本刊特稿
时速400km高速铁路
简支梁桥建造技术
班新林1，苏永华1，石龙1，胡所亭2
（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081；
2.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京100081）
摘要：高速铁路是我国自主创新的一个成功范例，而简支梁桥建造技术是其重要的组成部分。
CR450科技创新工程将打造我国新一代高速铁路，亟须研究既有路网的基础设施对CR450动车组的适应性，为新一代高速列车研制提供边界条件。通过理论分析和联调联试试验数据，论证了既有350km/h桥梁建设标准中的ZK荷载、实际基频、不平顺限值是可以适应400km/h动车组运行的，并建议在成渝中线高速铁路建设过程中开展系统的验证试验，发展无人化、少人化智能梁场和耐久性数字孪生技术。 关键词：高速铁路；简支梁桥；CR450科技创新工程；建造技术
中图分类号：U445文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）09-0118-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.09.118
0引言
为适应我国地质及气候条件复杂多样的特点，以
性技术难题，系统掌握了不同气候环境、不同地质条
件下成套建造技术［1］。高速铁路桥梁占线路里程约50%，其中标准跨度简支梁桥占全部桥梁长度的98%以上，这也是我国高速铁路的典型特征之一。标准简
高速铁路建设过程中面临的重大科学问题之一，其技术性能、经济指标、施工速度与运营性能等是我国高
速铁路建设成功的关键因素，成为保障高速铁路线路
高平顺性与高速列车长期平稳运行的关键控制环节。
插卡音箱方案自高铁建设以来，24、32m简支梁桥的建造技术已经
成熟，40m简支梁桥也逐渐展开工程应用［2］。随着CR450科技创新工程的开展，既有高铁简支梁桥设计荷载、设计参数和结构形式能否适应要求是重点关注
的内容之一。高铁桥梁是动车组运行的重要边界条件，
桥梁受力性能和平顺性对动车组的影响需要更精细的
研究，有利于促进我国高铁建造技术的升级。
1既有350km/h桥梁建设标准对400km/h动车组的适应性
1.1标准发展历程
高速铁路桥梁重要的设计参数包括设计荷载、刚度
基金项目：国家自然科学基金项目（U1934205）；中国铁道科学研究院集团有限公司科技研究开发计划项目
（2020YJ048）
第一作者：班新林（1984—），男，副研究员。
E-mail：
设计指标和平顺性设计指标。在我国铁路桥梁提速过程中，总结设计经验和实测数据，制定《新建时速200km 客货共线铁路设计暂行规定》（铁建设函〔2003〕
439号），提出桥梁基频限值（见式（1））［3］
。在筹备京
新型模板支撑
沪高铁建设期间，制定《京沪高速铁路设计暂行规定》（铁建设〔2004〕157号），提出ZK 活载（见图1）、常用简支梁竖向自振频率限值和墩台沉降量限值。2007年制定的《新建时速300～350km 客运专线铁路设计暂行规定》（铁建设〔2007〕47号），提出梁端竖向转角限值。在总结高铁建设经验、制定TB 10621—2009《高速铁路设计规范（试行）》过程中，通过一系列科研课题的研究，构建标准梁式桥成套技术参数体系［4］，修订ZK 活载配套的动力系数，提出竖向残余 徐变变形限值和常用跨度双线简支箱梁不需要进行动力检算的竖向自振频率限值（见表1），为TB 10621—2014《高速铁路设计规范》和TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》的编制提供重要支撑。2015年完成我国铁路列车荷载图式的系统性研究［5-6］
，制定
TB/T 3466—2016《铁路列车荷载图式》。
L ≤20m 时，n o =80/L ；
20＜L ≤80m 时，n o =23.58L
-0.592
。（1）
1.2ZK 荷载适应性
研究分析表明：我国高速铁路采用的ZK 荷载图式
可适应时速350km （检算时速420km ，结果见图2）高速动车组列车运行，同时可适应普速客车和货车（载质量60t 级）、运维荷载、施工荷载以及高速铁路救援
车（行驶工况）运行，符合我国高速铁路的功能定位。
当设计速度为400km/h 列车运行时，桥梁结构检算速度应为1.1～1.2倍设计速度，即440～480km/h 。当32m 简支梁自振频率为规范限值（满足表1要求），且检算速度大于420km/h 时，列车动效应可能大于ZK 活载动效应。当检算速度为480km/h 时，20、24、32m 简支梁的列车荷载动效应小于ZK
荷载图式动效应的前提条件是基频分别不小于6.70、6.22、5.60Hz ，40m 简支梁基频满足既有规范下限值即可（见图3）。
《高速铁路桥梁运营性能检定规定（试行）》中350km/h 无砟轨道桥面20、24、32m 简支梁的基频通常值分别为9.9、9.6和6.2Hz ，因此既有350km/h 高铁简支梁桥上运行400km/h 列车（轴重17t ），竖向荷载效应不超过设计值，结构受力安全。
1.3简支梁基频适应性
设计速度350km/h 跨度不大于32m 的简支梁设计
控制参数是基频，以图号为通桥（2016）2322A-Ⅱ-1时速350km 的32m 简支梁为例，设计挠跨比
为
单位:m 普通荷载特种荷载
图1
ZK 荷载图式
表1
常用跨度双线简支箱梁不需进行动力检算的竖向自振频率限值
Hz
图2时速
420km 及以下荷载动效应对比
图3时速480km 及以下荷载动效应对比
1/5000，小于规范限值1/1600，设计梁端竖向转角为
0.65‰rad ，小于规范限值1.5‰rad 。设计最小自振频率
为4.77Hz ，与表1中基频限值基本一致。原因为：当简支梁自振频率和列车激振频率一致时，车桥有较大的振动响应峰值，随着简支梁基频的增加，共振速度向较大的方向移动，利用这个规律将时速350km 的32m 简支梁基频限值规定为150/L ，可以将动力峰值推迟到检算速度420km/h 以后（见图4）。
由于混凝土实际弹性模量大于规范值、二期恒载小于设计值、简支梁实际约束不同于理论简支状态等
因素，高速铁路简支梁的实际刚度一般大于设计状态［7］。时速350km 高速铁路梁高3.0m 的32m 简支梁基频通常值为6.2Hz ，时速350km 盐通高铁梁高2.8m 的32m 简支梁基频实测值为5.71Hz （设计值4.67Hz ），均大于设计值。预应力混凝土双线简支箱梁的一阶竖向阻尼比通常值为2.0%~3.5%，也大于规范计算时的取值。按照简支梁实际频率以及2.0%阻尼比计算，桥梁动力响应峰值均在480km/h 以后（见图5），因此时速350km 梁高2.8、3.0m 的32m 简支梁在400km/h 列车作用下，桥梁动力响应小于允许限值。
1.4平顺性指标的适应性
桥梁的平顺性直接影响线路的平顺性，进而影响列
车运行的安全性和舒适性，其中最主要的是残余徐变变形和相邻墩台沉降差。既有规范规定，采用无砟轨道的时速350km 高速铁路预应力混凝土简支梁桥工后竖向残余徐变变形不应大于10mm ，相邻墩台沉降差不应大于5mm 。针对基频为规范限值的32m 简支梁（满足表1）和40m 简支梁（满足公式（1）），以车体加速度1.0m/s 2为舒适性评判指标，采用车桥耦合动力计算结果表明，
采用德国低干扰谱的轨道随机不平顺叠加10mm 徐变和5mm 不均匀沉降情况下，计算至420km/h ，车体加速度均小于评判限值（见图6）。
实际高速铁路桥梁工程中，简支梁桥相邻墩台不均匀沉降可以控制在5mm 以下，简支梁残余徐变变形
设计值均控制在7mm 以下，动态运营检测结果表明
图4不同基频32m
简支梁的动力响应
（a
）32m 简支梁
（b ）40m 简支梁
图6不同变形变位组合形式下车体加速度随车速的变化曲线
图5
不同梁高简支梁实际刚度和阻尼比情况下动力响应
99.9%的桥梁高低不平顺幅值均在4mm以下。针对基频为通常值的32m简支梁和基频为实测值的40m简支梁，以车体加速度1.0m/s2为舒适性评判指标，车桥耦合动力计算结果表明，采用我国高速铁路无砟轨道不平顺谱的轨道随机不平顺叠加10mm徐变和5mm不均匀沉降情况下，当计算至480km/h时，车体加速度仍均小于评判限值，其中40m简支梁可以更好地适应更高速度（见表2）。
1.5联调联试实测结果
我国时速350km高速铁路桥梁一般最大测试速度为1.1倍设计速度（即385km/h），测试速度达到400km/h的只有京沪高铁和郑徐高铁。测试结果表明：运行速度400km/h的实测跨中挠度动力系数、竖向振幅、竖向加速度等结果稍大于速度350km/h的测试结果，同等条件下，梁高2.8m的32m简支梁测试结果稍大于梁高3.0m测试结果，但整体动力响应幅值均较小，满足运营需求（见表3）。
镂空雕花2探索CR450动车组基础设施边界的成渝中线高铁桥梁试验方案
丰乳贴我国基本建成了完备的高速铁路运营网络，CR450动车组的研制需要考虑对既有基础设施的适应性，我国高铁线路中桥梁比例高，又均是等跨布置的简支梁桥，掌握桥梁结构对CR450动车组研制形成的边界条件至关重要。目前基于移动荷载列分析、车桥耦合动力仿真、列车动力响应实测结果统计等手段，掌握了列车与简支梁相互作用的共振关系、简支梁桥工后变形形成的长波不平顺对列车的低频激励规律、等跨布置简支梁对高速铁路线路高低不平顺功率谱峰值贡献等。由于我国幅员辽阔、高铁线路长达3.79万km（截至2020年底），车桥系统是影响因素众多、随机性强、开放的、具有时变特征的巨系统，等跨布置简支梁桥对列车动力影响还有
许多需要研究的地方。我国高速动车组积累了大量的运营数据，由于不是专门设置的试验环境，也很难发现其中桥梁结构特性引起的动力响应成分。
成渝中线高铁运行速度将大于350km/h［8］，线路由成都枢纽成都站向东引出，经成都市规划东部新城，资阳市乐至县、安岳县，重庆市大足区、铜梁区、规划科学城后引入重庆枢纽重庆北站，线路长度292.04km。成渝中线高铁是成渝地区双城经济圈标志性工程，是成都、重庆两大中心城市间客运核心通道，也是成渝地区双城经济圈东出方向沿江通道的重要组成部分（见图7）。成渝中线高铁建设过程中有条件也有必要开展系统性的更高速度动车组运行试验，建议有目标地设置不同桥梁区段，掌握不同基础设施条件下动车组响应特征：（1）设置不同跨度简支梁区段，包括32、40、48、56m简支梁。（2）设置不同刚度简支梁区段，包括
表2动车组作用下车体竖向加速度最大值m/s
2
表3联调联试测试结果
梁高2.8、3.0、3.2m 的32m 简支梁。（3）设置不同结构形式的桥梁区段，以混凝土桥梁为主，增加（40+40+40）m 钢混组合梁桥、（48+48+48）m 钢混组合梁桥以及其他类型结构。（4）设置不同平顺状态的桥梁区段，
在满足线路规范前提下，以徐变上拱曲线或墩台沉降曲线，按2、3、4、5mm 等幅值连续布置。参考《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》数据采样时间的规定，一种桥梁试验区段宜满足列车以试验速度运行20s 以上。
3
高速铁路简支梁桥发展展望
3.1
无人化、少人化智能梁场
在智能高铁1.0建设期间，智能梁场建设取得了巨大
的进步，改造了大部分生产工序，实现了预应力自动张拉、预应力管道自动压浆、静载试验自动加载、蒸养智能温度控制、自动喷淋养护等，开发了基于BIM 的梁场信息化管理平台，提高的生产效率保证了生产质量（见图8）。
目前高铁简支梁梁场在模板拼装、混凝土灌注和钢筋绑扎3个工序还需要大量的工人，暂时没有应用智能化手段实现无人化、少人化，随着农民工体逐渐退出历史舞台，在智能高铁2.0建设中还需要开展如下工作：
（1）模板拼装方面需进一步提高自动化水平，新建福厦高铁40m 简支梁梁场采用不锈钢模板，减少了模板除锈工作量，效果良好。在简支梁设计过程中改变预拱度设置方式，减少底模预拱度设置工作量。优
化模板刚度、提升预制台座的标准化水平，控制模板变形，降低模板调整工作量。
（2）混凝土灌注方面，采用大流动度、免振捣的混凝土配合比设计，减小粗骨料粒径，采用高效外加剂，优化混凝土泵送路径和方式，修改模板设计，实现混凝土自流平，消除混凝土人工振捣、布料、摊铺等工序。
（3）钢筋绑扎方面，优化简支梁普通钢筋设计，实现模块化和标准化，利用焊接机器人形成高质量的全截面钢筋网片，机械化拼装和绑扎，消除人工搬运、布筋、绑扎等工序。
3.2耐久性数字孪生技术
高速铁路运营10年总结发现，高速铁路简支梁桥
服役状态良好，除了地下水开采、人工堆土、火灾等
意外情况，高铁简支梁桥极少出现主体结构病害，保证了动车组安全、舒适运营。高铁混凝土简支梁桥养护工作主要集中在栏杆破损修复及更换、支座调整、防水层病害处理、梁端防水装置病害处理等。但是由于高铁简支梁数量庞大（多达50万孔以上），同时又不具备逐一进行承载能力检测或监测的条件，如何掌握高铁简支梁桥服役状态是亟须研究的内容。随着数字孪生、数字平台技术的发展，有必要系统地采集高铁简支梁桥耐久性数据及环境数据，利用大数据分析技术给出桥梁耐久性的整体性预测，合理评估桥梁服役性能，为科学运维决策提供技术支撑。
www.17guagua
4结论
我国高速铁路简支梁桥建设取得的巨大成就，是
我国高铁成功范例的重要组成部分。随着CR450科技创新工程的开展，研究表明既有设计速度350km/h 的
简支梁桥设计采用的ZK 荷载、实际基频、不平顺限值等均能满足400km/h 动车组的运行需求，联调联试中实测400km/h 动车组作用下的桥梁动力响应幅值很小。但是，高速铁路是复杂的巨系统，等跨布置的桥梁结构对CR450动车组设计的影响还有待精细研究。成渝中线高铁建设可以提供系统的试验条件，同时智能高铁2.0
混合辅助肢体建设中，有必要进一步发展无人化、少人化智能梁场和耐久性数字孪生技术，为高铁简支梁桥建造技术进步提供支撑。
图8
郑济高铁40m 简支梁梁场信息化管理平台
图7
成渝中线高铁功能定位
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