中國(guó)公鐵兩用橋主橋結(jié)構(gòu)體系分析與展望

孫建鵬，周鵬，劉銀濤，肇舉，李青寧，高暢

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710055)

公鐵兩用橋的發(fā)展最早始于歐洲，現(xiàn)存最早的公鐵兩用橋是位于法國(guó)的Cize-Bolo-zon高架橋[1]，建于1875年。中國(guó)的第一座公鐵兩用橋是位于哈爾濱的三棵樹松花江橋，由日本鐵道研究所設(shè)計(jì)、施工，建于1934年。中國(guó)自行設(shè)計(jì)、施工的第一座公鐵兩用橋——錢塘江大橋，建于1937年，標(biāo)志著中國(guó)自行設(shè)計(jì)、自行建造公鐵兩用橋的開始。

中國(guó)公鐵兩用橋經(jīng)歷了新中國(guó)初期的緩慢發(fā)展和改革開放至今的快速發(fā)展兩個(gè)階段[2-4]。第1階段：從新中國(guó)成立至改革開放時(shí)期，中國(guó)公鐵兩用橋發(fā)展緩慢。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：橋梁結(jié)構(gòu)體系以最簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)支體系為主，主橋上部結(jié)構(gòu)形式采用了強(qiáng)度大、剛度大、穩(wěn)定性強(qiáng)的鋼桁梁；下部結(jié)構(gòu)主要由樁基礎(chǔ)和實(shí)體墩組成，少許由沉井基礎(chǔ)和實(shí)體墩組成；在施工方面，主梁主要采用桿件現(xiàn)場(chǎng)鉚接、主桁以伸臂法施工，基礎(chǔ)以鉆孔管柱法施工；在建筑材料使用上，從最初的主桁結(jié)構(gòu)材料需要向發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)到自行制造，這主要與當(dāng)時(shí)中國(guó)經(jīng)濟(jì)和橋梁技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r有關(guān)[5-8]。第2階段：從改革開放至今，中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展帶動(dòng)了中國(guó)公鐵兩用橋梁建設(shè)的發(fā)展。在這一時(shí)期，中國(guó)公鐵兩用橋不僅從設(shè)計(jì)、施工工藝、材料性能及加工工藝上都實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)造、自我創(chuàng)新和突破，而且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝技術(shù)水平上不斷地創(chuàng)造世界奇跡，不斷地突破世界橋梁歷史上不可能完成的挑戰(zhàn)。數(shù)十年累積的橋梁建造技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，使中國(guó)公鐵兩用橋在結(jié)構(gòu)體系上已經(jīng)從小跨徑的簡(jiǎn)支體系發(fā)展至大跨徑的拱式體系、超大跨徑的斜拉體系和懸索體系，同時(shí)，這3種體系的公鐵兩用橋主跨徑之最均在中國(guó)；大跨徑的拱式體系、超大跨徑的斜拉體系和懸索體系公鐵兩用橋在施工工藝難度和技術(shù)上均是史無前例的，中國(guó)實(shí)現(xiàn)了自行設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和挑戰(zhàn)[9-19]；從工廠的加工工藝、運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)吊裝和安裝的一系列過程更為系統(tǒng)、高效和經(jīng)濟(jì)。

筆者通過收集中國(guó)已建和在建的公鐵兩用橋相關(guān)資料，對(duì)中國(guó)4種結(jié)構(gòu)體系的公鐵兩用橋主橋主梁結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)以及其他結(jié)構(gòu)部分在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝、材料性能上的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，為以后中國(guó)公鐵兩用橋的建設(shè)提供借鑒。

1 中國(guó)公鐵兩用橋發(fā)展現(xiàn)狀

中國(guó)的公鐵兩用橋主要分布在長(zhǎng)江、黃河及一些內(nèi)流河和沿海地區(qū)。中國(guó)典型的已建、在建公鐵兩用橋如表1所示。

圖1是中國(guó)4種結(jié)構(gòu)體系的公鐵兩用橋主橋跨徑匯總圖。從圖1縱軸(主跨徑)數(shù)據(jù)可以看出，中國(guó)公鐵兩用橋主跨徑梁橋分布在50～200 m之間，拱橋分布在200～600 m之間，斜拉橋分布在300～700 m之間，而懸索橋分布在1 000～1 400 m之間。其中，拱式體系、斜拉體系公鐵兩用橋最大主跨徑的世界紀(jì)錄均在中國(guó)。從橫軸(橋梁建成年份)數(shù)據(jù)分布情況可看出，在1990年以前，中國(guó)的公鐵兩用橋只有梁式體系；2000年以后，拱式、斜拉、懸索體系開始出現(xiàn)并逐漸發(fā)展。從這兩方面綜合分析得出，中國(guó)公鐵兩用橋的發(fā)展與中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展息息相關(guān)，從新中國(guó)成立至改革開放初期，中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展緩慢從而導(dǎo)致中國(guó)公鐵兩用橋的發(fā)展也相對(duì)緩慢；改革開放以后，中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展推動(dòng)了中國(guó)公鐵兩用橋梁建設(shè)的快速發(fā)展。

表1 中國(guó)公鐵兩用橋匯總表Table 1 Summary of rail-road bridges in China

續(xù)表1

圖1 中國(guó)4種結(jié)構(gòu)體系的公鐵兩用橋主橋跨徑匯總圖Fig.1 Summary of spans of main beam of rail-road bridges with four structural systems in China

2 4種結(jié)構(gòu)體系的公鐵兩用橋主橋發(fā)展趨勢(shì)及分析

公鐵兩用橋主橋主要包括兩部分，即上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)。中國(guó)已建和在建的公鐵兩用橋，從結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)兩方面來看，4種結(jié)構(gòu)體系的主橋主梁及基礎(chǔ)均有著相似之處。

2.1 主梁發(fā)展趨勢(shì)及分析

中國(guó)已建和在建的4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主梁的主桁架結(jié)構(gòu)均采用了上弦桿與下弦桿平行的鋼桁架結(jié)構(gòu)，其各個(gè)組成部分如表2所示。

表2 中國(guó)4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋主梁設(shè)計(jì)匯總表Table 2 Summary of main girder design of main beam of rail-road bridges with four structural systems in China

2.1.1 主梁形式 圖2、圖3分別給出了4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主梁的主桁桁式示意圖和匯總圖。如圖2、圖3所示，中國(guó)公鐵兩用橋主橋的主梁桁式主要采用了5種形式：華倫式、“N”字形、帶豎桿菱形、無豎桿三角形和帶豎桿三角形。從建成年份可以看出，改革開放之前，公鐵兩用橋的主梁桁式主要采用帶豎桿菱形。這主要受當(dāng)時(shí)橋梁設(shè)計(jì)與建造技術(shù)偏低、使用的材料性能較差等條件限制，需要通過增加上下桁片之間的腹桿數(shù)量和連接來保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性。改革開放以后，隨著橋梁建造技術(shù)以及材料性能的提高，公鐵兩用橋主橋的主梁桁式經(jīng)歷了由繁到簡(jiǎn)，從桿件多、連接復(fù)雜的帶豎桿菱形到桿件少、連接簡(jiǎn)單的無豎桿三角形和“N”字形的發(fā)展歷程。

圖2 4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋主梁主桁桁式示意圖Fig.2 Schematic diagram of main girder truss of main beam of rail-road bridges with four structural systems

圖3 4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋主梁主桁桁式匯總圖Fig.3 Summary diagram of main girder truss of main beam of rail-road bridges with four structural systems

從力學(xué)特性上來看，4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋主梁的受力特點(diǎn)不同，其主桁桁式結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)也有所不同。在豎向荷載作用下，梁式體系公鐵兩用橋主橋的主梁支座處所受的剪力較大而跨中所受的彎矩較大；華倫式豎桿主要承擔(dān)主桁所受的豎向剪力，同時(shí)，在豎向荷載作用下，分擔(dān)了斜腹桿在豎向所受的分力，斜腹桿的對(duì)稱布置不僅可平衡主桁節(jié)點(diǎn)處所受到的水平力，而且可提高主桁的整體剛度和穩(wěn)定性。帶豎桿菱形桁式中的豎桿與華倫式中的豎桿受力特點(diǎn)相似，斜腹桿與豎桿連接形成的菱形結(jié)構(gòu)，可將主桁所受的豎向力均勻分配給各個(gè)腹桿，同時(shí)，可增加主桁的整體剛度和穩(wěn)定性，斜腹桿桿件長(zhǎng)度較小，減小了受壓斜腹桿屈曲的可能性。在改革開放以前，中國(guó)梁式體系的公鐵兩用橋主橋主梁桁式采用了帶豎桿菱形桁式。改革開放至今，主要采用了華倫式。在豎向荷載作用下，懸索體系公鐵兩用橋主橋的主梁主桁與吊桿連接處的腹桿所受拉力大。華倫式中的豎桿可抵消主桁所受的拉力，同時(shí)，充分發(fā)揮了鋼材抗拉強(qiáng)度大的特點(diǎn)，斜腹桿不僅可分擔(dān)主桁豎向所受的拉力，而且可增加主桁得整體剛度和穩(wěn)定性。因此，華倫式也適用于懸索體系公鐵兩用橋。在豎向荷載作用下，拱式體系公鐵兩用橋主橋的主梁主桁的受力特點(diǎn)與懸索體系的主桁受力特點(diǎn)相似?！癗”字形桁式的豎桿與華倫式的豎桿受力特點(diǎn)近似，斜腹桿未對(duì)稱布置，所以，在視覺通透性上，“N”字形要優(yōu)于華倫式，適用于大跨徑拱式體系公鐵兩用橋主橋的主梁桁式；在豎向荷載作用下，斜拉體系公鐵兩用橋主橋的主梁斜拉索與主桁連接節(jié)點(diǎn)處的腹桿受拉，在斜拉索的作用下，弦桿受到沿縱橋向的軸向力。“N”字形斜腹桿未對(duì)稱布置，在斜拉索的作用下，主桁避免了受壓斜腹桿的產(chǎn)生，所以，“N”字形適用于斜拉體系公鐵兩用橋主橋的主梁桁式。

綜上所述，4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋主梁桁式的采用，不僅與中國(guó)橋梁建造技術(shù)息息相關(guān)，而且與各結(jié)構(gòu)體系主梁受力特點(diǎn)相關(guān)。

2.1.2 主梁斷面形式 圖4、圖5分別給出了4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋主梁的橫斷面示意圖和匯總圖。

如圖4、圖5所示，公鐵兩用橋主橋的主梁橫斷面主要采用雙片、三片主桁桁架結(jié)構(gòu)。梁式和拱式體系公鐵兩用橋主橋的主梁橫斷面主要采用雙片平弦直桁。斜拉體系和懸索體系公鐵兩用橋主橋的主梁橫斷面主要采用三桁片平弦直桁、斜桁、直桁+斜桁等形式。梁式和拱式體系公鐵兩用橋主橋的跨度較小，在相同的車道分布條件下，主梁的寬跨比較斜拉和懸索體系公鐵兩用橋主橋主梁的寬跨比大，主梁的橫向剛度也較大。所以，梁式和拱式體系公鐵兩用橋主橋的主梁斷面形式可以采用雙桁片主桁架結(jié)構(gòu)。斜拉和懸索體系公鐵兩用橋主橋的跨度較大、車道數(shù)也較多。在斜拉體系公鐵兩用橋中，主梁斷面形式不僅要滿足主梁的橫向剛度和豎向變位要求，而且需要抵抗有索區(qū)主桁所受由斜拉索作用引起的軸向力。因此，斜拉和懸索體系公鐵兩用橋主橋的主梁斷面形式主要采用三桁片主桁結(jié)構(gòu)，或者橋面系采用截面抵抗距較大的鋼箱截面。但是，主梁桁片的數(shù)量和布置形式還需要根據(jù)線路規(guī)劃的交通量、施工難度、鋼材用鋼量等多方面綜合考慮，這樣才能體現(xiàn)公鐵兩用橋建造過程中的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

圖4 4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋主梁橫斷面示意圖Fig.4 Cross-sectional schematic diagram of main girder of rail-road bridges with four structural systems

圖5 中國(guó)四種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋主梁橫斷面形式匯總圖Fig.5 Summary of main girder cross section forms of rail-road bridges with four structural systems

2.1.3 橋面系 圖6、圖7分別給出了4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋的橋面系示意圖和匯總圖。

如圖6、圖7所示，公鐵兩用橋主橋的橋面系主要采用了縱橫梁體系、密布橫梁體系兩大類。梁式體系公鐵兩用橋主橋的橋面系主要采用縱橫梁體系，拱式、斜拉和懸索體系主要采用密布橫梁體系。從建成年份可以看出，2000年以前，公鐵兩用橋主橋的橋面系均采用縱橫梁體系，2000年至今，公鐵兩用橋主橋的橋面系近90%采用密布橫梁體系。

圖6 4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋橋面系示意圖Fig.6 Schematic diagram of main bridge decksystem of rail-road bridges with four structural systems

圖7 4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋橋面系匯總圖Fig.7 Summary of main girder deck system of rail-road bridges with four structural systems

縱橫梁體系可提高主梁橫橋向剛度，但是縱橫梁與聯(lián)結(jié)系之間連接復(fù)雜，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部受力復(fù)雜、施工復(fù)雜和施工周期長(zhǎng)等缺陷。密布橫梁體系具有施工快、增大主梁橫向剛度和減小主梁豎向變位等特點(diǎn)，同時(shí)，在中國(guó)交通快速發(fā)展背景下，中國(guó)公鐵兩用橋也需要滿足快速建造模式。此時(shí)，密布橫梁體系的優(yōu)點(diǎn)完全適用于當(dāng)下中國(guó)公鐵兩用橋的建設(shè)[20-23]，可逐漸取代縱橫梁體系。

2.1.4 橋面板 公鐵兩用橋主橋的橋面板主要采用混凝土橋面板和正交異性鋼橋面板這兩種類型。橋面板類型的選擇是根據(jù)主橋的載重要求、跨徑大小、主梁整體剛度和穩(wěn)定性等因素來確定，其中，已建和在建的4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋的公路和鐵路橋面板分布情況如圖8所示。

由圖8可以看出，公鐵兩用橋主橋的橋面板主要采用了混凝土橋面板和正交異性鋼橋面板兩大類。梁式體系公鐵兩用橋主橋的公路橋面板主要采用混凝土橋面板，鐵路橋面板主要采用混凝土橋面板或正交異性鋼橋面板。拱式體系、斜拉體系和懸索體系公鐵兩用橋主橋的公路和鐵路橋面板均主要采用正交異性鋼橋面板。從建成年份可以看出，在2000年以前，公鐵兩用橋主橋的公路橋面板主要以混凝土橋面為主，鐵路橋面以明橋面和混凝土橋面板為主，這與當(dāng)時(shí)公鐵兩用橋的交通量小、載重要求低的特點(diǎn)有關(guān)，其中，公路主要是以國(guó)道為主，鐵路主要是以單線或雙線鐵路為主[24-26]。2000年至今，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、交通量和載重要求的激增，4種結(jié)構(gòu)體系的公鐵兩用橋主橋的跨徑和橋面寬度也隨之增大。為滿足主橋主梁整體剛度和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求，橋面板采用了自重更輕，強(qiáng)度更大的正交異性鋼橋面板。

圖8 4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋橋面板匯總圖Fig.8 Summary of main girder deck of rail-road bridges with four structural systems

綜上所述，公鐵兩用橋主橋橋面板發(fā)展從自重大、強(qiáng)度較低、耐久性差的混凝土橋面板趨于自重輕、強(qiáng)度更大、穩(wěn)定性好的正交異性鋼橋面板和高強(qiáng)合金鋼橋面板。但是，正交異性鋼橋面板有著抗疲勞性差、抗腐蝕性差等缺點(diǎn)，尤其是抗疲勞性差這一問題，是當(dāng)下橋梁建設(shè)中一直未能解決的問題[27-34]，導(dǎo)致橋面板的壽命周期只有十幾年、甚至幾年。因此，鋼橋面板的疲勞問題將是公鐵兩用橋主橋未來發(fā)展需要重視和解決的關(guān)鍵問題。

2.1.5 主桁節(jié)點(diǎn) 改革開放以前，中國(guó)公鐵兩用橋主橋主桁節(jié)點(diǎn)是采用鉚釘將主桁弦桿與腹桿在現(xiàn)場(chǎng)拼裝而成的節(jié)點(diǎn)。20世紀(jì)90年代初期，整體節(jié)點(diǎn)首次運(yùn)用到中國(guó)鋼桁橋當(dāng)中，整體節(jié)點(diǎn)是采用焊接方式將弦桿與節(jié)點(diǎn)板焊接成整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)[35-37]，整體節(jié)點(diǎn)可在工廠組件拼裝，方便運(yùn)輸，不僅減少了桿件在施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝的工程量，而且縮短了施工周期。所以，從20世紀(jì)90年代初至今，中國(guó)公鐵兩用橋主橋的主桁節(jié)點(diǎn)一直采用整體節(jié)點(diǎn)。

2.1.6 主桁結(jié)構(gòu)連接形式 圖9～圖11分別給出了鋼桁桿件典型的連接形式。從圖9～圖11可以看出，公鐵兩用橋主橋主梁的弦桿與弦桿、弦桿與腹桿、弦桿與橫梁以及弦桿與聯(lián)結(jié)系之間主要采用鉚接、栓焊和全焊的連接方式[38-39]。在改革開放以前，中國(guó)公鐵兩用橋主橋主梁的弦桿與弦桿、弦桿與腹桿、弦桿與橫梁以及弦桿與聯(lián)結(jié)系之間主要采用鉚接的連接方式，改革開放至今，主要采用栓焊和全焊的連接方式。九江長(zhǎng)江大橋建設(shè)中采用栓焊的連接方式之后，公鐵兩用橋主橋主梁各組成部分之間的連接方式不再采用鉚接。因?yàn)殂T接與栓焊、全焊相比，栓焊和全焊不僅可提高主梁局部桿件之間受力的整體性和主梁的整體受力性能，而且可縮短主梁架設(shè)施工的工期、降低現(xiàn)場(chǎng)拼裝的危險(xiǎn)性。但焊縫也存在局部應(yīng)力集中和疲勞的問題，這是當(dāng)下和未來公鐵兩用橋主橋主梁設(shè)計(jì)與施工需要重視的問題。

圖9 鋼桁桿件鉚接示意圖Fig.9 Schematic diagram of riveting of steel truss

圖10 鋼桁桿件栓焊連接示意圖Fig.10 Schematic diagram of bolt-welded connection of steel truss

圖11 鋼桁桿件全焊接示意圖Fig.11 Schematic diagram of full Welding of steel

2.1.7 主梁架設(shè)方法 公鐵兩用橋主橋主梁的架設(shè)施工方法不僅與主橋結(jié)構(gòu)體系、主桁結(jié)構(gòu)形式和主橋跨徑大小等有關(guān)，而且與建造時(shí)的施工條件、施工環(huán)境和經(jīng)濟(jì)環(huán)境等因素有關(guān)。在改革開放以前，中國(guó)公鐵兩用橋主橋的主梁主要采用簡(jiǎn)支和連續(xù)的鋼桁梁結(jié)構(gòu)形式，跨徑偏小、橋面高程小，所以，主梁架設(shè)施工主要采用伸臂施工法、平衡懸臂架設(shè)施工法和臨時(shí)墩架設(shè)的施工方法。改革開放至今，中國(guó)公鐵兩用橋主橋的建設(shè)主要采用大跨徑的拱式體系以及超大跨徑的斜拉和懸索體系，不再采用梁式體系。在建的三門峽黃河公鐵兩用橋主梁架設(shè)施工是中國(guó)首次在梁式體系公鐵兩用橋中采用頂推施工法[40]，主要利用主桁結(jié)構(gòu)是長(zhǎng)聯(lián)大跨的特點(diǎn)。拱式體系公鐵兩用橋主橋主梁的架設(shè)方法與拱橋結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)相聯(lián)系，在主拱結(jié)構(gòu)施工完成之后，主梁的架設(shè)以主拱為依托進(jìn)行節(jié)段吊裝；斜拉體系公鐵兩用橋主橋主梁的架設(shè)均采用對(duì)稱懸臂吊裝的施工方法，將主塔作為平衡施工平臺(tái)，斜拉索控制主梁下?lián)?；懸索體系公鐵兩用橋主橋主梁的架設(shè)方法與懸索橋結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)相關(guān)，采用以主纜為施工平臺(tái)，從主橋跨中向橋塔兩側(cè)對(duì)稱吊裝完成的施工方法[41-43]。

綜上所述，由于主桁結(jié)構(gòu)桿件現(xiàn)場(chǎng)拼裝的復(fù)雜性、施工設(shè)備和施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的缺乏、材料性能偏低和建造資金不足等因素，早期公鐵兩用橋主橋主梁架設(shè)的施工周期長(zhǎng)、施工危險(xiǎn)性高、施工難度大。隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展、橋梁建造技術(shù)的提升和材料性能的優(yōu)化，公鐵兩用橋主橋主梁的主桁結(jié)構(gòu)桿件連接可在工廠加工完成，然后將小節(jié)段主桁結(jié)構(gòu)運(yùn)輸至安裝位置，根據(jù)主橋結(jié)構(gòu)體系的受力特點(diǎn)，再進(jìn)行吊裝完成。整個(gè)流程趨于系統(tǒng)化、高效化和經(jīng)濟(jì)化。

2.1.8 主梁結(jié)構(gòu)材料 公鐵兩用橋主橋主梁結(jié)構(gòu)材料主要是鋼材，最早采用鉻合金鋼、碳鋼和進(jìn)口的CT3橋梁鋼，后來自行制造16Mn鋼、15MnVNq鋼、14MnNbq鋼和Q345～Q500qE鋼等不同材質(zhì)的橋梁用鋼[44-46]。

隨著公鐵兩用橋主橋跨度的增加、交通量的激增和橋梁載重要求的提高，在需要滿足主梁豎向變位、整體剛度和整體穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求下，主梁作為主橋的主要承重結(jié)構(gòu)，不僅需要采用承載能力強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式，而且其材料性能也需要提高和優(yōu)化。因此，可通過加工鋼材、添加有利微量元素以及合金元素等措施，實(shí)現(xiàn)鋼材材質(zhì)的優(yōu)化；也可通過加大鋼板的厚度來提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和承載能力。但如果鋼板厚度增加，屈服強(qiáng)度將減小，導(dǎo)致橋梁自重的增加與主桁承載能力的增加不成正比，因此，這一措施不具有經(jīng)濟(jì)性；也可將以上兩種措施相結(jié)合，在改善鋼材材質(zhì)的同時(shí)，適當(dāng)?shù)卦黾愉摪宓暮穸?，這樣不僅提升了鋼材的性能，而且還節(jié)省了材料。除了提高鋼材的強(qiáng)度外，主梁結(jié)構(gòu)用鋼還應(yīng)具備抗沖擊韌性強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)和可焊性等性能。

綜上所述，隨著公鐵兩用橋主橋趨于跨度更大、載荷要求更高的發(fā)展之勢(shì)，其主梁結(jié)構(gòu)的材料性能也需要不斷提高和優(yōu)化，這樣才能充分發(fā)揮材料性能和節(jié)省材料。

2.2 基礎(chǔ)發(fā)展趨勢(shì)及分析

已建和在建公鐵兩用橋主要分布在沿江、沿河和沿海地區(qū)，其主橋的基礎(chǔ)均分布在有江水、河水和海水的區(qū)域，這給基礎(chǔ)類型的選擇和施工都帶來很大的困難，尤其對(duì)承載能力要求高的公鐵兩用橋來說，基礎(chǔ)的建設(shè)尤為重要，也更加困難。表3對(duì)4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋基礎(chǔ)進(jìn)行了匯總，并將匯總數(shù)據(jù)繪于圖12。

表3 4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋基礎(chǔ)匯總表Table 3 Summary of foundations of main beam of rail-road bridges with four structural systems

從表3和圖12可以看出，4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋的基礎(chǔ)主要采用了5種基礎(chǔ)類型：樁基礎(chǔ)、管柱基礎(chǔ)、混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)和沉箱混凝土基礎(chǔ)。其中，梁式體系公鐵兩用橋主橋所采用的基礎(chǔ)類型較多，拱式、斜拉和懸索體系公鐵兩用橋主橋的基礎(chǔ)主要以樁基礎(chǔ)為主。梁式體系公鐵兩用橋主橋的跨度小，上部結(jié)構(gòu)荷載較小，所以，可以采用適用于淺水區(qū)域的橋梁基礎(chǔ)類型，如管柱基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)和混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)。拱式、斜拉和懸索體系公鐵兩用橋主橋的跨度大，上部結(jié)構(gòu)荷載大，所以，需要采用剛度大、承載能力強(qiáng)和嵌入巖層能力強(qiáng)的樁基礎(chǔ)，才能更好地保證橋梁上部結(jié)構(gòu)在荷載作用下的穩(wěn)定。斜拉體系公鐵兩用橋主橋也采用沉井基礎(chǔ)，沉井基礎(chǔ)具有剛度大、承載能力大的特點(diǎn)，但其體積大，嵌入堅(jiān)硬程度較大的巖層較困難。可對(duì)于一些較厚的軟弱巖層來說，沉井基礎(chǔ)比樁基礎(chǔ)更為適合，因?yàn)闃痘A(chǔ)與軟弱層之間的阻力小，減小了樁基礎(chǔ)的豎向承載能力。

圖12 4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋基礎(chǔ)匯總圖Fig.12 Summary of foundations of main beam of rail-road bridges with four structural systems

改革開放以前，中國(guó)公鐵兩用橋主橋基礎(chǔ)施工困難，除了施工設(shè)備差、施工技術(shù)偏低的自身因素外，還與中國(guó)經(jīng)濟(jì)蕭條、施工環(huán)境惡劣以及國(guó)外專家不給予技術(shù)支持的外界因素有關(guān)。在這個(gè)時(shí)期，盡管基礎(chǔ)施工困難重重，中國(guó)的專家們還是通過自行設(shè)計(jì)和自行施工，創(chuàng)造了史無前例的施工方法，為后來的公鐵兩用橋基礎(chǔ)施工提供了實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)和方法。武漢長(zhǎng)江大橋基礎(chǔ)施工中，在世界橋梁建筑史上首次采用了氣壓沉箱掘泥打樁的基礎(chǔ)施工方法，南京長(zhǎng)江大橋基礎(chǔ)施工中采用了中國(guó)首創(chuàng)的大型管柱鉆孔法，九江長(zhǎng)江大橋基礎(chǔ)施工中采用了鋼壁雙圍堰鉆孔施工方法[47-51]。從改革開放至今，中國(guó)公鐵兩用橋主橋基礎(chǔ)施工方法更為系統(tǒng)化和先進(jìn)化，從基礎(chǔ)位置的地質(zhì)勘察和施工場(chǎng)地與周圍環(huán)境的前期工作協(xié)調(diào)，到基礎(chǔ)類型的選擇和確定施工方案，再到搭建施工平臺(tái)和開始基礎(chǔ)施工，到最后完成基礎(chǔ)施工的整個(gè)過程趨于系統(tǒng)化，施工技術(shù)和施工設(shè)備趨于先進(jìn)化。公鐵兩用橋基礎(chǔ)的材料均采用強(qiáng)度大、耐腐蝕性強(qiáng)的鋼筋混凝土。

綜上所述，公鐵兩用橋主橋基礎(chǔ)的發(fā)展在早期面臨的挑戰(zhàn)是前所未有的，但也創(chuàng)造了史無前例的成功案例，不僅推動(dòng)了公鐵兩用橋的發(fā)展，而且將中國(guó)橋梁基礎(chǔ)的建造技術(shù)推向世界先進(jìn)水平。

2.3 其他結(jié)構(gòu)部分的發(fā)展趨勢(shì)及分析

4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋除了主梁和基礎(chǔ)兩部分以外，其他結(jié)構(gòu)部分在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝和材料性能等方面也發(fā)生了變化。

2.3.1 梁式體系公鐵兩用橋橋墩發(fā)展趨勢(shì) 在相同載荷條件下，梁式體系公鐵兩用橋主橋在豎向、順橋向所受的靜動(dòng)荷載比單獨(dú)的公路橋和單獨(dú)的鐵路橋大。所以，已建和在建的梁式體系公鐵兩用橋橋墩均采用了實(shí)體結(jié)構(gòu)。橋墩的施工方法沒有發(fā)生明顯變化，但橋墩所采用的結(jié)構(gòu)形式和建筑材料卻有所變化。武漢長(zhǎng)江大橋主橋橋墩采用鋼筋混凝土加外包磚體的結(jié)構(gòu)，建筑材料采用了鋼筋、混凝土和沙磚。三門峽黃河公鐵兩用大橋橋墩采用門式實(shí)體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建筑材料采用鋼筋和混凝土。

2.3.2 拱式體系公鐵兩用橋拱肋發(fā)展趨勢(shì) 拱式體系公鐵兩用橋主要承重結(jié)構(gòu)是拱肋，由于公鐵兩用橋靜動(dòng)荷載大，對(duì)于拱肋剛度、承載能力要求更高，因此，拱式體系公鐵兩用橋拱肋采用自重更輕、強(qiáng)度更大的鋼結(jié)構(gòu)。隨著主橋跨徑的增大，拱式體系公鐵兩用橋主拱的結(jié)構(gòu)形式從早期的柔性拱(圖13)發(fā)展到了結(jié)構(gòu)剛度更大、承載能力更強(qiáng)的鋼桁架拱(圖14)、鋼箱截面拱(圖15)。拱肋的施工工藝和材料性能也發(fā)生了變化。

圖13 鋼桁梁柔性拱公鐵兩用橋Fig.13 Flexible arch of rail-road bridges with steel truss beam

九江長(zhǎng)江大橋(圖13)是中國(guó)首座拱式體系公鐵兩用橋，采用剛性鋼桁梁+柔性鋼拱的結(jié)構(gòu)形式[52]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，鋼桁梁是主橋主要承擔(dān)荷載作用的結(jié)構(gòu)，鋼拱肋是輔助承擔(dān)荷載作用和增大鋼桁梁跨度的結(jié)構(gòu)。雖然鋼拱不是主要承擔(dān)荷載作用的結(jié)構(gòu)，但增大了橋跨徑，為中國(guó)大跨度拱式體系公鐵兩用橋提供了有益的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。施工方面，首先采用懸臂拼裝法從兩岸向主橋跨中架設(shè)剛性連續(xù)鋼桁梁至合龍，之后再拼裝鋼拱肋和安裝吊桿[53]。架設(shè)完成后的剛性鋼桁梁不僅為架設(shè)拼裝拱肋提供了施工平臺(tái)，而且減小了鋼拱在安裝過程中所產(chǎn)生的附加內(nèi)力和變形，這一施工技術(shù)為此后建造的拱式體系公鐵兩用橋的施工提供了實(shí)質(zhì)性的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

圖14 鋼桁梁鋼桁拱公鐵兩用橋Fig.14 Steel truss girder and steel truss arch of rail-road bridges

圖15 鋼橋面鋼箱拱公鐵兩用橋Fig.15 Steel box arch of rail-road bridges with steel deck

重慶朝天門長(zhǎng)江大橋主橋(圖14)是目前世界第一跨徑和首次采用鋼桁架拱結(jié)構(gòu)的拱式體系公鐵兩用橋。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，主拱采用剛度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受力復(fù)雜的變高度鋼桁架形式，上下弦桿的幾何線型采用不同函數(shù)的二次拋物線，主跨上弦與邊跨上弦呈反向曲線，這樣的設(shè)計(jì)使得主跨與邊跨連接處桿件的受力更小、更合理，主拱引起的水平推力由上下弦桿平衡[54-55]，上下弦桿之間的腹桿均按照無應(yīng)力狀態(tài)控制法設(shè)計(jì)；施工方面，首先施工主桁架拱，然后再吊裝主梁和安裝吊桿。主拱架設(shè)首先是設(shè)置臨時(shí)墩，搭設(shè)邊跨鋼桁架至主跨支墩后，再采用懸臂吊裝施工法將主拱節(jié)段吊裝至跨中合龍。為了控制主拱桁架的內(nèi)力和減小最大懸臂端的撓度[56-57]，主拱懸臂安裝過程中，在最大懸臂端設(shè)置了斜拉扣索。主拱材料方面，主桁結(jié)構(gòu)采用了Q345qD、Q370qD、Q420qD等3種不同材質(zhì)的橋梁鋼，使主桁各個(gè)部位桿件內(nèi)的力更加均勻。

宜賓金沙江公鐵兩用大橋主橋(圖15)是中國(guó)首座上層鐵路、下層公路的拱式公鐵兩用橋，打破了傳統(tǒng)的上公下鐵的建造形式。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：主拱采用了剛度更大、抗扭剛度更大的箱形截面和有水平推力體系[58]，為了平衡主拱在拱腳處所產(chǎn)生的水平推力，主墩采用了體積更大、強(qiáng)度更大的混凝土結(jié)構(gòu)。主梁不再是鋼桁梁的結(jié)構(gòu)形式，兩橋面獨(dú)立存在，兩層橋面的間距達(dá)到32 m，上下橋面之間采用一般形式吊桿，主拱與上層橋面之間采用截面更大、強(qiáng)度更大的加強(qiáng)吊桿，代替鋼桁梁中腹桿的作用，這樣不僅滿足了上層高速鐵路橋面的整體剛度和穩(wěn)定性，而且滿足了雙層橋面之間的整體受力和整體穩(wěn)定性。施工方面，首先節(jié)段拼裝主拱結(jié)構(gòu)，然后吊裝上層橋面和安裝上層加強(qiáng)吊桿，最后吊裝下層公路橋面和安裝兩層橋面之間的普通吊桿。材料性能方面，由于橋面所受載荷不同，主拱的吊桿采用了兩種材質(zhì)，體現(xiàn)了材料性能運(yùn)用的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)。

綜上所述，3座拱式體系公鐵兩用橋的主橋各采用了不同的結(jié)構(gòu)形式，施工工藝和材料性能也有所不同。因此，拱式體系公鐵兩用橋主橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝和材料性能等方面上均實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新和突破，為未來拱式體系公鐵兩用橋的建造提供有利的借鑒意義。

2.3.3 斜拉體系公鐵兩用橋橋塔和拉索發(fā)展趨勢(shì) 橋塔是斜拉體系公鐵兩用橋的主要承重結(jié)構(gòu)，拉索起著傳力及平衡橋塔兩側(cè)主梁軸向力的作用。拉索主要采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線材料。其中，已建和在建的斜拉體系公鐵兩用橋橋塔主要采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)類型主要有：“H”型、倒“Y”型、鉆石型。橋塔類型的選擇與主桁桁片多少和斜拉索索面數(shù)量有關(guān)，其中，雙桁片主桁、雙索面斜拉索所對(duì)應(yīng)的橋塔類型為“H”型，三桁片主桁、三索面斜拉索所對(duì)應(yīng)的是倒“Y”、鉆石型。因?yàn)槔?、橋塔和主梁三者在受力條件下能達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)，橋塔的施工從滿堂支架法施工發(fā)展至采用移動(dòng)支架法，減少了施工設(shè)備、提高了施工效率。黃岡公鐵兩用長(zhǎng)江大橋主橋橋塔采用“H”型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，斜拉索采用雙索面對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)形式。滬通長(zhǎng)江大橋主跨跨徑為1 092 m，是中國(guó)首座主跨徑超千米的斜拉體系公鐵兩用橋，其主橋橋塔采用倒“Y”型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，斜拉索采用了三索面對(duì)稱布置的結(jié)構(gòu)形式。

2.3.4 懸索體系公鐵兩用橋主纜、橋塔和錨碇發(fā)展趨勢(shì) 主纜是懸索體系公鐵兩用橋主要承重和傳力的結(jié)構(gòu)，主梁所受荷載經(jīng)吊桿傳至主纜，主纜通過橋塔將豎向荷載分給橋塔，水平力由主纜傳至錨碇。公鐵兩用懸索橋主纜是將多股高強(qiáng)鋼絞線擰成一束鋼纜。在建的中國(guó)公鐵兩用懸索橋五峰山長(zhǎng)江大橋是世界最大載重公鐵兩用懸索橋，其主纜直徑也是世界公鐵兩用懸索橋之最，達(dá)到了1.3 m[59-60]。橋塔是公鐵兩用懸索橋的主要承重結(jié)構(gòu)之一，主要承擔(dān)主梁荷載的豎向分力，采用抗壓強(qiáng)度大和帶有橫梁的門式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，提高橋塔橫橋向的剛度，增強(qiáng)橋塔縱橋向抵抗風(fēng)荷載的能力。除了錨固主纜的作用以外，錨碇主要抵抗主纜所承受的主梁荷載水平分力，采用重力式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)和沉井基礎(chǔ)。

主纜采用智能化施工，利用自動(dòng)牽引機(jī)將單股鋼絞線按照主纜設(shè)計(jì)線型依次從一側(cè)橋塔塔頂牽引至另一側(cè)橋塔塔頂，直至將所有鋼絞線牽引到位后，再用緊固設(shè)備將所有的鋼絞線夾緊，同時(shí)安裝吊桿；主塔施工方法與斜拉體系公鐵兩用橋主塔的施工方法相似；錨碇是大體積混凝土結(jié)構(gòu)，采用分層或分段澆筑法施工。

3 結(jié)論

中國(guó)公鐵兩用橋主橋從跨徑小、結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單的梁式體系發(fā)展到目前大跨徑的拱式體系，以及大跨徑、超大跨徑的斜拉、懸索體系等。4種結(jié)構(gòu)體系主橋的主梁和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及其他結(jié)構(gòu)部分在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝、材料性能優(yōu)化等方面均實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新和突破。

1)在結(jié)構(gòu)主梁設(shè)計(jì)上，4種結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋主橋的主梁結(jié)構(gòu)形式由繁至簡(jiǎn)，主桁桿件連接方式由離散拼裝至整體栓焊，主桁桁式在力學(xué)特性上與各結(jié)構(gòu)體系公鐵兩用橋的受力特點(diǎn)相輔相成，充分發(fā)揮了材料性能和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)。由于上下橋面寬度差異較大，主梁橫斷面采用不同結(jié)構(gòu)形式來滿足主梁上下橋面的整體剛度和整體穩(wěn)定性。在施工工藝上，從所有主桁架桿件現(xiàn)場(chǎng)拼裝，發(fā)展至在工廠進(jìn)行節(jié)段整體栓焊，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)節(jié)段吊裝完成。主梁架設(shè)施工的整個(gè)過程趨于系統(tǒng)化、高效化和經(jīng)濟(jì)化。在材料性能上，公鐵兩用橋主梁的材料性能趨于優(yōu)質(zhì)化，從強(qiáng)度小、材質(zhì)差和可焊性差優(yōu)化至強(qiáng)度大、材質(zhì)優(yōu)和可焊性好。

2)基礎(chǔ)在結(jié)構(gòu)類型上發(fā)展變化不大。隨著主橋上部結(jié)構(gòu)荷載作用的增大、橋址地質(zhì)環(huán)境的惡劣，基礎(chǔ)施工從探索性施工發(fā)展至自主創(chuàng)新。材料的性能從強(qiáng)度低、抗腐蝕性差的木材優(yōu)化至強(qiáng)度大、抗腐蝕性強(qiáng)和耐久性好的高性能鋼筋混凝土。

3)中國(guó)拱式體系公鐵兩用橋主橋在跨徑上刷新了世界紀(jì)錄，主拱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于新型化，施工工藝趨于復(fù)雜化，材料性能趨于科學(xué)和經(jīng)濟(jì)化。

4)斜拉體系和懸索體系除主梁和基礎(chǔ)兩結(jié)構(gòu)部分，其他部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)趨于科學(xué)化，施工趨于經(jīng)濟(jì)化、智能化，材料性能趨于優(yōu)質(zhì)化。

中國(guó)已建和在建公鐵兩用橋主橋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝和材料性能等方面均實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新和突破。但在快速的交通運(yùn)營(yíng)模式下，對(duì)于沿海地區(qū)城市與城市之間、內(nèi)陸城市與城市之間、平原與高原地區(qū)的交通建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展來說，公鐵兩用橋的建設(shè)起著關(guān)鍵性作用。面對(duì)以上種種困難，中國(guó)打破了不可能在長(zhǎng)江和黃河上建設(shè)公鐵兩用橋的格局，公鐵兩用橋的建設(shè)將充分利用目前先進(jìn)的橋梁技術(shù)，并向著更新、更優(yōu)、更經(jīng)濟(jì)和更具有挑戰(zhàn)的方向發(fā)展，不斷地創(chuàng)新和突破公鐵兩用橋建造的可能性。