中、日高铁常用跨度桥梁结构比较研究

杨得旺 ，陈 栋 ，柳 鸣

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063；2.深圳市高级中学，广东深圳 518000）

日本是世界上最早发展高铁的国家，中国是高铁运营里程最长的国家，中、日高铁在常用跨度桥梁建设面，均形成了各自的设计、施工成套技术体系。各国高铁常用跨度桥梁结构呈现多样化，如简支箱梁、混凝土刚架、多片T梁、钢-混结合梁等。

1 中、日高铁发展概述

中国高铁指新建设计速度250—350km/h、运行动车组的标准轨距客运专线高铁。近年来，中国高铁迅猛发展，预计到2020年底，全国铁路营业总里程将达到14.6万公里，其中高铁（含城际铁路）大约3.9万公里，继续领跑世界。与国外相比，我国高铁具有规模大、桥梁比重高、长大桥梁多的突出特点。

图1 中国高铁

根据1964年日本运输省制定的《新干线铁路结构规则》和1970年日本政府制定的《全国新干线铁路整备法》，“新干线”定义为：轨距为1435mm，线路正线与和道路没有平面交叉，在线路主要区间列车运行速度200km/h以上的干线铁路。1964年10月1日，日本第一条高铁——东海道新干线建成通车，也是世界上第一条真正意义上的高铁，最高运营速度210km/h，全长515.4km。继东海道新干线之后，日本相继建成通车山阳新干线、东北新干线、上越新干线、北陆新干线、九州新干线，累计通车里程超3000km，长期规划的高铁有12条，总长约为3510km。

图2 日本新干线

日本正在建设中的中央新干线设计营运时速500km，是一条连接东京、名古屋（约2027年）和大阪（约2045年）的采用磁悬浮技术的高铁。

2 中国高铁常用跨度桥梁结构

中国高铁桥梁占比较高，普遍占线路总长度的50%以上，常用跨度简支梁桥占桥梁比例基本在80%以上，最高达到96%，其具有受力明确、构造简单、施工便捷、耐久性好、造型美观等优点，并且以跨度24m、32m混凝土简支箱梁的应用最为广泛[1]。

2.1 混凝土简支箱梁

整孔简支箱梁具有受力简单明确、抗扭刚度大、整体性好、运营养护工作量小以及噪音小等优点。根据工期要求和技术特点，结合我国制运架工装设备水平，通过深入的技术研究，确定以32m简支箱梁作为标准跨度，整孔预制架设施工。简支箱梁采用梁场集中预制，品质容易得到控制，配合运架设备，可提高桥梁的施工效率，缩短施工工期，架桥速度可达一天3孔。

根据预应力混凝土双线简支箱梁用量巨大的情况，原铁道部自1990年起，针对高铁桥梁特点、设计原则、设计暂规制定以及京沪高铁、秦沈高铁等新建高铁桥梁，设立了系列相关科研项目，主要包括通过混凝土箱梁模型试验、秦沈客专实体箱梁静载及综合试验、时速350km/h箱梁试验研究、时速250km/h箱梁试验研究、预应力混凝土箱梁设计优化研究、混凝土桥面合理布置研究等系统研究、常用跨度桥梁动力仿真分析等，对常用跨度混凝土简支箱梁的设计、施工、受力性能、长期变形等方面进行全面分析及试验验证。

常用跨度桥梁以32m双线预应力混凝土简支箱梁为主型结构，采用24m双线预应力混凝土简支箱梁进行少量配跨。如图3所示，施工主要采用沿线设置预制梁厂进行集中预制，运梁车、架桥机运输架设，少量采用膺架法、移动模架桥位现浇施工。我国新建高铁桥梁中90%以上为32m预应力混凝土简支箱梁结构，已实现机械化、工业化施工建造。

图3 中国高铁简支箱梁

近年来，我国高铁开展了40m预制简支箱梁技术研究，结果表明：技术可行，在地形、地质复杂的高墩、深基础区段，具有经济优势[2-3]。目前，40m预制简支箱梁已在郑济高铁、南沿江城际铁路中得到成功应用。

2.2 混凝土简支T梁

如图4所示，T梁由于结构和制造工艺相对简单、运输及架设方便，与箱梁相比经济性略占优，但整体性差、施工速度慢，常用在设计速度200km/h及以下的铁路桥梁中。T梁为保证结构的整体性，单片架设后通过现浇湿接缝将桥面、横隔板连成整体，并布置横向预应力保证整体受力性能。与混凝土简支箱梁相比，T梁竖向刚度差异不大，横向刚度、抗扭刚度则明显小于箱梁。

图4 中国高铁简支T梁

3 日本新干线常用跨度桥梁结构

日本自第一条高铁东海道新干线建成后，逐步推广采用无砟轨道桥梁[4]。如表1所示，桥梁总延长所占线路长度比重较大，高架桥约占桥梁总长的70%以上，为标准的小跨度钢筋混凝土连续刚架结构，跨度系列为8m、10m、12m，桥位现浇施工。日本相关研究认为，刚架桥适用多地震地区，且可节省土地。跨度40m及以下的桥梁以四片预应力混凝土T梁组成的整孔简支梁为主。采用T梁预制、轮胎吊架设、现场灌筑混凝土联成整体[5]。表2给出了各条新干线上混凝土桥与其他桥所占比例，可看出东海道新干线上除了采用较多的组合梁桥和钢桥外，后来修建的新干线大量采用了混凝土桥，只在极少数特殊工点中使用组合梁、钢桥。主要原因是东海道新干线建成运营后，发现桥梁存在许多问题，尤以钢梁更突出，通过调查发现主要原因是设计处理不当及桥梁振动、疲劳等原因所致；另外钢梁桥振动、噪声问题突出。

表1 新干线上的桥梁及高架桥所占比重

表2 各条新干线上混凝土桥与其他桥所占比例

3.1 混凝土刚架桥

混凝土刚架桥是一种空间超静定结构，整体性好，具有较好的刚度和抗震性能。在日本高铁高架桥中占有十分重要的地位。据东北、上越、山阳和东海道等四条新干线的统计，混凝土刚架桥分别占高架桥总长度的65.9%、77.1%、95.3%和85.8%。如图5所示，刚架桥多采用2柱式梁板式刚构。

图5 日本新干线刚架桥

3.2 混凝土T梁

混凝土T梁的跨度在15～45m范围内，双线铁路主梁数量3～8片不等（见图6）。跨度40m及以下的桥梁以4片预应力混凝土T梁组成的整孔简支梁为主。采用T梁预制、轮胎吊架设、现场灌筑混凝土联成整体。日本相关研究认为：跨度大于38m的梁型采用箱形梁才较为经济，故分片T梁的经济跨度为40m以下。

图6 日本新干线混凝土简支T梁

此外还有工字型预应力混凝土梁，例如1973年建成的第2续罗木川桥（山阳新干线），跨度49.0m简支I字梁，为新干线上工字型预应力混凝土梁的最大跨度。

4 结语

高架线路具有节约土地资源、建设成本低、维修养护方便、适应多种地形地质条件等优点，在中、日高铁中均得到广泛应用。小跨度混凝土刚架桥抗震性能优异，适用于日本地震多发区，且可节省土地。整孔预制架设的混凝土简支箱梁、T梁施工速度快、标准化程度高，一定程度上加快了我国高铁建设速度。预应力混凝土桥梁在高铁桥梁中占有绝对优势，日本线新干线中多孔一联的刚架结构对我国高烈度地震区高铁建设具有重要参考意义。