《战略研究丨我国铁路钢结构发展回顾与展望》

本文首发于2021年4月1日，本文来自微信公众号：中国工程院学报（ID：CAE-Engineering）。 作者：刘晓光、卢春芳、鞠晓晨、蔡朝勋。 原标题：《战略研究丨我国铁路钢结构发展“回顾与展望”，题图来自视觉中国

新中国成立以来，我国铁路事业取得了令人瞩目的成就，为国民经济发展发挥了重要作用。 特别是近15年来，高铁建设快速发展，已成为一张亮丽的国家名片。

钢结构在铁路发展中发挥着不可替代的关键作用，广泛应用于大跨度铁路钢桥、高铁车站屋架结构等工程。 车站处于新的历史阶段，为我国铁路钢结构的发展提供了及时的回顾和展望，具有一定的工程实践价值和理论研究价值。

中国工程院卢春芳院士科研团队在中国工程院院刊《中国工程科学》上撰文，对大跨度等铁路钢结构的发展进行了系统回顾从材料、结构、使用规模等角度对钢桥和车站屋架进行了分析。 文章提出了我国铁路钢结构轻量化、装配化、信息化、耐久性、高韧性的技术发展趋势，总结了未来铁路钢结构在设计、施工、运营维护、材料等方面的重点工作。 文章指出，随着应用领域和环境的多样化，铁路钢结构仍面临一系列需要克服的技术难题，如耐候设计、恶劣海洋环境下的施工、高原上的低维护等。 ，还要继续加大科研投入，确保关键技术突破和应用。

铁路作为国家重要基础设施和大众化的交通运输工具，在我国综合交通运输体系中占据骨干地位。 截至2019年底，我国铁路运营里程达到13.9×104公里，其中高铁运营里程达到3.5×104公里。 在铁路工程中，许多重要设施均采用钢结构建造，如跨越河流、峡谷的大跨度铁路桥梁、现代化大跨度高架站房等。铁路的快速发展离不开钢结构的研究、开发和应用。钢结构技术。

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、工期短、可工厂化制造等优点。 随着国民经济的快速发展，钢结构的设计、加工、制造和施工技术显着提高，其在铁路上的应用也得到长足发展。 我国已建成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车站结构，极大地促进了我国铁路事业的发展。

本文处于新的历史阶段。 从材料、结构、使用规模等角度回顾了大跨度铁路钢桥、车站屋架等铁路钢结构的发展。 结合我国国情，提出铁路钢结构轻量化、装配化、信息化。 进一步明确铁路钢结构未来在设计、施工、运营维护、材料等方面的重点任务； 提出信息化设计、装配化施工、基于建筑信息模型（BIM）技术的智能化设计。 钢结构优化运行和维护发展建议。

我国铁路钢结构发展回顾

围绕铁路工程钢桥和车站两大钢结构基础设施，从材料、结构、使用规模等角度回顾了我国铁路钢结构的发展历史。

钢桥

钱塘江大桥于1937年竣工，是我国设计建造的第一座双层公铁两用钢结构桁架桥。 新中国成立后，铁路桥梁技术的发展取得了令人瞩目的成就。 特别是近20年来，得益于高铁建设，多座大跨度桥梁建成或开工。 从铁路大跨桥梁技术的发展历史来看，已经建成了许多标志性桥梁工程（见表1、图1）。

表1 我国代表性长江铁路钢桥

注：2铁路4公路指双线铁路和4车道公路； 4铁6公指的是4线铁路和6车道公路。

图1 我国铁路钢桥的发展历史

武汉长江大桥主桥为铆接连续钢桁梁，跨度3×128 m，承载两线铁路和四车道公路。 主要桁架材料采用国外进口A3q钢，全桥用钢量2.44×104t。 首次采用钢板桩围堰管桩基础，钢筋混凝土管柱直径1.55m。 武汉长江大桥的建成，标志着我国初步具备了修建大跨铁路桥梁的能力。

南京长江大桥主桥为铆接连续钢桁梁，跨度为3×160 m，承载两线铁路和四车道公路。 主要桁架材料为我国自主研发的16锰桥梁钢（16Mnq），用钢量为6.65×104t。 主桥采用岛式重混凝土沉箱基础、深水浮式钢筋混凝土沉箱基础、钢板桩围堰管柱基础、沉箱加管柱基础四种基础型式，其中预应力混凝土管柱直径为3.6 m。 南京长江大桥的建成，标志着我国铁路桥梁技术的自主创新。

九江长江大桥主桥为锚杆连续钢桁架拱桥，跨度为180m+216m+180m，承载两线铁路和四车道公路。 主要桁架材料为我国自主研发的15锰钒氮桥梁钢（15MnVNq）。 首次采用M27高强螺栓连接。 全桥总用钢量为5.68×104t。 采用双壁钢围堰钻孔基础代替管柱基础。 九江长江大桥的竣工，标志着铆接钢桥退出我国新建桥梁工程的历史舞台。

芜湖长江大桥主桥为双低塔双索面斜拉桥，跨度为180m+312m+180m。 它承载双线铁路和四车道高速公路。 主桁架采用我国自主研发的14锰铌桥梁钢（14MnNbq）。 整体接头采用厚板焊接而成。 全桥总用钢量为7.16×104t。 采用钢筋混凝土板和钢桁架梁共同承受组合桁架梁的受力。 芜湖长江大桥的竣工，标志着我国在全焊接桥梁技术方向迈出了一大步，也拉开了铁路大跨度斜拉桥建设的帷幕。

天兴洲长江大桥是一座公铁两用斜拉桥，主跨504m，承载铁路4线、公路6车道。 全球首次采用三个主桁架、三个索面螺栓焊接结构。 钢结构材料为Q370q，全桥用钢量为4.61×104t。 天兴洲长江大桥的建成，实现了我国铁路桥梁跨度由300米提高到500米，标志着我国铁路斜拉桥技术迈上了新台阶。

在上述建设成果的基础上，我国钢桥技术得到进一步发展。 正在建设的胡同长江大桥和五凤山长江大桥主跨均超过一公里。

以沪通长江大桥为例，桥梁主跨为140 m+462 m+1092 m+462 m+140 m。 采用三主桁架、三索平面结构； 主桁截面最大轴力达到7.0×105kN 根据承载要求，主桥钢桁确定采用Q370qE、Q420qE、Q500qE等各种规格钢材，总用钢量13.95×104t，其中Q500qE采用3.16×104t； 主航道桥为全焊接整体节段设计，实现桥梁规模化、工厂化制造； 该桥共有92节，其中12节重量达1600吨； 它由372个公路和铁路桥面、170个交叉连接和558根弦杆组成，由1269根腹杆组成。 单杆最大质量约为114t，最大可达5m。 采用全管片吊装技术完成施工（见图2）。

图2 沪通长江大桥钢梁制作示意图

车站

建国前修建的火车站大多简陋、简陋。 新中国成立后，陆续修建了一些不同等级的车站。 然而，直到20世纪末，国内站房结构大多为砖、木或混凝土结构，跨度较小，功能单一。

近年来，随着高铁的快速发展，我国火车站建设也取得了长足的进步。 一批结构新颖、造型美观的车站设施相继建成（见表2），其中最具代表性的是南京。 火车南站和北京南站。

表2 我国代表性高铁车站

南京南站主站房采用站桥一体化的高架车站框架结构体系。 一层出站层和二层站台层均为大跨度结构，可承受超重荷载。 屋架为大跨大悬臂钢结构，最大跨度72 m，最大悬挑30 m，总高度近60 m。 站顶采用正交异性钢格栅形式，总用钢量12×104t。

北京南站主体结构由中心站房、站台雨棚和地下换乘大厅三部分组成。 钢材总消耗量约为5×104t。 中央车站大楼是一个椭圆形的双曲圆顶。 屋顶为光滑曲面，具有双向弧线（见图3）。 其主要承重构件包括格构柱、横向桁架、纵向桁架和支撑屋顶的钢梁。 钢结构屋盖由15个三跨连续变截面刚架组成。 雨篷设有94根巨大A型钢塔柱，预应力悬梁最大下垂6.4m； 内环弧形高架桥位于站房与雨篷之间，跨度范围16~40 m。 屋面施工采用高空分散拼装方式。

图3 施工中的北京南站

铁路钢结构的发展趋势

随着钢结构设计和施工水平的提高，铁路钢结构正向轻量化、装配化、信息化、耐久性、高韧性方向发展。

轻的

目前，无论是铁路桥梁还是车站结构都在向大跨度方向发展。 这是因为自重是限制跨度的重要因素，因此桥梁、屋架等大跨度结构的轻量化已成为必然。 高强轻质材料的应用是轻质结构技术的突破之一，而钢结构作为典型的高强轻质结构，将在未来铁路建设中得到广泛应用。

集会

随着现代工业技术的发展，预制构件加工精度和装配式建筑技术水平的提高，装配式建筑得到了广泛的应用。 装配式施工可以缩短施工周期，实现资源集约化，减少施工干扰，工厂化、集约化管理也更有利于保证施工质量。

快速施工、无人或少人施工、工厂化施工、高质量施工将是未来施工技术的发展方向。 这些技术对铁路钢结构的装配化程度，特别是整体结构的装配化要求较高。 （见图 4）。

图4 公铁两用桥钢梁节段预制整体吊装

信息化

铁路钢结构的设计、施工、项目管理和维护需要现代信息通信技术的支撑，其中涉及大数据、物联网、人工智能等技术的应用（见图5）。 信息化重点关注钢结构设计、施工、运营和维护的全生命周期，还包括施工过程智能化和管理决策智能化。

图5 信息化发展和智能化建设发展格局

耐用性

根据我国桥梁设计规范，铁路钢桥的设计寿命一般为100年。 从钢结构本身的性能和绿色技术发展的要求来看，持续延长钢结构的使用寿命是一种技术趋势。 高性能耐候钢板的开发与应用、不锈钢复合钢板的推广与应用、新型涂层材料及体系等已成为铁路钢结构耐久性研究的主要方向。

高韧性

铁路钢结构应能抵抗一定程度的自然灾害，有效抵抗有意或无意的人为破坏。 这不仅关系到钢结构本身的安全，而且关系到人民群众生命财产安全和经济社会发展。 铁路钢结构必须具有一定的韧性。 主要技术方向包括：从材料出发，重点开发高韧性钢，提高结构材料的韧性； 从结构形式入手，优化结构形式，特别是节点、连接件的结构措施。

关于我国铁路钢结构重点工作的建议

设计方面

1. 识别服务环境并制定设计标准

我国幅员辽阔，地理、地质、气候环境复杂，铁路建设分布全国各地。 在设计过程中，需要准确确定钢结构的使用环境。 目前划分的六类环境可能无法涵盖一些当地的实际情况，例如青藏高原的特殊情况。 提出新的使用环境标识类别和标准，制定相应的施工标准建议并报批，为铁路钢结构耐久性奠定坚实的基础。 外部基础。

此外，应充分调查钢结构在役地区的地震、洪水、泥石流、山体滑坡等自然灾害，明确分类，准确采用相应的设计标准和措施，合理制定投入条件，提高钢结构在役区域的抗震能力。钢结构的抗力。 以地震灾害为例，应因地制宜明确铁路钢桥的抗震性能指标、设计方法、结构措施、设防标准等。

2、完善设计理论和方法

目前铁路钢结构设计中比较成熟的方法有许用应力法、极限状态法等，但从提高结构性能、降低成本的角度来看，相关设计理论和结构形式仍有改进的空间。 在设计理论方面，宜总结和深化大跨桥梁刚度控制标准研究，系统开展温度、徐变等后期变形控制标准及相关技术措施研究。 在结构形式上，宜适时开展预应力梁、斜拉-悬挂协同结构体系、新型钢-混凝土组合结构等技术研究。 还可采用轻型结构形式、轻质管状、矩形空心腹板构件等。 提出新算法、开发新软件也是促进和保证铁路钢结构设计理论和工程能力创新发展的重要方面。

3、拓宽BIM技术的应用范围

BIM技术将铁路桥梁工程涉及的所有过程信息汇集到统一的数据库中，从而实现信息共享和管理。 BIM技术优化了设计流程，使项目实施更加合理。 能够有效防止设计中的“错误和遗漏”，为项目建设和维护的数字化、过程管理的可视化提供了有力的手段。 这大大提高了设计和审核工作的效率（见图6）。 应加快BIM技术在铁路钢桥设计中的应用，提高我国铁路桥梁设计和管理工作的信息化水平。

图6 BIM技术解决碰撞问题

建造

1. 线性控制

目前设计和使用的铁路钢结构大多为超静定结构。 在安装施工过程中，如果线性控制不严格，会产生扭曲和弯曲变形，诱发附加内力，引起应力状态的变化。 严重时会发生结构性破坏。 铁路钢结构安装施工过程中，应注意采用先进的测量、调整技术，保证线路顺利走线。

2、焊接

历史经验表明，铁路钢结构焊接中曾出现过由焊接缺陷（不致密、连接不良、未焊透、夹渣、未焊透等）引起的质量问题，影响了结构的受力和耐久性。 。 目前铁路钢结构施工主要采用自动埋弧焊、气体保护焊等焊接方法。 基础技术已经非常成熟。 为满足一些特殊钢结构的焊接需要，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7 先进铁路钢结构焊接技术

3. 绘画

如果涂装方法不当、喷涂质量不高，就会加剧铁路钢结构的腐蚀。 从现场情况分析，如果除锈方法落后，除锈效果差，直接喷漆会严重影响喷漆质量。 推广工厂除锈、涂装方法，推广现场螺栓连接方法（防止焊接破坏工厂涂层），通过技术升级充分保证涂层质量。

4、工厂设备开发

开发适用于装配式、大型铁路钢结构的施工装备以及配套的工厂化工艺装备和智能装备，逐步实现自动化施工。 在提高装配生产效率的同时，还可以减少或避免人为不规范行为对铁路钢结构施工质量的影响。

操作维护

1、检测与监控

先进的铁路钢结构除日常检测外，还应在设计和施工阶段配备长期监测设备，对运营过程中的环境特征和结构状况进行实时监测。 利用动态检测设备定期对关键结构进行检测，对检测监测数据进行综合分析，准确指导结构维护、修复和评估，确保铁路钢结构在使用寿命期间安全可靠地承载。

2. 维修

针对自然灾害、人为破坏造成的结构损坏，以及设计、施工中出现的缺陷或隐患，要及时做出维修决策，指导使用新技术、新材料进行修复。修复，杜绝铁路钢结构“带病作业”现象。 以正交异性桥面疲劳加固修复为例，可采用钢板与高强螺栓的组合或高性能混凝土铺砌的方式进行加固，修复结构病害（见图8）。

图8 正交各向异性桥面疲劳加固形式

3. 评价

根据检测监测数据，对铁路钢结构进行状态评估和使用性能分析，了解结构性能状态的变化过程。 对于使用多年或突然损坏的铁路钢结构，重点进行全生命周期服役评估，确保绝对安全。

钢材材质

钢材的性能是钢结构性能的源泉。 提高冶炼技术，确保钢材合格率是当务之急。 在保证钢材质量的基础上，进一步提高钢材性能是未来提高铁路钢结构性能的重点方向。

1、强度高

目前，国内铁路桥梁普遍采用Q345、Q370桥梁钢，而Q420q、Q500q钢正处于推广使用阶段。 例如，南京大胜关长江大桥采用Q​​420q钢板； 沪通长江大桥采用强度等级更高的Q500q钢材。 提出钢板必须满足屈服强度≮500MPa、抗拉强度>630MPa的要求。 随着大跨度桥梁的建设，铁路工程对高强钢的应用需求将会增加。 Q500q以上规格的桥梁钢材和强度2000MPa以上的电缆线必不可少。

2、耐候性

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相当大的比例。 加强不生锈、不被有害化学物质腐蚀的钢材研究，并应重视成本问题。 由于增加了冶炼工序，耐候钢的一次性投资略高于同牌号普通低合金钢。 但从桥梁成品来看，由于减少了工厂和现场构件的表面处理和涂装，综合经济效益更有优势。

3. 韧性

铁路工程对结构钢的质量要求很高，不仅要满足强度要求，还要具有较高的韧性。 为提高铁路钢桥梁的韧性，防止脆性断裂引发的安全事故，桥梁钢的韧性指标将不断提高。 钢材在高寒地区更容易发生脆性断裂，这对材料韧性指标提出了更高的要求。 在不断提高钢材强度的同时，通过增加韧性来保持一定的抗断裂性能至关重要。

结论

随着我国铁路线路数量的不断增加，铁路钢结构越来越多地应用于海洋强腐蚀、高原高温强紫外线等特殊气候条件下。 这对钢结构的设计、施工、运行维护、设备和钢材等都产生深远的影响。 提出了更高的要求。 耐候设计、恶劣海洋环境施工、高原低维护等一系列技术难题需要攻克，这些领域的科研投入需要持续保障。

针对耐候问题，不断提高耐候钢板和耐候螺栓的性能指标，加大耐候钢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，发展预制化、机械化、智能化施工技术，减少现场施工作业量，提高施工质量。 针对高原养护问题，提高铁路钢结构工程运行维护管理水平，开发智能化、数字化管理维护新技术和装备。

本文来自微信公众号：中国工程院学报（ID：CAE-Engineering）。 作者简介：刘晓光、陆春芳（铁路工程技术与管理专家、中国工程院院士）、鞠晓晨、蔡朝勋。 本文选自中国工程院学报《中国工程》科学》2020年第3期，来源：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。