【鐵路科技前沿】中國高速鐵路40m預製簡支箱梁建造技術取得突破性進展

我國高速鐵路運營里程已超過2萬公里，佔世界高鐵運營里程60%以上。為保證列車運行的安全與舒適、節約土地和保護線路周邊環境，在跨越河谷及平原高架區段，高速鐵路主要以橋樑跨越的形式通過。

目前我國高速鐵路橋樑長度佔線路總長的50%以上，主要為標準跨度預應力混凝土簡支梁橋。隨著我國高速鐵路建設規模的擴大，面臨的地形、地質、環境等條件逐漸複雜，對既有簡支梁橋的跨越能力提出了更高需求。經過大量科技攻關，我國已經突破高速鐵路40m預製簡支箱梁建造技術，日前在北京順利開展了試驗梁綜合性能試驗，成功驗證了這一創新性技術研究成果。

早在上世紀90年代，為了適應高速鐵路發展需要，原鐵道部組織開展了高速鐵路橋樑技術科研系統攻關，奠定了中國高速鐵路橋樑技術發展基礎。

在國家「八五」科技攻關項目「高速鐵路線橋隧設計參數選擇」中，對高速鐵路橋樑動力性能進行了研究，提出了高速鐵路橋樑設計關鍵參數。

在國家「九五」科技攻關項目「高速鐵路線橋結構與技術條件（標準）」中，對合理的結構型式以及橋面寬度、橋面布置的設置原則進行了研究，認為我國高速鐵路橋樑採用等跨布置預應力混凝土簡支梁是經濟合理的，同時，考慮到在剛度、整體性能等方面的優點，確定箱型截面是高速鐵路強梁的理想截面型式。

目前，我國高速鐵路橋樑主要為250?km/h、350?km/h兩種速度等級，軌道型式包括有砟軌道、無砟軌道兩種，常用標準跨度簡支梁主要為24?m、32?m，施工模式主要為預製架設。

高速鐵路標準梁橋

隨著我國高速鐵路建設的持續推進，西部山區和東部沿海地區的高速鐵路建設逐年增多，而跨越河流、溝谷的高墩橋樑以及軟基沉陷地區的深基礎橋樑佔比較大，墩台基礎造價較高。當橋樑跨度大於32m時，多採用現澆橋樑（包括簡支梁、連續梁、連續剛構等），其經濟性下降，且質量控制難度較大。如果能夠實現基於預製架設施工模式的更大跨度預應力混凝土簡支箱梁規模化應用，將能夠進一步擴大混凝土簡支梁的適用範圍。

為適應更高運營速度、更大跨越能力以及高墩條件下標準梁橋建造需求，根據高速鐵路建設、綜合試驗和運維實踐經驗，我國提出了發展基於「制運架」技術的高速鐵路更大跨度標準梁。考慮到高速列車運營性能、運架能力、經濟性等因素，綜合論證將梁體跨度確定為40m。為系統掌握高速鐵路40m簡支梁建造成套技術，中國鐵路總公司2016年科技研究開發計劃立項重大課題「鐵路工程建造技術研究—高速鐵路大跨度簡支梁建造關鍵技術研究」，鐵科院主持，課題組成員包括經規院、鐵三院、中鐵諮詢、中鐵房橋、鐵五院、中鐵機械院等規劃、設計、施工、設備製造單位。

發展高速鐵路40m簡支梁的意義

高速鐵路40m預製簡支梁建造成套技術在世界上尚無先例，其技術突破對於鐵路自身發展和「走出去」戰略實施意義重大。綜合來看，發展高速鐵路40m簡支梁建造技術的重大意義主要體現為四個方面：

有助於完善具有獨立知識產權的高鐵橋樑建造技術體系，對於我國高速鐵路長期發展和實現「走出去」戰略具有積極推動作用。

高速鐵路應用40m簡支梁，將使梁體和橋墩數量減少1/5，提高橋樑布置的靈活性和建設工效，並節省用地。

隨著高鐵建設規模擴大，地形、地質、環境等條件日趨複雜，高墩、深基礎橋樑逐漸增多，且40m簡支梁的每延米重量比32m梁低6%，發展40m簡支梁具有一定優勢。

社會發展對高鐵速度的要求逐漸提高，40m簡支梁不但滿足250、350km/h運營速度要求，在400km/h等更高速度條件下也有較好的適應性。高速鐵路40m簡支梁技術方案

設計理念

研究過程中，確定採用「容許動力係數」概念來評判大跨度簡支梁的設計控制標準，制定關鍵參數研究流程。針對不同剛度的大跨度簡支梁，運營動力係數必須滿足：設計列車荷載圖式靜效應×設計動力係數>運營列車荷載靜效應×運營動力係數。

40m簡支梁接近車長的1.5倍，有效避開了1階共振點，車橋動力響應較小，最大動力係數遠小於容許動力係數。高速鐵路40m簡支梁設計思路可以從跨度24m、32m簡支梁的剛度控制設計轉變為強度和剛度共同控制設計，是該型梁的關鍵技術特徵。

設計參數

高速條件下車橋相互作用特徵明顯，由於車長與跨度的相互影響，40?m簡支梁車輛動力作用較24?m、32?m簡支梁明顯減小。

40m簡支梁不同基頻下最大動力係數

不同基頻下40m簡支梁動力係數分布圖

研究分析表明：（1）在梁端轉角、基頻滿足要求情況下，撓跨比遠小於規範值L/1600，梁體撓跨比不控制梁體設計；（2）40?m簡支梁基頻和梁端轉角對應關係差別較小，可實現簡支梁的經濟設計；（3）對於較為控制結構設計的梁端轉角，無砟軌道橋樑，梁端懸出長度≤0.55?m時，梁端轉角θ≤1.5‰；0.55?m＜梁端懸出長度≤0.75?m時，梁端轉角θ在1.5‰～1.0‰線性內插。有砟軌道橋樑，梁端轉角θ≤2.0‰。

結構設計

在設計之初，即應用了BIM設計理念，綜合考慮橋面布置、減震降噪等要求，研究應用新型聲屏障、近軌矮屏障、整體輕型複合橋面、柔性橋面防水等新技術，不斷提升高鐵橋樑的技術水平。同時，提出了貫通設計-製造-運維階段的橋樑全壽命周期管理體系，提高橋樑整體技術水平。

箱梁結構設計BIM三維可視化檢查複核

預製技術

40m簡支梁預製過程中，對預應力張拉、管道壓漿、預應力成品束、靜載試驗智能載入、生產管理信息化系統等關鍵工序應用了自動化、信息化技術，提高了施工工藝控制水平。

運架技術

根據40m簡支梁結構設計，提運架設備的能力要達到950t。為此，提出了輪胎式提梁機、輪軌式跨線提梁機、運梁車、架橋機的設備設計方案，並滿足隧道內運梁和隧道口架梁要求。其中，通過隧道情況下的低高度運梁車和適應隧道口架梁的架橋機是研究重點與難點。同時，還提出了既有900t提運架設備的技術改造方案，主要包括起重能力和架設跨度的提升改造。

高速鐵路40m簡支梁試驗進展

為系統研究高速鐵路40m簡支梁的受力性能，項目組專門製作了1孔足尺試驗梁，開展了預製技術、預製工藝、靜力和動力性能試驗等研究工作。完成了40m足尺試驗梁的靜載彎曲性能試驗、抗裂性能試驗、梁端受力性能試驗、梁體破壞強度試驗、動力性能試驗，試驗表明梁體豎向剛度、抗裂性能、有效預應力等關鍵性能指標均滿足要求。

2016年12月7日，中國鐵路總公司科技管理部組織在北京房山開展了高速鐵路40m簡支梁2.0倍荷載結構強度破壞性能試驗，這是高速鐵路標準梁由設計走向工程應用的重要技術環節，是全面檢驗結構受力性能和設計狀態的重要手段。試驗取得了圓滿成功，科學驗證了40m箱梁的結構設計和預製技術水平，標誌著我國高速鐵路大跨度簡支梁建造技術取得突破性進展。

高速鐵路首孔40m箱梁試驗現場

高速鐵路基於「制運架」技術的40m簡支箱梁具有設計理念突出、技術創新性強、結構性能優異、速度適應性好等特點，具備了良好的應用發展條件。我們期待，高速鐵路40m簡支梁這項創新性成套技術研究取得新成果，並早日實現工程化應用！

本文根據《中國鐵路》2016年第10期專題文章、中國鐵路總公司2016年科技研究開發計劃重大課題研究成果及相關報道綜合改編，部分圖片來自鐵科院鐵建所