高速铁路标准梁式桥技术创新与发展

胡所亭 苏永华 班新林 石龙 蔡超勋

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司科技和信息化部，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

为满足高速列车对线路的高平顺性、高稳定性要求和建设质量、工期要求，我国高速铁路建设大量采用标准梁式桥，配套相应运架设备，形成了高速铁路标准梁工厂化预制、机械化安装的建造模式。截至2019年底，我国高速铁路营业里程已达3.5万km，桥梁平均占线路比例约55%，主要以预应力混凝土简支箱梁和连续箱梁桥为主，其中标准跨度简支梁桥占全部桥梁长度的90%以上。基于高速铁路桥梁结构的科研、设计、建造和试验经验的积累，对高速铁路标准梁式桥的认识水平有了进一步提升。

1 概述

自新中国成立以来，我国预应力混凝土桥梁从前期的技术引进、消化吸收，到高速铁路建设以来形成了自主创新的成套技术体系，大致经历了以下发展历程［1］：

1）20世纪50年代，为适应新中国铁路建设需求，我国开始研制并应用预应力混凝土结构桥梁。1955年，中国铁道科学研究院联合相关单位共同研制了我国第一片跨度为12 m的后张法预应力混凝土简支梁，采用强度1 000 MPa级的φ5 mm钢丝和前苏联科罗夫金锚固体系；在此基础上，后张法预应力混凝土简支梁成功应用于1956年建成的28×24 m陇海铁路新沂河大桥上［2-3］。

2）20世纪50年代末至60年代，开始研制了跨度为31.7 m的先张法预应力混凝土梁，同时采用法国佛莱西涅锚具和中国铁道科学研究院自主研发的环销锚具，并对后张法预应力混凝土梁的预应力锚固设计进行了优化。1965年成昆铁路跨度24 m预应力混凝土串联梁建设时，首次采用7φ4 mm预应力钢绞线、配套JM型锚固体系。由于当时国内预应力钢绞线及锚固技术总体不够成熟，后续仍多采用φ5 mm预应力钢丝及配套锚固技术进行预应力混凝土梁的设计［2-3］。

3）20世纪70年代，中国铁道科学研究院牵头开展了湘桂铁路红水河预应力混凝土斜拉桥的研究与设计工作，该桥跨度为（48+96+48）m，为国内首座铁路斜拉桥，拉索采用1 470 MPa级的7φ5 mm预应力钢绞线，并创新应用了自主研发的槽销组合锚具。红水河斜拉桥的建成极大地推动了我国铁路桥梁建设水平的进步［2-3］。

4）20世纪80年代，基于国内钢铁冶炼工艺、钢绞线生产工艺的进步及预应力锚固技术的发展，我国预应力混凝土梁逐渐推广采用强度1 570～1 860 MPa级的7φ5 mm预应力钢绞线及夹片式群锚体系，形成了一系列标准简支T梁设计图。同时，开展了铁路部分预应力混凝土梁、超低高度预应力混凝土梁的应用研究。

5）20世纪90年代，经过40余年预应力混凝土材料、桥梁设计及建造技术的不断发展，逐渐形成了铁路预应力混凝土标准梁桥建造技术，并以跨度24，32 m标准简支T梁为主，大量应用于我国普速铁路桥梁建设。90年代末，为满足时速250 km秦沈客运专线建设需求，基于国家“八五”科技攻关“高速铁路线桥隧设计参数选择”与国家“九五”科技攻关“高速铁路线桥结构与技术条件（标准）”等研究成果，开始研制并应用跨度24 m双线整孔简支箱梁，开展了大量的试验研究工作，并配套研制了550 t级箱梁运架设备，首次形成了我国高速铁路桥梁建设的梁场预制、运梁车运输、架桥机架设的标准化建造模式［4-5］。

6）2000年以来，我国高速铁路建设大规模展开，在合宁客运专线、京津城际铁路、京沪高速铁路的建设中，根据应用需求进一步将标准简支箱梁跨度提升至32 m，并配套研制了900 t级箱梁运架设备。同时，结合标准简支梁的应用开展科研攻关，明确了简支梁桥基频、刚度、变形等技术指标，进一步完善了简支梁设计参数体系［6-8］。

7）2010年以来，基于高速铁路标准梁科研、设计、建造和试验经验的积累，开展高速铁路大跨度简支梁建造关键技术研究，在总结既有标准梁桥应用经验的基础上，研发了动力性能优异、结构受力合理的高速铁路40 m跨度简支箱梁，并配套研发了1 000 t级箱梁运架设备。目前，40 m跨度简支箱梁已在郑济高铁、福厦高铁、南沿江高铁、昌景黄高铁项目得到工程应用［9-10］。

2 主要技术创新

2.1 高速铁路标准梁技术参数体系

基于理论分析、车-线-桥动力仿真计算、与国外规范对比研究、试验验证等研究方法，研究制定了铁路列车荷载图式、简支梁挠跨比、梁端转角、梁体基频、残余徐变变形等关键技术参数［7-8］，形成了一系列研究成果，构建了标准梁式桥成套技术参数体系［11-16］，为我国TB 10621—2014《高速铁路设计规范》、TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》的编制提供了支撑。

高速铁路标准梁主要技术参数及制定说明见表1，表1中梁体挠度和转角限值均为ZK设计静活载作用下限值。标准梁技术参数规定了桥梁结构需满足的各项受力、动力和变形指标，是开展桥梁结构设计的前提。

表1 高速铁路标准梁主要技术参数

2.2 高速铁路标准梁设计技术

高速铁路标准梁结构设计的总体任务是在满足刚度、变形等参数要求的前提下，开展简支梁结构尺寸、预应力体系及附属设施的设计，使简支梁结构在设计荷载作用下的纵向、横向及局部受力满足规范要求，同时兼顾施工和建造的技术能力。经过多年对高速铁路标准梁桥设计经验的积累，系统、深入地掌握了结构控制参数、受力特征、计算方法等［17-18］。

高速铁路运营实践表明，梁体轨道铺设完成后，其徐变变形是核心控制指标，在标准简支梁设计中应予以重点考虑。在秦沈客运专线建设过程中，中国铁道科学研究院对无砟轨道24 m简支梁的徐变控制开展了一系列的理论和试验研究，明确了无砟轨道简支梁的徐变控制限值（考虑变异系数一般在7 mm以内）、计算方法以及设计控制方法，通过优化材料、结构、存梁时间等一系列措施有效控制了简支箱梁的徐变变形。新中国成立以来，我国标准简支梁桥徐变变形控制水平变化见图1。

图1 标准简支梁徐变变形控制水平变化

在高速铁路跨度40 m简支箱梁设计过程中，采用降低跨中底缘压应力、提高预应力合力中心高度、缩短底板预应力束长度、增加梁高、提高混凝土强度等级、细化二期恒载分级、推迟二期恒载上桥时间等7种方法降低梁体徐变上拱，并对效果和适用性进行了综合对比。分析并确定了箱梁采用推迟二期恒载上桥时间和细化二期恒载分级的方法控制徐变上拱，见图2。

图2 徐变上拱与二期恒载上桥时间的关系

2.3 高速铁路标准梁建造技术

20世纪我国在普速铁路桥梁建设时，采用32 m简支T梁，每片梁的重量大多在1 300 kN以内，一般在固定的桥梁厂生产，采用汽车或铁路运输至桥梁建设工点并架梁安装。自高速铁路建设中应用箱梁以来，24 m单孔梁重量在5 000 kN，32 m单孔梁重量超过8 000 kN，采用了在铁路沿线设置梁场制梁、运梁车运输（图3）、架桥机架设的施工模式（图4）。实践经验表明，这种建造模式完全适应了我国铁路标准梁桥的建设需求，梁场制梁有效保证了箱梁预制质量，配套研发的箱梁运输和架设设备能够安全、准确地实现箱梁的架设安装。

图3 运梁车运输箱梁

图4 架桥机架设箱梁

目前，配套40 m箱梁研制的运架设备已经达到1 000 t级，能够有效适应跨度20～40 m标准简支箱梁的运架施工［19］。

2.4 高速铁路40 m简支箱梁成套技术

综合考虑车桥动力响应、运输架设条件、梁体受力特点、构造布置要求等因素，研发了高速铁路40 m简支箱梁。适用于列车速度350 km/h的40 m简支箱梁梁长为40.6 m，计算跨度为39.3 m，采用单箱单室形式，轨下箱梁截面高度为3.235 m，40 m箱梁截面见图5，配套研发了1 000 t级运架设备［20-21］（图6），形成了40 m箱梁成套技术。

图5 40 m简支箱梁截面（单位：mm）

图6 箱梁1 000 t级运架设备

总体上，跨度40 m简支箱梁的基频不控制梁体设计，满足中国标准动车组运营需求，简支箱梁的刚度和强度更加匹配，通过优化预应力体系和尺寸节省了桥墩数量，在下部基础工程建设成本较高的路段可以节约大量的工程建设投资。

3 发展方向

3.1 高速铁路标准梁设计优化

近年来，随着高速铁路标准梁设计、建造及运营经验的积累，预应力体系向更高强度的发展，既有标准箱梁结构在截面尺寸、材料用量上还可进一步优化。应开展32 m及以下跨度标准简支箱梁优化设计工作，为提升高速铁路标准梁桥的技术经济性、标准梁通用参考图的修订提供技术支撑［22］。

列车速度350 km/h的32 m高速铁路标准简支箱梁优化后断面见图7，主要技术指标见表2，材料用量见表3。优化方案的各项受力及变形指标与通用图相当，与通用图相比，优化方案的混凝土用量减少10.7%、钢绞线用量减少10.1%、普通钢筋用量减少3.3%，具有显著的经济效应。

图7 32 m标准简支箱梁优化后断面（单位：mm）

表2 简支箱梁主要技术指标

表3 简支箱梁材料用量

3.2 高速铁路标准梁智能建造

智能建造是工程建造领域的重要发展方向，是新形势下铁路工程建设发展的必然趋势。将新一代智能制造系统引入到铁路工程建设领域，发展铁路工程智能建造技术，是未来铁路工程建设和运营管理转型升级的发展方向［23-24］。

近年来，依托相关科研，以全生命周期管理理念为指导，以建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）协同设计为核心，构建了高速铁路标准梁智能建造综合管理平台，系统提升关键施工工序信息化水平，实现建设信息在设计、预制、运架等全过程传递，为运维阶段提供支撑。高速铁路标准梁智能建造技术框架见图8。

图8 基于BIM的高速铁路箱梁智能建造技术框架

梁场综合管理覆盖梁场全部作业环节、工作岗位、设备设施，使用BIM模型集成智能设备生产信息。可以实时掌握大型提运架设备关键生产信息和安全信息。预留运维阶段接口，实现工程信息在设计、预制、运维过程中的流通。目前，研发的铁路标准梁梁场综合管理平台已成功应用于我国首个高速铁路40 m箱梁标准化梁场。

3.3 高速铁路标准梁智能运维

目前高速铁路桥梁检测、维修、管理基本采用传统的管理模式，以纸质化或电子存贮方式，以二维图纸作为信息主要载体，不易携带、传递和保存；桥梁设备静态检查主要依靠人工进行，检测监测效率低，且对结构使用状态的劣化预测分析少；设备维修以周期修为主，对于结构的主要病害，未建立系统的状态评估及预测技术；不满足“状态修、精确修、预防修”要求，无法实现桥梁结构全寿命周期管理的要求。随着BIM、地理信息系统（Geographic Information System，GIS）、物联网、大数据及云计算等技术的广泛应用，土木行业正经历向智慧产业发展的信息革命。高速铁路桥梁运维管理也应顺应发展，逐步实现智能化［25］。

应用BIM+GIS技术，实现桥梁设备信息和生产信息的追踪显示管理，建立三维可视化的桥涵运维管理系统，综合桥梁设备的建设、维修等情况，实现多专业融合、全维度、全生命周期的桥梁设备智能管理。

通过建立基于空天地一体化的智能检测、监测，融合智能感知、机器视觉、大数据、深度学习，应用物联网、北斗、无人机、机器人等新技术，实现桥梁设备的检测、监测智能化，建立智能化的桥梁结构状态评估体系和方法。

结合高速铁路运输实际情况，广泛应用云计算、物联网、大数据、人工智能、机器人、北斗卫星导航等新技术，从桥梁结构全生命周期角度出发，结合多源数据综合分析桥梁设备的服役状态，建立与综合检测车、巡检车及轨道设备维护信息共享的高速铁路桥梁综合运维管理平台，构建基于故障预测与健康管理（PHM）的智能运维体系。

4 结论

我国高速铁路标准梁桥技术集成了我国铁路桥梁多年来在关键参数、材料技术、结构设计、施工工艺、运营维护等方面的研究成果，成功并大量应用于高速铁路桥梁工程建设，总体上满足了我国铁路桥梁的建设和应用需求，适应了我国铁路建设的国情。可得如下结论：

1）我国高速铁路标准梁桥经过多年的应用实践，形成了基于变形控制、梁轨协同作用的成套技术参数和结构设计方法，以及基于“制运架”模式的成套建造技术，构筑了我国高速铁路标准梁桥技术体系。

2）总结高速铁路标准梁运营经验，基于车桥动力相互作用分析，研制了高速铁路跨度40 m简支箱梁，提高了简支箱梁的刚度和强度的协调匹配性，优化了箱梁结构尺寸，提高了标准梁的技术经济性。

3）基于高速铁路标准梁应用和40 m梁研发经验，提出开展既有32 m及以下跨度标准梁的设计优化工作，可在保证结构力学性能的前提下优化材料用量，提高标准梁的技术经济性。

4）应用BIM和信息化技术、融合全寿命周期管理理念，推广标准梁智能建造与智能运维技术的应用，可进一步提升中国高速铁路标准梁桥的总体技术水平。