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1、欧洲的公铁两用桥发展现状 刘 钊肖汝诚 同济大学桥梁工程系 摘要 本文介绍了公铁两用桥在欧洲的发展现状 对不同交通布置形式和各 自的优缺点进 行了介绍 展示 了近年来建设的跨 海公铁两用大桥所采用 的 一 些新型结构 和施工方法 最后介绍 了欧洲几座比较 典型的公铁两用大桥 关鍵词 公铁两用桥 欧洲结构形式交通布 置 前言 改革开放以来 随着国家对基础工程建设的大力投资 我国桥梁建设以前所未有的高速度 向前发展 尤其是跨越大江大河的大跨度桥梁 进入 世纪后 既有线路的全面提速和高速 铁路的大发展 对跨江铁路桥的需求不断增加 然而在新建的桥梁中 大部分的桥梁为公铁分 建的 仅有屈指可数的桥梁为公
2、铁两用桥 使得有限的桥位资源被浪费 其原因 一 方面是因为 铁路属于铁道部独家管理 交通部门仅考虑公路 各自占据桥位 同时铁路桥梁规范与公路桥 梁规范由不同部门发布 自成体系 随着年铁道部并人交通运输部 公 铁桥梁 一 起规划 同步建设的机会越来越多 做 好公铁桥梁合建的规划 设计显得越来越重要 本文将介绍欧洲在公铁两用桥建设方面的 一 些经验和实例 希望能为我国今后公铁两用桥的建设上提供借鉴 公铁两用桥在欧洲的现状 公铁两用桥在欧洲的发展已经有多年的历史 了 欧洲现存最早的公铁两用桥是位于法国的 高架桥 首建于 年 二战中被毁 二战以后作为 联结去巴黎的紧急交通工程得以重建 如图 所示 位于
3、德国柏林的奥伯鲍姆桥 也 是现存较早的公铁两用桥 奥伯鲍姆桥是 一座双层公铁 桥 上层用于柏林地铁 一号线 的运行 下层通行普通车 图法国高架桥 辆 如今此桥已成为柏林统 一的重要象征 进人世纪后 公铁两用大桥更多的用于联结岛屿或者两国之间的跨海峡大桥中 年丹麦小贝尔特海峡桥通车 此桥联结丹麦第二大岛菲英岛和丹麦位于欧洲大陆的日德兰半 岛 它的通车第 一次使火车从欧洲 大陆可以直达丹麦首都哥本哈根 主桥采用当时最常用的 钢桁架结构包含双轨火车线路和两条汽车窄道 在年新小海带桥建成之前此挢 一直是 联结欧洲大陆和丹麦岛屿之间 的重要通道 在新小贝尔特海峡桥建成后 旧小贝尔特桥仅保留 了铁路交通
4、但至今仍然发挥着巨大作用 建于年的斯德哥尔摩大桥和大桥是丹麦的另外两座重要的公铁两用 大桥 这两座桥共同联结了位于丹麦最南端的法尔斯特岛和丹麦最大的岛 西兰 岛 如今 通过这两座桥 从德国汉堡出发的列车可以直达哥本哈根 斯德哥尔摩大 桥桥宽 大桥桥跨 包含了单轨铁路和单车道公路 主桥采用三跨连拱设计 最大跨 度达到全桥总长 是丹麦第三大长桥 并且在相当长的 一段 时间内 是欧洲 最长的公铁两用桥 然而单轨铁路无法满足丹麦与德国之间大量的交通需求 虽然此桥仍然 在运行但巳不堪重负 新的斯德哥尔摩大桥巳经被提上了议程 建于年的费尔曼南桥是连接德国费尔曼岛和欧洲大陆的重要通道 也是德国 一 丹麦 交
5、通线上重要 一环 全桥总长 主桥跨度 采用了有利于铁路桥的交叉网体系钢系 拱杆网状系杆拱 此桥的铁路和公路位于同 一层 桥面 一侧为无碴无枕铁路桥面 另 一侧为 公路桥面 设计两片拱助向内倾斜 形成提篮拱 以提高主梁整体的抗扭刚度 年随着欧盟的成立 一个贯彻欧盟成员 国之间的以 畅通 安全和环保 为理念的交 通发展政策开始得到贯彻 欧洲 一体化带来 了个自由 产品的自由通行 货币的自由通行 服务的自由通行和人员 的自由通行 基于此 一 联结欧盟成员国的交通网络 成为了欧盟发展中的 一个非常重 要的任务 根据欧盟年交通政策白皮书在今后 年中 为了完善交通网络和改善交通方式 全欧范围内将重点发展个
6、基础工程项目 其中 个铁路项目 个公铁桥梁项目 从以上可以看出 欧洲在对未来的交通规划中格外强调对铁路网络的建设 尤其在桥位难 得的跨海大桥的建设中 更倾向于将铁路融合到桥梁中去 年建成的大贝尔特桥和年建成的厄勒海峡大桥为欧盟交通网的建设添上了光 辉的 一笔 它们的建成 不仅代表了欧洲在造桥领域的水平 也预测着 世纪欧洲在桥梁领 域的发展方向 欧洲主要已建和曾规划的公铁两用桥见表 欧洲主要已建和曾规划的公铁两用桥 表 桥名通车年份年 所属国家主桥桥型主跨 交通布置形式 高架桥连拱桥分层共建 奥伯鲍姆桥连拱桥 分层共建 旧小贝尔特桥丹麦连续钢桁架同层共建 斯德哥尔摩大桥 连续桁架拱 同层共建 弗
7、雷德雷克 世桥丹麦可开启式梁桥同层共建 费马恩海峡南桥 网状系杆拱 同层共建 大贝尔特西挢单箱连续梁 公铁分建 厄勒跨海大桥丹麦 一瑞典 分层共建 墨西拿海峡桥 在建意大利 单跨悬索桥 一 同层共建 3公路与铁路 布置 形式对比 公铁两用桥 按照公路与铁路支承结构是否分离 可以分为公铁共建与公铁分建 在公铁 共建中 按照公路与铁路布置相对位置 又可以分为公铁分层共建和公铁同层共建的形式 公铁共建 公铁共建指的是公路和铁路共用上下部结构 使用单 一 主梁 这种形式是目前世界上公铁 两用桥的主要应用的形式 使用公铁共建的好处在于能最大程度的利用桥位 将公路和铁路 布置于同 一梁体 中 能充分体现公
8、铁两用桥的优势 分层共建 分层共建指的是桥上公路 铁路分别布置到上下两层 大多数的情况下由于铁路要求纵 向坡度较平缓 所以 一般将铁路布置在下层 公路布置在上层 如厄勒跨海大桥 然而也有部 分桥梁采用相反的布置 将铁路布置于上层 如法国的高架桥 采用相反布置的 原因在于其位处山区 而需要衔接的铁路隧道处于较高的位置 分层共建的优点主要有 从结构上来说 分层共建的梁体较高 而目前广泛采用的板 一桁组合结构上下桥面板参 与结构受力 因而梁体刚度较大 利于满足铁路行车要求 同时竖杆和上下横杆形成封闭的结 构 提高主梁的抗扭刚度 较高的抗弯刚度和抗扭刚度对施工阶段都非常有利 如厄勒大桥便 采用了这种结
9、构 其引桥的主跨达到了 并且稳定的结构大大利于整体吊装施工 从构造上来说 双层布置使得行车空间显著增加 比如同样是双铁路线 四公路线布置 形式 厄勒大桥桥宽是 而墨西拿海峡大桥则需 在养护方面 分层设计能分离铁路和公路养护 使用独立的系统而互不干扰 分层共建的缺点主要在于由于上层桥面布置较高 所以在平原地带弓桥规模会增加 并且 在合建分与建的过渡位置构造较复杂 而且 与同层合建相比 其梁高大 梁的宽跨比小 受风 面积大 横向刚度小 为横向设计带来困难 同层共建 同层共建指的是公路和铁路位于同 一平面上 公路布置于铁路两侧 或者公路布置 一侧 铁路布置 一侧 前者主要用于桥面较宽的情况中 铁路布
10、置于中 间的好处在于由于铁路荷载 较大 与中轴线较近的铁路不会产生较大的横向扭矩 如正在建设中的墨西拿海峡桥 后者由 于横向荷载分布不均 常使用桁架梁或者提篮拱以形成稳定的横向结构 如旧小贝尔特桥和费 马恩海峡南桥 同层共建的主要优势在于较大的桥面宽度提供了较大的横向刚度 适用于对横向刚度要 求较高的大跨度桥梁 同层共建的主要缺点 一方面在于公路单侧行车时有可能带来扭转振动问 题 另 一方面 公 路和铁路的养护系统位于同 一平面 可能会相互制约 公铁分建 公铁分建实际上指的是两座并列在 一起的 桥梁 在结构上相互独立 按照公路规范和铁路 规范分别设计 也称为平行分离式公铁两用桥 公铁分建的优点
11、主要有 分建的两座桥梁可以采用相同的跨径布置 甚至相似的结构 从而简化设计和施工程 序 相隔较近的两座桥梁可以共用基础 减少基础造价 如大贝尔特西桥方案 如图 所示 2 由于公路桥和铁路桥的控制要 求不同 采用 共建会造成部分设计上的浪费 而采用分建可使两座 今 二中 桥梁互不影响 可按照公路和铁路的特点单独设计 秦桥墩连接 公铁分建的缺点主要在于 由于公路桥与铁路桥距 沉箱础 离太近 迫使公藤只能向 边麟 如果擁要向另 侧展线 也纖歡餅細細丨雜鼓娜端 过铁路 不仅影响美观 也会造成接线里程的增长 丨 公铁两用桥的结构形式及其经济性 图 大贝尔特西桥截面布置 公铁两用桥和铁路桥与普通公路桥最大
12、的区别在于其较重的活荷载 同时由于铁路行车 对桥梁变形控制的高要求 其必然要求桥梁整体的刚度较大 解决此问题最简便的方法便是 采取刚度较大 同时大量运用于铁路桥中的连续钢桁架梁 通过将铁路和公路分布于桥梁两 侧 以达到折中的目的 然而实践证明连续钢桁架并不很经济 并且对于跨海 大桥的高通航要 求 往往无法满足 欧洲公铁两用桥的结构形式 交叉网系杆拱 世纪年代 末挪威的工程师首提出交叉网系杆拱的概念 年建成的 费马恩海峡南桥首次 在公铁两用桥上采用了交叉网系 杆拱体系 使得跨径达到 同时整桥十分纤细 其 能够到扶如此的跨度在于设计者充分利用了交叉 网系 杆拱桥的特性 如图 所示 对于普通垂直吊杆
13、拱桥来说 如果荷载是沿桥长均 匀分布的 其拱助内是全受压状态的 此时构件能够得到充分利用 然而真实荷载常常会是不 对称的 在 一侧 荷载作用下 拱肋中会迅速产生较大的弯矩 而桁架是最能利用构件受拉压的 特性的结构 交叉网系杆拱就充分类比 了桁架的受力状态 即使在 非对称荷载作用 下 也不会 出现较大的弯矩 根据 在 年对 一座交叉 网系杆拱和与其对应的垂直吊杆系杆拱的计算 在 跨中作用相同的荷载 普通拱桥在主梁中产生的最大弯矩是交叉网系杆拱的 倍 在四分点 出作用相同的荷载 普通拱桥在主梁中产生的最大弯矩是交叉网系杆拱桥的 倍 得益于 此 使得在交叉网系杆拱桥中使用混凝土主梁成为可能 同时其研
14、究得出普通拱桥相对于其 对应的交叉网系杆拱 下弦杆厚 倍 焊接工作量是后 者的 倍 同时需要保护的表 面积是后者的 倍 另外用钢量是后者的 倍 同时 交叉网系杆拱的另 一个优势便是拼 装方便 因为拼装所需的材料极少 由于交叉网 系杆拱节约材料桥身本身就很轻便所以常常可以整跨直接做好 再用起重机吊装至桥位 在 没有大型起重机的情况下可以给拱圈和系杆设临时下弦杆 用起重拖船移动至拱座上 年建成的挪威桥主跨 拱助和吊杆仅重 使用了两台浮吊仅用便 将安装到位 便是 一 个很好的例子 双层复合桁架斜拉桥 铁路设计荷载要比公路设计荷载大很多 因此活载在整个荷载中所占比例很大 从而疲劳 问题较为突出 而斜拉
15、桥本身属于柔性结构 并且随着跨度的增大柔性也增大 但由于铁路运 营中列车荷载大 高速列车要求保证行车平顺性和舒适性等原因 斜拉桥的竖 横刚度要比单 一公路斜拉桥大 因此斜拉桥的主梁要求有较大 的截面刚度 如图 所示 而和单铁路桥相比 由于公路荷载的加入 使 图公铁分层复合桁架斜拉桥 得主梁的截面刚度要求比单纯的铁路斜拉桥要大 同时更大的拉索初应力提供了更大的竖向刚度 另外公路桥桥面板可参与结构受力 因而更有利 于铁路行车 上层 公路桥面系 一 般要宽于下 层铁 路桥面系 可以有效增 大 主梁的横 向刚度 而采用复合钢桁梁的优势在于 结构刚度大 对混凝土梁 实 腹钢梁和钢桁梁进行对比发现复合钢桁
16、梁的挠度要远小 于前面两种结构形式 主梁高度小 混凝土桥面板可以参与结构受力 铁路桥面板在负弯矩区也可以参与结 构受力 因而有利于降低主梁高度 钢桁梁适应布置双层桥面的需要 并且保证了铁路乘客视野的开阔 综上所述 公铁分层复合钢桁梁斜拉桥的使用 不仅满足铁路桥所特有的结构要求 从经 济性上来说 还充分利用了公路桥面系对结构刚度的贡献 优于单铁路桥的斜拉桥 达到了 一 举两得的效果 从施工上来说 较大刚度的钢桁梁也便于预制后整体拼装 节省了工期和施工费用 如厄 勒大桥便采用了此施工方法 公铁同层悬索桥 和斜拉桥 一样 悬索桥也是柔性结构 在铁路荷载作用下变形较大 并且在风力作用下横 向变形也较大 悬索桥设计重点在于竖向刚度和 横向刚度的确定 如图 所示 悬索桥的竖向刚度来自于两个方面 即主 梁 一 的巧曲刚度和主缆的拉力产生的 力刚度 冶 着跨度的增加 主梁的截面积增加不明显 麵主 梁的弯剛度概跨嶋删舰 速 而主梁的重力 刚度决定于主缆内部的拉力 与结构的质髓关 赚跨度駄虽賴 力刚度减小 但由于结构质量的增加 因而减小速图 大跨度公铁同层悬索桥 度较小 主跨在 以下的时候主梁的重量是产生
