128m连续铆接钢桁梁组成。采用全悬臂拼装加墩旁托架法施工安装, 1957年建成通车。该桥在前苏联专家的帮助下完成,大桥所用的钢材多数靠前苏联进口。在该桥建设过程中为我国培养了一大批桥梁专家,为我国桥梁建设的发展奠定了坚实的人才和技术基础。此桥为我国万里长江第一桥,实现了我国人民几千年跨越长江天堑的梦想。

南京长江大桥,由3联3×160m连续钢桁梁和1孔128m简支钢桁梁组成,主桁杆件间连接采用铆接。边跨采用半伸臂架设,中跨采用全伸臂加墩旁托架法施工安装。该桥1968年建成通车。

采用工厂焊接杆件,在工地用高强度螺栓连接的栓焊钢梁取代铆接钢梁,是钢梁生产制造技术的一大变革。1961年,在湘桂线上首次使用栓焊钢梁,其后,在成昆线上大量采用此种钢梁。

京通线白河桥,主跨3×128m,为栓焊连续梁桥,在栓焊梁式结构中首次突破百米大关,1975年建成。

九江长江大桥,全长7675.4m,主孔跨度(180+ 216+180)m,连续梁为刚性梁柔性拱体系。1994年10月建成通车。

芜湖长江大桥,正桥全长2193.7m,主孔跨度为(180+312+180)m矮塔斜拉桥,加劲梁为钢筋混凝土板与钢桁梁结合共同受力的结合钢桁梁。该桥2001年建成通车。

正在建设中的武汉天兴洲公铁两用长江大桥,主桥跨度布置为(98+196+504+196+98)m,主梁为钢桁梁,采用3片主桁、三索面的新型结构形式。该桥通行4线铁路,6车道公路,是世界上载荷最重的大桥。

正在建设中的南京大胜关长江大桥,主桥跨度布置为(108+192+336+336+192+108)m六跨连续钢桁系杆拱桥,3片桁架承重结构,通行4线铁路,2线城市轻轨(地铁),其中2线铁路为京沪高速铁路,客车运行最大速度目标值为300k m/h。

2.2　桥梁用钢材

解放前,我国的钢材基本上依赖进口。新中国成立初期,桥梁用钢也大都使用进口钢材,万里长江第一桥———武汉长江大桥使用的是从前苏联进口的C T3M (三号桥梁钢,屈服强度240M P a)。20世纪50年代末,苏联停止了对我国的援助,此时开始设计的南京长江大桥,遇到的最大困难之一就是钢材,钢材为国产的屈服强度350M P a的低合金钢。

70年代初,为进一步发展我国的高强度钢材栓焊梁,选定沙通线上的白河桥试用15锰钒氮(15M n V N q)低合金钢,这是我国首次将该种钢材试用于铁路桁梁,该桥为3×128m连续栓焊桁梁,1977年建成通车。

九江长江大桥使用15锰钒氮桥梁钢(15M n V N q),焊接构件最大板厚达56m m及材质35V B的大直径高强度螺栓,建成了双线铁路、4车道公路最大跨度达216m的栓焊梁,从此铆接钢桥退出新建铁路钢桥的历史舞台。

芜湖长江大桥,开发应用了综合性能优异的14锰铌桥梁钢(14M n N b q),实现了厚板(50m m)焊接整体节点的栓焊梁,向全焊接连接的铁路桥梁前进了一大步。

正在建设的南京大胜关长江大桥,杆件轴力较大,需要采用高强、厚板、可焊、防断、疲劳性能好的桥梁结构钢材,已确定采用我国新开发的高强度Q420结构钢。

2.3　基础工程

基础是桥梁结构的重要组成部分。基础工程的大小、难易既是选定桥式孔跨的重要因素,也是决定全桥造价的重要因素。我国铁路桥梁基础工程的主要形式有;扩大基础、桩基础、沉井基础、管柱基础等。

2.3.1　扩大基础

扩大基础又称明挖基础,它的结构和施工方法都较简单,一般不需用特殊机具设备,故在无水或少水的地基上普遍采用。如20世纪50年代成渝铁路复工时,多数桥梁基础采用此基础形式。通过多年的实践改进,在基底土层处理、开挖基坑时坑壁防护及放水措施等方面取得了较显著的成绩,使得开挖的深度增加,这种基础的通用范围扩大,桥梁造价降低。目前,在较简单的地质条件下,仍在使用该基础形式。

2.3.2　桩基础

桩基础是我国铁路桥梁广泛应用的基础类型之一。按其施工方法的不同,可分为打入桩与钻孔灌注桩两大类。1965年以前,我国铁路的桩基础均属打入桩。1965年,我国铁路桥梁的基础开始使用钻孔灌注桩。

打入桩按桩身材料的不同分为木桩、钢筋混凝土土桩和钢桩3种。如:钱塘江大桥基础采用了大量的木桩基础,武汉长江大桥组成部分的月湖正街跨线桥采用了钢筋混凝土方桩基础;20世纪60年代修建的南京长江大桥两岸引桥、70年代修建的京沪线蚌埠淮河双线桥水中墩与南岸引桥等均采用管桩基础。钢桩应用于我国铁路桥梁基础工程的实例较少,如1958年修复包兰线乌达三道坎黄河桥防冰防冲工程时,其消能桩要穿过10余米的沙、卵石层,采用了4根钢轨和钢板焊接而成的钢轨桩,1974年修建金山支线上海黄浦江桥,正桥水中3个桥墩,采用直径1.2m钢桩基础。

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钻孔灌注桩起始于1965年成昆线上桥梁的建设,后来推广到其他铁路桥梁,如汉丹线辛安渡桥、京沪线的济南黄河桥等。是目前我国桥梁基础应用最为广泛的基础形式,它适应性好,可根据不同的地质水文条件和结构特点,采用不同直径、不同长度,目前我国铁路桥梁工程使用的桩基最长已过100m,最大直径达3.4m。

2.3.3　沉井基础

沉井基础在我国铁路桥梁墩台中的应用最早可追溯到19世纪末期,如1898年开工修建的滨州线哈尔滨松花江桥,就用了木制或石制沉井。20世纪20年代起,开始使用混凝土、钢筋混凝土修建沉井基础。60年代开始采用触变泥浆套,70年代开始采用空气幕等减阻技术措施,以减少沉井下沉时的阻力,从而可以减薄井壁厚度,达到节省圬工、加快下沉进度、减小偏移等方面的效果。运用沉井基础的实例有:1959年开工修建的南京长江大桥1号墩采用矩形混凝土沉井、2号和3号墩采用浮式钢沉井、4至7号墩采用了浮式钢筋混凝土沉井,1965年开工修建的枝城长江大桥正桥0至9号墩基础均采用了沉井基础。1973年开工修建的京九线九江长江大桥铁路09、050号墩开始运用空气幕下沉沉井取得了较好的效果。

深水桩基础的施工需结合承台的施工确定合理的施工方法,较常用的施工方法有双壁钢围堰法、平台法、吊箱围堰平台法等。双臂钢围堰钻孔基础首次应用于九江长江大桥,其后大多数的深水铁路桥梁基础均采用此基础形式,随着技术的不断完善,该基础形式已发展成为我国包括公路在内的深水桥梁基础的主要形式之一。

2.3.4　管柱基础

管柱基础在我国首创于武汉长江大桥,起初是以预制钢筋混凝土管,强迫下沉,支承于深埋于河床下的岩面,管内钻岩,放置钢筋骨架并填充混凝土而成,故为柱基,后来也包括摩擦支承。

修建武汉长江大桥水中墩除7号墩因基岩为炭质页岩不适用管柱基础外,其余各墩均采用直径1.55m 的钢筋混凝土管柱。从实施效果看来看,本桥由于采用钢板桩围堰管柱钻孔基础,在施工过程中可以相对地不受施工水位限制,避免了沉箱基础因水深和岩面高差而遇到的种种技术困难,大大缩短了工期。

从武汉长江大桥提前建成通车以来,管柱基础在我国新建铁路桥梁基础施工中相继推广应用。如1957年7月开工修建的京广复线丰乐镇漳河桥、1958年5月开工修建的京广线郑州黄河新桥、1969年开工修建的焦枝线连地黄河桥、1978年开工修建的三茂线肇庆西江桥等,全部或部分墩台均采用了管柱基础。

3　发展展望

《中长期铁路网规划》中明确提出:到2020年,全国铁路营业里程达到10万千米,主要繁忙干线实现客货分线,规划建设新线约1.6万千米,规划既有线增建二线1.3万千米,这为铁路桥梁的技术发展提供了广阔的舞台和机遇。未来的铁路桥梁将在安全经济的前提下,更加关注运行舒适性、环保和景观,在深水基础、结构形式、材料应用和施工工艺等诸多方面的技术取得更大的发展。

3.1　满足列车高速度的运行要求

铁路为满足国民经济和社会发展需要,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。我国既有铁路即将进行第六次大提速,高速铁路和客运专线的建设也如火如荼,客运专线设计速度均在250k m/h以上,最高达350k m/h。高速度需要桥梁结构提供较大的整体刚度。需要在对列车动力相关参数进行研究、对轨道不平顺参数进行大量测试并形成特征谱的基础上,将“列车-轨道-桥梁”作为一个整体进行耦合动力分析。

3.2　桥上无缝线路和无渣轨道技术的应用

桥上无缝线路的应用要求桥梁选取适中的温度跨度,提供足够的纵向抗推刚度。桥上无渣轨道技术的应用要求桥梁提供更好的匀顺桥面,减小基础沉降和混凝土收缩徐变变形。

3.3　大跨度桥梁的合理结构形式和关键结构构造

我国幅员辽阔,江河宽阔,海岸线漫长,地震烈度大,台风频繁,西部多高深峡谷,跨越宽阔江河、海湾、峡谷需采用大跨度桥梁。需开展千米级铁路桥梁以及跨越山区峡谷、交通不便地区的大跨桥梁的合理结构形式研究,研究满足列车高速度的运行要求的桥上轨道温度伸缩调节器和梁端伸缩装置。研究以阻尼装置为代表的减隔震技术代替传统的以提高结构刚度为主的抗震设计新方法。

3.4　新材料应用

继续研究新型高强度、高韧性钢材在铁路桥梁上的应用,研究施工性能好、耐久性能好、强度高的高性能混凝土材料,研究耐久性能好的新型钢结构涂装体系。

3.5　施工技术

结合基础新结构形式的研究,开展大型深水基础

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的新施工方法研究,大型钢结构桥的整节段架设设备和方法研究,全焊接铁路钢桥的施工工艺研究。

4　结束语

我国铁路桥梁技术的发展已经走过了100多年,新中国的铁路桥梁技术经历了从建成学会到独立自主,从仿制到自主创新的过程。目前,中国桥梁的设计和施工已经达到了世界先进水平。参考文献:

[1]　中国铁路桥梁史编辑委员会.中国铁路桥梁史[M].北

京:中国铁道出版社,1987.

[2]　铁道部大桥工程局,九江长江大桥技术总结[R].湖北:

武汉测绘科技大学出版社,1996.

[3]　周孟波,秦顺全.芜湖长江大桥大跨度低塔斜拉桥板桁组

合结构建造技术[M].北京:中国铁道出版社,2004.

(编辑　慕成娟)

(上接第40页)

高工程可靠度。对冻土工程治理手段由过去单一措施治表,转变为多管齐下的综合治本,主要体现在从调控辐射、对流、传导着手,通过改变路基填料和结构等综合技术措施达到减少热量输入,增加冷量输入的“冷却地基”的治本目的。

3.4　3年的工程实践表明,对铁路通过的冻土条件的认识准确,采取的工程措施有效。经过2个冻融循环检验,路基基底的冻土上限普遍上升,路基下沉变形已基本趋于稳定,路基阴阳坡不均匀沉陷和开裂问题得到解决,未发生大的冻胀融沉病害;桥涵基础未出现下沉变形现象,桥隧结构处于稳定状态。

4　需要进一步深化研究的问题

(1)对冻土工程引起的次生不良地质现象要进行进一步深入研究,查清其发生、发展规律和机理,研究和制定可行的整治预案,为将来铁路运营中可能发生的病害整治工作提供依据。

(2)在全球气温升高条件下,冻土工程的可靠度评价是一项非常复杂的工作,由于影响因素多,不确定性大,无论是定性还是定量评价都存在很多困难,需要在今后的工作中进一步积累资料,深化研究。

参考文献:

[1]　周幼吾,郭东信,邱国庆,等.中国冻土[M].北京:科学出

版社,2000.

[2]　王家澄,李树德.青藏公路沿线多年冻土下限面附近的热

状况分析[C]∥中国科学院兰州冰川冻土研究所.青藏

冻土研究论文集.北京:科学出版社,1983:38-43. [3]　吴紫汪,刘永智.冻土地基与工程建筑[M].北京:海洋出

版社,2005.

[4]　刘建坤,童长江,房建宏.寒区岩土工程引论[M].北京:

铁道出版社,2005.

[5]　铁道部科技司,等.国外铁路冻土技术文献汇编[G].北

京:铁道部科技教育司,2001.

(编辑　慕成娟)

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