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缶水而歌—中国铁路桥梁发展的新时期

 刘明虎的图书馆 2022-02-28
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武汉天兴洲长江大桥

编者按

2022年1月12日,川南城际铁路宜宾临港长江大桥南岸主桥边跨钢梁顶推工作完成,预计今年上半年实现主桥合龙。

2022年1月4日,随着主塔钢桩开始插打,位于安徽省的G3铜陵长江公铁大桥正式开建。

2021年12月30日,安九铁路鳊鱼洲长江大桥开通运营……

近年来,铁路长江大桥建设持续蓬勃发展。据统计,截至2019年,铁路长江大桥已达19座。从九江长江大桥主跨216m起,到芜湖长江大桥主跨312m,天兴洲长江大桥主跨504m,铜陵长江大桥主跨630m,沪苏通长江大桥及五峰山长江大桥主跨1092m,经过40多年的努力,长江上铁路桥梁的跨度已经实现了千米级突破。

本文节选自《中国铁路桥梁(1980-2020)》。该书由中国铁道学会桥隧委员会与中铁四院牵头组织,经规院、中国铁设、铁一院、铁二院、中铁设计、大桥院、铁五院以及中铁上海院等单位的百余名铁路桥梁专家,共同参与编著出版,以供关心中国铁路桥梁技术发展的同仁参考和借鉴。

跨长江铁路桥梁的挑战

从称为长江的金沙江与岷江汇合口起点至入海口,长约2900公里。在这段流域内,跨越长江桥梁建设受包括水文、地质自然条件,以及水上航运交通、两岸沿岸建设规划外部要求等众多因素影响控制。就自然因素对桥梁建设影响而言,该流域可分为三段。上游宜宾至宜昌江段,长约1040km,属山区河流航道及库区航道,流经峡谷、丘陵和阶地间,平面形态复杂,水位涨落幅度大,库区水位变幅较大,航行条件相对较差,现桥梁需以多孔覆盖通航范围或一孔跨越通航水域;中游宜昌至湖口江段,长约955km,属平原河流,两岸地势平坦,河道蜿蜒曲折,比降变小、水流平缓,局部河床演变剧烈,航行条件、通航环境相对较优,现区域内桥梁通航孔须满足多线通航基本需求,而对于河势不稳、航槽摆动较大的敏感江段,桥梁须以一跨过江或一孔跨越通航水域;下游湖口至长江口河段,长约938km,流经平原地区,两岸地势平坦,河道宽浅相间,为多分汊河型,水流平缓,江面开阔;安徽段、江苏段现实行船舶定线制规定,桥梁须适应船舶定线制规定的航路设置及12.5m深水航道布置要求,采用一孔跨越通航水域或多跨单孔双向方案。长江上游区域内陆质结构以褶皱和断褶为主,新构造运动主要为褶皱隆起,在构造复合、岩体破碎、边坡陡峭的顺向河段,特别是有松散堆积物的斜坡地带,滑坡、崩塌和泥石流等较为多发;中、下游区域属扬子准地台的下扬子台褶带,系位于淮阳地盾和江南古陆之间的条状构造单元,自燕山期以来便有大面积的掀斜或断陷沉降,地质结构以断陷或拗陷较普遍,区域内除极少河段基岩直接裸露外,各处覆盖层厚度不一,25~100余米不等,总体上向下游逐渐增厚。

长江航运极为繁忙,河道狭窄,航道运输及施工安全风险大;跨长江铁路桥梁主桥桥墩通常处于水深流急,水流流速及水位变化频繁位置,长江汛期对桥梁基础施工影响大。长江一般每年有两个汛期,4月进入汛期,7月份进入主汛期,具体涨水时间和水位无规律。由于汛期水位变化大且无规律,对基础施工极为不利。

铁路跨长江的桥梁早期以桁架结构构成的钢梁为主。目前因外部条件要求的限制,特别是水上航道、水利的要求,桥梁跨度大幅提高,桥型中更多采用了以钢桁作为加劲梁的斜拉桥,以钢箱作为加劲梁的斜拉桥和钢桁主梁的悬索桥也开始在工程中应用。随桥梁跨度增大、承载的铁路线数增多、行车对桥梁结构性能要求提高,使桥梁结构的规模加大、受力增加,带来了许多新的挑战,大量新技术、新材料、新结构、新装备的应用,为难题的解决提供了有力的支撑,保证了桥梁建设的顺利实施与成功建成。众多的工程实践已使多项建造的关键工艺及方法得到了完善和固化,如:主要采用上部钢梁结构施工,其中部分工程借助临时结构辅助的悬臂拼装架设方法;桥塔采用液压自动爬模技术施工,横梁采用支架法分次浇筑;桩基础采用平台辅助钻孔、灌注混凝土施工,围堰辅助承台浇筑混凝土施工;沉井基础施工的钢沉井节段制造、下水、运输,利用抛设锚碇定位,整体接高、精确定位、井壁注水着床,吸泥下沉入土至稳定深度,钢沉井井壁填充水下混凝土、吸泥下沉,钢筋混凝土沉井接高、吸泥下沉,沉井清基、封底施工。

大跨铁路桥梁的黄金时期

20世纪80年代,国家刚进入改革开放,经济实力贫弱,铁路长江桥梁建设是按国家的计划进行,整个80年代仅有一座1973开工的九江公铁长江大桥正在建设中,大桥80年代后半期才开始进入正桥梁部结构的施工设计阶段,开始进行钢结构构件的工厂制造加工和工地安装。

到了20世纪90年代,九江长江大桥继续建设,并于1993年1月16日,公路桥通车;1995年6月1日,铁路桥正式开通运营。它的建成使长江上桥梁的跨越能力超越了100m范围,开启了栓焊结构在大型桥梁中的应用,并在多方面取得了技术突破,成为长江桥梁建设的新里程碑。随着国家铁路网建设的需求,1997年动工兴建芜湖枢纽芜湖公铁两用长江大桥。10年间长江大桥完成建设1座,新开工1座。

进入21世纪首个10年,首先是在建项目芜湖长江大桥于2000年建成通车,它开启了斜拉桥技术应用于铁路桥梁的先河,将铁路桥梁的跨越能力提升到了300m以上,并成为长江桥梁建设的又一个里程碑。随着铁路路网建设的加快,多条铁路新线路开工建设,多座铁路长江大桥也开始建造,先后有:隆叙铁路泸州长江大桥,3孔144m主跨的五跨连续刚构桥2000年开建,2004年建成;渝怀铁路的长寿长江大桥2001年开建,2005年建成;宜万铁路的万州和宜昌两座长江大桥,万州桥2002年开建,宜昌桥2004年开建。2004年随着高速铁路干线的建设,位于京广高铁线上的武汉天兴洲公铁长江大桥于2004年、位于京沪高铁线上的南京大胜关长江大桥于2006年开始建造。2009年天兴洲长江大桥建成并通车,它是国内首座完全按照斜拉桥技术建造的铁路斜拉桥,形成了完整的成套技术用于指导后续铁路斜拉桥的建设,并使铁路桥梁的跨越能力实现了从300m级向500m级的飞跃,成为长江桥梁建设的再一个里程碑。其他的工程还有:渝利铁路的韩家沱长江大桥2008年开建;宁安城际安庆长江大桥2008年开建。10年间长江大桥完成建设1座,新开工并建成3座,新开工建设3座。这10年中的铁路长江大桥建设,完善提升了铁路斜拉桥建造技术,同时钢桁拱桥、刚构组合桥建造技术也得到了成功应用。

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渝利铁路韩家沱长江大桥塔梁同步施工

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宜万铁路宜昌长江大桥

21世纪第二个10年,前10年开工的多座长江大桥建成通车,先后为2010年宜万铁路的万州和宜昌两座长江大桥、2011年南京大胜关长江大桥、2013年韩家沱长江大桥、2015年安庆长江大桥。跟随国家高铁路网的建设,更多的铁路长江大桥也相继兴建,武汉城际铁路黄冈公铁两用长江大桥于2010年开建,2014年建成通车;合福高铁铜陵公铁两用长江大桥于2010年开建,2015年建成通车;渝黔铁路新白沙沱大桥2013年开建,2018年建成通车;沪苏通公铁两用长江大桥于2014年开建,2020年建成通车;商合杭高铁芜湖长江公铁两用长江大桥于2015年开建,2020年建成通车;浩吉铁路公安长江大桥于2015年开建,2019年建成通车;合安九铁路九江鳊鱼洲长江大桥于2017年开工建设;重庆东环铁路线明月峡长江大桥2018年开工建设;渝昆高铁川南城际铁路共通道的宜宾临港长江大桥于2019年开工建设。10年间长江大桥完成建设5座,新开工并建成4座,新开工建设5座。这10年中的铁路长江大桥建设中的南京大胜关长江大桥具有铁路桥梁建设的里程碑意义,沪苏通长江大桥和五峰山长江大桥实现了公铁两用桥梁跨越能力突破千米级,更显其里程碑风采。

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铜陵公铁两用长江大桥

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改革开放后,大江两岸经济的高速发展,我国掀起了前所未有的基础设施建设高潮,国内公路、铁路路网建设的不断扩大,客观上的必然趋势要求修建更多的长江大桥以满足大江两岸人流物流的沟通和交往,因此九江长江大桥的建设得以加速,并于1995年1月铁路桥通车,促进了芜湖长江大桥的动工兴建。进入本世纪后,国内开始了高速铁路的建设。随着2009年高速铁路长江第一桥——武汉天兴洲公铁两用长江大桥的建成通车,我国铁路大跨桥梁建设进入了一个飞速发展的黄金时期,相继建成了十多座铁路、公铁两用长江大桥。目前,已建和在建的长江大桥涵盖了所有主要的桥梁类型。一座座跨越天堑的气势雄伟、造型优美的桥梁正构筑起神州大地全新的铁路网络,成为沟通大江南北、连贯祖国各地的咽喉和纽带。这些大桥结构新颖、技术复杂、设计和施工难度大、现代化品位和科技含量极高,展现了我国建桥能力的极为丰富的内涵,迅速使我国的桥梁建设水平跻身于国际先进的行列。桥梁事业的蓬勃发展,从侧面验证了改革开放给我国带来的巨变,正如 “华夏巨变桥为证”。40年的建设历程,为长江铁路大桥技术发展的代表方面有:

(1)深水基础。沉井基础在我国铁路桥梁墩台中的应用最早可追溯到19世纪末期。1898年开工修建的滨州线哈尔滨松花江桥,采用了木制或石制沉井,20世纪20年代起开始使用混凝土、钢筋混凝土修建沉井基础,1959年开工修建的南京长江大桥采用了矩形混凝土沉井、浮式钢沉井和浮式钢筋混凝土沉井。在20世纪60年代沉井基础施工铁路桥梁开始采用触变泥浆套,70年代从九江长江大桥建设中开始采用空气幕等减阻技术措施,以减少沉井下沉时的阻力,从而可以减薄井壁厚度,实现节省圬工、加快下沉进度、减小偏移等方面的效果。沉井基础在我国铁路桥梁工程建设中多有使用。深水桩基础在我国长江上的铁路桥梁使用了管柱桩和灌注桩。桩基础需结合承台施工确定合理的施工方法,较常用的有:双壁钢围堰法、平台法、吊箱围堰平台法等。双臂钢围堰钻孔基础首次在九江长江大桥应用,其后大多数的深水铁路桥梁基础工程均采用此方法施工。随着技术的不断完善,桩基础形式已发展成为我国桥梁深水基础的主要形式之一。

(2)钢梁材料及构造。1980年起,九江长江大桥完成了国内铁路桥梁用15MnVNq(Q420q)钢的研发,并应用于大桥结构中,其构件最大板厚56mm;依托芜湖长江大桥建设,开发并应用了综合性能优异的14MnNbq(Q370q)钢,解决了原中强桥梁钢的板厚效应问题,构件最大板厚50mm;南京大胜关长江大桥的建设中,开发出了高强度高性能的Q420q结构钢,应用于构件中的最大板厚68mm;2014年动工建设的沪苏通长江大桥,针对其因跨度大、荷载重带来的结构巨大受力,研发具有高韧性与良好焊接性能的Q500q高强度新型钢材,构件最大板厚80mm。随着现代冶金装备与冶金工艺技术的进步,高强度钢采用低碳含量和微合金化的成分设计,轧制采用现代TMCP工艺技术,保证了铁路桥梁用钢具备高强度、高韧性和良好焊接性能的优异品质,除Q370q外,Q420q及Q500q也成为铁路桥梁的可选用钢种。1980年国内桥梁钢结构已由早期的铆接构造,发展为构件工厂焊接、现场高强度螺栓连接的拆装式节点构造。1991年9月开工建设的京九线孙口黄河大桥,在国内首次采用了焊接整体节点构造,在芜湖长江大桥中再次应用,随后焊接整体节点构造在铁路钢桁梁中几乎替代了拆装式节点构造,得到广泛使用。京福铁路客运专线铜陵长江大桥钢桁梁在国内首次采用了全焊桁片工厂制造、现场整片吊装的桁架构造;沪苏通铁路长江大桥钢桁梁采用了全焊桁段工厂制造、现场整体吊装的桁架构造。基于桁架构造的箱桁组合结构应用于铜陵长江大桥和沪苏通铁路长江大桥,在商合杭铁路芜湖长江公铁大桥中采用了基于钢箱构造的箱桁组合结构。宜宾临港长江大桥采用了钢箱梁结构,是在铁路长江大桥中首次应用。

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沪苏通铁路沪苏通长江大桥拱肋竖转

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商合杭铁路芜湖长江公铁大桥桥塔施工

(3)钢梁架设设备。桥梁结构构造的创新,现场钢桁梁吊装已由单一杆件单元,到桁片、到桁(梁)段,以及整孔钢梁,现场吊装设备的起吊能力也由十多吨,提升到数百吨,再到超千吨;由人工操作的桅杆发展到智能控制的各类型大型吊机,为桥梁结构的大型化工厂制造,整体化现场吊装的实现提供了有力的保障。

经验教训与技术改进

(1)经验及教训:①随着桥梁跨度的增大,特别是斜拉桥、悬索桥类大跨索承重桥型,较小的荷载变化,也会引起较大的竖向变位。对铁路有砟桥面的桥梁结构,设计分析道砟的容重是按规范规定的21kN/m3取值,而新铺道砟的实际容重与之存在较大差异,使得恒载完成后的桥跨立面线形与设计阶段的设计线形间差异较大,差异值几乎都超出了桥梁既有的验收标准,从天兴洲开始随后建设的铁路长江大桥都存在。②断面上三主桁梁跨结构的采用,对非斜拉桥的桁梁采用悬臂拼装架设时,都出现了中间主桁变位大于两边主桁,且随悬臂长度增加变位差值加大。③整体钢桥面、全焊桁段技术在工程中的应用,使结构的整体性更好,但自然排水的能力降低,存在较多积水的小空间。④养护、防护用的栏杆、检查车走道等结构布置考虑的因素要全面。

(2)技术改进:对于桥梁的立面线形,设计阶段充分考虑结构恒载变化,提供对应的成桥线形变化的范围,并考虑活载、温度、风等多种荷载综合作用引起的平、立面线形变化包络范围,在设计阶段开展车桥耦合分析的基础上,还应根据实际载荷计算出理论线形供验收使用,同时提供给线路专业对桥面结构的设计进行对应调整。结合桥梁结构随荷载作用动态变化的特点,相关专业需联合研究,制定出符合实际情况的桥梁上轨道线形验收标准,提供桥梁上轨道线形容许的变化范围。

以科研创新支撑高质量发展

目前,一系列适用于大跨高墩、深基桥梁的设计规范、设计软件,施工和监理的控制性规定、规范,软件,工程管理和运作的新的理念和体系等,已得到不断完善和发展。

在大量大跨、高墩、深基桥梁的建设进展中,为克服遇到的众多技术难题,科学研究、工程试验、技术监控、新建筑材料的研发均随之蓬勃发展。诸如索系统的各类风致振动(颤振、抖振、涡振)问题,各式大跨结构的非线性分析问题,特高墩塔的抗震性能,大跨结构施工过程中的稳定问题,满足各类特殊需要的高品质钢材、高品质混凝土,以及保证它们的耐久性问题,特大型桥梁的施工控制问题,各类特殊条件下(深水、恶劣地质条件、通航影响)大型基础的施工等,都取得了巨大的成果。一座大桥的兴建引发十多项甚至几十项科研课题的启动,我国桥梁科学研究试验工作也迎来了十分可喜和成果累累的形势。

未来的铁路桥梁将在安全经济的前提下,更加关注运行舒适性、环保和景观,在深水基础、结构形式、材料应用和施工工艺等诸多方面的技术取得更大的发展。

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本文刊载 / 《桥隧产业》杂志

2022年 1月刊 总第47期

资料来源 / 《中国铁路桥梁(1980-2020)》

编辑 / 王硕

美编 / 赵雯

责编 / 周洋

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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