漫谈中国铁路桥梁发展的历程

2012-01-09乔健

铁道标准设计 2012年3期

乔健

(铁道部工程设计鉴定中心,北京 100844)

1 概述

自20世纪中叶,新中国成立以来,中国铁路桥梁建设者从抢修、维修德、俄、美、日、法等国家在中国各铁路线上建造的标准不等的桥梁开始,逐步建立起我国自己的规范和设计标准体系,不断研究桥梁设计理论,并间隔约10年修编1次设计规范,于1956年制成第1孔预应力混凝土梁,在前苏联专家的帮助下于1957年建成了武汉长江大桥钢桁梁桥。到20世纪末,中国桥梁设计走过了强度、抗裂性、刚度、乘坐舒适性等设计阶段,并开始研究高速铁路桥梁设计、建造技术,对于中国大量铺设无砟轨道的高速铁路混凝土桥梁,各部位的长期变形控制成为成功与否的关键,桥梁设计者总结历史经验,采取了多种控制方法,至今首批建成的高速铁路已不间断的运行了3年多,为中国铁路和高速铁路桥梁的建造走出了一条自己的道路。

2 技术发展的烙印与国家经济发展的联系

我们今天的桥梁技术工作能够离开国家的经济发展水平和目标吗？速度、平稳、安全、百年寿命等等成为今天桥梁技术工作的目标和潮流,在国外实例和计算机的帮助下,我们基本实现了这些目标,超过300 km/h运行速度的列车已经在新建线路的桥梁上不间断地平稳运行了3年多,中国铁路桥梁建造技术也随着中国高速铁路享誉世界,只差检查寿命了,可叹我等的寿命尚不及那要求的结构寿命长,看不见结果了。近来,随着经济形势的发展,不再要求顶着列车构造速度跑和充分发挥运输效率,唯安全要求没有变化,铁路桥梁的建造技术又要有新一轮变化,以适应社会需求和经济发展的要求。看来铁路桥梁建设的技术脱离不了政策、经济环境的变化,我们发现最近修建的铁路水文事故少了,是我们比前辈高明了吗？是社会的经济发展和要求变化了,河堤到河堤全部修建桥梁是对铁路建造最少的要求,自然规避了许多水害发生的条件。纯技术工作的烙印是社会历史、经济发展的缩影。

3 “精确的计算理论”不是精心设计的灵丹妙药

从赵州桥起,精确的计算在精美和寿命上就未占过上风,试想如果当年就有计算机,那赵州桥可能站立不到今天。容许应力法设计使工程的不确定性和冗余度大了吗？我们看看大家几乎每天都在计算的桥梁桩基础,曾记得某线增二线,邻近的既有线和拟新建的两个桥墩基础的地基承载力相差了许多,追问地质人员,回答是都对,不解,一套地层2种承载力怎么会都对呢,规范改了,没听说对应可以塑性变形的地层的规范原理有什么变化啊,是规范里那个通常地层岩土承载力范围的表删掉了,认为地质钻探的岩芯都有了,应该具体化验和试验,提供更加确定、真实的地层性能,道理是更细了当然也是对的,可是在我们这个飞速发展的年代,钻孔、取芯、化验的时间长于阶段设计周期,地质人员提供的是他们脑子里记得的各类岩土地层的接近下限值,如果既有桥设计采用的地层承载力取得原表中的中间值,相对于修建成功的既有桥,则有约40%的安全储备地基承载能力。在使用这些地质参数时,我们铁路桥规的单桩承载力公式[2]括号外面有一个1/2,这是理论上的安全系数K,这些系数是相乘的关系啊,设计储备有多少,这些都是容许应力计算理论造成的结果吗？在安排单桩试验时,压力设备的储备一般要有3～5倍,说明工程技术人员心里是有数的。

再说说梁,我们现在设计的梁一般都是刚度、频率控制总体设计,刚度和频率描述的是结构横截面轮廓以及和质量的关系,这与计算理论没有什么关系,现在已经不再考虑多用混凝土少用钢材的概念了,自从请来的德国监理工程师不同意中国的桥墩、桩基承台等小偏心弯压构件采用素混凝土结构后,配筋则不在话下,梁体的构造钢筋直径也随之不断变化,钢筋直径10、12、14、16 mm变化等,用钢量当然也直线上升,这与哪一条计算理论有关？重要的是工程技术人员把握结构设计的能力和责任心以及对混凝土结构基本表现的判释。

铁路桥梁从上世纪六七十年代的肥梁胖柱发展到板式墩、柔性墩超低超轻的梁,再于20世纪末回到胖梁肥柱,是在同一种计算理论的情况下反复,并未受到计算理论的左右,看来设计指导思想控制设计的能力远大于计算理论所能造成的结果。

4 混凝土桥梁结构的变形控制

随着中国高速铁路大量采用无砟轨道,这就等于在桥梁、隧道和路基上设置了一把高精度的尺子,任何沉降和结构变形都可以用毫米表达出来,而无砟轨道的成败除其自身结构外,也显然取决于桥梁、隧道和路基等结构工程的稳定性。对于桥梁来讲,高速铁路桥梁设计的成败除常规的荷载控制、乘坐列车舒适性外,还在于桥梁的各种变形控制。

我们的桥梁前辈曾经说,混凝土的徐变是弹性变形的函数,这还用说吗,这不是教科书的开篇吗,实际上是说用对结构变形的控制,间接控制混凝土材料在控制方向的徐变变形,混凝土材料的收缩问题只是问题的一个方面。桥梁设计工程师多关心的是混凝土徐变造成的竖向变形,就是通过控制结构的应力分布间接地控制混凝土的竖向徐变变位,桥梁徐变的纵向水平变形量可以通过支座水平变位和盖板及可控的轨道应力顺接。纵观建国以来的简支标准梁,建国之初的大-138和援阿尔巴尼亚的006A混凝土标准梁,恒载情况下梁体上下缘应力差为6.5 MPa,该梁一般后期上拱5～10 cm,之后的2019、2059、2051标准梁[3]、秦沈客运专线简支箱形梁[4]等,恒载下的梁体上下缘应力差由5.5 MPa逐渐降到了4 MPa,混凝土收缩徐变上拱也逐渐缩小到1～2 cm,京沪高速铁路的简支箱形梁恒载下的梁体上下缘应力差是2.6 MPa,跨中混凝土收缩徐变上拱也缩小到0.8 cm,基本满足了大量铺设无砟轨道的需求。这就是小跨度混凝土梁用应力控制混凝土徐变的结果。

混凝土大跨度连续结构跨度超过100 m左右,梁体重力超过了体内索张拉的常规能力,想如法控制梁体上下缘应力是困难的,铁四院在宜万铁路的万州长江桥[5]以及铁三院在京津城际铁路混凝土连续刚构和混凝土连续梁上[6]增加了辅助拱结构,帮助梁体承担部分二期恒载和活载,这一举措,缓解了混凝土梁体上、下部的应力差,并收获了较为轻盈的视觉效果。增加辅助结构的形式也曾考虑过增加斜拉结构,但其发挥的作用有限,并且升温后位移反向,应证了日本第二阿武畏川桥桥梁和线路认识完全相反的争议。

混凝土结构或钢结构增加拱或其他结构帮助后,带来了一个日温升温降问题,目前建成的桥梁日温升造成梁体上拱最大值有达1 cm 者,虽不致影响行车,但不能再大了,铁一院在兰新第二双线跨越高速公路和大西铁路跨越黄河的混凝土连续结构上增加了钢桁结构,预计比增加拱结构的日温升降上拱减少约40%。但它和辅助拱结构一样都有边跨刚度如何适配的问题,经多方探讨,设计、施工一致反对变高度边跨梁体的探讨,笔者也不敢强力推荐。

外国学者给中国高速铁路的道岔提出了置于一联结构的意见,虽然世界上尚无先例,但引起了相关部门和轨道同行强烈的响应,作一联宽点的混凝土连续结构本身没有问题,但宽梁和较窄衔接处的梁的横向温度变位差控制成了问题,我们学着国外规范按1 mm温度变位差控制,需要研究、调整衔接梁型的选择和固定支座的设置,并且超过两线变四线的道岔区还是没有合适的处理方式,外国学者提出的这个建议在我国高速铁路和客运专线上均有成功的实践,并有向速度较低的铁路上发展的趋势,我们则认为，是否采用这种结构形式,不宜以列车运行速度划分,而以轨道形式划分可能较为合理。

当然还有桥墩的水平刚度和基础的沉降等变形控制,这些结构的变形控制构成了中国高速铁路或客运专线桥梁结构设计和建造的精髓,高速铁路无砟轨道是建造在复杂地质条件和结构变形的控制之上的,当人们热议中国的高速动车组的时候,殊不知还有规模更大的完全属于中国自主知识产权的桥梁工程和其他线下工程以及摸索出来的变形控制方法。

5 选线和桥位的关系

当高速铁路的曲线半径变成为7 000和9 000 m之后[7](成功的、舒适的),黄河、长江在选线和桥位关系中还算条河,其他河流的桥位与高速铁路选线的矛盾突出,斜交跨越河流的桥位比比皆是。铁一院曾在兰武增二线多次跨越庄浪河的设计中试着依据线路较高标准的线形,不管与河流斜交的角度如何,具体桥梁设计时问题来了,经典水文要素算法都是将桥墩的截面积向河流正交断面投影,国内的水力专家们也强硬地持有此类算法和观点,但投影到正交断面后没有过水面积了。这好像与事实不符,水流并没有受到太大约束,虽有多次斜交河流的水工试验资料的旁证,但专家无人认可,而前苏联的专家则说斜交超过45°后越斜越好,想想完全顺着河修桥,每个河床正交断面不就只有1个桥墩阻水吗,斜交设桥可能还有胜算的机会[8]。

在斜交设桥的计算分析方法没有突破前,高速铁路和快速铁路与河流斜交的情况一时摆脱不了,水力部门专家则不断要求加大跨度,以求减少正交投影面积,又有河堤前后不能碰,铁路设计院的水文设计资质需要探讨等等,使桥渡的设计真的变成玄学了,或者不能称其为桥渡设计了。原先认知的桥渡概念需要通过理论和实践方面得到突破。

6 铁路桥式结构形式的发展以需求为出发点

当年武广客运专线铁路的天兴洲长江大桥是采用488 m跨度还是采用504 m跨度意见不统一时,铁道部总工程师认同了院士、大师、专家们的意见,在造价影响不大的情况下赶超同类型桥梁跨度世界水平,这一点在建成通车的宣传时显得更为重要,武汉天兴洲长江大桥采用的是公铁两用钢桁斜拉桥,用绳索吊着的桥本身重力或者称重力刚度是重要的,也就是悬吊、斜拉的结构重力与运行列车重力所占的比例,让人们想起车重600 kg的夏利轿车,与满载乘客的重力接近,那载车弹簧应该按几个乘客设计便是个问题了,当然乘客的乘坐舒适度就无从谈起,再看奔驰汽车两吨半的体重,就大致明白它在追求什么了。天兴洲长江大桥公路双向6车道铁路四线,每延米87 t重,较丹麦的厄勒海峡桥公路双向四车道铁路两线,每延米57 t重相当或稍重,成就了运行速度250 km/h列车的舒适度,它也是在中国首批采用道砟桥面的钢桁梁桥。

宜万铁路的万州长江桥[5]是中国第一次采用钢桁拱的桥式,主跨360 m的跨度一跨跨过了长江,这种古老的桥式是以钢桁拱为主的承力结构,用于铁路桥要研究的是桥面系的横向刚度和整体性问题,其后采用该桥式的还有京沪高速铁路南京大胜关长江桥[9]和武广客运专线东平水道大桥[10],都在桥面系的构造和联系上采用了若干措施,从运营结果来看基本是成功的。

混凝土T构桥是在我国灰岩溶蚀地貌和黄土塬冲沟地区不能在陡峻的边坡上设立桥墩的困难条件下逼出来的桥梁结构,较为典型的桥是宜万铁路马水河大桥[11],性质就是半个悬臂施工的刚构桥并支立于桥墩台上,其116 m+116 m的桥跨也创造了该种桥式的世界之最。这种桥型一出现就受到养修人员的青睐,因为他们发现这种桥上没有什么东西需要反复养护,其实,该梁结构在边墩台上合龙的支座反力的由来是很有学问的。但这种桥式的梁高和配筋是接近它1倍跨度的混凝土结构桥梁,决定了它只适应特殊要求或特殊地形。

铁路混凝土连续结构在跨度方面已逼近了极限,铁二院在湘渝线上设计、建造的牛角坪大桥混凝土连续刚构桥的主跨跨度达到192 m[12],该桥通车至今运营良好。我们可能真的到了需要探讨混凝土强度极限和预应力张拉能力之间的关系了,等应力状态的放大样界限到底在哪？铁四院在宜万线的宜昌长江大桥[13],混凝土连续刚构的跨度达到了275 m,再沿用加高梁体断面、加大预应力的方法,其混凝土收缩徐变的竖向变位是可以预计的,也是不能接受的,增加辅助拱结构设计,帮助主梁承担部分二期恒载和活载,或许是使混凝土结构进一步向大跨度延伸的一个方向。

为了控制结构的竖向刚度,派生出来了各种混凝土-钢组合结构的拱桥,这里主要谈的是下承式拱桥,采取的办法主要是加大梁体的刚度,就是说叫刚性梁柔性拱,意思就是结构受力不能以拱为主,那不符合铁路桥梁的特征,这些结构在各条高速铁路线上起着重要的作用。上承式拱桥有适配地形的优越特性,但无论是混凝土结构的还是钢结构的,其拱上结构无法做到较大的刚度,以至作为拱上结构时还可以,把它们移到地面上分析则超出了规范的要求,看来还要研究其合理性和适应性,并通过我们目前做的若干上承式拱桥来总结。宜万铁路野三河非对称拱桥[14]是个特例,它的拱轴线和拱脚分别适应了两边的地形,并有协调亮丽的外观效果,虽然有外国专家的称赞,但其设计的繁琐和施工的麻烦也促使我们反思这样做值不值。

7 铁路桥梁的设计要融于系统设计中

铁路设计专业性强,条块分割,桥梁设计者很少关注桥梁设计以外的事情,可相关的事情却不断地纠结着桥梁的设计,电气化立柱位置、隔声墙、接地线、养护小车走道、道岔梁、避难线、高架车站桥、桥上房屋立柱、救援通道,信号电力槽道,声测管、斜交跨越管线等等,虽然我们不正眼看这些东西,但他们都可以找到合理的切入点,什么相关的规范、规定啊,某会议的精神啊,以至于到了对建成的桥梁结构改动承力钢筋的程度。认真了解后发现相关专业的同行们在确定标准、方案前并不完全了解通常的桥梁设计情况,什么？明挖基础里没有钢筋,那好吧,给你们画两条接地钢筋,钢筋直径、位置都很明确,殊不想,那些东西在混凝土基础外面不是导电更好吗。什么？房屋立柱下的梁体有位移,那房子柱不能有位移。什么？摩擦桩下面多半截没有钢筋,那声测管怎么呆得住。当需要采用80 m跨度的桥梁斜交跨越通信光缆,并被要求立牌注明此桥为跨越光缆所设时,才感到可能有点问题。林林总总,别说他们不知道,我们了解相关各专业的基本知识也很少。桥梁设计工作者有必要关注和融入铁路系统设计特别是高速铁路系统设计中去,共同讨论处理方案,把零件装修式的设计方式调整到系统设计中去,开拓相关专业的基础知识,跨专业的矛盾点一般都是新思想、新方案的创新点,我们好像有点理解国外为什么叫土建工程师,发挥结构设计的特长解决交叉问题,在铁路建造的高潮期,系统总结和系统设计将可能是我们下一个行动目标。

8 结语

新中国铁路桥梁建设历经60年的发展,走过了经济发达国家约150年发展的历程,在学习经济发达国家建造铁路桥梁的经验的同时,根据我国的经济情况和自然条件,不断创新桥梁设计理念,伴随着高速铁路的发展取得了举世瞩目的成就。

我们还在可靠度理论方面和城市轨道及重载铁路桥梁设计标准方面进行着探索,虽然这些理论和标准都是别的国家走过的道路,但历史的经验告诉我们,真经是学不来的,要靠自己实干和体会总结。在国外参观桥梁工地时,总感到在人性化设计方面我们的差距最大,对环境的认识,对建筑美学的认识,对养护维修设备的认识等,每当讨论到这些方面,我们的桥梁专家好像变成了文盲,孰轻孰重总纠结着桥梁工程师,节约每一个铜板就像历史的烙印融进我们的血液中,以致影响到我们观察这个美好的世界。我们已经基本解决了通常意义上的桥梁结构设计和建造技术问题,并取得了相当的成绩,但还有必要加强人性化设计的知识和理念,将铁路桥梁融汇在系统中去设计,把铁路桥梁建造成作品。

[1] 中华人民共和国铁道部.TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S].北京：中国铁道出版社,2005.

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10002.5—2005 铁路桥涵地基和基础设计规范[S].北京：中国铁道出版社,2005．

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