高速铁路桥梁设计关键技术综述

高速铁路桥梁设计关键技术综述

张涛

铁科院（北京）工程咨询有限公司陕西西安710100

摘要：近年来，随着我国高速铁路的飞速发展，高速铁路的技术体系也在不断的完善，主要包括：工程建造技术、高速列车技术、列车控制技术、系统集成技术和运营维护技术。其中，由于我国自身地理环境的复杂性和多变性，对高速铁路的工程建造中桥梁建设的发展提出了越来越严格的要求。所以，本文对高速铁路桥梁设计关键技术进行探讨。

关键词：高速铁路；桥梁建设；设计特点；关键技术

一、铁路桥梁的分类

1、拱式桥

拱式桥由拱上建筑、拱圈和墩台组成。在竖直荷载作用下，作为承重结构的拱肋主要承受压力，拱桥的支座既要承受竖向力，又要承受水平力，因此拱式桥对基础与地基的要求比梁式桥要高。拱式桥按桥面位置可分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥。

2、悬索桥

悬索桥，是桥面支承在悬索（也称大缆）上的桥，又称吊桥。它是以悬索跨过塔顶的鞍形支座锚固在两岸的锚锭中，作为主要承重结构。在缆索上悬挂吊杆，桥面悬挂在吊杆上。由于这种桥可充分利用悬索钢缆的高抗拉强度，具有用料省、自重轻的特点，是现在各种体系桥梁中能达到最大跨度的一种桥型。

3、斜拉桥

斜拉桥是将梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的桥。它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。斜拉桥是—种自锚式体系，斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩台上外，还支承在由塔柱引出的斜拉索上。按梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。

4、刚构桥

刚构桥是指桥跨结构与桥墩式桥台连为一体的桥。刚构桥根据外形可分为门形刚构桥，斜腿刚构桥和箱形桥。箱形桥的梁跨、腿部和底板联成整体，刚性好，适用于地基不良的情况和既有线下采用顶推法施工。

二、我国高速铁路桥梁建设的设计特点

1、高架桥所占比例大

高架长桥多桥梁在高速铁路中所占的比例较大，主要原因是在平原、软土以及人口和建筑密集地区，通常采用高架桥通过。京津城际铁路桥梁累计长度占全线正线总长的比例为86.6％，京沪高速铁路为80.5％，广珠城际铁路为94.0％，武广客运专线为48.5％，哈大客运专线为74.3％。

2、大量采用简支箱梁结构形式

根据我国高速铁路建设规模、工期要求和技术特点，通过深入的技术比较，确定以32m简支箱梁作为标准跨度，整孔预制架设施工。预应力体系有先张法和后张法两种。少部分采用12m，16m跨度的T形梁，预制吊装。

3、大跨度桥多

受国情路况的制约，我国客运专线中，跨度达100m及以上的大跨度桥梁很多。据统计，在建与拟建客运专线中，100m以上跨度的高速桥梁至少在200座以上。其中，预应力混凝土连续梁桥的最大跨度为128m，预应力混凝土刚构桥的最大跨度为180m，钢桥的最大跨度为504m。

4、桥梁刚度大，整体性好

为了保证列车高速、舒适、安全行驶，高速铁路桥梁必须具有足够大的竖向和横向刚度以及良好的整体性，以防止桥梁出现较大挠度和振幅。同时，还必须严格控制由混凝土产生的徐变上拱和不均匀温差引起的结构变形，以保证轨道的高平顺性。

5、限制纵向力作用下结构产生的位移

避免桥上无缝线路出现过大的附加力。由于桥梁结构的温度变化、列车制动、桥梁挠曲会使桥梁在纵向产生一定的位移，引起桥上无缝线路钢轨产生附加应力，过大的附加应力会导致桥上无缝线路失稳，影响行车安全。因此，要求桥梁墩、台具有足够的纵向刚度，以尽量减少钢轨附加应力和梁轨间的相对位移。

三、高速铁路桥梁建设的关键技术

1、大跨度桥梁设计建造技术

高速铁路桥梁通常宜采用小跨。但由于跨越大江、大河和深谷的需要，高速铁路大跨度桥梁的修建也不可避免，而我国高速铁路大跨度桥上速度目标值与其他路段保持一致，这也增加了大跨度桥梁的设计建造难度。主要设计建造技术包括：采用更高强度等级钢材、应用新型空间结构、研制大跨重载桥梁专用装置、采用深水基础施工新工艺等。

2、无缝线路桥梁设计建造技术

桥上无缝线路钢轨受力与路基上钢轨受力不同，桥梁自身变形和位移将使桥上钢轨承受额外的附加应力。为了保证桥上行车安全，设计应考虑梁轨共同作用引起的钢轨附加力，并采取措施将其限制在安全范围内。钢轨附加应力包括制动力、伸缩力和挠曲力。经过多年的专题研究，目前我国系统建立了无缝线路梁一轨作用的力学模型，通过相应的模型试验和实桥测试验证了分析模型和理论的可靠性，制定了相应的技术控制指标。

3、“车—线—桥”动力响应仿真技术

为保证列车高速、舒适、安全行驶，高速铁路桥梁必具有足够大的刚度和良好的整体性，以防止桥梁出现较大挠度和振幅。我国从20世纪80年代初就开始进行“车一线一桥”动力相互作用理论和应用研究，建立和发展了多种分析模型，制定了相应的评定标准。在铁道部组织的桥梁动力性能综合试验中，试验车创造了300km/h以上的速度纪录，验证了我国“车一线一桥”动力仿真分析方法的有效性和评定标准的可信性。通过多年科研攻关和工程实践，基本掌握了高速铁路“车一线一桥”动力响应作用机理。

4、无砟轨道桥梁设计建造技术

在无砟轨道桥梁设计中追求构造简洁、美观.力求标准化、便于施工架设和养护维修，确保其足够的耐久性和良好的动力性能，关键在于解决梁体的刚度和变形控制技术。通过对梁体的竖向挠度、水平挠度、扭转角、竖向自振频率等主要技术参数的研究，以及对预应力混凝土梁徐变上拱的控制研究，使桥梁结构能够满足无砟轨道铺设条件。目前我国已基本掌握了高速铁路无砟轨道桥梁的设计建造技术。

5、车站桥梁设计建造技术

集铁路、地铁、地面交通为一体的大型综合交通客站从桥梁角度来说有两种类型，为房内设桥和桥上设房。北京南站、上海虹桥站采用房内设桥方式要综合考虑各种因素，重点解决温度应力缝设置、结构综合受力分析以及合理控制工程量等问题；新武汉站、新广州站采用桥上设房方式，桥梁承载了巨大的站房荷载，且多以集中荷载的方式作用于桥上，桥梁结构设计极其复杂，其关键是要上下结合巧妙布置，使站房的力尽快传于桥墩上，并合理控制桥梁桥墩变形对站房结构的影响。

6、高架长桥快速施工技术

正在建设的高速铁路桥梁长度占线路长度的比例远远大于普通铁路，并出现了一些长度大于10km、甚至达到上百千米的特长高架桥。标准跨度简支梁一般采用在沿线现场预制梁厂集中预制，并以配套运架设备逐孔架设的施工方法，特殊跨度的连续梁采用原位浇筑的施工方法。通过工程实践，形成了一系列成熟的标准梁制、运、架工艺及相应装备，高质量、高速度地实现了特长桥梁的建造。

7、桥梁基础沉降控制技术

在地层为软土、松软土地段，沉降是桥梁基础设计的主控因素，对工程投资影响巨大。通过对大量实测数据进行沉降曲线与沉降趋势的分析比较，提出桥梁群桩基础沉降计算采用“剪切变形传递法”及“分层总合法”；桥梁明挖基础及涵洞基底不处理基础沉降计算采用“规范法”（分层总和法）；基底为换填或旋喷桩处理的涵洞基础沉降计算则采用“复合模量法”（EC法）与“分层总和法”相结合的方法。目前，我国基本掌握了高速铁路桥梁基础沉降控制技术。

结束语

通过我国高速铁路的发展、设计、研究，不断完善了我国高速铁路桥梁设计技术，大部分关键技术已经得到良好的运用。本文所述仅触及桥梁建设的初步问题。随着高速铁路的大规模建设，我们必须进行技术创新才能满足高速铁路建设的需求。

参考文献：

[1]尚顺邦，陈丰兰.中国高速铁路桥梁建设的发展[J].价值工程.2013（19）

[2]陈强.浅谈我国高速铁路桥梁建设的设计特点[J].黑龙江科技信息.2011（10）