川藏铁路千米级跨度悬索桥建造的关键技术是什么

What are the Key Techniques for Construction of Suspension Bridge with Kilometer Span in Sichuan-Tibet railway

问题描述：

问题背景：

川藏铁路沿线地形起伏大，岭谷间高差悬殊，可达2000m～3000m，从选线上已无法彻底避开高差悬殊及跨度更大的桥梁。悬索桥作为一种优良的大跨度桥梁结构，具有跨越能力强、传力简洁等优点，对高山峡谷区地形有较强的适应性，在川藏铁路已拟定的桥梁方案中，大渡河、怒江特大桥等几座悬索桥的跨度达到千米级。受高原峡谷环境影响，桥址环境普遍存在昼夜温差大、近场地震且地震动加速度大、峡谷风、强紫外线、交通不便、材料运输困难等各种不利条件。在如此恶劣的自然条件下修建千米级跨度悬索桥将面临：大跨度铁路悬索桥结构刚度与行车关系、大跨度悬索桥抗震性能及减隔震技术、深切峡谷风场作用下悬索桥抗风性能及抗风措施、结构耐久性等一系列桥梁设计建造技术难题。

最新进展：

在大跨度桥梁刚度指标方面，国内外的相关规范都没有明确规定。我国现有规范在强度设计上考虑了各种附加作用的影响，但在变形限值则是针对各类荷载单独给定的，没有给出结构在实际运营状态多种荷载共同作用下的刚度要求。对铁路大跨度桥梁而言，一些短期的荷载或者作用，如活载、风、水流，以及一些周期性作用（温度、日照等），只能靠结构本体来承受，必须在设计中充分考虑，不能把这些荷载或作用引起的变形放到运营阶段解决，以免产生过大的养护维修工作量，这样就意味着桥梁结构的刚度设计标准应突破原有思路，需要确定活载与多种环境因素共同作用下的刚度标准。

针对大跨度桥梁的刚度问题，沪通长江大桥根据到发线长度确定设计活载，考虑有限长活载加载下得到的活载挠跨比为1/598。五峰山悬索桥通过参考国外活载挠跨比取值，在满足线路最小竖曲线与平曲线半径、车桥耦合振动分析、轨道几何形位分析基础上，提出我国铁路悬索桥在不同列车设计速度条件下的建议刚度标准。

在抗震性能及减隔振措施方面，高原峡谷区，桥位处地形高差悬殊，坡陡谷深，在基岩处地震动相同条件下，不同桥墩位置视不同地质条件地震地面运动会有一定差异，堆积层较厚区域表现为地面位移大而加速度小，基岩裸露区域表现为地面位移小而加速度大，因此需要研究地震波的合理输入模式以准确分析地震引起的结构运动，近场区竖向加速度对结构设计的控制程度。为降低大跨度悬索桥的地震响应，保障其抗震安全，还需对大跨度悬索桥的减隔震装置及其效果开展系列研究，包括高性能阻尼装置类型选择、参数设计及布置方案等。
在抗风性能及抗风措施方面，深切峡谷是我国高原地区最普遍的地形之一，准确了解桥址处风特性是桥梁抗风设计的基础，而现行规范描述风场特性的数学模型仅适用地形平坦、风环境明确的地形，尚不足以描述复杂地形的风环境。在高原高山峡谷区悬索桥两岸桥址往往地势陡峭，横剖面呈“V”型，与现有规范规定的地貌地形差异大。此外，桥址处昼夜温差大，因温度变化产生的局部对流明显。为此，需要研究深切峡谷桥梁桥面风速、风向及湍流度等风特性沿桥跨和桥高的变化规律，在不同条件下的桥梁和桥塔的抗风性能，提出相应的气动优化措施。明确复杂气候下桥梁整体风致振动响应，研究相应的防风措施，从而保障复杂环境下大跨度桥梁在强风作用下的安全。
在结构耐久性方面，国内大跨度悬索桥的设计、施工、运营维护技术已相当成熟，短暂的建设期过后，将是漫长的运营和养护期。然而在桥梁正常运营阶段，越来越多的悬索桥构件逐渐暴露出耐久性问题，使得部分悬索桥在并没有达到其设计使用年限时就已经出现各种桥梁病害。例如，悬索桥主缆在运营过程中长期的腐蚀、桥面伸缩装置与支座等由于主梁纵向位移频繁而发生损坏、极端气候条件下温度应力场致混凝土保护层开裂等。这些悬索桥重要构件的运营损耗直接影响其后期的正常使用。

在主缆耐久性方面，国内广泛采用了外部送气干燥的主缆防腐系统，较多地改善了内主缆内部腐蚀环境特征。从目前的的使用情况来看，主要有以下一些问题：①干燥空气从主缆外表面的送气索夹压入主缆内部，对于大直径主缆截面，难以实现主缆全截面覆盖；②桥梁建成后，主缆除湿系统往往经过较长时间（有些桥长达一年以上）才能使排气口的空气湿度降低到要求的数值，能耗大；③外包防护层要求具有较好的气密性。缆索系统作为大跨悬索桥的主体结构，其耐久性能直接决定了整个悬索桥的安全寿命，因此，需要对主缆防腐除湿问题展开更为细致深入的研究。
在支座、伸缩缝耐久性方面，活载作用下，悬索桥加劲梁会沿纵桥向产生位移，据观测，国内某主跨1490米单跨公路悬索桥，检测到一天内加劲梁梁端累积行程80.96m，某主跨1385m单跨公路悬索桥，检测到日累积行程93.36m。对大跨度铁路悬索桥而言，由于铁路列车荷载具有长度上连续的特征，容易出现在规定的加载影响区加载的条件，接近于最不利加载，并且铁路列车行驶速度快，从一个主塔处进入到另一个主塔处离开的时间较短，在短时间内加劲梁梁端纵移就完成一个循坏，相较于公路悬索桥，梁端移动更加频繁、速度更快。梁端伸缩装置频繁快速活动，会导致局部道床变形，影响行车。必须基于纯铁路悬索桥主缆竖向荷载作用下纵向大变形的本质特征，开发加劲梁适宜的支承体系，保障悬索桥结构支座、伸缩缝、吊索耐久性。
在混凝土主塔耐久性方面，根据青藏高原实桥调研和探索性研究发现，桥梁结构中的混凝土出现开裂现象。结合桥梁所处的特殊环境条件，主要诱因在于极端气候条件下的混凝土内部温度应力，即在太阳辐射和周围环境的辐射换热作用下，桥塔内温度场复杂，温度梯度高，由此引起的温度次应力导致在温度应力超过混凝土抗拉强度的区域发生开裂。对大跨度悬索桥，塔柱的表层开裂部位将积水并经历反复冻融，导致内部钢筋锈蚀，进一步加速开裂过程。且混凝土塔柱一旦开裂，不仅加固困难，而且显著降低结构的耐久性和服役质量，必须给予高度重视。
为防止混凝土开裂，有研究提出一种外包波形钢板中空混凝土组合桥塔截面形式，钢材的传热性能及力学性能优于混凝土，能避免混凝土结构受到日照的直接辐射产生较大温差；且能较经济的发挥两种材料的特性，波形钢板与混凝土间通过剪力连接件有效连接。该结构形式截面含钢率高、延性性能好，适应大跨度桥梁桥塔的设计的基本原理，理论上分析有望改善混凝土开裂现象。
针对川藏铁路强紫外线、大温差环境，传统的悬索桥缆索结构包裹材料工作寿命不足，如吊索PE、主缆缠包带均没有经过类似环境检验。桥位区人迹罕至，必须开发耐强紫外线、大温差、少维护的缆索钢丝包裹材料。

重要意义：

我国大跨悬索桥的设计建造技术已经达到世界领先水平，在建及已建成的千米级跨度悬索桥众多，但大多位于大江大河及平原地区。针对特殊建设条件和环境条件下，高原高山峡谷千米级铁路悬索桥特别是铁路悬索桥建造所面临的一系列技术难题的突破不仅将大大推进高原山区峡谷大桥的建设，也将完善桥梁设计理论，优化桥梁施工，促进新材料、新工艺的诞生，引领桥梁全生命周期理念的发展，加速提升桥梁工程自主创新能力与核心竞争力，推动我国桥梁的发展，打造具有我国自主知识产权的艰险复杂山区大跨度桥梁工程，实现桥梁建设的可持续发展，更好地支撑国家重大发展战略。