胡所亭 蘇永華 班新林 石龍 蔡超勛

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司科技和信息化部，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081）

為滿足高速列車對線路的高平順性、高穩(wěn)定性要求和建設(shè)質(zhì)量、工期要求，我國高速鐵路建設(shè)大量采用標準梁式橋，配套相應(yīng)運架設(shè)備，形成了高速鐵路標準梁工廠化預(yù)制、機械化安裝的建造模式。截至2019年底，我國高速鐵路營業(yè)里程已達3.5萬km，橋梁平均占線路比例約55%，主要以預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁和連續(xù)箱梁橋為主，其中標準跨度簡支梁橋占全部橋梁長度的90%以上。基于高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的科研、設(shè)計、建造和試驗經(jīng)驗的積累，對高速鐵路標準梁式橋的認識水平有了進一步提升。

1 概述

自新中國成立以來，我國預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁從前期的技術(shù)引進、消化吸收，到高速鐵路建設(shè)以來形成了自主創(chuàng)新的成套技術(shù)體系，大致經(jīng)歷了以下發(fā)展歷程［1］：

1）20世紀50年代，為適應(yīng)新中國鐵路建設(shè)需求，我國開始研制并應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁。1955年，中國鐵道科學(xué)研究院聯(lián)合相關(guān)單位共同研制了我國第一片跨度為12 m的后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁，采用強度1 000 MPa級的φ5 mm鋼絲和前蘇聯(lián)科羅夫金錨固體系；在此基礎(chǔ)上，后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁成功應(yīng)用于1956年建成的28×24 m隴海鐵路新沂河大橋上［2-3］。

2）20世紀50年代末至60年代，開始研制了跨度為31.7 m的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁，同時采用法國佛萊西涅錨具和中國鐵道科學(xué)研究院自主研發(fā)的環(huán)銷錨具，并對后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁的預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計進行了優(yōu)化。1965年成昆鐵路跨度24 m預(yù)應(yīng)力混凝土串聯(lián)梁建設(shè)時，首次采用7φ4 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線、配套JM型錨固體系。由于當時國內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨固技術(shù)總體不夠成熟，后續(xù)仍多采用φ5 mm預(yù)應(yīng)力鋼絲及配套錨固技術(shù)進行預(yù)應(yīng)力混凝土梁的設(shè)計［2-3］。

3）20世紀70年代，中國鐵道科學(xué)研究院牽頭開展了湘桂鐵路紅水河預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的研究與設(shè)計工作，該橋跨度為（48+96+48）m，為國內(nèi)首座鐵路斜拉橋，拉索采用1 470 MPa級的7φ5 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，并創(chuàng)新應(yīng)用了自主研發(fā)的槽銷組合錨具。紅水河斜拉橋的建成極大地推動了我國鐵路橋梁建設(shè)水平的進步［2-3］。

4）20世紀80年代，基于國內(nèi)鋼鐵冶煉工藝、鋼絞線生產(chǎn)工藝的進步及預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的發(fā)展，我國預(yù)應(yīng)力混凝土梁逐漸推廣采用強度1 570～1 860 MPa級的7φ5 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線及夾片式群錨體系，形成了一系列標準簡支T梁設(shè)計圖。同時，開展了鐵路部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁、超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁的應(yīng)用研究。

5）20世紀90年代，經(jīng)過40余年預(yù)應(yīng)力混凝土材料、橋梁設(shè)計及建造技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸形成了鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土標準梁橋建造技術(shù)，并以跨度24，32 m標準簡支T梁為主，大量應(yīng)用于我國普速鐵路橋梁建設(shè)。90年代末，為滿足時速250 km秦沈客運專線建設(shè)需求，基于國家“八五”科技攻關(guān)“高速鐵路線橋隧設(shè)計參數(shù)選擇”與國家“九五”科技攻關(guān)“高速鐵路線橋結(jié)構(gòu)與技術(shù)條件（標準）”等研究成果，開始研制并應(yīng)用跨度24 m雙線整孔簡支箱梁，開展了大量的試驗研究工作，并配套研制了550 t級箱梁運架設(shè)備，首次形成了我國高速鐵路橋梁建設(shè)的梁場預(yù)制、運梁車運輸、架橋機架設(shè)的標準化建造模式［4-5］。

6）2000年以來，我國高速鐵路建設(shè)大規(guī)模展開，在合寧客運專線、京津城際鐵路、京滬高速鐵路的建設(shè)中，根據(jù)應(yīng)用需求進一步將標準簡支箱梁跨度提升至32 m，并配套研制了900 t級箱梁運架設(shè)備。同時，結(jié)合標準簡支梁的應(yīng)用開展科研攻關(guān)，明確了簡支梁橋基頻、剛度、變形等技術(shù)指標，進一步完善了簡支梁設(shè)計參數(shù)體系［6-8］。

7）2010年以來，基于高速鐵路標準梁科研、設(shè)計、建造和試驗經(jīng)驗的積累，開展高速鐵路大跨度簡支梁建造關(guān)鍵技術(shù)研究，在總結(jié)既有標準梁橋應(yīng)用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研發(fā)了動力性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)受力合理的高速鐵路40 m跨度簡支箱梁，并配套研發(fā)了1 000 t級箱梁運架設(shè)備。目前，40 m跨度簡支箱梁已在鄭濟高鐵、福廈高鐵、南沿江高鐵、昌景黃高鐵項目得到工程應(yīng)用［9-10］。

2 主要技術(shù)創(chuàng)新

2.1 高速鐵路標準梁技術(shù)參數(shù)體系

基于理論分析、車-線-橋動力仿真計算、與國外規(guī)范對比研究、試驗驗證等研究方法，研究制定了鐵路列車荷載圖式、簡支梁撓跨比、梁端轉(zhuǎn)角、梁體基頻、殘余徐變變形等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)［7-8］，形成了一系列研究成果，構(gòu)建了標準梁式橋成套技術(shù)參數(shù)體系［11-16］，為我國TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》、TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》的編制提供了支撐。

高速鐵路標準梁主要技術(shù)參數(shù)及制定說明見表1，表1中梁體撓度和轉(zhuǎn)角限值均為ZK設(shè)計靜活載作用下限值。標準梁技術(shù)參數(shù)規(guī)定了橋梁結(jié)構(gòu)需滿足的各項受力、動力和變形指標，是開展橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提。

表1 高速鐵路標準梁主要技術(shù)參數(shù)

2.2 高速鐵路標準梁設(shè)計技術(shù)

高速鐵路標準梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的總體任務(wù)是在滿足剛度、變形等參數(shù)要求的前提下，開展簡支梁結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力體系及附屬設(shè)施的設(shè)計，使簡支梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載作用下的縱向、橫向及局部受力滿足規(guī)范要求，同時兼顧施工和建造的技術(shù)能力。經(jīng)過多年對高速鐵路標準梁橋設(shè)計經(jīng)驗的積累，系統(tǒng)、深入地掌握了結(jié)構(gòu)控制參數(shù)、受力特征、計算方法等［17-18］。

高速鐵路運營實踐表明，梁體軌道鋪設(shè)完成后，其徐變變形是核心控制指標，在標準簡支梁設(shè)計中應(yīng)予以重點考慮。在秦沈客運專線建設(shè)過程中，中國鐵道科學(xué)研究院對無砟軌道24 m簡支梁的徐變控制開展了一系列的理論和試驗研究，明確了無砟軌道簡支梁的徐變控制限值（考慮變異系數(shù)一般在7 mm以內(nèi)）、計算方法以及設(shè)計控制方法，通過優(yōu)化材料、結(jié)構(gòu)、存梁時間等一系列措施有效控制了簡支箱梁的徐變變形。新中國成立以來，我國標準簡支梁橋徐變變形控制水平變化見圖1。

圖1 標準簡支梁徐變變形控制水平變化

在高速鐵路跨度40 m簡支箱梁設(shè)計過程中，采用降低跨中底緣壓應(yīng)力、提高預(yù)應(yīng)力合力中心高度、縮短底板預(yù)應(yīng)力束長度、增加梁高、提高混凝土強度等級、細化二期恒載分級、推遲二期恒載上橋時間等7種方法降低梁體徐變上拱，并對效果和適用性進行了綜合對比。分析并確定了箱梁采用推遲二期恒載上橋時間和細化二期恒載分級的方法控制徐變上拱，見圖2。

圖2 徐變上拱與二期恒載上橋時間的關(guān)系

2.3 高速鐵路標準梁建造技術(shù)

20世紀我國在普速鐵路橋梁建設(shè)時，采用32 m簡支T梁，每片梁的重量大多在1 300 kN以內(nèi)，一般在固定的橋梁廠生產(chǎn)，采用汽車或鐵路運輸至橋梁建設(shè)工點并架梁安裝。自高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用箱梁以來，24 m單孔梁重量在5 000 kN，32 m單孔梁重量超過8 000 kN，采用了在鐵路沿線設(shè)置梁場制梁、運梁車運輸（圖3）、架橋機架設(shè)的施工模式（圖4）。實踐經(jīng)驗表明，這種建造模式完全適應(yīng)了我國鐵路標準梁橋的建設(shè)需求，梁場制梁有效保證了箱梁預(yù)制質(zhì)量，配套研發(fā)的箱梁運輸和架設(shè)設(shè)備能夠安全、準確地實現(xiàn)箱梁的架設(shè)安裝。

圖3 運梁車運輸箱梁

圖4 架橋機架設(shè)箱梁

目前，配套40 m箱梁研制的運架設(shè)備已經(jīng)達到1 000 t級，能夠有效適應(yīng)跨度20～40 m標準簡支箱梁的運架施工［19］。

2.4 高速鐵路40 m簡支箱梁成套技術(shù)

綜合考慮車橋動力響應(yīng)、運輸架設(shè)條件、梁體受力特點、構(gòu)造布置要求等因素，研發(fā)了高速鐵路40 m簡支箱梁。適用于列車速度350 km/h的40 m簡支箱梁梁長為40.6 m，計算跨度為39.3 m，采用單箱單室形式，軌下箱梁截面高度為3.235 m，40 m箱梁截面見圖5，配套研發(fā)了1 000 t級運架設(shè)備［20-21］（圖6），形成了40 m箱梁成套技術(shù)。

圖5 40 m簡支箱梁截面（單位：mm）

圖6 箱梁1 000 t級運架設(shè)備

總體上，跨度40 m簡支箱梁的基頻不控制梁體設(shè)計，滿足中國標準動車組運營需求，簡支箱梁的剛度和強度更加匹配，通過優(yōu)化預(yù)應(yīng)力體系和尺寸節(jié)省了橋墩數(shù)量，在下部基礎(chǔ)工程建設(shè)成本較高的路段可以節(jié)約大量的工程建設(shè)投資。

3 發(fā)展方向

3.1 高速鐵路標準梁設(shè)計優(yōu)化

近年來，隨著高速鐵路標準梁設(shè)計、建造及運營經(jīng)驗的積累，預(yù)應(yīng)力體系向更高強度的發(fā)展，既有標準箱梁結(jié)構(gòu)在截面尺寸、材料用量上還可進一步優(yōu)化。應(yīng)開展32 m及以下跨度標準簡支箱梁優(yōu)化設(shè)計工作，為提升高速鐵路標準梁橋的技術(shù)經(jīng)濟性、標準梁通用參考圖的修訂提供技術(shù)支撐［22］。

列車速度350 km/h的32 m高速鐵路標準簡支箱梁優(yōu)化后斷面見圖7，主要技術(shù)指標見表2，材料用量見表3。優(yōu)化方案的各項受力及變形指標與通用圖相當，與通用圖相比，優(yōu)化方案的混凝土用量減少10.7%、鋼絞線用量減少10.1%、普通鋼筋用量減少3.3%，具有顯著的經(jīng)濟效應(yīng)。

圖7 32 m標準簡支箱梁優(yōu)化后斷面（單位：mm）

表2 簡支箱梁主要技術(shù)指標

表3 簡支箱梁材料用量

3.2 高速鐵路標準梁智能建造

智能建造是工程建造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，是新形勢下鐵路工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢。將新一代智能制造系統(tǒng)引入到鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域，發(fā)展鐵路工程智能建造技術(shù)，是未來鐵路工程建設(shè)和運營管理轉(zhuǎn)型升級的發(fā)展方向［23-24］。

近年來，依托相關(guān)科研，以全生命周期管理理念為指導(dǎo)，以建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）協(xié)同設(shè)計為核心，構(gòu)建了高速鐵路標準梁智能建造綜合管理平臺，系統(tǒng)提升關(guān)鍵施工工序信息化水平，實現(xiàn)建設(shè)信息在設(shè)計、預(yù)制、運架等全過程傳遞，為運維階段提供支撐。高速鐵路標準梁智能建造技術(shù)框架見圖8。

圖8 基于BIM的高速鐵路箱梁智能建造技術(shù)框架

梁場綜合管理覆蓋梁場全部作業(yè)環(huán)節(jié)、工作崗位、設(shè)備設(shè)施，使用BIM模型集成智能設(shè)備生產(chǎn)信息?？梢詫崟r掌握大型提運架設(shè)備關(guān)鍵生產(chǎn)信息和安全信息。預(yù)留運維階段接口，實現(xiàn)工程信息在設(shè)計、預(yù)制、運維過程中的流通。目前，研發(fā)的鐵路標準梁梁場綜合管理平臺已成功應(yīng)用于我國首個高速鐵路40 m箱梁標準化梁場。

3.3 高速鐵路標準梁智能運維

目前高速鐵路橋梁檢測、維修、管理基本采用傳統(tǒng)的管理模式，以紙質(zhì)化或電子存貯方式，以二維圖紙作為信息主要載體，不易攜帶、傳遞和保存；橋梁設(shè)備靜態(tài)檢查主要依靠人工進行，檢測監(jiān)測效率低，且對結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)的劣化預(yù)測分析少；設(shè)備維修以周期修為主，對于結(jié)構(gòu)的主要病害，未建立系統(tǒng)的狀態(tài)評估及預(yù)測技術(shù)；不滿足“狀態(tài)修、精確修、預(yù)防修”要求，無法實現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期管理的要求。隨著BIM、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計算等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，土木行業(yè)正經(jīng)歷向智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信息革命。高速鐵路橋梁運維管理也應(yīng)順應(yīng)發(fā)展，逐步實現(xiàn)智能化［25］。

應(yīng)用BIM+GIS技術(shù)，實現(xiàn)橋梁設(shè)備信息和生產(chǎn)信息的追蹤顯示管理，建立三維可視化的橋涵運維管理系統(tǒng)，綜合橋梁設(shè)備的建設(shè)、維修等情況，實現(xiàn)多專業(yè)融合、全維度、全生命周期的橋梁設(shè)備智能管理。

通過建立基于空天地一體化的智能檢測、監(jiān)測，融合智能感知、機器視覺、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、北斗、無人機、機器人等新技術(shù)，實現(xiàn)橋梁設(shè)備的檢測、監(jiān)測智能化，建立智能化的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估體系和方法。

結(jié)合高速鐵路運輸實際情況，廣泛應(yīng)用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機器人、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航等新技術(shù)，從橋梁結(jié)構(gòu)全生命周期角度出發(fā)，結(jié)合多源數(shù)據(jù)綜合分析橋梁設(shè)備的服役狀態(tài)，建立與綜合檢測車、巡檢車及軌道設(shè)備維護信息共享的高速鐵路橋梁綜合運維管理平臺，構(gòu)建基于故障預(yù)測與健康管理（PHM）的智能運維體系。

4 結(jié)論

我國高速鐵路標準梁橋技術(shù)集成了我國鐵路橋梁多年來在關(guān)鍵參數(shù)、材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝、運營維護等方面的研究成果，成功并大量應(yīng)用于高速鐵路橋梁工程建設(shè)，總體上滿足了我國鐵路橋梁的建設(shè)和應(yīng)用需求，適應(yīng)了我國鐵路建設(shè)的國情。可得如下結(jié)論：

1）我國高速鐵路標準梁橋經(jīng)過多年的應(yīng)用實踐，形成了基于變形控制、梁軌協(xié)同作用的成套技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，以及基于“制運架”模式的成套建造技術(shù)，構(gòu)筑了我國高速鐵路標準梁橋技術(shù)體系。

2）總結(jié)高速鐵路標準梁運營經(jīng)驗，基于車橋動力相互作用分析，研制了高速鐵路跨度40 m簡支箱梁，提高了簡支箱梁的剛度和強度的協(xié)調(diào)匹配性，優(yōu)化了箱梁結(jié)構(gòu)尺寸，提高了標準梁的技術(shù)經(jīng)濟性。

3）基于高速鐵路標準梁應(yīng)用和40 m梁研發(fā)經(jīng)驗，提出開展既有32 m及以下跨度標準梁的設(shè)計優(yōu)化工作，可在保證結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下優(yōu)化材料用量，提高標準梁的技術(shù)經(jīng)濟性。

4）應(yīng)用BIM和信息化技術(shù)、融合全壽命周期管理理念，推廣標準梁智能建造與智能運維技術(shù)的應(yīng)用，可進一步提升中國高速鐵路標準梁橋的總體技術(shù)水平。