中、日高鐵常用跨度橋梁結構比較研究

楊得旺 ，陳 棟 ，柳 鳴

（1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063；2.深圳市高級中學，廣東深圳 518000）

日本是世界上最早發展高鐵的國家，中國是高鐵運營里程最長的國家，中、日高鐵在常用跨度橋梁建設面，均形成了各自的設計、施工成套技術體系。各國高鐵常用跨度橋梁結構呈現多樣化，如簡支箱梁、混凝土剛架、多片T梁、鋼-混結合梁等。

1 中、日高鐵發展概述

中國高鐵指新建設計速度250—350km/h、運行動車組的標準軌距客運專線高鐵。近年來，中國高鐵迅猛發展，預計到2020年底，全國鐵路營業總里程將達到14.6萬公里，其中高鐵（含城際鐵路）大約3.9萬公里，繼續領跑世界。與國外相比，我國高鐵具有規模大、橋梁比重高、長大橋梁多的突出特點。

圖1 中國高鐵

根據1964年日本運輸省制定的《新干線鐵路結構規則》和1970年日本政府制定的《全國新干線鐵路整備法》，“新干線”定義為：軌距為1435mm，線路正線與和道路沒有平面交叉，在線路主要區間列車運行速度200km/h以上的干線鐵路。1964年10月1日，日本第一條高鐵——東海道新干線建成通車，也是世界上第一條真正意義上的高鐵，最高運營速度210km/h，全長515.4km。繼東海道新干線之后，日本相繼建成通車山陽新干線、東北新干線、上越新干線、北陸新干線、九州新干線，累計通車里程超3000km，長期規劃的高鐵有12條，總長約為3510km。

圖2 日本新干線

日本正在建設中的中央新干線設計營運時速500km，是一條連接東京、名古屋（約2027年）和大阪（約2045年）的采用磁懸浮技術的高鐵。

2 中國高鐵常用跨度橋梁結構

中國高鐵橋梁占比較高，普遍占線路總長度的50%以上，常用跨度簡支梁橋占橋梁比例基本在80%以上，最高達到96%，其具有受力明確、構造簡單、施工便捷、耐久性好、造型美觀等優點，并且以跨度24m、32m混凝土簡支箱梁的應用最為廣泛[1]。

2.1 混凝土簡支箱梁

整孔簡支箱梁具有受力簡單明確、抗扭剛度大、整體性好、運營養護工作量小以及噪音小等優點。根據工期要求和技術特點，結合我國制運架工裝設備水平，通過深入的技術研究，確定以32m簡支箱梁作為標準跨度，整孔預制架設施工。簡支箱梁采用梁場集中預制，品質容易得到控制，配合運架設備，可提高橋梁的施工效率，縮短施工工期，架橋速度可達一天3孔。

根據預應力混凝土雙線簡支箱梁用量巨大的情況，原鐵道部自1990年起，針對高鐵橋梁特點、設計原則、設計暫規制定以及京滬高鐵、秦沈高鐵等新建高鐵橋梁，設立了系列相關科研項目，主要包括通過混凝土箱梁模型試驗、秦沈客專實體箱梁靜載及綜合試驗、時速350km/h箱梁試驗研究、時速250km/h箱梁試驗研究、預應力混凝土箱梁設計優化研究、混凝土橋面合理布置研究等系統研究、常用跨度橋梁動力仿真分析等，對常用跨度混凝土簡支箱梁的設計、施工、受力性能、長期變形等方面進行全面分析及試驗驗證。

常用跨度橋梁以32m雙線預應力混凝土簡支箱梁為主型結構，采用24m雙線預應力混凝土簡支箱梁進行少量配跨。如圖3所示，施工主要采用沿線設置預制梁廠進行集中預制，運梁車、架橋機運輸架設，少量采用膺架法、移動模架橋位現澆施工。我國新建高鐵橋梁中90%以上為32m預應力混凝土簡支箱梁結構，已實現機械化、工業化施工建造。

圖3 中國高鐵簡支箱梁

近年來，我國高鐵開展了40m預制簡支箱梁技術研究，結果表明：技術可行，在地形、地質復雜的高墩、深基礎區段，具有經濟優勢[2-3]。目前，40m預制簡支箱梁已在鄭濟高鐵、南沿江城際鐵路中得到成功應用。

2.2 混凝土簡支T梁

如圖4所示，T梁由于結構和制造工藝相對簡單、運輸及架設方便，與箱梁相比經濟性略占優，但整體性差、施工速度慢，常用在設計速度200km/h及以下的鐵路橋梁中。T梁為保證結構的整體性，單片架設后通過現澆濕接縫將橋面、橫隔板連成整體，并布置橫向預應力保證整體受力性能。與混凝土簡支箱梁相比，T梁豎向剛度差異不大，橫向剛度、抗扭剛度則明顯小于箱梁。

圖4 中國高鐵簡支T梁

3 日本新干線常用跨度橋梁結構

日本自第一條高鐵東海道新干線建成后，逐步推廣采用無砟軌道橋梁[4]。如表1所示，橋梁總延長所占線路長度比重較大，高架橋約占橋梁總長的70%以上，為標準的小跨度鋼筋混凝土連續剛架結構，跨度系列為8m、10m、12m，橋位現澆施工。日本相關研究認為，剛架橋適用多地震地區，且可節省土地。跨度40m及以下的橋梁以四片預應力混凝土T梁組成的整孔簡支梁為主。采用T梁預制、輪胎吊架設、現場灌筑混凝土聯成整體[5]。表2給出了各條新干線上混凝土橋與其他橋所占比例，可看出東海道新干線上除了采用較多的組合梁橋和鋼橋外，后來修建的新干線大量采用了混凝土橋，只在極少數特殊工點中使用組合梁、鋼橋。主要原因是東海道新干線建成運營后，發現橋梁存在許多問題，尤以鋼梁更突出，通過調查發現主要原因是設計處理不當及橋梁振動、疲勞等原因所致；另外鋼梁橋振動、噪聲問題突出。

表1 新干線上的橋梁及高架橋所占比重

表2 各條新干線上混凝土橋與其他橋所占比例

3.1 混凝土剛架橋

混凝土剛架橋是一種空間超靜定結構，整體性好，具有較好的剛度和抗震性能。在日本高鐵高架橋中占有十分重要的地位。據東北、上越、山陽和東海道等四條新干線的統計，混凝土剛架橋分別占高架橋總長度的65.9%、77.1%、95.3%和85.8%。如圖5所示，剛架橋多采用2柱式梁板式剛構。

圖5 日本新干線剛架橋

3.2 混凝土T梁

混凝土T梁的跨度在15～45m范圍內，雙線鐵路主梁數量3～8片不等（見圖6）。跨度40m及以下的橋梁以4片預應力混凝土T梁組成的整孔簡支梁為主。采用T梁預制、輪胎吊架設、現場灌筑混凝土聯成整體。日本相關研究認為：跨度大于38m的梁型采用箱形梁才較為經濟，故分片T梁的經濟跨度為40m以下。

圖6 日本新干線混凝土簡支T梁

此外還有工字型預應力混凝土梁，例如1973年建成的第2續羅木川橋（山陽新干線），跨度49.0m簡支I字梁，為新干線上工字型預應力混凝土梁的最大跨度。

4 結語

高架線路具有節約土地資源、建設成本低、維修養護方便、適應多種地形地質條件等優點，在中、日高鐵中均得到廣泛應用。小跨度混凝土剛架橋抗震性能優異，適用于日本地震多發區，且可節省土地。整孔預制架設的混凝土簡支箱梁、T梁施工速度快、標準化程度高，一定程度上加快了我國高鐵建設速度。預應力混凝土橋梁在高鐵橋梁中占有絕對優勢，日本線新干線中多孔一聯的剛架結構對我國高烈度地震區高鐵建設具有重要參考意義。