中国长跨度高速铁路桥梁技术的进展与展望，收录于《工程》期刊。
2017,3(6):787-794.
一、概述
我国地域广阔，人口基数庞大，铁路在我国的交通运输网络中始终扮演着核心角色。在20世纪，我国新建的铁路桥梁设计运行速度未曾超过每小时160公里，然而，1998年动工的秦沈客运专线，其基础设施的最高设计运行速度已提升至每小时250公里，这标志着我国在建设高速铁路方面迈出了历史性的第一步。21世纪初，随着京沪高铁与武广客运专线的动工建设，我国迈入了高速铁路建设的新纪元，其设计速度更是高达350公里每小时。截至2016年年末，我国高铁线路的总通车里程已达到22,000公里。
高速铁路建设中，桥梁扮演着至关重要的角色。在我国已建成的22000公里高速铁路中，桥梁的总长度占比超过50%。特别是京沪高速铁路，其桥梁长度更是占据了线路全长的85%以上。在这些桥梁中，大部分采用了跨度为32米的预应力混凝土简支箱梁结构。中国的地理和气候条件丰富多样，西部地带拥有干旱的高原、雄伟的山脉、深邃的峡谷以及湍急的河流；而东南沿海则紧邻广阔的海洋，河流也较为宽阔。为了穿越这些宽阔的水域和险峻的山谷，必须修建大跨度的桥梁。到目前为止，我国已经建成以及正在建设中的、跨度超过200米的大跨度高铁桥梁已经超过60座，其中包括跨度超过1000米的桥梁两座，以及跨度超过500米的桥梁大约有10座。表1列举了有代表性的中国高速铁路大跨度桥梁。
表1 中国部分大跨度高铁桥梁主要参数表
确保高铁列车在桥梁上行驶时的安全与舒适是桥梁通行的基本要求，为此，必须构建高速列车与桥梁相互作用的动力分析模型。这一模型需全面考量桥梁的结构特性、运行中的车辆状况以及轨道条件，进而对桥梁的结构进行动态设计和评估。具体而言，从桥梁结构的角度出发，关键在于提升桥梁的刚度，从而实现更佳的轨道平稳度（详见表2）。
表2 轨道平顺性要求比较表
为了满足高速列车在桥梁上平稳行驶的要求，有必要对桥梁的结构设计、选用的材料以及施工技术进行全面深入的研究。
二、多功能合建桥梁技术
桥梁占据着重要的资源地位。长江被誉为我国的黄金水道，其航运业繁荣，沿岸资源极为珍贵。在规划桥梁建设时，必须兼顾对环境、岸线及长江航运的影响，同时还要满足日益增长的铁路、公路及其他交通方式过江的需求。将公路、铁路、市政道路以及城市轨道交通等综合建设在同一座桥梁之上，无疑是工程师们最理想的方案。
（一）公铁两用桥
该桥不仅用于公路和铁路的建造，例如沪通长江大桥不仅供沪通铁路和通苏嘉城际铁路通行，还支持无锡至南通的高速公路（图1）；武汉天兴洲长江大桥除了京广高铁和沪汉蓉铁路的穿越，还负责武汉城市三环线的交通任务（图2）；五峰山长江大桥（图3）以及成贵铁路金沙江大桥同样为高铁与高等级公路的共建桥梁。
图1. 沪通长江大桥（单位：m）
图2展示了武汉天兴洲长江大桥的三个不同视角：（a）呈现了其三索面的结构；（b）横截面图（单位：米）详细描绘了桥梁的横断面；（c）最后展示了这座桥梁的建成情况。
图3.五峰山长江大桥
（二）多条铁路共用桥
同一桥梁承载着两条或更多铁路线路，例如安庆长江大桥同时服务南京至安庆的城际铁路与阜阳至景德镇的铁路，共计四条线路；新白沙沱长江大桥则同时承载着渝黔客专、渝长客专以及渝黔铁路，共计六条线路；而大胜关长江大桥（如图4所示）则同时通行京沪高铁、沪汉蓉客专以及南京地铁kaiyun全站网页版登录，同样也是六条线路。
图4.大胜关长江大桥
公铁两用桥与多座铁路专用桥共同使用同一座大跨桥梁，能够更高效地运用其必需的结构宽度与刚度。此外，相较于各自独立建设多座单通道桥梁，这种做法能够大幅减少工程材料的消耗，进而显著降低整个工程的总投资。
三、复杂空间结构概述
（一）三索面三主桁结构
我国客货混用铁路在运营过程中，采用80kN·m–1荷载集度的均匀分布荷载来模拟车辆重量，通过5个集中力来模拟牵引机车，每个集中力为220kN，它们之间的距离为1.5m，而重载铁路的荷载则更为显著。对于高速铁路，其采用的ZK荷载同样具有64kN·m–1的荷载集度。由此可以看出，一条单线铁路的活载集度实际上与一条拥有6至8车道的公路相当。所以铁路桥梁所承载的活载非常大，使得结构内力巨大。
近年来新建的钢桁梁式公铁两用桥，一般上层为6至8车道的高速公路，而铁路部分则多为4条甚至6条铁路线路，此类桥梁宽度较宽，其横截面出现变形，这成为了制约高速铁路运行速度的一个重要问题。这种变形主要是由结构本身的柔韧性引起的。要减少这种变形，唯一的办法就是增强结构的刚度。在材料类型已经确定的情况下，提升刚度的方法主要有两种：一是扩大梁的横截面积；二是缩短梁的长度。
在标准双主桁结构的基础上kaiyun.ccm，增设一根桁架，形成由三根主桁构成的新结构，进而产生两个横向的独立空间，将四条铁路线两两一组，分别安置于这两个空间之中。实施三主桁设计后，横截面从原本的简支梁转变为连续结构，使得受力更为均衡，变形显著减少，从而提升了轨道的平稳度。相应地，斜拉索被设计为三个索面，这种由三个索面和三个主桁构成的结构首次在武汉天兴洲长江大桥（见图2）中得到应用，随后，该结构被广泛采用于铜陵大桥、沪通大桥、安庆铁路大桥等斜拉桥工程，以及大胜关大桥的钢桁拱等建筑项目中。
为了构建这种特定的空间布局，中铁大桥勘测设计院集团有限公司特别研发了一套桥梁设计专用软件，该软件能够对中-活载、ZK荷载、公路荷载等多种活载进行加载处理，同时还能执行公路与铁路双层结构的加载操作。
（二）斜主桁结构
京广高铁与郑新公铁两用黄河大桥的上层路段设有六车道的高速公路，而其下层则用于京广高速铁路的通行（如图5所示）。由于上层公路的宽度较下层铁路的宽度为大，因此，设计团队将钢桁梁的结构设计为倒梯形。这种斜主桁钢桁梁的结构设计能有效减少钢材的使用量，而武汉至黄冈城际铁路的黄冈公铁两用长江大桥同样采用了这一结构设计。
图5展示了郑新公铁两用黄河大桥的几个关键部分：（a）主桁架梁的横截面尺寸为毫米；（b）提供了主桁架梁的草图；（c）呈现了桥梁的最终建成形态。
四、组合结构
中国高速铁路大跨度桥梁采用的组合结构大致有以下几种情形。
板桁组合结构是指钢桁梁的桥面板与桁架共同承担荷载。在钢桁梁结构的早期，公路桥面由纵横梁上放置的小块预制公路桥面板构成，这些桥面板仅负责将公路荷载传递至主桁节点，而桥面结构本身并未参与主桁的受力，导致桥面板的功能未能得到充分体现。
钢-混凝土组合结构中，钢桁梁桥面采用了正交异性钢板与混凝土板相结合的混合式设计。在公路桥梁中，桥面结构主要采用混凝土，这一设计能够有效解决传统钢桥面普遍存在的疲劳寿命和铺装寿命问题。
近些年，高铁桥梁的跨距持续增长，因此增强桥梁的刚性变得尤为关键。为了实现这一目标，将桥面板与主桁连接，共同承受荷载，构建板-桁复合结构，已成为最有效且经济的方法。天兴洲公铁两用长江大桥的设计采用了类似图6所示的板-桁组合结构，其中主桥斜拉桥的中跨以及部分边跨，总长达到756米，这一区域是利用公路面的正交异性钢板与主桁架共同承担荷载；而在两侧各168米的区段开yun体育app官网网页登录入口，则是通过公路面的混凝土桥面板与主桁架相结合，共同承受压力。在黄冈公铁两用长江大桥、铜陵公铁两用长江大桥等后续建设项目中，公路桥面板与主桁实现了紧密结合，铁路桥面板同样与主桁相连接。这些桥面板与桁梁的上下弦杆协同作用，共同构成了桁架梁的上下弦截面，它们共同承受着结构的整体荷载。这样的设计显著提升了主梁结构的刚性，对高铁列车的平稳运行大有裨益。
图6.武汉天兴洲公铁两用长江大桥复合结构
郑新公铁两用黄河大桥的公路上层部分运用了分块预制的钢筋混凝土结构设计，并且与钢主桁的上弦部分通过剪力钉连接，构成了一个共同承受力的复合结构（如图5所示）。同时，沪通大桥和平潭海峡公铁大桥在多孔80至112米的简支钢桁梁上层公路面以及下层铁路面，也都选用了钢筋混凝土结构，从而构建出了双层钢-混凝土的组合结构。
成贵铁路鸭池河大桥是一座跨度达到436米的中间承重拱桥，如图7所示。该桥采用了钢桁拱作为其结构骨架，而在拱脚区域，混凝土被用来进行包裹，而在拱顶部分，某些区段的拱肋上翼缘则填充了混凝土。
图7.成贵铁路鸭池河大桥
五、高性能材料
（一）高性能桥梁钢
桥梁的跨度不断增大，尤其是多功能复合型桥梁的兴起，导致桥梁内部承受的力矩也在持续上升。以大胜关大桥为例，它是一座以2×336米为跨度的钢桁拱桥，承担着6条铁路的通行任务，其最大杆力已高达150MN；同样，沪通长江大桥则同时承担着4条铁路和6车道高速公路的通行，其主航道桥为1092米跨度的斜拉桥，主梁承受的最大压力更是达到了750MN。面对这样的挑战，迫切需要开发出更高强度的桥梁用钢。
因此，我们先后成功研制出了Q420q和Q500q两种桥梁钢材。其中，Q420q钢材首次被应用于大胜关大桥的建设中，而Q500桥梁钢则已经在沪通大桥上得到了实际应用。
为确保桥梁结构的稳固性和尺寸的适宜性，大桥主梁的不同区域选用了不同强度级别的钢材。例如，大胜关大桥承受较大压力的拱肋杆件使用了Q420钢，而其他部分则采用了Q370钢；在沪通大桥，主梁靠近主塔和辅助墩的区域由于压力较大，故采用了Q500钢，而压力较小的区域则使用了Q420钢，压力更小的区域则选用了Q370钢。
使用高强度的材料可以降低结构的自身重量，同时减少所需材料的数量，进而有效降低对资源和能源的消耗。
（二）高性能斜拉索
高铁桥梁中，高强度耐久性拉索体系得到了应用开发。与桥梁钢材的发展历程相似，桥梁使用的斜拉索钢丝强度经历了从1570MPa、1670MPa、1770MPa逐步提升至1860MPa的过程。目前，正在建设的沪通长江大桥斜拉索研发出了强度达到2000MPa的钢丝，并且采用了锌铝镀层技术，以此增强其耐久性能。铜陵公铁两用大桥于2015年投入使用，该桥是一座由钢桁梁构成的斜拉桥，其主跨长度达到630米。这座大桥可供4条铁路线和6车道的高速公路通行，被誉为全球已建成的跨度最大的公铁两用斜拉桥。大桥的斜拉索采用了平行钢绞线拉索体系，其中每根绞线基本上是独立的，这一设计能够有效避免因风雨引起的振动。
六、钢桁梁整体化工厂制造
传统工艺中，钢桁梁的制造与安装多是以单根杆件为基本单位逐一进行的，这种做法所需的施工设备相对简便，然而，由于涉及大量高空作业，对工程品质及工人作业安全构成了不小的威胁。
天兴洲公铁两用长江大桥在建设过程中，首次运用了整节段架设的先进技术。这项技术涉及将钢桁梁的单个节间的所有主桁杆件、横联杆件、铁路面纵横梁以及公路桥面板，在工厂内完成连接，最终组装成一个重量达到650吨的完整节段。
图8（a）
后运输、安装，显著减少了高空作业量。铜陵公铁两用长江大桥在建设过程中，首次运用了全焊接桁片单元技术。这项技术将钢桁梁的相邻两个节间组合成一组，并将所有构件划分为多个制造单元。在工厂内，每个制造单元都通过焊接工艺完成制作。例如，每片主桁的两根上弦杆、两根下弦杆、两根竖杆和两根斜杆，均是在工厂内通过焊接连接，组装成桁片，随后进行运输和安装。
图8（b）
沪通长江大桥采用了独特的工艺，将钢桁梁的每两个节间中的三片主桁、公路及铁路桥面、以及横向连接结构，全部在工厂内完成焊接，最终组装成一个总重量达2000吨的完整结构，再进行运输和安装。而在平潭海峡公铁大桥中，80米和88米两种跨度的钢桁梁更是采取了更为先进的做法，整个桁梁在工厂内焊接成一体后，再进行运输和安装。
图8展示了钢桁梁的制造与装配过程。（a）天兴洲的公铁两用长江大桥主桁架梁已全部安装完成；（b）铜陵的公铁两用长江大桥则采用了全焊接的桁架平面构件进行组装。
七、大跨度高铁桥梁的技术发展与展望
（一）多塔缆索承重桥梁技术
我国众多河流，诸如长江，其海峡水域辽阔，航运活动频繁，因此，作为桥梁工程师，我必须确保桥梁的建设与维护与这条黄金水道的协调与持续发展相匹配。多塔缆索承重的桥梁能够实现连续的多孔大跨度，同时，它还能将上行和下行航道进行分孔布置，这无疑带来了显著的经济效益。
在承担公路负荷的桥梁建设领域，我国在大型多孔缆索承重桥梁的建造技术上取得了显著成就。已成功建造了多座多塔斜拉桥，其中包括宜昌夷陵长江大桥、洞庭湖大桥等早期公路桥梁，而近年来，武汉二七长江大桥、济南建邦黄河大桥、嘉绍大桥等桥梁也相继落成。我国在多塔悬索桥技术领域取得了显著进展，成功在全世界范围内首次建造了三座千米级的大跨度三塔悬索桥，分别是泰州长江大桥，其跨度达到2×1080米；马鞍山长江大桥，同样跨度为2×1080米；以及武汉鹦鹉洲长江大桥，跨度为2×850米。此外，目前还有一座采用钢桁梁双层桥面的温州瓯江北口大桥正在建设中，其跨度为2×800米。蒙华铁路洞庭湖大桥在铁路桥领域，采用了跨度达2×408米的三塔斜拉桥设计。这些工程的建设以及技术的持续积累，无疑为未来琼州海峡通道（图9）以及渤海湾通道的桥梁方案提供了技术支持，特别是更大跨度的公铁两用多塔斜拉桥和多塔悬索桥，从而奠定了坚实的基础。
图9.琼州海峡跨海大桥设计方案
（二）基础工程的工厂化、大型化预制
如前所述，在大型铁路桥梁的上部结构方面，我国已在工厂化和预制化技术上积累了丰厚的经验。同时，对于大型深水基础工程的工厂化建造技术，也实现了显著进展。例如，商合杭铁路芜湖公铁两用长江大桥以及大连星海湾大桥，都采用了基础设置的方法。其中，芜湖公铁桥的基础是建立在岩石地基上的预制钢壳，而星海湾大桥的基础则是建立在沙土地基上的预制混凝土沉箱。未来应以打造横跨海峡的大桥为发展目标，深入探讨适用于百米深水及厚实覆盖层的新型基础结构、施工器械以及相关的施工技术。
（三）材料科学的支撑
建造跨度更大的桥梁，势必要依赖于材料科学的不断突破与支持。提升钢、混凝土等传统桥梁材料的性能，是其中的一条途径。然而，在当前科学技术条件下，显著增强钢材的强度似乎存在一定的挑战。此外，考虑到大跨度桥梁的恒载重量通常超过总荷载的80%，因此减轻桥梁结构的自重，理应成为我们努力的重点。纤维复合材料或许能成为最佳解决方案。
注：本文内容呈现形式略有调整，若需可查看原文。
改编原文：
秦顺泉，高宗宇。中国长跨度高速铁路桥梁技术的发展与展望。工程，2017，3（6）：787-794。
作者介绍
秦顺全，桥梁工程专家，中国工程院院士。
长期致力于大型桥梁设计、施工技术的研究与管理。成功构建了桥梁分阶段施工的无应力状态控制法理论，对大型桥梁结构的工厂化、标准化施工方法进行了创新；在建造大跨度桥梁和跨海大桥方面实现了多项技术突破，攻克了国家重点工程建设中的多个关键技术难题。曾先后担任武汉天兴洲长江大桥、南京大胜关长江大桥、青藏铁路拉萨河特大桥、杭州湾大桥、港珠澳大桥以及孟加拉国帕克西大桥等多座国内外知名大型桥梁的设计与施工技术工作的主持。
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