铁路桥梁技术的

摘 要：铁路是国民经济的大动脉,而桥梁是铁路线路的重要组成部分.1825年,英国建成世界上第一条铁路和铁路桥.在此后的一个世纪内,欧美各国大规模兴建铁路,促进了铁路桥梁的发展.

关 键 词：铁路；桥梁；发展

中图分类号：TD352+.3文献标识码：A

本世纪初.随着汽车工业和公路交通的发展,公路桥梁得以迅速发展,而高速公路的出现,更在世界范围内掀起了兴建公路桥的.近年来,由于公路运输燃料消耗大、成本高、对环境的污染严重等原因,日本及欧洲一些国家叉开始转向发展铁路新干线和高速铁路.另外,许多发展中国家,其中包括我国,正在大力兴建铁路新干线和高速铁路.

中国地域辽阔,南北纵贯热带、温带、寒带,东西横跨平原、山区、高海拔山区,工程技术条件十分复杂.为了节省可耕种的土地,减少对城市的分割,保持轨道的高稳定性,在中原和东部地区建设的高速铁路大量采用了高架桥的建设形式.这些高速铁路跨越了中国的四大江河流域和密布的公路、水运网,需要建设大跨度和超大跨度的桥梁.中国的西南山区,山峰纵横,沟谷深切,河流湍急,需要建造高桥墩大跨度的桥梁.

近年来.铁路桥梁的技术发展具有以下几个主要特点.

1桥跨结构向大跨、长联发展

在具有一定承载能力条件下,跨越能力仍然是反映桥梁技术水平的主要指标之一.为避免修建或少建深水桥墩,加大通航能力,世界上悬索桥、斜拉桥等桥式的跨度记录一再被打破.

2大跨度混凝土桥的变形

中国高速铁路大多采用了无砟轨道系统,需要控制的变形有结构受力的弹性变形、混凝土收缩徐变变形、桥墩基础的沉降变形、风吹日照温度变形等,这里就大跨度混凝土桥梁的混凝土收缩徐变变形的控制进行探索和讨论.

无砟轨道对结构的变形要求严格,按照设计规范的相关要求,对于跨度>50m混凝土结构,无砟轨道铺设后的徐变上拱度不应大于L/5000,且不得大于20mm.混凝土收缩徐变问题本是材料领域的事情,但其结果只能产生量变且无方向.教科书中混凝土收缩徐变是弹性变形的函数的论述提醒了中国桥梁设计者,混凝土结构的弹性变形是可以控制的且可以有明确的方向性,这就成为大跨度混凝土结构的设计指导思想.

减小弹性变形的有效手段是加大EI（刚度）值和降低恒载作用下梁体截面上下缘应力差,而适当加大梁高是提高刚度和降低应力水平的重要手段,如主跨100m混凝土连续梁支点和跨中梁高分别为7.80m、4.85m.

当混凝土桥梁跨度大到难以合理控制梁体上下缘应力差时,增加辅助结构帮助控制应力的桥式就在探索之中.中国高速铁路大跨度桥梁中有增加拱、斜拉索、钢桁架的形式,少有人知的是这些结构的采用是为了控制混凝土收缩徐变变形,以满足高速铁路桥梁上线性长期稳定的需求.

3预应力混凝土梁桥成为发展主体

工程实践证明,预应力混凝土梁桥具有一定的强度、刚度和抗裂性能,适应性强,养护维修工作量少,随着施工方法以及材料的改进和预应力技术水平的提高,桥梁造价得以降低.对铁路桥梁而言,这一发展趋势表现在以下两方面.

3.1中等跨度(20≤1≤56)的桥梁已逐步被预应力混凝土梁桥所替代

统计资料表明到1944年末我国铁路已建成预应力混凝土梁近3万孔,其中绝大部分是中小跨度的桥梁.跨度24,32m的钢桥也已基本让位于混凝土桥.对更大跨度的桥梁,预应力混凝土简支梁也逐步得到应用.

3.2连续梁(刚构)成为大跨度铁路桥的优选桥式

与其它桥式相比,连续梁具有变形小、结构刚度好、行车平顺舒适、养护简易等优点.连续刚构桥式保留了连续梁的优点,而且,由于采用墩梁固结的形式,减少了大型桥梁支座及其养护工作量,减少了桥墩及基础工程的材料用量,也有利于施工.因此,在100～200m左右的跨度范围内,预应力混凝土连续梁(刚构)桥具有强大的竞争力,成为铁路桥梁的优选桥式.

4大跨度桥梁的刚度

高速列车在铁路桥梁上运行时,列车与桥梁之间的互动影响明显,为了减小桥梁动力响应、保证列车运行舒适性,桥梁应具有足够的刚度和适宜的自振频率.中国高速铁路设计规范对于大于80m的多跨梁,梁体竖向挠跨比应不大于1/1000.

对于梁式桥或刚度较大的拱桥,设计的刚度可以满足规范的要求,但中国高速铁路需要跨越长江这样的黄金水道,通航的要求较高,防汛的要求也较高.桥梁跨度在不同的航道区段有不同的要求,但均要求在300m以上.

大于300m的桥梁目前只能采用钢梁桥,而对于高速铁路采用的大跨度钢梁桥要解决桥面系问题和高速列车运行的舒适性问题.

大跨度桥梁因其挠度变形曲线较和缓,挠跨比不宜成为主要关注的控制指标,影响行车安全和舒适的主要位于刚度突变区域,如梁端、主塔、桥墩等,需要对局部范围的轨面变形进行限制.

5建桥材料向高强、新功能、轻质方向发展

工程材料的进步对铁路桥梁的发展起到重要的推动作用.在材料强度方面,世界各国都很注重提高建桥材料的强度.在材料的新功能方面,抗腐蚀性能好、结构表面不需油漆的耐侯钢逐步得到应用.美国在70年代修建的阿肯色河桥和其它几座桥梁上就采用了耐侯钢,1991年我国采用武钢生产的NH-35g耐侯钢,在京广线巡司河上建成第一座耐侯钢桥.在国外,高性能钢材的种类及其应用逐步增加.例如,按TMCP(热力控制加工)生产的高质量、高强度的厚钢板(该钢材在40～100mm厚度内不需要降低标准设计强度)、能大幅度减轻焊接时的预热作业的抗裂钢、抗层裂钢、变厚度(LP)钢、用于结合梁桥的波纹钢板、树脂复合型减振钢板、用于磁浮式铁路的无磁性钢等.从70年代起,可在水中不离析、自行流平和密实的絮凝混凝土得到世界各国的开发和应用,我国也开展了相关的研制和试用,在黄石公路大桥5号墩堵漏时首次使用了这种混凝土.另外,目前还只用于航天工业的碳纤维强化复合材料(CFRP)也得到桥梁工程界的重视和研究.该材料的特点是:刚度大、重量轻、热膨胀系数低、耐疲劳、抗腐蚀等.

概括地讲,桥梁建设的基本目标是适用、安全、经济、美观.围绕这一基本目标,桥梁技术的发展应表现在:桥梁具有较大的跨越能力和承载能力,车辆能安全运行于桥上并使旅客有舒适感,讲求经济效益,力图降低造价,考虑结构与环境的协调.

今后我国铁路桥梁的一般发展方向是:①发展大跨度和特大跨度的铁路桥梁,进一步研究与之相关的振动、稳定、结构刚度和变形等问题,②研究和解决准高速和高速铁路桥梁的设计、施工及加固问题,③开发预应力棍凝土桥跨结构的新的截面型式,完善中等跨度的桥梁的标准设计,④广泛采用以可靠性理论为基础的方法指导桥梁设计和评估,⑤更多地将高强度钢、耐候钢、新型混凝土和高强低松弛线材应用于桥梁工程,⑥建立桥梁管理系统,提高既有桥梁的养护、评估和加固水平.

结束语

可以预见,在今后一段时间内,世界铁路桥梁技术会得到迅速发展.随着社会的发展,城市中和周边的桥梁的景观效果也受到重视,这些需求成为高速铁路桥梁建设中需要深入研究和探索的重要课题.因此,探索新材料、发展新结构,重视和提高结构的使用功能和艺术功能等,必将成为21世纪桥梁的发展方向.