本文選自中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2020年第3期

作者：劉曉光，盧春房，鞠曉臣，蔡超勛

編者按

新中國成立以來我國鐵路事業(yè)成就顯著，在國民經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，尤其是近15年來高速鐵路建設(shè)飛速發(fā)展，成為一張靚麗的國家名片。鋼結(jié)構(gòu)對于鐵路發(fā)展起著不可替代且極為關(guān)鍵的作用，在鐵路大跨度鋼橋、高速鐵路車站屋架結(jié)構(gòu)等工程中獲得廣泛應(yīng)用。站位于新的歷史階段，適時對我國鐵路鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展進行回顧和展望，具有一定的工程實踐價值和理論研究價值。

中國工程院盧春房院士科研團隊在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》撰文，從材料、結(jié)構(gòu)、使用規(guī)模等角度，對大跨度鋼橋、車站屋架等鐵路鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展進行了系統(tǒng)回顧。文章提出了我國鐵路鋼結(jié)構(gòu)輕量化、裝配化、信息化、耐久性和高韌性的技術(shù)發(fā)展趨勢，總結(jié)了鐵路鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計、施工、運維和材質(zhì)等方面的未來重點工作。文章指出，隨著應(yīng)用地域和環(huán)境的多樣化，鐵路鋼結(jié)構(gòu)仍然面臨一系列有待攻克的技術(shù)難題，如耐候設(shè)計、海洋惡劣環(huán)境施工、高原少維護等，需持續(xù)加大研究投入以保障關(guān)鍵技術(shù)突破與運用。

一、前言

鋼結(jié)構(gòu)主要分為建筑鋼結(jié)構(gòu)、橋梁鋼結(jié)構(gòu)等，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有強度高、工程造價低、自重輕、施工周期短、可工廠化制作等優(yōu)點。伴隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、加工制造和施工技術(shù)水平顯著提高，在鐵路中的應(yīng)用也得到跨越式發(fā)展。我國建造了數(shù)十座跨越大江大河的大跨度鐵路鋼橋和一批結(jié)構(gòu)形式新穎、造型美觀的大跨度高架站房結(jié)構(gòu)，極大地促進了我國鐵路事業(yè)的發(fā)展。

本文站位于新的歷史階段，從材料、結(jié)構(gòu)、使用規(guī)模的角度對大跨度鐵路鋼橋、車站屋架等鐵路鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展進行回顧；根據(jù)我國國情，提出鐵路鋼結(jié)構(gòu)輕量化、裝配化、信息化、耐久性、高韌性的發(fā)展趨勢，進一步明確鐵路鋼結(jié)構(gòu)未來在設(shè)計、施工、運維和材質(zhì)方面的重點工作；提出基于建筑信息模型（BIM）技術(shù)的信息化設(shè)計、裝配化施工、智能化運維的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展建議。

二、我國鐵路鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展回顧

以鐵路工程中的鋼橋和車站兩大鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)施為重點，從材料、結(jié)構(gòu)、使用規(guī)模的角度對我國鐵路鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程進行回顧。

（一）鋼橋

1937年建成的錢塘江大橋是中國自行設(shè)計、建造的第一座雙層公鐵兩用鋼結(jié)構(gòu)桁梁橋。新中國成立后鐵路橋梁技術(shù)發(fā)展成就顯著，尤其是近20年，得益于高速鐵路的建設(shè)，數(shù)座大跨度橋梁相繼落成或開工建設(shè)。從鐵路大跨度橋梁技術(shù)發(fā)展歷程來看，已經(jīng)建成了多座里程碑式的橋梁工程（見表1和圖1）。

表1 我國代表性的長江鐵路鋼橋

注：2鐵4公表示雙線鐵路、4車道公路；4鐵6公表示4線鐵路、6車道公路。

圖1 我國鐵路鋼橋發(fā)展歷程

武漢長江大橋主橋為跨度3×128 m的鉚接連續(xù)鋼桁梁，通行雙線鐵路、4車道公路。主桁材質(zhì)為從國外進口的A3q鋼，全橋用鋼量為2.44×10⁴t。首次采用鋼板樁圍堰管樁基礎(chǔ)，鋼筋混凝土管柱直徑為1.55 m。武漢長江大橋的建成標(biāo)志著我國初步具有建設(shè)大跨度鐵路橋梁的能力。

南京長江大橋主橋為跨度3×160 m鉚接連續(xù)鋼桁梁，通行雙線鐵路、4車道公路。主桁材質(zhì)為我國自主研發(fā)的16錳橋鋼（16Mnq），用鋼量為6.65×10⁴t。主橋采用4類基礎(chǔ)：筑島重型混凝土沉井基礎(chǔ)、深水浮式鋼筋混凝土沉井基礎(chǔ)、鋼板樁圍堰管柱基礎(chǔ)、沉井加管柱基礎(chǔ)，其中預(yù)應(yīng)力混凝土管柱直徑為3.6 m。南京長江大橋的建成標(biāo)志著我國具有自主創(chuàng)新的鐵路橋梁技術(shù)。

九江長江大橋主橋為跨度180 m+216 m+180 m栓焊連續(xù)鋼桁梁拱橋，通行雙線鐵路、4車道公路。主桁材質(zhì)為我國自主研發(fā)的15錳釩氮橋鋼（15MnVNq），首次采用M27高強螺栓連接，全橋用鋼量為5.68×10⁴t。采用雙壁鋼圍堰鉆孔基礎(chǔ)取代了管柱基礎(chǔ)。九江長江大橋的建成標(biāo)志著鉚接鋼橋退出我國新建橋梁工程的歷史舞臺。

t；主航道橋為全焊整體節(jié)段設(shè)計，實現(xiàn)了橋梁的大型化、工廠化制造；全橋共有92個節(jié)段，其中12個節(jié)段質(zhì)量達到1600 t；由372塊公路和鐵路橋面、170片橫聯(lián)、558根弦桿、1269根腹桿組成，單根桿件最大質(zhì)量約為114 t、最高5 m，采用整節(jié)段吊裝技術(shù)施工完成（見圖2）。

圖2 滬通長江大橋鋼梁制造示意圖

（二）車站

在新中國建國前修建的鐵路車站大多粗糙簡陋，建國后陸續(xù)修建了一些不同等級的車站。但直到20世紀(jì)末，國內(nèi)車站建筑結(jié)構(gòu)還多為磚木結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)跨度小且功能單一。

近年來，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，我國的鐵路車站建設(shè)也取得了長足進步，一批結(jié)構(gòu)形式新穎、造型美觀的車站設(shè)施相繼建設(shè)完成（見表2），其中最有代表性的是南京南站和北京南站。

表2 我國代表性的高速鐵路車站

南京南站主站房采用了站橋合一的高架站房框架結(jié)構(gòu)體系，一層出站層和二層站臺層均為承托超重荷載的大跨度結(jié)構(gòu)。屋架為大跨度大懸挑鋼結(jié)構(gòu)，最大跨度為72 m，最大懸挑為30 m，總高近60 m。站房屋蓋采用正交異性鋼網(wǎng)架形式，總用鋼量達到12×10⁴t。

北京南站主體結(jié)構(gòu)由中央站房、站臺雨篷及地下?lián)Q乘大廳三部分組成，總用鋼量約為5×10⁴t。中央站房為雙曲穹頂，外形為橢圓結(jié)構(gòu)，屋面為雙向圓弧的光滑曲面（見圖3），其主要承重構(gòu)件包括支撐屋蓋的格構(gòu)柱、橫向桁架、縱向桁架和鋼梁等。鋼結(jié)構(gòu)屋蓋由 15 榀三跨連續(xù)變截面剛架組成。雨篷設(shè)巨大A字形鋼塔柱共有94根，預(yù)應(yīng)力懸垂梁最大下垂度為6.4 m；內(nèi)環(huán)曲線形高架橋位于站房和雨篷之間，跨度范圍為16~40 m。屋蓋施工采用高空散拼法安裝。

圖3 施工過程中的北京南站

三、鐵路鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢

隨著鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計和建造水平的提高，鐵路鋼結(jié)構(gòu)朝著輕量化、裝配化、信息化、耐久性、高韌性的方向發(fā)展。

（一）輕量化

當(dāng)前，無論是鐵路橋梁還是站房結(jié)構(gòu)都朝著大跨度方向發(fā)展，這是因為自重是制約跨度的重要因素，故橋梁、屋架等大跨度結(jié)構(gòu)的輕量化成為必然。高強輕質(zhì)材料的應(yīng)用是輕量化結(jié)構(gòu)技術(shù)的突破口之一，而鋼結(jié)構(gòu)作為典型的高強輕質(zhì)結(jié)構(gòu)將在未來的鐵路建設(shè)中獲得大量使用。

（二）裝配化

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展、預(yù)制構(gòu)件的加工精度與裝配式施工技術(shù)水平的提高，裝配式施工獲得了廣泛應(yīng)用。裝配化施工可以縮短建設(shè)周期，實現(xiàn)資源集約，降低施工干擾，且工廠化、集約化的管理也更利于保障施工質(zhì)量?？焖偈┕?、無人化或少人化施工、工廠化施工、高質(zhì)量施工將是未來施工技術(shù)的發(fā)展方向，這些技術(shù)均要求鐵路鋼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更高程度的裝配化，特別是整體結(jié)構(gòu)的裝配化（見圖4）。

圖4 公鐵兩用橋的鋼梁節(jié)段裝配化整體吊裝

（三）信息化

鐵路鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工、工程管理、養(yǎng)護維修，需要以現(xiàn)代化的信息和通信技術(shù)為支撐，從而涉及大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的應(yīng)用（見圖5）。信息化重點體現(xiàn)在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工、運維等整個生命周期，還包括建造過程智能化和管理決策智能化等。

圖5 信息化發(fā)展與智能建造的發(fā)展構(gòu)成

（四）耐久性

按照我國橋梁設(shè)計規(guī)范，鐵路鋼橋設(shè)計壽命一般為100年。從鋼結(jié)構(gòu)自身性能和技術(shù)綠色發(fā)展的要求來看，繼續(xù)延長鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命是技術(shù)趨勢。高性能耐候鋼板的研制和應(yīng)用、不銹鋼復(fù)合鋼板的推廣應(yīng)用、新型涂裝材料和體系等方面成為鐵路鋼結(jié)構(gòu)耐久性研究的主要方向。

（五）高韌性

鐵路鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)?shù)挚挂欢ǔ潭鹊淖匀粸?zāi)害沖擊，有效抵御有意或無意的人為破壞，這不僅關(guān)系到鋼結(jié)構(gòu)自身安全，更事關(guān)人民生命財產(chǎn)安全和經(jīng)濟社會發(fā)展。鐵路鋼結(jié)構(gòu)必須具有一定的韌性，技術(shù)主攻方向包括：從材料出發(fā)，重點研發(fā)高韌性鋼材來提高結(jié)構(gòu)材料韌性；從結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式尤其是節(jié)點及連接件的構(gòu)造措施。

四、我國鐵路鋼結(jié)構(gòu)重點工作建議

（一）設(shè)計方面

1. 辨識服役環(huán)境，擬定設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

我國地域廣闊，地理、地質(zhì)、氣候環(huán)境復(fù)雜，而鐵路建設(shè)分布于全國各地，在開展設(shè)計的過程中需要準(zhǔn)確判斷鋼結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境。當(dāng)前劃分的6種環(huán)境有可能無法涵蓋一些局部實情，如青藏高原的特殊情況，應(yīng)提出新的服役環(huán)境判識類別和標(biāo)準(zhǔn)，擬定相應(yīng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)建議并報批，為鐵路鋼結(jié)構(gòu)耐久性打牢外因基礎(chǔ)。另外，對于鋼結(jié)構(gòu)服役地區(qū)的地震、洪水、泥石流、滑坡等自然災(zāi)害，應(yīng)充分調(diào)查、明晰歸類，準(zhǔn)確采取與之相適應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和措施，為增加鋼結(jié)構(gòu)抗力合理擬定輸入條件。以地震災(zāi)害為例，應(yīng)針對當(dāng)?shù)厍闆r明確鐵路鋼橋抗震性能指標(biāo)、設(shè)計方法、構(gòu)造措施、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)等。

2. 提升設(shè)計理論和方法

目前鐵路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計方面較為成熟的方法有容許應(yīng)力法、極限狀態(tài)法等，但從提高結(jié)構(gòu)性能和降低成本的角度來看，相關(guān)設(shè)計理論和結(jié)構(gòu)形式等方面尚有完善空間。關(guān)于設(shè)計理論，宜總結(jié)和深化大跨度橋梁剛度控制標(biāo)準(zhǔn)研究，系統(tǒng)開展溫度、徐變等后期變形的控制標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)技術(shù)措施研究。關(guān)于結(jié)構(gòu)形式，宜適時開展預(yù)應(yīng)力梁、斜拉 – 懸吊協(xié)作結(jié)構(gòu)體系、新型鋼 – 混組合結(jié)構(gòu)等技術(shù)研究，還可采用輕型結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)用輕型管狀和矩形空腹構(gòu)件等。提出新的算法、開發(fā)新的軟件，也是促進和保障鐵路鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與工程化能力創(chuàng)新發(fā)展的重要方面。

3. 拓寬BIM技術(shù)應(yīng)用范圍

BIM技術(shù)將鐵路橋梁工程所有涉及的過程信息匯集到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，據(jù)此實現(xiàn)信息共享與管理。BIM技術(shù)在設(shè)計流程上進行了優(yōu)化而更具工程實施的合理性，可以有效防范設(shè)計上的“差錯漏碰”，為工程施工和養(yǎng)護維修的數(shù)據(jù)化、過程管理的可視化提供強有力的手段，從而大幅提高設(shè)計與審核工作的效率（見圖6）。應(yīng)加快推廣BIM技術(shù)在鐵路鋼橋梁設(shè)計中的應(yīng)用，提高我國鐵路橋梁設(shè)計和管理工作的信息化水平。

圖6 BIM技術(shù)解決碰撞問題

（二）施工方面

1. 線性控制

目前設(shè)計和使用的鐵路鋼結(jié)構(gòu)多為超靜定結(jié)構(gòu)形式，在安裝施工過程中，若線形控制不嚴(yán)將會產(chǎn)生扭曲和彎曲變形，誘導(dǎo)附加內(nèi)力并使受力狀態(tài)出現(xiàn)變化，嚴(yán)重時可使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。在鐵路鋼結(jié)構(gòu)安裝施工過程中，應(yīng)注重采用先進的測繪和調(diào)整技術(shù)來確保線形平順。

2. 焊接

歷史經(jīng)驗表明，鐵路鋼結(jié)構(gòu)焊接中曾出現(xiàn)過焊接缺陷（不致密、連接不良、未焊透、夾渣、未焊滿等）帶來的質(zhì)量問題，影響了結(jié)構(gòu)受力和耐久性。當(dāng)前鐵路鋼結(jié)構(gòu)施工中主要采用的自動埋弧焊和氣體保護焊等焊接方法，基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。為了滿足一些特殊鋼結(jié)構(gòu)的焊接需求，應(yīng)示范應(yīng)用一批先進的焊接控制方法、設(shè)備和軟件（見圖7），總結(jié)經(jīng)驗并全面推廣。

圖7 先進的鐵路鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)

3. 涂裝

若涂裝方法不當(dāng)、噴涂質(zhì)量不高，將加劇鐵路鋼結(jié)構(gòu)銹蝕。從現(xiàn)場情況分析，若除銹手段落后、除銹效果不佳，直接進行涂裝會嚴(yán)重影響涂裝質(zhì)量。應(yīng)推廣工廠除銹和涂裝方式，普及現(xiàn)場螺栓連接方法（以免焊接破壞工廠涂裝），通過技術(shù)升級來全面保障涂裝質(zhì)量。

4. 工廠化裝備研制

研制適用于裝配化、大型化鐵路鋼結(jié)構(gòu)的施工設(shè)備以及與之配套的工廠化工藝裝備與智能化設(shè)備，逐步實現(xiàn)自動化施工。在提升裝配生產(chǎn)效率的同時，減少或避免人為的不規(guī)范行為對鐵路鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的影響。

（三）運維方面

1. 檢測監(jiān)測

除了日常檢查外，先進鐵路鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計施工階段應(yīng)針對性地布設(shè)長期監(jiān)測設(shè)備，對運營期間的環(huán)境特征和結(jié)構(gòu)狀態(tài)開展實時監(jiān)測。利用動態(tài)檢測設(shè)備定期對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進行檢測，針對檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，精確指導(dǎo)結(jié)構(gòu)養(yǎng)護維修和評估以保證鐵路鋼結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)的安全可靠承載。

2. 修復(fù)

面對自然災(zāi)害、人為破壞造成的結(jié)構(gòu)損傷以及設(shè)計、施工中產(chǎn)生的缺陷或隱患，應(yīng)及時做出維修決策，指導(dǎo)采用新技術(shù)、新材料實施修復(fù)，消除鐵路鋼結(jié)構(gòu)“帶病工作”現(xiàn)象。以正交異性橋面疲勞加固修復(fù)為例，可采用鋼板與高強螺栓組合或高性能混凝土鋪裝來進行加固，從而修復(fù)結(jié)構(gòu)病害（見圖8）。

圖8 正交異性橋面疲勞的加固形式

3. 評估

基于檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)，對鐵路鋼結(jié)構(gòu)進行狀態(tài)評定和服役性能分析，掌握結(jié)構(gòu)性能狀態(tài)的變化過程。對于已使用多年或遭受突然性破壞的鐵路鋼結(jié)構(gòu)，重點開展壽命期服役評估以確保絕對安全。

（四）鋼材材質(zhì)

鋼材性能是鋼結(jié)構(gòu)性能的源頭，提升冶煉技術(shù)以保證鋼材合格率是重中之重。以鋼材質(zhì)量保障為基礎(chǔ)，進一步提高鋼材性能是未來鐵路鋼結(jié)構(gòu)性能提升的重點方向。

1. 高強

現(xiàn)階段國內(nèi)鐵路橋梁普遍采用Q345、Q370橋梁鋼，而Q420q、Q500q鋼處于推廣使用階段。例如，南京大勝關(guān)長江大橋采用了Q420q鋼板；滬通長江大橋采用了強度等級更高的Q500q鋼材，提出了鋼板在橫、縱兩個方向上拉伸檢驗均需滿足屈服強度≮ 500 MPa、抗拉強度＞ 630 MPa 的要求。隨著大跨度橋梁的興建，高強度鋼材在鐵路工程中的應(yīng)用需求量會越來越大，Q500q以上規(guī)格的橋梁用鋼、2000 MPa以上強度的纜索鋼絲將不可或缺。

2. 耐候

腐蝕會消耗大量的鋼鐵資源，導(dǎo)致自然環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境破壞，其中基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕占有相當(dāng)大的比例。加強不銹蝕、不被化學(xué)有害物質(zhì)腐蝕的鋼材研究，且成本問題應(yīng)予以關(guān)注。耐候鋼由于冶煉工序的增加，材質(zhì)的一次性投資略高于同等級普通低合金鋼。但從橋梁成品角度來看，由于在工廠和現(xiàn)場減少了部件的表面處理和涂料，綜合經(jīng)濟效益較有優(yōu)勢。

3. 韌性

鐵路工程對結(jié)構(gòu)鋼的品質(zhì)要求高，在滿足強度的同時還需具有較高的韌性。為了提高鐵路鋼橋的韌性，防止因脆性斷裂引發(fā)安全事故，橋梁鋼的韌性指標(biāo)將不斷提高。在高寒地區(qū)鋼材更易發(fā)生脆斷，這對材料韌性指標(biāo)提出了更高要求。在不斷提高鋼材強度的同時，通過韌性提升來維持一定的防斷性能至關(guān)重要。

五、結(jié)語

隨著我國鐵路線路的不斷增加，鐵路鋼結(jié)構(gòu)在海洋強腐蝕、高原高寒強紫外線等特殊氣候條件中的應(yīng)用越來越多，這對鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工、運維、裝備和鋼材材質(zhì)方面提出了更高的要求。耐候設(shè)計、海洋惡劣環(huán)境施工、高原少維護等一系列技術(shù)難題有待攻克，需要持續(xù)保障在這些方面的研究投入。

針對耐候性問題，不斷提高耐候鋼板以及耐候螺栓的性能指標(biāo)，增加耐候鋼材在鐵路工程中的應(yīng)用是重要的發(fā)展方向。針對惡劣的施工環(huán)境，發(fā)展裝配式、機械化和智能化的施工技術(shù)來減少現(xiàn)場施工操作量、提高施工質(zhì)量。針對高原維護的問題，提高鐵路鋼結(jié)構(gòu)工程運維管理水平，研發(fā)新型智能化數(shù)字化的管養(yǎng)技術(shù)和設(shè)備。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。

作者介紹

盧春房，鐵路工程技術(shù)和管理專家，中國工程院院士。

長期從事鐵路建設(shè)管理和科技創(chuàng)新工作，組織建設(shè)我國高鐵路網(wǎng)骨架，創(chuàng)立高鐵建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化管理模式和動態(tài)施工組織方法；組織高鐵技術(shù)一體化自主創(chuàng)新，建立我國高鐵技術(shù)研發(fā)和實驗驗證體系；研發(fā)CRTSⅢ型無砟軌道系統(tǒng)，在全國高鐵大規(guī)模使用；組織研制“復(fù)興號”動車組，實現(xiàn)自主化、簡統(tǒng)化。