我国铁路钢结构发展回顾与展望

刘晓光 ,  卢春房 ,  鞠晓臣 ,  蔡超勋

中国工程科学 ›› 2020, Vol. 22 ›› Issue (3) : 117 -124.

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中国工程科学 ›› 2020, Vol. 22 ›› Issue (3) : 117 -124. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2020.03.018
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我国铁路钢结构发展回顾与展望

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Review and Prospect of the Development of Railway Steel Structure in China

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摘要

新中国成立以来我国铁路事业成就显著,在国民经济发展中发挥了重要作用,尤其是近15 年来高速铁路建设飞速发展,成为一张靓丽的国家名片。钢结构对于铁路发展起着不可替代且极为关键的作用,在铁路大跨度钢桥、高速铁路车站屋架结构等工程中获得广泛应用。站位于新的历史阶段,适时对我国铁路钢结构发展进行回顾和展望,具有一定的工程实践价值和理论研究价值。本文分别从材料、结构、使用规模的角度,对大跨度钢桥、车站屋架等铁路钢结构的发展进行了系统回顾;提出了我国铁路钢结构轻量化、装配化、信息化、耐久性和高韧性的技术发展趋势,总结了铁路钢结构在设计、施工、运维和材质等方面的未来重点工作。随着应用地域和环境的多样化,铁路钢结构仍然面临一系列有待攻克的技术难题,如耐候设计、海洋恶劣环境施工、高原少维护等,需持续加大研究投入以保障关键技术突破与运用。

Abstract

China has made great achievements in railway construction since its founding over 70 years ago. Particularly, China’s highspeed railway industry has developed rapidly and become a beautiful national business card over the past 15 years. Steel structures play an irreplaceable and critical role in railway development and are widely applied in long-span railway steel bridges and roof trusses of railway stations. This research reviews and prospects the development of railway steel structures. It reviews the development of railway steel structures from the perspective of material, structure, and project scale, and proposes the development trends of the railway steel structures, namely, lightweight, assembly, informatization, strong durability, and high tenacity. Moreover, the focuses of future development of the railway steel structures are summarized in terms of design, construction, maintenance, and material. The diversification of application areas and environments has posed a series of technical challenges for the railway steel structure development, including weather resistant design, construction in harsh marine environment, and lack of maintenance in plateau environment, which all require persistent and further research.

关键词

钢桥 / 车站 / 钢结构 / 信息化 / 耐久性 / 发展趋势

Key words

钢桥 / 车站 / 钢结构 / 信息化 / 耐久性 / 发展趋势 / steel bridge / railway station / steel structure / informatization / durability / development trend

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刘晓光,卢春房,鞠晓臣,蔡超勋. 我国铁路钢结构发展回顾与展望[J]. 中国工程科学, 2020, 22(3): 117-124 DOI:10.15302/J-SSCAE-2020.03.018

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一、前言

铁路作为国家的重要基础设施、大众化的交通工具,在我国综合交通运输体系中处于骨干地位。截至 2019 年年底,我国铁路营业里程达到 13.9×104 km,其中高速铁路营业里程达到3.5×104 km。在铁路工程中有许多重要设施采用钢结构来建造,如跨越江河峡谷的大跨度铁路桥梁、现代化的大跨度高架站房等。铁路的快速发展与钢结构技术的研发与应用是密不可分的。

钢结构主要分为建筑钢结构、桥梁钢结构等,与钢筋混凝土结构相比,具有强度高、工程造价低、自重轻、施工周期短、可工厂化制作等优点。伴随着国民经济的快速发展,钢结构的设计、加工制造和施工技术水平显著提高,在铁路中的应用也得到跨越式发展。我国建造了数十座跨越大江大河的大跨度铁路钢桥和一批结构形式新颖、造型美观的大跨度高架站房结构,极大地促进了我国铁路事业的发展 [1]

本文站位于新的历史阶段,从材料、结构、使用规模的角度对大跨度铁路钢桥、车站屋架等铁路钢结构的发展进行回顾;根据我国国情,提出铁路钢结构轻量化、装配化、信息化、耐久性、高韧性的发展趋势,进一步明确铁路钢结构未来在设计、施工、运维和材质方面的重点工作;提出基于建筑信息模型(BIM)技术的信息化设计、装配化施工、智能化运维的钢结构发展建议。

二、我国铁路钢结构发展回顾

以铁路工程中的钢桥和车站两大钢结构基础设施为重点,从材料、结构、使用规模的角度对我国
铁路钢结构发展历程进行回顾。

(一)钢桥

1937 年建成的钱塘江大桥是中国自行设计、建造的第一座双层公铁两用钢结构桁梁桥。新中国成立后铁路桥梁技术发展成就显著,尤其是近20 年,得益于高速铁路的建设,数座大跨度桥梁相继落成或开工建设 [1]。从铁路大跨度桥梁技术发展历程来看,已经建成了多座里程碑式的桥梁工程(见表 1 和图 1)。

表 1 我国代表性的长江铁路钢桥

注:2 铁 4 公表示双线铁路、4 车道公路;4 铁 6 公表示 4 线铁路、6 车道公路。

图 2 沪通长江大桥钢梁制造示意图

(二)车站

在新中国建国前修建的铁路车站大多粗糙简陋,建国后陆续修建了一些不同等级的车站。但直到 20 世纪末,国内车站建筑结构还多为砖木结构或混凝土结构,结构跨度小且功能单一。近年来,随着高速铁路的快速发展,我国的铁路车站建设也取得了长足进步,一批结构形式新颖、造型美观的车站设施相继建设完成(见表 2),其中最有代表性的是南京南站和北京南站。

表 2 我国代表性的高速铁路车站

南京南站主站房采用了站桥合一的高架站房框架结构体系,一层出站层和二层站台层均为承托超重荷载的大跨度结构。屋架为大跨度大悬挑钢结构,最大跨度为 72 m,最大悬挑为 30 m,总高近 60 m。站房屋盖采用正交异性钢网架形式,总用钢量达到12×104 t。

北京南站主体结构由中央站房、站台雨篷及地下换乘大厅三部分组成,总用钢量约为 5×104 t。中央站房为双曲穹顶,外形为椭圆结构,屋面为双向圆弧的光滑曲面(见图 3),其主要承重构件包括支撑屋盖的格构柱、横向桁架、纵向桁架和钢梁等 [4]。钢结构屋盖由 15 榀三跨连续变截面刚架组成。雨篷设巨大 A 字形钢塔柱共有 94 根,预应力悬垂梁最大下垂度为 6.4 m;内环曲线形高架桥位于站房和雨篷之间,跨度范围为 16~40 m。屋盖施工采用高空散拼法安装。

图 4 公铁两用桥的钢梁节段装配化整体吊装

(三)信息化

铁路钢结构的设计施工、工程管理、养护维修,需要以现代化的信息和通信技术为支撑,从而涉及大数据、物联网、人工智能等技术的应用(见图 5)。信息化重点体现在钢结构设计、施工、运维等整个生命周期,还包括建造过程智能化和管理决策智能化等。

图 6 BIM 技术解决碰撞问题

(二)施工方面

1. 线性控制

目前设计和使用的铁路钢结构多为超静定结构形式,在安装施工过程中,若线形控制不严将会产生扭曲和弯曲变形,诱导附加内力并使受力状态出现变化,严重时可使结构发生破坏。在铁路钢结构安装施工过程中,应注重采用先进的测绘和调整技术来确保线形平顺。

2. 焊接

历史经验表明,铁路钢结构焊接中曾出现过焊接缺陷(不致密、连接不良、未焊透、夹渣、未焊满等)带来的质量问题,影响了结构受力和耐久性。当前铁路钢结构施工中主要采用的自动埋弧焊和气体保护焊等焊接方法,基础技术已经非常成熟。为了满足一些特殊钢结构的焊接需求,应示范应用一批先进的焊接控制方法、设备和软件(见图 7),总结经验并全面推广。

图 8 正交异性桥面疲劳的加固形式

3. 评估

基于检测监测数据,对铁路钢结构进行状态评定和服役性能分析,掌握结构性能状态的变化过程。对于已使用多年或遭受突然性破坏的铁路钢结构,重点开展寿命期服役评估以确保绝对安全。

(四)钢材材质

钢材性能是钢结构性能的源头,提升冶炼技术以保证钢材合格率是重中之重。以钢材质量保障为基础,进一步提高钢材性能是未来铁路钢结构性能提升的重点方向。

1. 高强

现阶段国内铁路桥梁普遍采用 Q345、Q370 桥梁钢,而 Q420q、Q500q 钢处于推广使用阶段。例如,南京大胜关长江大桥采用了 Q420q 钢板;沪通长江大桥采用了强度等级更高的 Q500q 钢材,提出了钢板在横、纵两个方向上拉伸检验均需满足屈服强度≮ 500 MPa、抗拉强度> 630 MPa 的要求 [8]。随着大跨度桥梁的兴建,高强度钢材在铁路工程中的应用需求量会越来越大,Q500q 以上规格的桥梁用钢、2000 MPa 以上强度的缆索钢丝将不可或缺。

2. 耐候

腐蚀会消耗大量的钢铁资源,导致自然环境污染和生态环境破坏,其中基础设施腐蚀占有相当大的比例。加强不锈蚀、不被化学有害物质腐蚀的钢材研究,且成本问题应予以关注。耐候钢由于冶炼工序的增加,材质的一次性投资略高于同等级普通低合金钢。但从桥梁成品角度来看,由于在工厂和现场减少了部件的表面处理和涂料,综合经济效益较有优势 [9]

3. 韧性

铁路工程对结构钢的品质要求高,在满足强度的同时还需具有较高的韧性。为了提高铁路钢桥的韧性,防止因脆性断裂引发安全事故,桥梁钢的韧性指标将不断提高。在高寒地区钢材更易发生脆断,这对材料韧性指标提出了更高要求。在不断提高钢材强度的同时,通过韧性提升来维持一定的防断性能至关重要。

五、结语

随着我国铁路线路的不断增加,铁路钢结构在海洋强腐蚀、高原高寒强紫外线等特殊气候条件中的应用越来越多,这对钢结构的设计、施工、运维、装备和钢材材质方面提出了更高的要求。耐候设计、海洋恶劣环境施工、高原少维护等一系列技术难题有待攻克,需要持续保障在这些方面的研究投入。

针对耐候性问题,不断提高耐候钢板以及耐候螺栓的性能指标,增加耐候钢材在铁路工程中的应用是重要的发展方向。针对恶劣的施工环境,发展装配式、机械化和智能化的施工技术来减少现场施工操作量、提高施工质量。针对高原维护的问题,提高铁路钢结构工程运维管理水平,研发新型智能化数字化的管养技术和设备。

参考文献

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基金资助

中国工程院咨询项目“川藏铁路工程系统可靠性保障战略研究” (2019-ZD-19);国家重点研发计划项目“高性能桥梁钢应用技术研究及示范工程应用” (2017YFB0304805)()

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