铁路桥梁工程(卷名：交通)
railway bridge engineering
铁路桥梁修建及其养护维修的技术科学。铁路桥梁是铁路跨越河流、湖泊、海峡、山谷或其他障碍物，以及为实现铁路线路与铁路线路或道路的立体交叉而修建的构筑物。主要由桥跨、桥墩、桥台、基础和桥梁防护构筑物等组成。图1
为跨越河流的铁路桥式。铁路桥梁按桥跨结构可分为梁桥、拱桥、刚构桥、悬索桥和组合体系桥等；按用途可分为铁路桥、公路铁路两用桥等。铁路桥梁工程一般包括桥址勘测、桥梁设计、桥梁施工和桥梁养护维修等步骤。
简史 19世纪中叶，欧美一些国家开始兴建铁路，大跨度铁路铁桥相继建成，如英国1846年在威尔士梅奈海峡建造的布列坦尼亚桥。19世纪60年代，炼钢技术发展起来，随之美国建成世界上第一座公路铁路两用的圣路易斯钢拱桥（1874年）。1917年加拿大建成魁北克桥。这座桥为悬臂钢桁梁桥，主跨549米，是当时跨度最大的桥。1824年，水泥开始工业化生产。随着对混凝土性能的进一步了解，1867年英国开始建造钢筋混凝土铁路拱桥。混凝土具有优良的可塑性和耐压性，开始成为取代石料建造拱桥的理想材料。1915年美国建成一座10孔55米的大型钢筋混凝土双线铁路拱桥。
19世纪末，桥梁设计理论逐步完善，并制定出相应的设计规范。20世纪以来，桥梁工程的动力学理论和空间结构分析法建立起来，建桥的工艺、机具和试验技术不断发展，新型材料大量出现，为桥梁采用新型结构和向大跨度发展提供了有利条件。例如，1963年联邦德国建造的费马恩海峡桥，是钢系杆拱结构，主跨为248.4米；1963年南斯拉夫建造的多瑙河桥，是预应力混凝土拱结构，跨度为211米+166米；1977年阿根廷建造的巴拉那河桥，是钢斜拉桥结构，主跨为330米；1972年联邦德国建造的法兰克福美因河二号桥，是一座铁路、公路、管道三用预应力混凝土斜拉桥，主跨为148.23米；1978年日本在上越新干线上建造的太田川桥，是预应力混凝土连续梁桥，最大跨度110米。
中国自1876年建成第一条铁路至1949年的73年间，规模较大的铁路桥几乎全是钢桥。20世纪初修建的京汉铁路郑州黄河桥，全长3015米，102孔钢桁桥，是中国黄河上的第一座铁路桥。1912年建成的津浦铁路泺口黄河桥，全长1255.2米，共有12孔钢桁桥，主跨为3孔悬臂钢桁梁，最大跨度164.7米，是当时跨度最大的钢桥。1937年建成的杭州钱塘江桥，全长1453米，正桥为16孔65.84米双层公路铁路两用简支钢桁梁桥。中华人民共和国成立以来，大规模修建铁路桥梁，截至1981年底，共修建14000多座桥梁，总延长900多公里。1949年以前，黄河上只有2座铁路桥，现在已经建成7座；长江上没有桥梁，现在已经建成7座，正在建设中的还有1座。50年代主要发展了钢筋混凝土和预应力混凝土中小跨度简支梁；结合就地取材的特点，在成渝铁路、宝成铁路、石太铁路等建成百余孔石拱桥；在包兰铁路的东岗镇修建了黄河桥，是3孔53米上承空腹式钢筋混凝土拱桥;在兰新铁路建成昌吉河桥，是56米预应力混凝土系杆拱桥。同时还建成京广铁路的武汉长江桥、郑州黄河桥、广三铁路的珠江桥、南浔铁路的赣江桥等特大钢梁桥。其中武汉长江桥是中国长江上的第一桥。这座桥首次采用1.55米管柱钻孔法修筑深水基础。60年代中国铁路桥梁建设有了较大的发展，建成南京长江桥。在成昆铁路大量采用新技术，用悬臂法建成了两座预应力混凝土悬臂桥（旧庄河一号桥和孙水河五号桥），发展栓焊钢梁，建成 4座钢系杆拱桥（系杆拱跨度112米）和其他 40座栓焊钢桁梁；还修建了中国最大跨度的54米空腹石拱桥（一线天桥）和中国最大跨度的 192米铆接钢桁梁（三堆子金沙江桥）。在丰沙铁路下行线建成永定河七号桥，是跨度150米的预应力空腹式拱桥。70年代以来，建成了一批新形式铁路桥梁，其中有采用推顶法施工的 4×40米箱形预应力混凝土连续梁(西延铁路狄家河桥)，主跨96米的预应力混凝土斜拉桥(湘桂铁路红水河Ⅱ线桥)，82米的预应力混凝土斜腿刚构桥(邯长铁路浊漳河桥)，3×144米连续栓焊钢梁桥（永定河新桥），176米的斜腿刚构桥(安康汉江桥)。(见彩图)
桥址勘测 为获得桥址选择和桥梁设计资料所进行的勘测，可分为初测和定测两个阶段。初测阶段是对每个可能的桥位都进行调查和勘测，主要是搜集洪水资料和地形地质资料，实地调查历史洪水遗迹，测绘地形和地貌，进行钻探工作和绘制地质图等。初测阶段所获得的资料，为桥位方案的比选和桥梁布置提供了科学的依据。定测阶段是对选定的桥位进行详细勘测，主要是测绘大比例的地形图，实地进行水文观测和工程地质、水文地质调查，并进行地质钻探等。定测阶段所获得的资料，为进行桥梁的技术设计提供了科学的依据。
桥位选择 一般遵循以下原则：①桥位尽可能选在河床顺直、河槽固定、水流平稳、冲淤变化呈规律性的河段。避免在冲刷严重、淤积、改道变迁和河岸坍塌的河段上设桥。②桥位尽可能选在河床狭窄或河滩宽度较小之处，线路和桥梁应尽可能同洪水水流方向正交。③桥位尽可能选在基岩埋藏不深、岩面平坦、构造完整，或河床冲刷线以下地基持力层有足够承载力，适宜设置墩、台基础的地方。避免在地质松软、岸坡滑坍、岩溶发育及其他地质不良河段设桥。④桥址尽可能选在引桥便于与线路联接，或有高地可减少引桥工程量和台后填土高度等的地方。
在桥址勘测中，中、小桥梁平面位置一般依据线路条件确定。大桥和特大桥往往要选择几个桥位，结合选线走向作多方案比选。
水文计算 依据洪水水位和流量，计算跨河桥梁的孔径、高度和墩台基础埋深等主要尺寸，其内容包括：
①设计洪水的推算。许多国家的桥梁设计规范都规定有桥梁设计洪水的频率标准。中国《铁路工程技术规范》规定，Ⅰ、Ⅱ级铁路的桥梁设计洪水频率为 1/100，检算频率为 1/300，即这一洪水频率的洪水水位和流量是Ⅰ、Ⅱ级铁路的桥梁设计依据。设计洪水的推算方法很多，中国常用的方法有根据实测流量资料推算、根据历史洪水调查资料推算、根据雨量资料推算、可能最大洪水推算等四类。其中前两种方法常用于桥梁设计时对洪水的推算。根据雨量资料推算方法一般用于小桥和涵洞设计流量的推算，可能最大洪水推算方法常用于水库和保坝的校核计算。
②冲刷计算。跨河桥的孔径的设计，应能顺畅排泄设计洪水而不发生水害。因此，桥孔布置和墩台基础埋深同水流冲刷有关。河上建桥后，两桥台间的过水断面比原来河流的过水断面小，再加桥墩的阻水面积以及桥墩两侧由于产生旋涡而构成的非有效过水面积等，将使水流受到压缩，桥前出现壅水，桥下流速增大，河床受到冲刷。随着冲刷的发展，桥下河床加深，过水面积加大，流速逐渐下降，直至桥下流速降低到冲刷停止流速时，冲刷即行停止。这种由于建桥压缩水流而在桥下河床发生普遍冲刷称为一般冲刷。桥梁设计规范一般规定容许冲刷系数值为桥孔需要的过水面积与桥下实际供给的过水面积之比。桥孔布置不宜大于规定的容许冲刷系数值，以便控制桥梁对河道的挤压。中国《铁路工程技术规范》中规定：平原河流的容许冲刷系数值为 1.1～1.4，山区河流为1.0～1.4，山前区河流为 1.2～1.8等。对于河床不稳固的河流，选用容许冲刷系数，应当根据具体情况决定。
河流在桥墩周围局部范围内发生的冲刷，称为桥墩局部冲刷。根据一般冲刷和桥墩局部冲刷的深度，并加上适当安全值即可确定墩台基础埋深。一般冲刷和局部冲刷是同时发生的，但计算上一般多分别进行。冲刷计算方法很多，所依据的计算公式都是半理论、半经验的公式。中国根据对本国桥梁建设所做的大量调查研究工作，在20世纪60年代初期建立了适合本国河流条件的桥渡冲刷计算公式。这一公式可用冲刷停止时垂线上的水流连续性方程描述： hpm＝qpm/VS式中hpm为最大可能的一般冲刷深度，单位为米；qpm为可能出现的垂线最大单宽量，单位为米3/(秒·米)；VS为冲刷停止时的流速，单位为米/秒。桥墩的局部冲刷可进行试验观测。水流行近桥墩，由于桥墩的阻挡，部分绕墩而过，另一部分冲击桥墩分为向上、向下两部分水流。向下部分同底层水流构成反向旋滚，导致局部冲刷，形成冲刷坑。随着冲刷坑的发展，冲刷能力逐步减弱，直至旋滚水流不再能冲刷河床泥砂时冲刷即行停止。因此根据试验可建立计算公式并借助观察和实测资料定出公式内的各项参数。根据桥墩宽度、形状和行近桥墩水流速度，以及河床泥砂粒径等，可以确定桥墩的局部冲刷。
桥梁设计 包括初步设计和技术设计两个阶段。初步设计是在桥址勘测初测的基础上，确定桥位、设计水位和设计流量，并根据通航要求和通过初步的水文计算确定桥梁的长度、高度、跨度和基础埋置深度。初步设计阶段要从桥梁用料、投资、施工、运营、养护等多方面进行综合考察，拟定多种桥式方案进行比选，提出推荐的桥位和桥式。技术设计阶段是根据桥址勘测的定测资料，确定桥梁各部分的尺寸，对桥跨、墩台和基础等进行结构设计。技术设计要绘制符合建桥要求的设计图，并拟定出施工方案，提出用料清单，确定工程造价和完工日期。
设计要求 桥梁设计的基本要求是保证桥梁的强度、刚度、稳定性等指标符合桥梁安全使用的要求。在这个前提下，注意桥梁美观，使桥梁的轮廓造型尽可能同周围环境相协调。
①桥梁建筑限界和桥下净空：桥梁建筑限界是保证机车车辆或公路车辆、行人等安全通过桥梁所必需的轮廓尺寸。桥下净空是保证通航、通行排筏、流木流水安全通过桥梁所必需的净跨和净高。在桥梁设计中，须根据铁路工程技术标准确定桥梁的限界和净空。
②桥梁设计荷载：桥梁承受的荷载大致可分为主要荷载（主力）、附加荷载（附加力）和特殊荷载三种。主要荷载包括恒载和活载。恒载包括桥梁自重、土压力、静水压力和浮力。预应力混凝土结构的桥梁还包括预应力、混凝土收缩力和徐变的影响所产生的力等。活载包括列车重量、冲击力、离心力和列车引起的土压力等。此外还有人行道活载等。附加荷载包括列车制动力或牵引力、风力、列车横向摇摆力、水流压力、冰压力、温度变化引起的应力、冻胀力等。特殊荷载包括船只或排筏的撞击力，地震力、施工荷载等。
各种荷载并不同时作用于桥梁上，它们对桥梁结构的强度、稳定性、刚度等所产生的影响也各不相同，但在桥梁设计中要选取最不利的荷载组合进行检算。
标准设计 为了加快设计进度、提高设计质量、节省人力和物力，以及有利于工业化生产和机械化施工，很多国家都根据本国情况和条件，对桥梁工程设计制定有标准设计图。中国对20米以下跨度钢筋混凝土梁，24米、32米及40米跨度的预应力混凝土梁，各种跨度的钢板梁，48～128米各式钢桁梁，以及各式墩台、涵渠等都制定有标准设计图。
桥梁施工 桥梁施工之前，必须确定施工方法，编制完备的施工组织设计计划和制定指导性施工进度计划。各项计划的主要内容为：①主要工程项目在最有利时期施工，如水下基础安排在低水位期间进行，灌注混凝土要有较好的气温条件等。②各项工程的工期要相互密切衔接，如架梁安排在墩台圬工达到必要强度时进行。③大宗材料、动力、劳力能够均衡供应和配置。④施工辅助设备的重复使用等。
桥梁的现场施工主要是修筑基础和墩台，以及需要就地灌注的大型钢筋混凝土或预应力混凝土梁跨结构。中小跨度混凝土梁和钢梁一般采用厂制和工地组装架设。常用的施工方法有以下几种。
架桥机架梁 架桥机主要用于中小跨度梁桥的架设。中国跨度32米以下的钢筋混凝土铁路桥梁或预应力混凝土铁路桥梁绝大多数采用架桥机架设。架桥机有三种基本类型：悬臂式的，起重能力80吨和 130吨；单梁式的，起吊能力130吨；双梁式的，起吊能力 130～160吨。地势平坦，梁跨较多的引桥，常采用龙门起重机架设，如南京长江桥引桥、澧水桥引桥等都是采用龙门起重机架梁的。
鹰架法 在桥孔位置上建造满布支架(常称脚手架)和在支架上拼装组合钢桁梁或立模就地灌筑钢筋混凝土梁的施工方法。一般不用于水深流急或航运繁忙的跨河桥施工。如果桥梁墩台较高，搭建支架费用太高时，应与其他架梁方法进行经济比较后决定是否采用。
拖拉推顶法 钢梁在桥头场地拼装，用绞车纵向拖拉至墩台上的无支架施工方法。这种方法优点是施工作业安全，便于保证拼装质量。简支钢桁梁可以单孔拖拉架设。多跨简支钢桁梁可作临时连接，几孔同时拖拉就位。连续钢桁梁可数联连接拖拉。这种方法缺点是牵引滑道等设备较多，跨度大时需设导梁和临时支墩，有的还需要加固钢梁。
钢筋混凝土梁由于重量大，需要笨重的滚移设备，应用拖拉法架设受到限制。近年来，人们发现聚四氟乙烯塑料板在钢板面上滑动，摩擦系数不超过0.05，因而出现了一种应用聚四氟乙烯塑料板作滑动面，用千斤顶把钢筋混凝土梁推上桥位的施工方法，这种方法称为推顶法。中国铁路于 1977年在西安-延安铁路线上建成的狄家河4×40米箱形预应力混凝土连续梁桥，是中国首次应用推顶法架设的（图2）。
悬臂拼装法 从桥的一端或两端，将梁部逐段向前悬空拼装的无支架施工方法，是大跨度连续钢桁梁架设的常用方法。运用这种方法拼装钢梁，随着悬臂的增长，杆件应力逐步加大，最大应力可能超过钢梁设计荷载。为此需要进行临时加固或采取降低应力措施。如中国武汉长江桥和枝城长江桥在安装过程中，为降低安装应力曾在前方墩加设塔架，或利用索塔加设拉索。
用悬臂拼装法或悬臂灌注法修筑大跨度预应力混凝土连续梁桥，自1950年联邦德国首次应用成功后，30年来得到了广泛发展。中国成昆铁路上旧庄河桥、孙水河桥，以及近年建成的湘桂铁路上的红水河桥，都是采用这种方法施工。
浮运法 梁在河岸组装后，用船运到桥位，并利用水位涨落将梁就位。孔数较少的桥梁，也可采用半浮运法，即梁在岸上拼装，伸出桥台，用浮船托起，用拖拉法把钢梁运到前方墩台上。半浮运法需用辅助设备较多，施工条件有一定要求，因此，应用较少。
近年来，随着大型水上起重船和铁驳船的出现，钢梁安装趋向于采用大块或整体吊装就位的方法。这既可缩短工期，又能提高抗风安全度，减少高空作业的危险。同时组装工作在地面进行，能够保证复杂结构的几何尺寸。
桥梁养护维修 为保证桥梁行车安全和延长其使用寿命，对桥梁必须进行经常性的检查，维修和大修，加固和改建等项工作（见铁路桥梁养护）。