高速铁路桥梁设计与施工特点

高速铁路桥梁设计与施工特点
廖义健
上海铁路局
摘要：由最近发生的一些桥梁事故引发对高速铁路桥梁的思考，探讨高速铁路桥梁设计、施工的特点。

关键词：高速铁路桥梁设计施工特点
1 绪论
2007年国内接连而三地发生塌桥事故： 6月15日凌晨，位于广东省西江干流下游325国道上的九江大桥，被一艘2000吨级的运沙船鲁莽地撞断桥墩，酿成了一宗导致200米桥面垮塌、4车坠河9人失踪、交通动脉中断的惨祸。

8月13日下午，湖南湘西自治州凤凰县境内凤大公路堤溪段大桥突然垮塌，湖南省凤凰县堤溪段沱江大桥垮塌事故已确认造成超过36人死亡、22人受伤，还有部分人员失踪。

8月29日，12时45分左右，在江苏省昆山市大洋桥水域，一艘货船因避让船只，撞上大洋桥桥墩，致使大桥部分桥面发生坍塌，船上一男子腿部被砸伤，另有两人落水失踪。

面对这一幕幕的惨剧，我们不得不思考为何发生如此严重的桥梁事故！
桥梁在施工和运营中所发生的事故，包括结构损坏、人员伤亡和机具倾覆等。

事故的发生既有天灾，也有人祸。

总的来说桥梁事故有以下几种：一，桥梁施工事故；二，尚未认识的技术问题所造成的事故；三，工作失误造成的事故；四，能够不再重演的事故；五，能够减少或减轻损失的事故；六，难于完全避免的事故。

除了以上六种桥梁事故以外，还有一种就是桥梁运营事故。

因其常造成旅客意外伤亡，交通中断，使社会受到影响而特别受到注意。

特别是在铁路系统中，桥梁事故是灾难性的。

由于铁路是国民经济的大动脉，铁路运行关联性极强，牵一发而动全身，确保其日夜不间断安全、正点地运行，密切关系到国家的政治、经济、军事、救灾和人民生产生活等诸多大事，如果在一座小桥上中断行车一天，将使数以百计的客货列车停运，影响可波及数省，责任极其重大，故铁路桥梁设计、施工更偏稳重。

对于事关行车安全的路桥设施的管理、检查、养护维修、大修加固、技术检定等方面，早在半个世纪以前，我国铁路系统就施行了一整套严格的制度。

铁道部工务局、铁路局工务处、各工务段、桥梁领工区和工区，长期以来实行了桥梁档案管理、经常检查、定期检查（每年春、秋季，两次）、特别检查和计划预防性维修制度，配合桥梁检定、桥梁试验、洪水冲刷观测、桥梁大修和防洪工程，维护了桥梁的正常完好状态，从而大大地延长了桥梁的使用寿命，为国家承担着日益繁重的运输任务，创造了极大的经济效益和社会效益。

在新的世纪，铁道部提出了要实现铁路建设的跨跃式发展，进一步提高列车的运行速度和旅客乘车舒适度。

除实行大提速以外，正在紧锣密鼓地进行高速铁路的建设。

由于速度的提高，高速铁路的参数严格限制，桥梁在高速铁路中占有相当大的比例。

因而桥梁的使用性能能否满足高速行车的要求已成为高速铁路的成败关键。

2 高速铁路桥梁的设计特点
高速铁路运行速度快，技术标准要求高，站间距离长，且要与周围的环境协调，要求尽量减小噪音污染。

为了保证高速铁路列车行车安全、平稳，对高速铁路客运专线的桥梁结构提出了一些不同于以往普通铁路的特殊要求，可以归纳为以下四个方面：
（1）为满足一次性铺设跨区间无缝线路的要求，考虑到桥上线路的安全，为了使轨道受力不超过规定值，桥梁下部结构的纵向刚度要满足一定的限值；
（2）为了保证列车运行的平稳性和旅客的舒适度，桥垮结构的纵横向刚度要比以往的普通铁路桥梁有很大的提高；
（3）对桥梁的结构形式、路桥过渡段的刚度、桥梁结构的工后沉降、预应力混凝土的徐变上拱等提出了更加严格的要求；
（4）注重桥梁结构的耐久性，做到少维修，免维修。

由于速度大幅度提高，高速列车对桥梁结构的动力作用远大于普通铁路桥梁。

桥梁出现较大挠度会直接影响桥上轨道的平顺性，造成结构物承受很大的冲击力，旅客舒适度受到严重影响，轨道状态不能保持稳定，甚至影响列车的运行安全。

此外，为保证轨道的平顺性还必须限制桥梁的预应力徐变上拱和不均匀温差引起的结构的变形，这些的对高速铁路桥梁结构的刚度和整体性提出了严格的要求，在桥梁挠度、梁
端转角、扭转变形、横向变形、结构自振频率和车辆向加速度方面做出了严格的限定。

所以，高速铁路桥梁设计主要由刚度控制。

尽管高速铁路桥梁实际承受的活载小于普通铁路，但实际应用的高速铁路桥梁，在梁高、梁重上，均超过普通铁路桥梁。

高速铁路对桥梁上部结构竖向和横向刚度要求较高，并要求保证结构的整体性，因此在桥梁的设计中除采用一部分特殊设计的桥梁外，标准梁一般采用箱型梁或横向采用预应力来并联的T型梁。

另外，无缝线路钢轨在桥上的受力状态与路基上不同。

桥梁结构的温度变化，列车制动，桥梁挠曲等，使桥梁在纵向产生一定的位移，引起桥上钢轨产生附加应力。

过大的附加应力会造成桥上无缝线路的失稳，影响行车安全。

因此，墩台基础要有足够的纵向刚度，以尽量减小钢轨附加应力和梁轨间的相对位移。

各国在修建高速铁路时，除了对桥墩纵向刚度有严格的要求外，并对如何避免结构物出现较大的纵向位移进行了深入的研究，提出了很多种控制方法和构造措施。

高速铁路桥梁通常可以分为三种类型：高架桥、谷架桥和跨河桥。

随着建桥水平的提高及预应力混凝土结构的广泛应用，同时人类对环境的要求越来越高，国外近年修建的高速铁路新线，基本上全部采用钢筋混凝土及预应力混凝土结构，通常采用不同的结构形式，即使在100米以上的大跨度桥，也很少采用钢或钢-混凝土组合结构。

总的来说，高速铁路桥梁一般具有以下特点：
（1）桥梁数量多；
（2）混凝土桥梁多
（3）重视改善桥梁结构耐久性，桥梁要便于检查、维修；
（4）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应力；
（5）结构要有足够大的刚度，为列车高速行驶提供坚实，平顺的行车道；
（6）高架车站桥较多；
（7）全面采用无渣轨道是客运专线的发展趋势；
（8）桥梁的整体建筑景观效果受到重视。

3
从实际出发，高速铁路桥梁常用跨度桥梁的施工将会采用多种制梁、架设方法，如现场预制整孔箱梁，重型架桥机架设；现场预制T梁，用龙门架或一般吊机架设后联成整体；在移动支架上逐孔灌注混凝土梁；在桥位固定脚手架上制梁；桥头分段制梁，逐孔顶推等。

高速铁路桥梁上部结构各种施工方法的特点：
3.1 就地浇筑法
就地浇筑法是在桥位处搭设支架，在支架上浇筑梁体混凝土，达到强度后拆除模板，支架。

就地浇筑施工不需要预制场地，而且不需要大型起吊，运输设备，梁体的主筋可不中断，桥梁整体性好。

它的主要缺点是工期长，施工质量不易控制；对预应力混凝土梁由于混凝土的收缩，徐变引起的应力损失比较大；施工中的支架，模板耗用最大，施工费用高；搭设支架影响排洪，通航，施工期间可能受到洪水和漂流物的威胁。

3.2 预制架设法
在预制工厂或运输方便的桥址附近设置预制场进行梁的预制工作，然后采用一定的架设方法进行安装。

预制安装法施工一般是指钢筋混凝土或预应力混凝土简支梁的预制安装。

预制构件安装的方法很多，各需要不同的安装设备，可根据施工的实际情况合理选择。

如下图为TLJ900型架桥机示意图
2
预制安装施工的主要特点：
（1）由于工厂生产制作，构建质量较好，有利于确保构件的质量和尺寸精度，并尽可能地多采用机械施工；
（2）上下部结构可以平行作业，因而可以缩短现场工期；
（3）能有效利用劳动力，并由此降低了工程造价；
（4）由于施工速度快，可适用于紧急施工工程；
（5）将构件预制后，由于要存放一段时间，因此在安装时已有徐变引起的变形。

3.3 悬臂施工法
悬臂施工法是从桥墩开始，两侧对称进行现浇梁段获将预制梁节段对称进行拼装臂浇筑施工，后者为悬臂拼装施工。

悬臂施工的主要特点：
（1）桥梁在施工过程产生负弯矩，桥墩也要承受由施工而产生的弯矩，因此悬臂施工宜在运营状态的结构受力与施工阶段的受力状态比较接近桥梁中选用，如预应力混凝土T型梁刚构桥，
变界面连续梁桥等；
（2）非墩梁固接的预应力混凝土梁桥，采用悬臂施工时应采取措施，使墩，梁临时固结，因而在施工过程中有结构体系的转换；
（3）悬臂浇筑施工简便，结构整体性好，施工中可不断调整位置，悬臂拼装法施工速度快，桥梁上下部结构可平行作业，但施工精度要求比较高；
（4）悬臂施工法可不用或少用支架，施工不影响通航和桥下交通。

3.4转体施工法
转体施工是将桥梁构件先在桥位处岸边或路边及适当的位置进行预制，待混凝土达到设计强度后旋转构件就位的施工方法。

它的支座位置就是施工时的旋转支承和旋转轴，桥梁完工后，按设计要求改变支承情况。

转体施工的主要特点：
（1）可以利用地形，方便预制构件；
（2）施工期间不断航，不影响桥下交通，并可在跨越通车线路上进行桥梁施工；
（3）施工设备少，装置简单，容易制作并便于掌握；
（4）减少高空作业，施工工序简单，施工迅速；当主要结构先期合拢后，给以后的施工带来方便；
（5）大跨度桥梁采用转体施工将会取得较好的技术经济效益，转体重量轻型化，多种工艺综合利用，是大跨及特大跨桥施工有力的竞争方案。

3.5 顶推施工法
顶推施工是在沿桥纵轴方向的台后设置预制场地，分节段顶制，并用纵向预应力筋将预制节段与施工完成的梁体连成整体，让后通过水平千斤顶施力，将梁体向前推出预制场地。

之后继续在预制场地进行下一节梁的预制，循环操作直至施工完成。

顶推施工的特点：
（1）顶推法施工可以使用简单的设备建造长大桥梁，施工费用低，施工平稳无噪声，适合高桥墩上采用，也可在曲率相同的弯桥和坡桥上使用；
（2）主梁分段预制，连续作业，结构整体性好；
（3）桥梁节段固定在一个场地预制，便于施工管理改善施工条件，避免高空作业。

同时，模板，设备可多次使用，在正常情况下，节段的预制周期7d~10d。

（4）顶推施工时，梁的受力状态变化很大，施工阶段梁的受力状态与运营时期的受力状态差别较
3
大，因此在梁截面设计和布索时要同时满足施工与运营的要求，由此而造成用钢量较大；
（5）顶推法施工宜在等截面梁上使用，当梁跨径过大时，选用等截面梁会造成材料用量的不经济，也增加施工难度，因此以中跨径的桥梁为宜。

3.6 移动模架逐孔施工法
采用移动模架逐孔施工的主要特点：
（1）移动模架法不用设置地面支架，不影响通航和桥下交通，施工安全可靠；
（2）有良好的施工环境，保证施工质量，一套模架可多次周转使用，具有在预制场生产的优点；
（3）机械化，自动化程度高，节省劳力，降低劳动强度，上下部结构可以平行作业，缩短工期；
（4）移动模架设备投资大，施工准备和操作都比较复杂；
（5）移动模架猪孔施工宜在桥梁路径小于50m的多跨长桥上使用。

以上介绍了铁路桥梁施工常用的方法。

对于当前高速铁路客运专线建造的桥梁，根据结构体系，桥梁跨径，截面形式，桥梁高度，桥位环境等方面有较大差异。

对于上部为混凝土，预应力混凝土连续梁跨的结构，采用现场桥位架设方法，如膺架法，顶推法，悬臂法，悬拼法，移动模架法，逐孔架设法等。

根据高速铁路桥梁的特点，常用跨度桥梁施工主要关键技术有：
（1）大量的常用跨标准梁采用现场制造及预制架设的施工方案，施工组织及合理工期的研究；
（2）重型架桥设备及移动支架的研制；
（3）双线整孔箱梁的制造工艺；
（4）预应力混凝土徐变上拱的控制；
（5）高性能混凝土的应用及质量控制。

考虑到高速铁路的特点，中小跨径50m 以下的简支梁或连续体系桥梁应用最多。

解决跨度50 m 以下的简支梁结构架设方法，这个问题与简支梁截面形式有关。

在上述的铁路桥梁架桥方法中，现场浇筑制梁和工厂预制架设两大方法是主要施工方法。

（1）现场现浇制梁
a.桥位支架现较制梁
b.使用移动模架法架设；
c.混凝土连续梁桥悬臂浇筑
（２）工厂预制架设
在制梁厂预制分片梁或是整孔箱梁，运输至桥位，使用架桥机架设，后在桥上拼装城整孔梁。

4 结论
通过对桥梁事故的认识和对高速桥梁的设计施工特点的了解，有助于桥梁的病害检测及养护维修工作。

高速铁路桥梁的预期使用寿命的实现，是一个系统工程，需要从勘测，设计，施工，检修各个环节上下功夫，任何一个环节出了问题都将影响到高速铁路桥梁的使用性能和设计寿命。

参考文献
刘家锋刘春彦秦沈客运专线桥梁综述及高速铁路桥梁建设的思考 <<铁道标准设计>>2004年07期
4。