境外普速铁路中小跨度桥梁结构选型与实践

冯 印

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

随着我国“一带一路”倡议不断推进，基础设施合作取得重大进展。由于基础设施在促进生产要素流动，带动经济社会发展，提升后发经济体整体福利水平等方面具有的独特作用[1]，越来越多的重大基建项目在沿线得到实施，例如雅万高铁、中老铁路、亚吉铁路、蒙内铁路等，中国铁路“走出去”的愿景正在逐步得到落实，其具备的高度战略意义不断得到凸显[2]。

目前，我国铁路对外输出的多为普速铁路，设计时速大多不超过160 km，桥梁工程多采用国内常用的结构形式，有力地促进了中国标准、装备在海外的推广应用，同时在实践中也不断发现，“中国制造”系统性对外输出，部分出现了设计、采购、建造、运营与项目所在国建设环境、施工条件等匹配性不足的问题。

研究不同国别桥梁结构选型的属地化特点，重点关注不同结构形式的可施工性与经济性，总结不同国别项目桥梁设计的理念。研究内容与当前境外项目紧密结合，使得境外项目桥梁设计选型更能因地制宜，增强我国工程设计咨询对国际市场的适应性。

1 普速铁路桥梁选型

调研目前数个境外普速铁路项目，均由国外咨询公司进行前期设计，如尼泊尔梅马铁路、几内亚西芒杜矿山铁路、马来西亚金新铁路、玻利维亚矿山铁路等。通过梳理可知不同地区、不同场地中小跨度铁路桥梁，结构形式存在部分差异，也存在部分共性。普速铁路桥梁以中小跨度为主，跨径在12～40 m，混凝土梁和钢混结合梁均有使用，其中，以混凝土梁作为主导梁型。

1.1 混凝土梁

境外项目普速铁路混凝土桥梁多以“I”形和“T”形梁为主要梁型，也不乏并列多片箱梁和“U”形梁，跨度较大时也采用单箱单室箱梁。结构体系以简支为主，也采用先简支后连续的桥梁体系。施工方法以桥头预制架设为主，通过轮胎吊机进行吊装，桥梁占比较大、桥群集中时，也采用梁场预制，通过公路或铁路路基运输至桥址安装。箱梁常采用节段预制拼装工法，该工法不仅满足降低起吊质量的需求，也是桥梁绿色建设的代表性工法[3-4]。

尼泊尔梅吉至马哈卡利单线电气化铁路，设计速度160 km/h。混凝土梁主要采用跨度12.85，19.78 m预应力I形简支梁，如图1所示，以及跨度31.42 m节段预制拼装整孔箱形简支梁。

图1 尼泊尔I形梁(跨度19.78 m)截面(单位：m)

马来西亚金马士至新山既有铁路复线电气化改造，设计速度160 km/h。多片混凝土I形、T形简支梁预制架设后，后浇墩、台顶负弯矩区混凝土，形成墩、台、梁固结的连续刚架体系，如图2所示。

图2 马来西亚T形梁(跨度33.40 m)截面(单位：m)

几内亚西芒杜矿山铁路为单线重载铁路，重车方向时速80 km。5片跨度23.46 m混凝土小箱梁并置，小箱梁采用精轧螺纹筋锚固于墩顶，如图3所示。

图3 几内亚组合箱梁截面(单位：m)

玻利维亚莫塔库西托至穆通至布施港港口铁路为单线内燃牵引铁路，最高行车速度70 km/h。5片跨度11.50 m预制的钢筋混凝土I形梁并置，后浇桥面板及梁端横隔板，如图4所示。

图4 玻利维亚I形梁截面(单位：m)

1.2 钢混结合梁

钢混结合梁可充分发挥钢材抗拉、混凝土抗压的性能，在国外桥梁中广泛使用。钢结构质量小，可工厂制作、现场拼装，施工简捷，尤其适用于制造能力有限、设备较为落后的不发达地区。几内亚西芒杜矿山铁路采用跨度30 m上承板式简支结合梁，钢板梁运输至桥位后轮胎吊吊装，再现浇混凝土桥面板，如图5所示。

图5 几内亚上承板式简支梁横截面(单位：m)

玻利维亚莫塔库西托至穆通至布施港港口铁路采用跨度12.60，18.90，25.20 m多种跨度钢混结合简支梁，工字钢纵梁外包混凝土形成SRC梁，如图6所示。

图6 玻利维亚钢混结合梁(跨度25.20 m)截面(单位：m)

2 境内外桥梁选型主要区别

境外普速铁路桥梁结构形式多种多样，各设计咨询公司对项目的背景、条件的理解也不尽相同，总体来讲在关注点方面，与国内的设计理念存在一些区别。

境外项目桥梁结构选型注重与施工设备的匹配，铁路桥梁理念偏向于公路的轻型化设计与建造方式，以实现功能为主要目标，把项目安全、经济性放在首要考虑位置。

2.1 注重与施工的匹配

境外项目在桥梁结构选型初期，已把项目所在国所具备的施工方法、设备纳入考虑，尤其是大型起吊、运输设备。

几内亚西芒杜矿山铁路桥涵以小跨度为主[5]，梁体选型时把架设设备设计纳入到设计图纸中，使得施工具有较好的可操作性。梁体选择时考虑梁长、梁重、架设方式与轮胎吊机回转半径、吊臂长度的配合，如图7所示。

图7 几内亚跨度30 m结合梁吊装示意(单位：m)

马来西亚金新铁路复线改造项目，采用预制I形梁上现浇整体桥面板的桥梁结构形式，并列的I形梁顶已预留了现浇桥面板的预制模板铺设位置，使得施工具有较好的可操作性，如图8所示。

图8 马来西亚铁路桥梁顶模板铺设示意(单位：m)

2.2 功能、经济为导向

欧洲、美国等发达国家普速铁路的兴建在20世纪中叶基本完成，而“一带一路”沿线国家的基建水平不高[6]，目前世界范围内修建普速铁路的需求主要分布在“一带一路”沿线发展中国家，项目所在国建造铁路的资金实力往往极为有限，投资成为决定项目成败的关键因素之一。

普速铁路以客、货兼运为主，以实现点至点的功能为目标，对旅客乘坐舒适度要求较低，对后期维养设施的考虑也较少，既可满足使用目的，也尽可能降低工程造价。在以功能、经济为主要目标的约束下，结构变形达到最基本的安全要求即可，这样可使得桥梁结构的体量尽量最小，尤其是下部结构体量。

调研普速铁路的桥梁维养、附属等设施，避车台、墩顶围栏等均未见采用，墩帽尺寸也未考虑维养、更换支座的需求，在一定程度上牺牲了维养的便捷性，但从降低工程造价角度来评判，维修工作能够符合当前的经济条件[7]，比较符合项目所在国的实际需要。

3 选型外部约束条件

境外干线铁路项目，桥梁通常以中小跨度为主要桥型，研究影响中小跨度桥梁结构选型的外部因素，用来辅助境外铁路桥梁选型，具有积极的参考价值。桥梁结构形式的选择充分考虑桥位特点、地质水文条件、当地材料来源、施工方法、使用功能、运营条件、地区习惯做法等因素[8-10]，其中，建筑材料料源与价格、现场施工设备与工法、建造场地环境条件，成为制约桥梁选型的最主要外部约束条件。

3.1 建筑材料

境外项目所在国工业发展极为不均衡，建筑材料制造往往存在障碍，材料价格差异较大，如图9所示。工程材料费用是工程造价费用的主要组成部分[11]，材料费一般占铁路工程建安费的60%～70%[12]，合理、准确的确定建筑材料价格是境外铁路项目工程造价的核心工作之一。

图9 不同国别水泥与钢筋价格比较

桥梁选型之前需考察料源、价格，项目所在区域是否具备生产项目所需主要建筑材料的能力，比如钢筋、水泥、钢铰线、钢板等，建筑材料本地与进口价格进行比较，何种选择最具经济性。建筑材料在满足技术条件要求的前提下尽量就地取材，充分利用项目所在国资源[13]。

境外项目因所在国的生产与供应能力，导致其建材价格远远高于进口价格且进口受限，进行经济与时效的比较十分必要，且可能会对结构选型产生较大的制约。几内亚西芒杜矿山铁路当地水泥价格是国内4倍之多，钢材价格与国内接近，经测算孔径3 m混凝土箱涵综合单价约5万元人民币/横延米，3 m拼接型钢波纹管涵综合单价约1万元人民币/横延米，可研设计中大量采用钢板波纹管涵，大幅节省工程造价。

3.2 施工需求

境外项目多以总承包的模式实施，设计以向总承包商提供经济可行的方案为主要目标，设计与施工的结合紧密且重要。施工方案需结合境外项目的特点进行因地制宜的设计，国内常用的梁场预制梁体、铁路运输梁体、架桥机快速架设的方法因前期投入场地大、设备体量大、准备工作多等缺点[14-15]，反而在境外丧失了其本有的技术和经济优势，相反桥位现浇、桥头预制吊装、节段预制拼装等工法因其适应性强、设备要求低等优势，在境外铁路的桥梁架设中具有使用价值。

玻利维亚穆通铁路采用5片I形梁，通过现浇整体桥面板连接成整体结构，全线预制梁多达2.3万片，同时还需整体现浇桥面板，大大延缓了施工工期。我国企业在优化设计阶段响应施工方需求，采用双片T形梁结构，如图10所示，预制0.92万片，大大缩减了梁场规模和架设工期，即使增加了约2.2%的工程费用，总体比较经济效益仍具有优势。

图10 玻利维亚跨度12 m预应力混凝土T形梁截面(单位：m)

几内亚西芒杜矿山铁路可行性研究中，考虑到现场起吊设备的能力约100 t，采用了钢混结合梁及并置小箱梁，我国企业在优化设计中考虑了该技术要点，采用了24 m T形梁和30 m钢混结合梁两种形式，也是基于当地的设备起吊能力。

3.3 场地条件

项目桥址的场地条件，比如软基、震区、强风、近海等因素，均会对桥梁选型产生重要影响。软基往往不宜选择连续结构，近海环境不宜选择钢结构，强震地区选择结构整体性较好、结构柔性较大的结构更有利。

玻利维亚矿山铁路大部分位于沼泽地区，桥址分布大量软基，可研设计选择了小跨度的简支I形梁作为主要桥梁结构。尼泊尔铁路部分线路位于高烈度地震区，可行性研究中推荐采用部分轻型钢梁或钢混梁，可较好地满足抗震需求。马来西亚金新铁路考虑到现场的河道均较窄且地质良好，采用了先预制架设I形梁，再墩梁现浇固结的小跨度连续刚构桥梁结构，较好地匹配了场地具体条件，如图11所示。

图11 马来西亚金新铁路后浇墩梁固结示意

4 境外桥梁选型基本思路

桥涵选型国内、外的基本思路、步骤大致接近，但关注点、侧重点有所不同，需在境外桥梁选型的过程中给予关注的，恰恰是国内工程师不引起注意的重点，将对差异的控制事先主动地采取决策措施，以尽可能地减少以至避免目标值与实际值的偏差[16]。

境外工程项目受各种客观条件和时间因素的制约，其所在国政治、经济、文化等特点都可能会对建设成本造成影响[17]，桥涵选型宜在充分调研自然条件、当地习惯做法、类似工程实践、施工设备等情况下，做出符合当地实际的个性化设计[18]。

境外铁路中小跨度桥梁选型大致遵循以下思路。

(1)研究合同或标书，明确项目功能需求。

(2)现场踏勘和调查，了解主材价格和场地条件。

(3)施工调研，听取施工方建议、交流意见。

(4)总体方案构思，寻找与各方匹配度较好的技术方案。

(5)经济比选，结合本地、国际两个市场进行经济方案比选，选择总体价格最优方案。

与高速铁路围绕着更加注重桥梁结构整体性、结构轻型化、低噪声和施工方便不同[19]，境外普速铁路中小跨度桥梁方案比选中宜关注场地条件和施工方案的配合，最后的落脚点在经济性方面。境外项目往往资金较为紧张，研究的最终目标是选择经济的技术方案，同时能满足功能需求。对于普速铁路而言，五新技术的应用往往会增加工程造价[20]，在境外普速铁路中应慎重使用。

5 结论

输出中国的铁路设计、建造经验，需进行比较分析、因地制宜，研究部分境外普速铁路桥梁选型的边界、约束条件，用以指导境外项目桥梁结构形式比选，得出主要结论如下。

(1)境外普速项目桥梁结构选型更加注重与施工方案的结合，通常在桥梁长度短、分布分散、长度占比低的情况下，施工架设方案对梁体体量的选择具有指导作用。

(2)境外项目所在地因市场、料源等问题，建筑材料价格离散且差异较大，常见的基本建筑材料因价差的影响，往往会产生与国内不同的桥梁结构选型方式与思路。

(3)境外项目考虑到桥梁占比较小且分散，“一址一桥”的定制化设计，使得不同场地条件下梁型的选用针对性更强，可将软基、地震等纳入更为细致的考量。

(4)境外项目桥梁选型宜将功能、经济列为首要目标，以最经济的方案达成基本的使用功能，使项目从经济上更具可行性。