胡所亭 蘇永華 班新林 石龍 蔡超勛

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司科技和信息化部，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

為滿足高速列車對(duì)線路的高平順性、高穩(wěn)定性要求和建設(shè)質(zhì)量、工期要求，我國(guó)高速鐵路建設(shè)大量采用標(biāo)準(zhǔn)梁式橋，配套相應(yīng)運(yùn)架設(shè)備，形成了高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁工廠化預(yù)制、機(jī)械化安裝的建造模式。截至2019年底，我國(guó)高速鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)3.5萬km，橋梁平均占線路比例約55%，主要以預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁和連續(xù)箱梁橋?yàn)橹鳎渲袠?biāo)準(zhǔn)跨度簡(jiǎn)支梁橋占全部橋梁長(zhǎng)度的90%以上。基于高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)的科研、設(shè)計(jì)、建造和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁式橋的認(rèn)識(shí)水平有了進(jìn)一步提升。

1 概述

自新中國(guó)成立以來，我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁從前期的技術(shù)引進(jìn)、消化吸收，到高速鐵路建設(shè)以來形成了自主創(chuàng)新的成套技術(shù)體系，大致經(jīng)歷了以下發(fā)展歷程［1］：

1）20世紀(jì)50年代，為適應(yīng)新中國(guó)鐵路建設(shè)需求，我國(guó)開始研制并應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁。1955年，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院聯(lián)合相關(guān)單位共同研制了我國(guó)第一片跨度為12 m的后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，采用強(qiáng)度1 000 MPa級(jí)的φ5 mm鋼絲和前蘇聯(lián)科羅夫金錨固體系；在此基礎(chǔ)上，后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁成功應(yīng)用于1956年建成的28×24 m隴海鐵路新沂河大橋上［2-3］。

2）20世紀(jì)50年代末至60年代，開始研制了跨度為31.7 m的先張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁，同時(shí)采用法國(guó)佛萊西涅錨具和中國(guó)鐵道科學(xué)研究院自主研發(fā)的環(huán)銷錨具，并對(duì)后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁的預(yù)應(yīng)力錨固設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。1965年成昆鐵路跨度24 m預(yù)應(yīng)力混凝土串聯(lián)梁建設(shè)時(shí)，首次采用7φ4 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線、配套JM型錨固體系。由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼絞線及錨固技術(shù)總體不夠成熟，后續(xù)仍多采用φ5 mm預(yù)應(yīng)力鋼絲及配套錨固技術(shù)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力混凝土梁的設(shè)計(jì)［2-3］。

3）20世紀(jì)70年代，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院牽頭開展了湘桂鐵路紅水河預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋的研究與設(shè)計(jì)工作，該橋跨度為（48+96+48）m，為國(guó)內(nèi)首座鐵路斜拉橋，拉索采用1 470 MPa級(jí)的7φ5 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，并創(chuàng)新應(yīng)用了自主研發(fā)的槽銷組合錨具。紅水河斜拉橋的建成極大地推動(dòng)了我國(guó)鐵路橋梁建設(shè)水平的進(jìn)步［2-3］。

4）20世紀(jì)80年代，基于國(guó)內(nèi)鋼鐵冶煉工藝、鋼絞線生產(chǎn)工藝的進(jìn)步及預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)預(yù)應(yīng)力混凝土梁逐漸推廣采用強(qiáng)度1 570～1 860 MPa級(jí)的7φ5 mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線及夾片式群錨體系，形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支T梁設(shè)計(jì)圖。同時(shí)，開展了鐵路部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁、超低高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁的應(yīng)用研究。

5）20世紀(jì)90年代，經(jīng)過40余年預(yù)應(yīng)力混凝土材料、橋梁設(shè)計(jì)及建造技術(shù)的不斷發(fā)展，逐漸形成了鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土標(biāo)準(zhǔn)梁橋建造技術(shù)，并以跨度24，32 m標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支T梁為主，大量應(yīng)用于我國(guó)普速鐵路橋梁建設(shè)。90年代末，為滿足時(shí)速250 km秦沈客運(yùn)專線建設(shè)需求，基于國(guó)家“八五”科技攻關(guān)“高速鐵路線橋隧設(shè)計(jì)參數(shù)選擇”與國(guó)家“九五”科技攻關(guān)“高速鐵路線橋結(jié)構(gòu)與技術(shù)條件（標(biāo)準(zhǔn)）”等研究成果，開始研制并應(yīng)用跨度24 m雙線整孔簡(jiǎn)支箱梁，開展了大量的試驗(yàn)研究工作，并配套研制了550 t級(jí)箱梁運(yùn)架設(shè)備，首次形成了我國(guó)高速鐵路橋梁建設(shè)的梁場(chǎng)預(yù)制、運(yùn)梁車運(yùn)輸、架橋機(jī)架設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化建造模式［4-5］。

6）2000年以來，我國(guó)高速鐵路建設(shè)大規(guī)模展開，在合寧客運(yùn)專線、京津城際鐵路、京滬高速鐵路的建設(shè)中，根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)一步將標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁跨度提升至32 m，并配套研制了900 t級(jí)箱梁運(yùn)架設(shè)備。同時(shí)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁的應(yīng)用開展科研攻關(guān)，明確了簡(jiǎn)支梁橋基頻、剛度、變形等技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)一步完善了簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)參數(shù)體系［6-8］。

7）2010年以來，基于高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁科研、設(shè)計(jì)、建造和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累，開展高速鐵路大跨度簡(jiǎn)支梁建造關(guān)鍵技術(shù)研究，在總結(jié)既有標(biāo)準(zhǔn)梁橋應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研發(fā)了動(dòng)力性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)受力合理的高速鐵路40 m跨度簡(jiǎn)支箱梁，并配套研發(fā)了1 000 t級(jí)箱梁運(yùn)架設(shè)備。目前，40 m跨度簡(jiǎn)支箱梁已在鄭濟(jì)高鐵、福廈高鐵、南沿江高鐵、昌景黃高鐵項(xiàng)目得到工程應(yīng)用［9-10］。

2 主要技術(shù)創(chuàng)新

2.1 高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁技術(shù)參數(shù)體系

基于理論分析、車-線-橋動(dòng)力仿真計(jì)算、與國(guó)外規(guī)范對(duì)比研究、試驗(yàn)驗(yàn)證等研究方法，研究制定了鐵路列車荷載圖式、簡(jiǎn)支梁撓跨比、梁端轉(zhuǎn)角、梁體基頻、殘余徐變變形等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)［7-8］，形成了一系列研究成果，構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)梁式橋成套技術(shù)參數(shù)體系［11-16］，為我國(guó)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》、TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》的編制提供了支撐。

高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁主要技術(shù)參數(shù)及制定說明見表1，表1中梁體撓度和轉(zhuǎn)角限值均為ZK設(shè)計(jì)靜活載作用下限值。標(biāo)準(zhǔn)梁技術(shù)參數(shù)規(guī)定了橋梁結(jié)構(gòu)需滿足的各項(xiàng)受力、動(dòng)力和變形指標(biāo)，是開展橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提。

表1 高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁主要技術(shù)參數(shù)

2.2 高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁設(shè)計(jì)技術(shù)

高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總體任務(wù)是在滿足剛度、變形等參數(shù)要求的前提下，開展簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力體系及附屬設(shè)施的設(shè)計(jì)，使簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)荷載作用下的縱向、橫向及局部受力滿足規(guī)范要求，同時(shí)兼顧施工和建造的技術(shù)能力。經(jīng)過多年對(duì)高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁橋設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累，系統(tǒng)、深入地掌握了結(jié)構(gòu)控制參數(shù)、受力特征、計(jì)算方法等［17-18］。

高速鐵路運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，梁體軌道鋪設(shè)完成后，其徐變變形是核心控制指標(biāo)，在標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重點(diǎn)考慮。在秦沈客運(yùn)專線建設(shè)過程中，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院對(duì)無砟軌道24 m簡(jiǎn)支梁的徐變控制開展了一系列的理論和試驗(yàn)研究，明確了無砟軌道簡(jiǎn)支梁的徐變控制限值（考慮變異系數(shù)一般在7 mm以內(nèi)）、計(jì)算方法以及設(shè)計(jì)控制方法，通過優(yōu)化材料、結(jié)構(gòu)、存梁時(shí)間等一系列措施有效控制了簡(jiǎn)支箱梁的徐變變形。新中國(guó)成立以來，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁橋徐變變形控制水平變化見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支梁徐變變形控制水平變化

在高速鐵路跨度40 m簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)過程中，采用降低跨中底緣壓應(yīng)力、提高預(yù)應(yīng)力合力中心高度、縮短底板預(yù)應(yīng)力束長(zhǎng)度、增加梁高、提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)、細(xì)化二期恒載分級(jí)、推遲二期恒載上橋時(shí)間等7種方法降低梁體徐變上拱，并對(duì)效果和適用性進(jìn)行了綜合對(duì)比。分析并確定了箱梁采用推遲二期恒載上橋時(shí)間和細(xì)化二期恒載分級(jí)的方法控制徐變上拱，見圖2。

圖2 徐變上拱與二期恒載上橋時(shí)間的關(guān)系

2.3 高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁建造技術(shù)

20世紀(jì)我國(guó)在普速鐵路橋梁建設(shè)時(shí)，采用32 m簡(jiǎn)支T梁，每片梁的重量大多在1 300 kN以內(nèi)，一般在固定的橋梁廠生產(chǎn)，采用汽車或鐵路運(yùn)輸至橋梁建設(shè)工點(diǎn)并架梁安裝。自高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用箱梁以來，24 m單孔梁重量在5 000 kN，32 m單孔梁重量超過8 000 kN，采用了在鐵路沿線設(shè)置梁場(chǎng)制梁、運(yùn)梁車運(yùn)輸（圖3）、架橋機(jī)架設(shè)的施工模式（圖4）。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，這種建造模式完全適應(yīng)了我國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁橋的建設(shè)需求，梁場(chǎng)制梁有效保證了箱梁預(yù)制質(zhì)量，配套研發(fā)的箱梁運(yùn)輸和架設(shè)設(shè)備能夠安全、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)箱梁的架設(shè)安裝。

圖3 運(yùn)梁車運(yùn)輸箱梁

圖4 架橋機(jī)架設(shè)箱梁

目前，配套40 m箱梁研制的運(yùn)架設(shè)備已經(jīng)達(dá)到1 000 t級(jí)，能夠有效適應(yīng)跨度20～40 m標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁的運(yùn)架施工［19］。

2.4 高速鐵路40 m簡(jiǎn)支箱梁成套技術(shù)

綜合考慮車橋動(dòng)力響應(yīng)、運(yùn)輸架設(shè)條件、梁體受力特點(diǎn)、構(gòu)造布置要求等因素，研發(fā)了高速鐵路40 m簡(jiǎn)支箱梁。適用于列車速度350 km/h的40 m簡(jiǎn)支箱梁梁長(zhǎng)為40.6 m，計(jì)算跨度為39.3 m，采用單箱單室形式，軌下箱梁截面高度為3.235 m，40 m箱梁截面見圖5，配套研發(fā)了1 000 t級(jí)運(yùn)架設(shè)備［20-21］（圖6），形成了40 m箱梁成套技術(shù)。

圖5 40 m簡(jiǎn)支箱梁截面（單位：mm）

圖6 箱梁1 000 t級(jí)運(yùn)架設(shè)備

總體上，跨度40 m簡(jiǎn)支箱梁的基頻不控制梁體設(shè)計(jì)，滿足中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)需求，簡(jiǎn)支箱梁的剛度和強(qiáng)度更加匹配，通過優(yōu)化預(yù)應(yīng)力體系和尺寸節(jié)省了橋墩數(shù)量，在下部基礎(chǔ)工程建設(shè)成本較高的路段可以節(jié)約大量的工程建設(shè)投資。

3 發(fā)展方向

3.1 高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁設(shè)計(jì)優(yōu)化

近年來，隨著高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的積累，預(yù)應(yīng)力體系向更高強(qiáng)度的發(fā)展，既有標(biāo)準(zhǔn)箱梁結(jié)構(gòu)在截面尺寸、材料用量上還可進(jìn)一步優(yōu)化。應(yīng)開展32 m及以下跨度標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，為提升高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁橋的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、標(biāo)準(zhǔn)梁通用參考圖的修訂提供技術(shù)支撐［22］。

列車速度350 km/h的32 m高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁優(yōu)化后斷面見圖7，主要技術(shù)指標(biāo)見表2，材料用量見表3。優(yōu)化方案的各項(xiàng)受力及變形指標(biāo)與通用圖相當(dāng)，與通用圖相比，優(yōu)化方案的混凝土用量減少10.7%、鋼絞線用量減少10.1%、普通鋼筋用量減少3.3%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。

圖7 32 m標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁優(yōu)化后斷面（單位：mm）

表2 簡(jiǎn)支箱梁主要技術(shù)指標(biāo)

表3 簡(jiǎn)支箱梁材料用量

3.2 高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁智能建造

智能建造是工程建造領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，是新形勢(shì)下鐵路工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。將新一代智能制造系統(tǒng)引入到鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域，發(fā)展鐵路工程智能建造技術(shù)，是未來鐵路工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理轉(zhuǎn)型升級(jí)的發(fā)展方向［23-24］。

近年來，依托相關(guān)科研，以全生命周期管理理念為指導(dǎo)，以建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）協(xié)同設(shè)計(jì)為核心，構(gòu)建了高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁智能建造綜合管理平臺(tái)，系統(tǒng)提升關(guān)鍵施工工序信息化水平，實(shí)現(xiàn)建設(shè)信息在設(shè)計(jì)、預(yù)制、運(yùn)架等全過程傳遞，為運(yùn)維階段提供支撐。高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁智能建造技術(shù)框架見圖8。

圖8 基于BIM的高速鐵路箱梁智能建造技術(shù)框架

梁場(chǎng)綜合管理覆蓋梁場(chǎng)全部作業(yè)環(huán)節(jié)、工作崗位、設(shè)備設(shè)施，使用BIM模型集成智能設(shè)備生產(chǎn)信息?？梢詫?shí)時(shí)掌握大型提運(yùn)架設(shè)備關(guān)鍵生產(chǎn)信息和安全信息。預(yù)留運(yùn)維階段接口，實(shí)現(xiàn)工程信息在設(shè)計(jì)、預(yù)制、運(yùn)維過程中的流通。目前，研發(fā)的鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁梁場(chǎng)綜合管理平臺(tái)已成功應(yīng)用于我國(guó)首個(gè)高速鐵路40 m箱梁標(biāo)準(zhǔn)化梁場(chǎng)。

3.3 高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁智能運(yùn)維

目前高速鐵路橋梁檢測(cè)、維修、管理基本采用傳統(tǒng)的管理模式，以紙質(zhì)化或電子存貯方式，以二維圖紙作為信息主要載體，不易攜帶、傳遞和保存；橋梁設(shè)備靜態(tài)檢查主要依靠人工進(jìn)行，檢測(cè)監(jiān)測(cè)效率低，且對(duì)結(jié)構(gòu)使用狀態(tài)的劣化預(yù)測(cè)分析少；設(shè)備維修以周期修為主，對(duì)于結(jié)構(gòu)的主要病害，未建立系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估及預(yù)測(cè)技術(shù)；不滿足“狀態(tài)修、精確修、預(yù)防修”要求，無法實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)全壽命周期管理的要求。隨著BIM、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，土木行業(yè)正經(jīng)歷向智慧產(chǎn)業(yè)發(fā)展的信息革命。高速鐵路橋梁運(yùn)維管理也應(yīng)順應(yīng)發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)智能化［25］。

應(yīng)用BIM+GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)備信息和生產(chǎn)信息的追蹤顯示管理，建立三維可視化的橋涵運(yùn)維管理系統(tǒng)，綜合橋梁設(shè)備的建設(shè)、維修等情況，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)融合、全維度、全生命周期的橋梁設(shè)備智能管理。

通過建立基于空天地一體化的智能檢測(cè)、監(jiān)測(cè)，融合智能感知、機(jī)器視覺、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、北斗、無人機(jī)、機(jī)器人等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁設(shè)備的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)智能化，建立智能化的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估體系和方法。

結(jié)合高速鐵路運(yùn)輸實(shí)際情況，廣泛應(yīng)用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器人、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航等新技術(shù)，從橋梁結(jié)構(gòu)全生命周期角度出發(fā)，結(jié)合多源數(shù)據(jù)綜合分析橋梁設(shè)備的服役狀態(tài)，建立與綜合檢測(cè)車、巡檢車及軌道設(shè)備維護(hù)信息共享的高速鐵路橋梁綜合運(yùn)維管理平臺(tái)，構(gòu)建基于故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）的智能運(yùn)維體系。

4 結(jié)論

我國(guó)高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁橋技術(shù)集成了我國(guó)鐵路橋梁多年來在關(guān)鍵參數(shù)、材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面的研究成果，成功并大量應(yīng)用于高速鐵路橋梁工程建設(shè)，總體上滿足了我國(guó)鐵路橋梁的建設(shè)和應(yīng)用需求，適應(yīng)了我國(guó)鐵路建設(shè)的國(guó)情。可得如下結(jié)論：

1）我國(guó)高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁橋經(jīng)過多年的應(yīng)用實(shí)踐，形成了基于變形控制、梁軌協(xié)同作用的成套技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以及基于“制運(yùn)架”模式的成套建造技術(shù)，構(gòu)筑了我國(guó)高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁橋技術(shù)體系。

2）總結(jié)高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，基于車橋動(dòng)力相互作用分析，研制了高速鐵路跨度40 m簡(jiǎn)支箱梁，提高了簡(jiǎn)支箱梁的剛度和強(qiáng)度的協(xié)調(diào)匹配性，優(yōu)化了箱梁結(jié)構(gòu)尺寸，提高了標(biāo)準(zhǔn)梁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

3）基于高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁應(yīng)用和40 m梁研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提出開展既有32 m及以下跨度標(biāo)準(zhǔn)梁的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，可在保證結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的前提下優(yōu)化材料用量，提高標(biāo)準(zhǔn)梁的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

4）應(yīng)用BIM和信息化技術(shù)、融合全壽命周期管理理念，推廣標(biāo)準(zhǔn)梁智能建造與智能運(yùn)維技術(shù)的應(yīng)用，可進(jìn)一步提升中國(guó)高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)梁橋的總體技術(shù)水平。