摘 要:世纪之交的铁路桥梁主要以高墩、大跨、高速、耐久性为主要发展形式,结合近些年铁路桥梁的建设,介绍铁路桥梁在跨越能力、允许通过速度、新材料、耐久性等方面取得的重大成就和长足的发展。随着多条客运专线及宜万、福厦等铁路及多座跨长江桥梁的建设,这些桥梁建成后将会对世界桥梁建设产生影响。
关键词:铁路桥梁;跨越能力;新材料;耐久性;允许通过速度
中图分类号:Ｕ44 文献标识码:Ｃ 文章编号:10042954(2004)07010604
自上世纪90年代初,中国铁路以大秦线、京九线、南昆线、哈大线、宝成线、浙赣线等新建和改扩建铁路为契机,掀起了一轮铁路大发展的高潮。这一轮铁路建设的特点是,加大重要干线的运输能力和大量填补国土资源运输的空白。至90年代末和本世纪初,从考虑运输质量出发和进一步填补国土资源运输空白的铁路以广深线、秦沈线、青藏铁路及三大干线等提速改造为代表的提速、准高速、高速、高源冻土铁路相继建设,铁路和国民经济的比例发展关系更加明朗。这一时期对铁路桥梁的要求也从重视载重发展成为对列车过桥速度和平顺性的要求,铁路桥梁除了不断发展跨越能力外,从计算理论方面也走过了强度、抗裂性、刚度、舒适度和耐久性几个阶段,这标志着我国铁路桥梁的发展跟上了世界桥梁发展的步伐。从秦沈客运专线的高速行车试验和青藏铁路耐久材料的研究等表明,我国铁路桥梁界也正在同步研究相同类型的问题。世纪之交的铁路桥梁发展是以高墩、大跨、高速、耐久性为主要形式的发展。
1 混凝土简支桥梁
混凝土标准梁在加快铁路建设中起到重要作用是不争的事实,而其尽量少用材料及钢料以适用国情和能够用架桥机架设的365JT设计理念在世纪末发生了变化。用于广深铁路的标准梁,列车速度达到200ｋｍ/ｈ左右时一些梁需要进行必要的加固,若干干线提速后,标准梁横向连接较弱的问题突出了出来。本世纪初新修编的标准梁图,调整了梁截面尺寸,加宽了主梁间距,增加了横向预应力,加强了横向刚度,使之能够适应客车160ｋｍ/ｈ乃至200ｋｍ/ｈ左右的运行速度。在混凝土简支梁的跨度方面,90年代初曾有采用架桥机架设40ｍ简支Ｔ形梁桥的工点,如京广线的江村桥等。由于运输过程中受隧道净空的限制,桥面宽须减窄,部分小曲线半径和道岔须加固,不得不逐渐放弃。在宁武线黄河桥上首次采用“造桥机”节段拼装48ｍ混凝土箱形简支梁;继而在南昆线打埂、白水河桥采用的跨度发展为56ｍ;在神延线秃尾河桥工点,从32ｍ简支梁桥方案比较到150ｍ跨度的连续梁桥方案,最终确定采用较为经济的64ｍ混凝土箱形简支梁桥式方案。由于大跨混凝土简支梁桥在较高桥墩的工点上有桥式的合理性和经济性的优势,在世纪之交我国建设的南昆线、内昆线、渝怀线、株六线、包石线、神延线等线均有采用此种桥式的工点。株六线的响琴峡发展为“造桥机”架设的先简支后连续(40+64+40)ｍ桥式;而在建的兰武线河口黄河桥拟采用“造桥机”建多孔56ｍ的连续弯梁桥。32ｍＴ梁架设见图1,移动支架造桥机见图2。
高速铁路上的混凝土简支梁桥,梁在设计中的控制因素已不仅是强度、抗裂性、刚度等,而是要考虑列车过桥时旅客的舒适程度。秦沈客运专线高速列车的行车试验表明,经过动力仿真模拟确定的混凝土简支箱形梁桥的设计参数基本合理,调整后优化可以用于我国今后建设的高速铁路上。
在建的青藏铁路是世界上第一条高原冻土铁路,其环境的恶劣以及对桥梁构件的耐久要求和没有依靠大量人力养护维修的条件,在4500ｍ海拔高程以上的高原冻土区段采用的混凝土简支梁的对策中,尽量采用先张梁,通过研究和参照国外有关规范要求降低钢及混凝土的允许应力,加大保护层厚度,首次在后张梁采用真空压浆工艺及能通过冻融循环300次的混凝土配方等。与之配套的支座亦采用少或免维修的圆柱面钢支座,桥墩和基础的设计采用抗冻融、冻涨、冻拔的措施,期望能达到提高耐久性的预期效果(图4)。
2 高桥墩
山区铁路的建设,免不了需要修建高桥墩,而修建高桥墩的能力也影响山区铁路的选线。本世纪初建成的内昆线李子沟大桥(图5)、花土坡大桥创高桥墩之最,分别达到107ｍ和110ｍ。值得一提的是,较低的李子沟大桥由于地质较差,将桥墩建成扫把形方才能通过模拟列车运行的动力仿真分析,通过实桥行车试验,实测和分析结果相近;至于高桥墩自身的温度、风振、车振、地震等问题尚有待进一步研究。
3 预应力混凝土连续梁桥
桥墩较低矮,设刚构桥刚度难以调整或温度联长太长时,预应力混凝土连续梁桥是合理的选择。由于受到大吨位支座的限制,预应力混凝土连续梁的跨度较上世纪90年代初建成的侯月线海子沟桥只前进了20ｍ,建成的宝成线清江7号桥主跨径88ｍ,长荆线汉江桥主跨径100ｍ,内昆线花土坡桥(图6)和包石线三道坎黄河桥主跨径分别为单、复线104ｍ,为目前我国铁路预应力混凝土连续梁之最。秦沈客运专线建成的主跨径64ｍ和80ｍ的预应力混凝土连续梁高速运行情况良好。南昆线板其2号桥主跨径为72ｍ的预应力混凝土连续弯梁,其曲线半径Ｒ=450ｍ,为我国铁路预应力混凝土连续弯梁之首座。值得一提的是南昆线八渡南盘江桥,主跨为90ｍＶ形支撑连续梁,原设计意图是减少梁的支撑长度,从而优化梁体的横截面尺寸,更适合单线铁路桥,而这一点颇有争议。
4 预应力混凝土连续刚构桥
此种桥式由于大跨度主墩上没有支座,不受大吨位支座研发的限制,桥墩和梁体可以协调受力,悬灌365JT施工时可不设临时支座,故发展迅猛。继攀枝花金沙江桥建成主跨168ｍ预应力混凝土连续刚构桥后,建成和在建的有一大批此类桥梁,南昆线清水河桥主跨128ｍ,渝怀线黄草乌江桥主跨168ｍ。值得注意的是发展到如此跨度,受横向刚度的限制,主梁箱宽已能满足双线桥的要求,建单线铁路桥已很不经济。另一方面,此种桥式联长太长时,温度力难以控制,不得不将部分采用连续梁,即刚构连续梁组合结构,内昆线李子沟桥就是其灵活应用的例子。渝怀铁路井口嘉陵江特大桥见图7。
5 钢桥
在人们对不停的刷油漆感到厌倦和不能忍受其造价后,全国各铁路部门一段时间内较少采用钢梁桥,在世纪末钢梁的涂装得到飞速发展,其称谓寿命已超过人的工作寿命。一些西方发达国家的报道,当混凝土结构达到近百年寿命时,其整修比钢结构更加麻烦,从而印证了人们对混凝土结构问题的看法,又重新审视钢梁桥。建成九江桥后,对是否采用高强钢建桥产生了看法,大部分学者认为宜采用中强钢。京九线孙口黄河桥采用的就是ＳＭ50Ｃ中强钢(受焊接的限制采用的是日本钢材及标准)整体节点;新荷线长东黄河桥正式采用国产中强钢14ＭｎＮｂｑ;之后采用中强钢建设的有芜湖长江桥、长寿长江桥、佳木斯松花江桥等。建成的芜湖长江桥为斜拉索加劲的连续钢桁梁桥式,跨度为312ｍ,已建成的长寿和在建的万洲长江桥主跨分别是192ｍ钢桁梁桥式、主跨360ｍ钢桁拱桥式,均为国内同类型桥梁之最(图8)。
钢混凝土结合梁受剪力键制约多年,西康线洵河桥采用的48ｍ简支梁结合梁其剪力键是高强螺栓。经试验研究,剪力钉仍为较好的连接方式,秦沈客运专线采用的主跨30、40、50ｍ钢混凝土结合连续梁的剪力键为剪力钉,并有两座桥钢梁采用工地全焊,另有一座为Ｒ=1500ｍ的连续弯梁桥。
6 拱桥
水柏线北盘江桥为236ｍ的钢管混凝土上承式拱桥桥式(图9),但其钢管只起到钢筋和模板的作用,并未按约束混凝土呈三向应力状态计算分析,铁路桥梁承受活载大、刚度要求严是其表现的特点。该桥创多项之最,桥高达280ｍ,转体重达万余ｔ;若早年有此365JT技术,贵昆线或许不是现在的走向。在建的宣杭线东笤溪桥桥式为112ｍ的提篮式系杆拱桥;在建的万州长江桥桥式为主跨360ｍ桁架拱桥,其特点是桥形美观但各杆件长短不一,结点多不相同,设计、施工均较麻烦。在改革开放前,人们不愿意建造此类桥梁,此桥建成后将创亚洲纪录(图10)。
7 斜拉桥
继红水河斜拉桥之后,世纪末建成了大秦线大里营主跨50ｍ混凝土刚性索转体斜拉桥和芜湖长江矮塔斜拉加劲的钢桁梁桥;拟建的武汉枢纽天兴洲长江桥为500ｍ左右跨度的四线铁路斜拉桥,将在世界桥梁史上占有一席之地(图11)。
综上,世纪之交,在我国铁路桥梁人员的共同努力下,桥梁的跨越能力、允许通过速度、新材料、耐久性等方面取得了重大的成就和长足的发展,随着多条客运专线及万宜、福厦等铁路以及多座跨长江的桥梁的建设,这些桥梁建成后将会对世界桥梁建设产生影响。表1～表6为历年来大跨度钢桁梁桥、大跨度拱桥、大跨度斜拉桥和特殊结构桥、钢结合梁桥、大跨度混凝土连续梁桥、大跨度简支梁桥一览表,供读者参考。
表1 大跨度钢桁梁桥(部分)
线路名称 桥名 主桥孔跨布置/ｍ 建成年代备 注
大准线 黄河特大桥 96+132+96 1992
淅赣线 尖山浦阳江大桥 128 1992
京九线 孙口黄河特大桥 4×180 1992
滨洲线 富拉尔基特大桥 3×64 1995 简支
京九线 九江长江大桥 180+216+180 1995.6 钢桁梁柔性拱
湘黔线 渠江大桥 2×80 1996
京九线 吉安赣江特大桥 64×96+64 1996
京包线 妫水河特大桥 4×128 1997 简支
新荷线 长东黄河特大桥 9×96+4×108+3×108 1998
新长线 江阴轮渡栈桥 5×48 2001随水往上、下变动
绥佳线 佳木斯松花江特大桥 96+2×128+96 2002
荷日线 兖北特大桥 64 2002
渝怀线 长寿长江大桥 144+2×192+144 2003
宁启线 京杭运河特大桥 112 2004
表2 大跨度拱桥
线路名称 桥名 桥跨式样/ｍ 建成年代 备注
北京铁路 西站丰台路立交桥 16+36+161995 尼尔森体系
西康线 豁口特大桥 42 1998 双线下承
铜陵专用线 天桥路立交桥 50 2000 单线下承
水柏线 北盘江大桥 236 2001 上承钢管拱
赣龙线 吊钟岩大桥 140 在建 上承
宣杭线 东苕溪特大桥 112 在建 拱篮式下承拱
青藏线 拉萨河特大桥 36+72+108+72+36 在建 钢管混凝土拱连续梁组合体系
宜万线 万洲长江大桥 168+360+168 在建 钢桁拱
表3 大跨度斜拉桥和特殊结构桥
线路名称 桥名 桥跨式样/ｍ 建成年代 备注
京九线 卫运河特大桥 32.5+65+32.5 1993 斜拉式预应力混凝土连续桁架
西长线 衙门口特大桥 2×24 1996 连续ＳＲＣ梁
杭州枢纽 大寨港1号桥 1×40 1996 无碴ＳＲＣ梁
大秦线 大里营特大桥 50+41.5 1997 槽形梁斜拉桥转体施工
哈大线 鞍钢桥 16.98 1999 预弯ＳＲＣ梁
芜湖枢纽 芜湖长江大桥 180+312+180 1997 斜拉加筋钢桁梁
表4 钢混结合梁桥
线路名称 桥名 桥跨式样/ｍ 建成年代 备注
西康线 落马寨特大桥 4×48 1998 单线、简支
秦沈客运专线 丁香特大桥 40+50+40 2001 Ｒ=1500弯梁
秦沈客运专线 东高力污中桥 24+32+24 2001 全焊
秦沈客运专线 东李金屯大桥 24+32+24 2001 全焊
秦沈客运专线 卡力马3号大桥 24+2×32+24 2001 全焊
秦沈客运专线 跨102国道1号大桥 32+40+32 2001
秦沈客运专线 跨305国道大桥 40+50+40 2001
秦沈客运专线 跨锦大公路大桥 32+40+32 2001
秦沈客运专线 跨辽江公路中桥 24+32+24 2001
秦沈客运专线 跨潘乌公路中桥 40+50+40 2001
秦沈客运专线 跨沈环线大桥 24+32+24 2001
秦沈客运专线 跨沈山石路大桥 32+40+32 2001
秦沈客运专线 跨老绕阳河大桥 24×2×32+24 2001
表5 大跨度混凝土连续梁桥
线路名称 桥名 桥跨式样/ｍ 建成年代 备注
南防线 茅岭江大桥 48.5+80+48.5 1983.1
衡广复线 白面石武水大桥 32+64+32 1987
浙赣线 钱塘江二桥 48+65+14×80+65+45 1988.4
侯月线 海子沟大桥 63+2×84+63 1992 双
广梅汕线 东江特大桥 40+4×64+40 1992
宝中线 中卫黄河特大桥 7×48 1993 顶推施工
神朔线 神朔黄河特大桥 48+8×80+48 1993
西延线 狄家河特大桥 4×40 1993 顶推施工
石长线 沅江公铁特大桥 62+5×96+62 1993.11
京九线 泰河赣江大桥50+4×80+50 1994
广深准 高速石龙大桥40+3×72+40 1994
石长线 湘江特大桥61+7×96+61 1994.9造桥机施工
湘黔线 湘江特大桥42+10×75+42 1994
京九线 贡水赣江特大桥40+3×72+40 1995
京九线 黄沙尾特大桥40+3×72+40 1995
石长线 澧水特大桥40+4×72+40 1995
南昆线 八渡南盘江特大桥54+2×90+54 1996 Ｖ形支撑连续梁
石长线 资水特大桥50+4×80+50 1996
湘黔线 湘江大桥42+10×75+42 1996
广大线 普棚大桥50+92+50 1997
包三复线 三道坎黄河特大桥64+104+64 1999双
朔黄线 滴流澄滹渡河特大桥50+80+50 1999
朔黄线 庄里澄滹渡河特大桥40+3×80+40 1999
朔黄线 红山崖滹渡河特大桥50+80+50 1999
达万线 州河大桥48+80+48 2000
株六复线 响琴峡大桥40+64+40 2001造桥机施工先简支后连续
六株复线 箭杆河大桥40+64+40 2001
内昆线 花土坡大桥64+2×104+64 2001
长荆线 钟祥汉江特大桥60+3×100+60 2001
沈秦客运专线 跨102国道2号特大桥32+48+32 2001
秦沈客运专线 跨阜锦公路特大桥48+80+48 2001
秦沈客运专线跨锦娘公路特大桥40+64+40 2001
秦沈客运专线跨兴阎公路特大桥40+64+40 2001
秦沈客运专线柳树屯特大桥40+64+40 2001
京九线东江特大桥40+4×64+40 2002
南宁枢纽邕江大桥64+96+64 2002
渝怀线阿蓬江大桥40+64+40 2003
南仓东流解南仓特大桥40+62+72+62+40 003
南仓东流解南仓特大桥24+34+24 2003
呼准线黄河特大桥(48+10×80+48)+(7×48+3×40)在建48ｍ、40ｍ为造桥机制简支梁
兰武复线黄河特大桥40+4×56+40在建造桥机施工箱形弯梁Ｒ=600ｍ
赣龙线芋子英大桥60+100+60在建
赣龙线芋阙山坝大桥50+80+50在建
赣龙线松头江大桥50+2×80+50在建
表6 大跨度简支梁桥
线路名称 桥名 桥跨式样/ｍ 建成年代 备注
焦枝线洛阳黄河特大桥51孔50ｍ 1992.5
灵武支线灵武黄河桥10孔48ｍ 1994
南昆线打埂大桥4孔56ｍ 1996
南昆线白水河1号大桥8孔56ｍ 1996
包三复线三盛公黄河桥12孔54ｍ 1998
株六线南山河大桥4孔64ｍ 2001
内昆线老煤洞大桥5孔64ｍ 2001
神延线秃尾河大桥11孔64ｍ 2002
渝怀线细沙河大桥4孔64ｍ 2003
渝怀线锦和锦江大桥7孔64ｍ 2003
南昆线清水河大桥72+128+72 1996
南昆线板其2号大桥44+72+44 1996Ｒ=450ｍ曲线梁
南昆线喜旧溪大桥56+88+56 1996
南昆线天生桥2号大桥56+88+56 1996
黎钦线飞龙郁江大桥62+2×100+62 1998.9
成都枢纽机场路立交大桥20+33+20 1998丫型刚构
成都枢纽土桥立交桥20+33+20 1998丫型刚构内
昆线李子沟特大桥72+3×128+72 2001刚构连续梁组合结构
内昆线乌家坪1号大桥56+88+56 2000
长荆线汤永中桥262001斜腿刚构
秦沈客运专线跨102国道3号大桥16+3×24+162001刚构连续梁
重庆枢纽井口嘉陵江大桥84+144+84 2003双线
渝怀线涪陵乌江大桥66+128+66 2003双线
渝怀线黄草乌江大桥96+168+96 2003双线
渝怀线下塘口乌江大桥72+128+72 2003双线
南仓东硫解线南仓特大桥38+62+38 2003刚构连续梁
宜万线宜昌长江大桥130+2×275+130在建刚构拱组合体系
