閆龍彪,程澤農(nóng),韓 冰,張 楠

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

1 我國高速鐵路橋梁的工程特點(diǎn)

我國高速鐵路建設(shè)的重要特點(diǎn)是橋梁在高速鐵路線路中總占比高[1]，橋梁的性能對(duì)列車運(yùn)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(biāo)值大小加以區(qū)分，結(jié)合我國高速鐵路發(fā)展現(xiàn)狀，遵循國際上對(duì)于高速鐵路定義的慣例，把新建鐵路旅客列車運(yùn)行速度達(dá)到或者超過250 km/h，或旅客列車運(yùn)行速度達(dá)到250 km/h的客貨共線運(yùn)行鐵路和既有線通過改造使基礎(chǔ)設(shè)施適應(yīng)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(yùn)營里程達(dá)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(xiàn)代化的鐵路網(wǎng)和最發(fā)達(dá)的高速鐵路網(wǎng)。

我國高速鐵路在研究、設(shè)計(jì)的同時(shí)，也在學(xué)習(xí)、消化、吸收其他國家高速鐵路先進(jìn)成熟技術(shù)，系統(tǒng)總結(jié)已開工建設(shè)的中國客運(yùn)專線工程技術(shù)、科研試驗(yàn)成果，針對(duì)高速鐵路建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題，又進(jìn)一步開展研究、試驗(yàn)、驗(yàn)證、技術(shù)裝備的自主創(chuàng)新和各系統(tǒng)集成研究攻關(guān)，初步形成適合中國國情、路情的高速鐵路自主技術(shù)體系[2-4]。通過多年的研究、探索和工程實(shí)踐，我國在高速鐵路橋梁的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模已經(jīng)處于世界前列。

現(xiàn)有的高速鐵路橋梁主要以簡支梁橋?yàn)橹鳎渲蓄A(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁具有構(gòu)造簡單、受力明確、施工便捷、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，是高速鐵路橋梁的主要結(jié)構(gòu)形式，并且以跨度24，32 m簡支箱梁的應(yīng)用最為廣泛，隨著高速鐵路的發(fā)展，對(duì)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(yīng)用。

我國高速鐵路的橋梁工程，經(jīng)過研究和建設(shè)人員多年來的不懈努力，設(shè)計(jì)理論、建設(shè)技術(shù)日趨完善，具有以下基本特征：①已形成獨(dú)具特色的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系[5-6]；②橋梁總長度占比高，預(yù)應(yīng)力混凝土梁大量應(yīng)用[7-8]；③成功研發(fā)高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁建造成套技術(shù)[9]；④特殊結(jié)構(gòu)橋梁及大跨度橋梁建造居于世界前列[10-11]；⑤組合結(jié)構(gòu)橋梁的應(yīng)用形成新的特色[12-13]。

2 高速鐵路橋梁相關(guān)研究分析

科技論文對(duì)高速鐵路科技進(jìn)步起引領(lǐng)作用，不僅代表此領(lǐng)域科學(xué)、技術(shù)和工程方面的需求與發(fā)展方向，亦體現(xiàn)了在既有研究成果的基礎(chǔ)上，今后一段時(shí)間的學(xué)術(shù)熱點(diǎn)。自1992年始，我國學(xué)者即開展對(duì)高速鐵路的研究工作，并發(fā)表了大量的論文。依據(jù)知網(wǎng)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)中文文獻(xiàn)中高速鐵路(含客運(yùn)專線)的文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量和高速鐵路橋梁的文獻(xiàn)數(shù)量，結(jié)果見表1。從中可以看出，20世紀(jì)90年代為積累階段，文獻(xiàn)數(shù)量相對(duì)平穩(wěn)，從2005—2010年文獻(xiàn)數(shù)量快速增長，研究力度大為增強(qiáng)。這段時(shí)期處于我國建設(shè)高速鐵路的初期，面臨京滬高速鐵路的建設(shè)，需要進(jìn)行大量的技術(shù)論證。之后針對(duì)高速鐵路的研究一直處于維持高位的平穩(wěn)階段。與此同時(shí)，有關(guān)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(xiàn)發(fā)表量緩慢增加，2007—2011年，橋梁研究方面的文獻(xiàn)數(shù)量增速很快。2011年以后有所下降，但整體數(shù)量依然保持較高位。

表1 高速鐵路及其橋梁有關(guān)文獻(xiàn)歷年發(fā)表量

高速鐵路橋梁研究的主要經(jīng)費(fèi)來源見表2。其中，國家自然科學(xué)基金和鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目占有較大的比例，以此2個(gè)基金為支撐，分別發(fā)表153，98篇論文。國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)、中國博士后科學(xué)基金、跨世紀(jì)優(yōu)秀人才培養(yǎng)計(jì)劃、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金和長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃等也對(duì)高速鐵路橋梁研究進(jìn)行了大力的資助。國家基礎(chǔ)建設(shè)的強(qiáng)力推動(dòng)、鐵路部門的有力支持，以及其他相關(guān)基金機(jī)構(gòu)的資助，使得高速鐵路橋梁的研究得到快速發(fā)展。

表2 高速鐵路橋梁研究主要經(jīng)費(fèi)來源

開展高速鐵路橋梁研究的主要單位及其論文發(fā)表量分布情況見表3。其中，西南交通大學(xué)和中南大學(xué)研究成果突出，分別發(fā)表122和99篇論文，中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司、中國鐵道科學(xué)研究院、中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司、中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司、北京交通大學(xué)、中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司、同濟(jì)大學(xué)、石家莊鐵道大學(xué)和中鐵大橋局集團(tuán)有限公司也對(duì)高速鐵路橋梁進(jìn)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(yè)高校、設(shè)計(jì)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(fā)表量

按研究方向分類，高速鐵路橋梁相關(guān)文獻(xiàn)量分布情況見表4。其中，以高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)理論及方法的研究最多，主要針對(duì)高速鐵路橋梁的構(gòu)造、靜動(dòng)力性能以及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，包括車橋耦合作用以及軌道變形、梁體變形對(duì)整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力性能影響的研究。其次是關(guān)于建造技術(shù)及設(shè)備的研究，主要分析高速鐵路橋梁的施工技術(shù)、施工設(shè)備、施工安全等。關(guān)于地震、風(fēng)、洪水、長期性能等防災(zāi)減災(zāi)方面的文獻(xiàn)數(shù)量排在第3位，主要針對(duì)高速鐵路橋梁抗震、抗風(fēng)、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(jìn)行研究分析。第4位的是車橋耦合作用，主要針對(duì)輪軌關(guān)系、車輛激勵(lì)下軌道變形、梁體變形對(duì)整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力性能的影響等。此外，一些學(xué)者開始關(guān)注高速鐵路橋梁振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，重點(diǎn)包括高速列車行駛引起的環(huán)境噪聲特性、聲屏障性能[14]等。還有一些文獻(xiàn)難以準(zhǔn)確歸類，這里歸于其他類型。

統(tǒng)計(jì)中還發(fā)現(xiàn)：針對(duì)高速鐵路橋梁技術(shù)類的文獻(xiàn)占總數(shù)的65.7%;關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量控制的占26.4%;而基礎(chǔ)研究的文獻(xiàn)較少，約占4.9%。

3 高速鐵路橋梁的應(yīng)用情況

相較于公路橋梁和普通鐵路橋梁，對(duì)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(biāo)準(zhǔn)跨度橋梁、大跨度混凝土梁式橋及組合結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)跨度橋梁。我國高速鐵路橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用250，350 km/h橋梁通用圖，以便于標(biāo)準(zhǔn)化、工廠化施工，保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量，加快施工速度。目前應(yīng)用較多的跨徑為24，32，40 m，橋梁類型有簡支梁、連續(xù)梁和剛構(gòu)梁。其中95%左右的橋梁采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁。梁體以豎向基頻為動(dòng)力控制的主要指標(biāo)，而梁體實(shí)測頻率普遍高于理論值，滿足梁體動(dòng)力性能要求，避免橋梁和車輛產(chǎn)生較大的動(dòng)力響應(yīng)?？刂屏后w混凝土最大壓應(yīng)力，以控制徐變變形與應(yīng)力發(fā)展在混凝土彈性范圍內(nèi)，同時(shí)嚴(yán)格控制梁體上下截面應(yīng)力差，以實(shí)現(xiàn)對(duì)徐變等后期變形的精細(xì)控制，保證長期的舒適性，減小養(yǎng)護(hù)維修工作量，基本保證了橋墩剛度，控制住基礎(chǔ)沉降。

2) 大跨度混凝土梁式橋及組合結(jié)構(gòu)橋梁?；炷两Y(jié)構(gòu)剛度大，噪聲小，成本低，維修養(yǎng)護(hù)方便。針對(duì)我國的國情，混凝土橋仍是大跨度橋梁優(yōu)先考慮的橋型之一?，F(xiàn)在國內(nèi)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(yīng)力差等方法實(shí)現(xiàn)的，其具體手段是在混凝土連續(xù)結(jié)構(gòu)上增加拱、桁、拉索等加勁結(jié)構(gòu)。加勁結(jié)構(gòu)承擔(dān)了部分荷載，提高了結(jié)構(gòu)的剛度，從而控制梁體的變位。同時(shí)也提出了減小彈性變形以控制徐變變形的技術(shù)路徑。我國已系統(tǒng)掌握了大跨度混凝土梁式橋及組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)，并對(duì)混合結(jié)構(gòu)主梁、空腹式結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)混凝土的應(yīng)用開展相關(guān)研究。

3) 大跨度上承式拱橋。上承式拱橋跨越能力強(qiáng)、剛度大、養(yǎng)護(hù)維修工作量小，是艱險(xiǎn)山區(qū)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(yīng)用的主要控制條件，我國針對(duì)不同的地形地質(zhì)條件，對(duì)拱橋的工法和結(jié)構(gòu)形式開展了相關(guān)的研究和探索，從而使拱橋煥發(fā)出新的生機(jī)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(yīng)用。在萬州長江公路大橋成果的基礎(chǔ)上，集中深化研究了主拱施工線形控制、截面應(yīng)力重分布規(guī)律、徐變特性、施工工藝等關(guān)鍵技術(shù)問題，從而使拱橋設(shè)計(jì)和施工逐漸成熟。拱上結(jié)構(gòu)采用中等跨度的連續(xù)結(jié)構(gòu)來提高鐵路拱橋的平順性，通過選擇合理拱軸線和拱上結(jié)構(gòu)布置減小拱的徐變變形。在動(dòng)力性能分析中，綜合考慮了溫度、徐變變形和活載非對(duì)稱加載的影響。對(duì)拱橋合理寬度、懸臂灌注法、高強(qiáng)自密實(shí)混凝土應(yīng)用、成橋線形動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)等方面開展了相關(guān)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(shè)計(jì)、探索和總結(jié)，我國基本掌握了鐵路斜拉橋的剛度標(biāo)準(zhǔn)，特別是大跨度斜拉橋的設(shè)計(jì)技術(shù)和主要控制標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)以活載作用下的撓跨比和梁端轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)因其撓度變形曲線較和緩，撓跨比不宜成為主要關(guān)注的控制指標(biāo)，影響行車安全和舒適的主要是剛度突變區(qū)域，如梁端、主塔、橋墩等，需要對(duì)局部范圍的軌面變形進(jìn)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(yùn)行的研究，目前按照斜拉橋的標(biāo)準(zhǔn)和橋上軌道結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。為解決其梁端轉(zhuǎn)角問題，采用加勁梁連續(xù)布置、中跨懸吊的結(jié)構(gòu)形式，為了控制其剛度，橋梁設(shè)計(jì)普遍采用了較大的恒載，自重較重，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)理論、建造理論及橋梁動(dòng)力學(xué)上存在科學(xué)理論落后于工程實(shí)踐、總結(jié)規(guī)律落后于探索創(chuàng)新等諸多問題。下文結(jié)合高速鐵路橋梁的特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀以及目前存在的問題，針對(duì)高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)理論及方法、復(fù)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(jié)構(gòu)應(yīng)用基礎(chǔ)理論等方面，指出進(jìn)一步的研究方向。

2)高速鐵路橋梁長期性能演化規(guī)律及能力保持。高速鐵路采用了大量的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，對(duì)這些橋梁性能演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)還不深入。隨著運(yùn)營時(shí)間的增加，橋梁性能的退化增加了列車運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)，加劇了檢查維修工作量大與作業(yè)時(shí)間有限的矛盾。由于這些橋梁采用相同建造標(biāo)準(zhǔn)，集中在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)建造而成，一旦出現(xiàn)安全問題則影響面巨大。為此應(yīng)加大對(duì)高速鐵路橋梁長期服役性能的研究。主要包括高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁徐變及其對(duì)行車安全性的影響、高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土梁耐久性、大跨度特殊結(jié)構(gòu)橋梁服役性能演化、高速鐵路橋梁快速檢測評(píng)估理論、高速鐵路橋梁基礎(chǔ)沉降等。

4)高速鐵路橋梁新材料、新技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)理論和技術(shù)。高速鐵路橋梁是橋梁建造現(xiàn)代化的體現(xiàn)，隨著橋梁服役年限的增加，其新材料、新技術(shù)、新工藝的性能逐漸被實(shí)際運(yùn)營所驗(yàn)證，但仍需根據(jù)實(shí)際采用情況和出現(xiàn)的一般性問題進(jìn)行歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)科學(xué)理論與科學(xué)方法，提出并完善基于這些新材料、新技術(shù)、新工藝的新觀點(diǎn)。隨著我國高速鐵路路網(wǎng)的不斷完善，一些自然條件惡劣地區(qū)如海洋、山區(qū)、戈壁等需要修建高速鐵路，這就對(duì)高速鐵路橋梁的服役提出了更高的要求。一方面，現(xiàn)有技術(shù)是否適應(yīng)新的發(fā)展需求有待驗(yàn)證;另一方面，為保證橋梁在設(shè)計(jì)年限內(nèi)安全服役，需要將新材料、新技術(shù)和新工藝引入，進(jìn)而帶來新的科學(xué)和技術(shù)問題。未來需繼續(xù)深入對(duì)新材料及新技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)理論的研究。主要包括高性能混凝土和鋼材的研發(fā)與應(yīng)用，新型施工、養(yǎng)護(hù)技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用。

6)高速鐵路橋梁的環(huán)境友好性問題。高速鐵路橋梁多位于人口稠密地區(qū)，高速行車產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)振動(dòng)及噪聲，對(duì)鐵路沿線的環(huán)境產(chǎn)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(xué)方法針對(duì)高速鐵路沿線的環(huán)境改變進(jìn)行預(yù)測與控制。今后將重點(diǎn)研究高速鐵路橋梁減振降噪[14]，主要包括對(duì)高速鐵路橋梁氣動(dòng)噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲產(chǎn)生機(jī)理的研究以及進(jìn)行相應(yīng)的降噪方法和措施研究。

7)高速鐵路橋梁智能化建造。標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、智能化的發(fā)展趨勢如何體現(xiàn)在高速鐵路橋梁的發(fā)展中，尚缺乏具有前瞻性、戰(zhàn)略性的發(fā)展思路和理念引導(dǎo)，有待深入開展相關(guān)的科學(xué)問題的研究，為高速鐵路橋梁向可持續(xù)方向發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在高速鐵路橋梁建造技術(shù)方面，應(yīng)引入自動(dòng)化、智能化的設(shè)計(jì)建設(shè)理念，實(shí)現(xiàn)高速鐵路橋梁的建造、運(yùn)營全過程監(jiān)控反饋系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)了解橋梁的健康狀況，進(jìn)行針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)維修。

5 結(jié)語