我國高速鐵路橋梁的研究現狀與發展趨勢

閆龍彪,程澤農,韓 冰,張 楠

(北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044)

1 我國高速鐵路橋梁的工程特點

我國高速鐵路建設的重要特點是橋梁在高速鐵路線路中總占比高[1]，橋梁的性能對列車運營的安全性和舒適性具有舉足輕重的影響。

高速鐵路主要以速度目標值大小加以區分，結合我國高速鐵路發展現狀，遵循國際上對于高速鐵路定義的慣例，把新建鐵路旅客列車運行速度達到或者超過250 km/h，或旅客列車運行速度達到250 km/h的客貨共線運行鐵路和既有線通過改造使基礎設施適應速度200 km/h的鐵路稱為高速鐵路。

截至2017年底，我國高速鐵路運營里程達到2.5萬km，占世界高速鐵路總里程的66.3%。目前我國已擁有世界上最現代化的鐵路網和最發達的高速鐵路網。

我國高速鐵路在研究、設計的同時，也在學習、消化、吸收其他國家高速鐵路先進成熟技術，系統總結已開工建設的中國客運專線工程技術、科研試驗成果，針對高速鐵路建設的關鍵技術問題，又進一步開展研究、試驗、驗證、技術裝備的自主創新和各系統集成研究攻關，初步形成適合中國國情、路情的高速鐵路自主技術體系[2-4]。通過多年的研究、探索和工程實踐，我國在高速鐵路橋梁的建設標準和規模已經處于世界前列。

現有的高速鐵路橋梁主要以簡支梁橋為主，其中預應力混凝土簡支梁具有構造簡單、受力明確、施工便捷、耐久性好等優點，是高速鐵路橋梁的主要結構形式，并且以跨度24，32 m簡支箱梁的應用最為廣泛，隨著高速鐵路的發展，對于橋梁的跨度提出更高的要求，跨度40，56，64 m簡支箱梁得到研究應用。

我國高速鐵路的橋梁工程，經過研究和建設人員多年來的不懈努力，設計理論、建設技術日趨完善，具有以下基本特征：①已形成獨具特色的技術標準體系[5-6]；②橋梁總長度占比高，預應力混凝土梁大量應用[7-8]；③成功研發高速鐵路標準梁建造成套技術[9]；④特殊結構橋梁及大跨度橋梁建造居于世界前列[10-11]；⑤組合結構橋梁的應用形成新的特色[12-13]。

2 高速鐵路橋梁相關研究分析

科技論文對高速鐵路科技進步起引領作用，不僅代表此領域科學、技術和工程方面的需求與發展方向，亦體現了在既有研究成果的基礎上，今后一段時間的學術熱點。自1992年始，我國學者即開展對高速鐵路的研究工作，并發表了大量的論文。依據知網文獻統計中文文獻中高速鐵路(含客運專線)的文獻發表數量和高速鐵路橋梁的文獻數量，結果見表1。從中可以看出，20世紀90年代為積累階段，文獻數量相對平穩，從2005—2010年文獻數量快速增長，研究力度大為增強。這段時期處于我國建設高速鐵路的初期，面臨京滬高速鐵路的建設，需要進行大量的技術論證。之后針對高速鐵路的研究一直處于維持高位的平穩階段。與此同時，有關高速鐵路橋梁的研究基本與高速鐵路整體研究同步。1993—2006年文獻發表量緩慢增加，2007—2011年，橋梁研究方面的文獻數量增速很快。2011年以后有所下降，但整體數量依然保持較高位。

表1 高速鐵路及其橋梁有關文獻歷年發表量

高速鐵路橋梁研究的主要經費來源見表2。其中，國家自然科學基金和鐵道部科技研究開發計劃項目占有較大的比例，以此2個基金為支撐，分別發表153，98篇論文。國家高技術研究發展計劃(863計劃)、國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)、中國博士后科學基金、跨世紀優秀人才培養計劃、高等學校博士學科點專項科研基金和長江學者獎勵計劃等也對高速鐵路橋梁研究進行了大力的資助。國家基礎建設的強力推動、鐵路部門的有力支持，以及其他相關基金機構的資助，使得高速鐵路橋梁的研究得到快速發展。

表2 高速鐵路橋梁研究主要經費來源

開展高速鐵路橋梁研究的主要單位及其論文發表量分布情況見表3。其中，西南交通大學和中南大學研究成果突出，分別發表122和99篇論文，中國鐵路設計集團有限公司、中國鐵道科學研究院、中鐵第四勘察設計院集團有限公司、中鐵第一勘察設計院集團有限公司、北京交通大學、中鐵二院工程集團有限責任公司、同濟大學、石家莊鐵道大學和中鐵大橋局集團有限公司也對高速鐵路橋梁進行了大量的研究?？傮w來說，目前開展高速鐵路橋梁研究的主體仍集中于鐵路行業高校、設計院及科研單位。

表3 高速鐵路橋梁主要研究單位及其論文發表量

按研究方向分類，高速鐵路橋梁相關文獻量分布情況見表4。其中，以高速鐵路橋梁設計理論及方法的研究最多，主要針對高速鐵路橋梁的構造、靜動力性能以及設計方法進行研究，包括車橋耦合作用以及軌道變形、梁體變形對整個系統動力性能影響的研究。其次是關于建造技術及設備的研究，主要分析高速鐵路橋梁的施工技術、施工設備、施工安全等。關于地震、風、洪水、長期性能等防災減災方面的文獻數量排在第3位，主要針對高速鐵路橋梁抗震、抗風、抗洪、

表4 高速鐵路橋梁的研究方向

防撞，以及溫度、地基沉降、病害損傷、收縮徐變等長期性能進行研究分析。第4位的是車橋耦合作用，主要針對輪軌關系、車輛激勵下軌道變形、梁體變形對整個系統動力性能的影響等。此外，一些學者開始關注高速鐵路橋梁振動對環境的影響，重點包括高速列車行駛引起的環境噪聲特性、聲屏障性能[14]等。還有一些文獻難以準確歸類，這里歸于其他類型。

統計中還發現：針對高速鐵路橋梁技術類的文獻占總數的65.7%;關于標準與質量控制的占26.4%;而基礎研究的文獻較少，約占4.9%。

3 高速鐵路橋梁的應用情況

相較于公路橋梁和普通鐵路橋梁，對高速鐵路橋梁的安全性、舒適性和平順性要求更高。目前高速鐵路線路中使用較多的橋梁類型是標準跨度橋梁、大跨度混凝土梁式橋及組合結構橋梁、大跨度上承式拱橋和大跨度纜索支承橋梁4類。

1) 常用標準跨度橋梁。我國高速鐵路橋梁上部結構設計通常采用250，350 km/h橋梁通用圖，以便于標準化、工廠化施工，保證結構質量，加快施工速度。目前應用較多的跨徑為24，32，40 m，橋梁類型有簡支梁、連續梁和剛構梁。其中95%左右的橋梁采用標準跨徑的預應力混凝土簡支箱梁。梁體以豎向基頻為動力控制的主要指標，而梁體實測頻率普遍高于理論值，滿足梁體動力性能要求，避免橋梁和車輛產生較大的動力響應?？刂屏后w混凝土最大壓應力，以控制徐變變形與應力發展在混凝土彈性范圍內，同時嚴格控制梁體上下截面應力差，以實現對徐變等后期變形的精細控制，保證長期的舒適性，減小養護維修工作量，基本保證了橋墩剛度，控制住基礎沉降。

2) 大跨度混凝土梁式橋及組合結構橋梁?；炷两Y構剛度大，噪聲小，成本低，維修養護方便。針對我國的國情，混凝土橋仍是大跨度橋梁優先考慮的橋型之一?，F在國內大跨度混凝土梁體收縮徐變豎向變位的控制，是通過控制恒載下梁體上下緣應力差等方法實現的，其具體手段是在混凝土連續結構上增加拱、桁、拉索等加勁結構。加勁結構承擔了部分荷載，提高了結構的剛度，從而控制梁體的變位。同時也提出了減小彈性變形以控制徐變變形的技術路徑。我國已系統掌握了大跨度混凝土梁式橋及組合結構的設計技術，并對混合結構主梁、空腹式結構、輕質混凝土的應用開展相關研究。

3) 大跨度上承式拱橋。上承式拱橋跨越能力強、剛度大、養護維修工作量小，是艱險山區高速鐵路跨越V形溝谷的最佳橋型。主拱施工方法是限制其應用的主要控制條件，我國針對不同的地形地質條件，對拱橋的工法和結構形式開展了相關的研究和探索，從而使拱橋煥發出新的生機和活力。我國提出的鋼管勁性骨架分段、分層主拱方法，極大地拓展了上承式拱橋的應用。在萬州長江公路大橋成果的基礎上，集中深化研究了主拱施工線形控制、截面應力重分布規律、徐變特性、施工工藝等關鍵技術問題，從而使拱橋設計和施工逐漸成熟。拱上結構采用中等跨度的連續結構來提高鐵路拱橋的平順性，通過選擇合理拱軸線和拱上結構布置減小拱的徐變變形。在動力性能分析中，綜合考慮了溫度、徐變變形和活載非對稱加載的影響。對拱橋合理寬度、懸臂灌注法、高強自密實混凝土應用、成橋線形動態調整技術等方面開展了相關研究。

4) 大跨度纜索支承橋梁。通過已建和在建的40余座鐵路和公鐵斜拉橋的研究、設計、探索和總結，我國基本掌握了鐵路斜拉橋的剛度標準，特別是大跨度斜拉橋的設計技術和主要控制標準。目前國內以活載作用下的撓跨比和梁端轉角來控制主梁的豎向剛度，主梁的橫向剛度一般為豎向剛度的2倍。大跨度纜索支撐結構因其撓度變形曲線較和緩，撓跨比不宜成為主要關注的控制指標，影響行車安全和舒適的主要是剛度突變區域，如梁端、主塔、橋墩等，需要對局部范圍的軌面變形進行限制。我國鋼橋通過控制線路的最小曲線半徑來控制梁體的橫向變形。我國建造的鐵路懸索橋較少。由于缺乏鐵路懸索橋列車運行的研究，目前按照斜拉橋的標準和橋上軌道結構要求進行設計。為解決其梁端轉角問題，采用加勁梁連續布置、中跨懸吊的結構形式，為了控制其剛度，橋梁設計普遍采用了較大的恒載，自重較重，設計上較為保守。

4 高速鐵路橋梁存在的問題及研究方向

目前我國高速鐵路橋梁設計理論、建造理論及橋梁動力學上存在科學理論落后于工程實踐、總結規律落后于探索創新等諸多問題。下文結合高速鐵路橋梁的特點、發展現狀以及目前存在的問題，針對高速鐵路橋梁設計理論及方法、復雜極端條件下高速鐵路橋梁安全性、高速鐵路橋梁長期服役性能、新材料及新結構應用基礎理論等方面，指出進一步的研究方向。

2)高速鐵路橋梁長期性能演化規律及能力保持。高速鐵路采用了大量的預應力混凝土橋梁，對這些橋梁性能演化規律的認識還不深入。隨著運營時間的增加，橋梁性能的退化增加了列車運行安全風險，加劇了檢查維修工作量大與作業時間有限的矛盾。由于這些橋梁采用相同建造標準，集中在相對較短的時間內建造而成，一旦出現安全問題則影響面巨大。為此應加大對高速鐵路橋梁長期服役性能的研究。主要包括高速鐵路預應力混凝土梁徐變及其對行車安全性的影響、高速鐵路預應力混凝土梁耐久性、大跨度特殊結構橋梁服役性能演化、高速鐵路橋梁快速檢測評估理論、高速鐵路橋梁基礎沉降等。

4)高速鐵路橋梁新材料、新技術應用的相關理論和技術。高速鐵路橋梁是橋梁建造現代化的體現，隨著橋梁服役年限的增加，其新材料、新技術、新工藝的性能逐漸被實際運營所驗證，但仍需根據實際采用情況和出現的一般性問題進行歸納總結，發現科學理論與科學方法，提出并完善基于這些新材料、新技術、新工藝的新觀點。隨著我國高速鐵路路網的不斷完善，一些自然條件惡劣地區如海洋、山區、戈壁等需要修建高速鐵路，這就對高速鐵路橋梁的服役提出了更高的要求。一方面，現有技術是否適應新的發展需求有待驗證;另一方面，為保證橋梁在設計年限內安全服役，需要將新材料、新技術和新工藝引入，進而帶來新的科學和技術問題。未來需繼續深入對新材料及新技術應用基礎理論的研究。主要包括高性能混凝土和鋼材的研發與應用，新型施工、養護技術和設備的研發與應用。

6)高速鐵路橋梁的環境友好性問題。高速鐵路橋梁多位于人口稠密地區，高速行車產生較大的結構振動及噪聲，對鐵路沿線的環境產生不利影響。目前雖開展了較多的工程探討，但仍未有全面性、一般性的科學方法針對高速鐵路沿線的環境改變進行預測與控制。今后將重點研究高速鐵路橋梁減振降噪[14]，主要包括對高速鐵路橋梁氣動噪聲和結構噪聲產生機理的研究以及進行相應的降噪方法和措施研究。

7)高速鐵路橋梁智能化建造。標準化、信息化、智能化的發展趨勢如何體現在高速鐵路橋梁的發展中，尚缺乏具有前瞻性、戰略性的發展思路和理念引導，有待深入開展相關的科學問題的研究，為高速鐵路橋梁向可持續方向發展奠定基礎。在高速鐵路橋梁建造技術方面，應引入自動化、智能化的設計建設理念，實現高速鐵路橋梁的建造、運營全過程監控反饋系統，以實時了解橋梁的健康狀況，進行針對性的養護維修。

5 結語