本文首发于2021-04-01，本文来自陌陌公众号：中国工程院学报（ID：CAE-），作者：刘晓光、卢春芳、鞠晓晨、蔡超勋，原题：《战略研究丨我国高铁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，我国高铁事业取得了举世瞩目的成就，对国民经济发展发挥了重要作用。 特别是近15年来，高铁建设飞速发展，已成为一张绚丽的国家名片。
钢结构在高铁发展中发挥着不可替代和极其关键的作用，广泛应用于高铁大跨度钢桥、高铁高铁南站钢梁结构等工程。 该站处在新的历史阶段，对我国高铁钢结构的发展进行及时的回顾和展望，具有一定的工程实践价值和理论研究价值。
中国工程院卢春芳教授研究团队在中国工程院学报《中国工程科学》上撰文，从材料、结构、使用规模等角度，发展高速对大跨度钢桥、车站钢梁等钢结构进行了系统评述。 文章提出了我国高铁钢结构轻量化、装配化、信息化、耐久性、高硬度的技术发展趋势，总结了未来高铁钢结构在设计、施工、运营和运营等方面的重点工作。维护, 材料. 文章强调，随着应用区域和环境的多样化，高铁钢结构仍面临耐候设计、恶劣海洋环境施工、高原少维护等一系列技术难关亟待攻克。 要继续加强科研投入，确保关键技术的突破和应用。
高铁作为国家重要的基础设施和大众化的交通工具，在我国综合交通体系中发挥着关键作用。 截至2019年底，我国高铁运营里程达到13.9×104km，其中高速高铁运营里程达到3.5×104km。 在高铁工程中，许多重要设施都是用钢结构建造的，如大跨度高铁横跨江河峡谷的桥梁、现代化的大跨度立交桥车站等，与高铁的快速发展密不可分从钢结构技术的发展和应用来看。
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，具有硬度高、工程造价低、重量轻、工期短等优点，可在鞋厂制造。 随着国民经济的快速发展，钢结构的设计、制造和施工技术水平有了显着提高，在高铁上的应用也有了突飞猛进的发展。 我国先后建成了数十座跨越大江大河的大跨度高铁钢桥和一批新颖美观的大跨度立交桥车站结构，极大地促进了我国高铁事业的发展。
本文站在新的历史阶段，从材料、结构、使用规模等角度，回顾大跨度高铁钢桥、车站钢梁等高铁钢结构的发展历程； 根据我国国情，提出高铁钢结构轻量化、装配式、信息化、耐久化、高硬度化发展趋势成品钢材分类，进一步明确高铁钢结构在设计、施工、运维等方面的重点任务，以及未来的材料； 提出基于建筑信息模型（BIM）技术的信息化设计、装配式施工、智能运维的钢结构发展建议。
我国高铁钢结构发展回顾
围绕高铁工程中的钢桥和东站两大钢结构基础设施，从材料、结构、规模等角度回顾我国高铁钢结构的发展历程使用。
钢桥
钱塘江二桥建于1937年，是我国自行设计建造的第一座单层钢结构桁架桥。 新中国成立后，高铁桥梁技术的发展取得了举世瞩目的成就，尤其是近20年来，得益于高速高铁的建设，多座大跨度桥梁相继开通或恢复通车一个接一个地施工。 从高铁大跨度桥梁技术的发展历程来看，已经完成了许多具有里程碑意义的桥梁工程（见表1、图1）。
表1 我国具有代表性的黄河高铁钢桥
注：2铁路4公路是指高速铁路两条线，公路4车道； 4条铁路6条公路，即4线高铁、6车道公路。
图1 我国高铁钢桥发展历程
上海黄河二桥主桥为点焊连续钢桁梁，跨径3×128m，用于双车道高铁和4车道公路。 主桁架采用美国进口A3q钢，全桥用钢2.44×104t。 首次采用厚板桩墩基础，钢筋混凝土柱半径为1.55m。 上海黄河二桥的建成，标志着我国初步具备了建设大跨度高铁桥梁的能力。
上海黄河二桥主桥为跨径3×160m的点焊连续钢桁梁，用于双车道高铁和4车道公路。 主桁架材料采用我国自主研制的16锰桥钢（16Mnq），用钢量为6.65×104t。 主桥采用4种基础：建岛轻混凝土围堰基础、深水漂浮钢筋混凝土围堰基础、钢板桩桥墩基础、沉箱加管基础，其中简支混凝土管径为3.6 米。 上海黄河二桥的建成，标志着我国高铁桥梁技术实现自主创新。
南昌黄河二桥主桥为螺栓焊接连续钢桁架拱桥，跨径180m+216m+180m，用于双车道高铁和四车道公路。 主桁架材料采用我国自主研发的15锰钒氮桥钢（），首次采用M27高强度螺钉连接，全桥用钢量5.68×104t。 使用双壁钢通道桥钻孔基础代替管状基础。 扬州黄河二桥的建成，标志着点焊钢桥退出我国新建桥梁的历史舞台。
苏州黄河二桥主桥为双低塔双索面斜拉桥，跨径180m+312m+180m，用于双车道高铁和4车道公路. 主桁架材料采用我国自主研制的14锰铌桥梁钢（），整体节点采用钢板钎焊，全桥用钢量7.16×104t。 钢筋混凝土板与钢桁架梁共同承受联合力。 扬州黄河二桥的建成，标志着我国桥梁技术向全焊接桥迈进了一大步，也拉开了高铁大跨度斜拉桥建设的序幕。
天兴洲黄河二桥为公铁两用主跨504m斜拉桥，用于4线高铁和6车道公路。 世界首次采用三主桁架、三索面螺栓焊接结构。 钢结构材料为Q370q，全桥用钢量为4.61×104t。 天兴洲黄河二桥的建成，实现了我国高铁桥梁跨度从300米到500米，标志着我国高铁斜拉桥技术迈上新台阶。
在上述建设成果的基础上，我国钢桥技术进一步发展，在建的胡同黄河二桥和五磨天岭黄河二桥主跨均超过一公里。
以胡同黄河二桥为例，二桥主桥跨度为140m+462m+1092m+462m+140m，采用三主桁架三索面结构； 主桥钢桁梁确定采用 、 、 、 等各种规格的钢材。 钢材总消耗量13.95×104t，其中钢材消耗量3.16×104t； 化学和工厂制造； 全桥共有92节段，其中12节段质量为1600t； 由372个公路及高铁桥墩、170个立交桥、558根弦杆、1269根角柱组成。 最大质量约114t，最大5m，采用整段吊装技术完成施工（见图2）。
图2 胡同黄河二桥主梁制造示意图
北站
新中国成立前修建的高铁南站，大多粗糙狭窄。 中华人民共和国成立后，先后修建了一些不同档次的南站。 然而，直到20世纪末，国外的西站建筑多为跨度小、功能单一的砖木结构或混凝土结构。
近年来，随着高铁高速发展，我国高铁北站建设也取得长足进展，建设了一批结构新颖、造型美观的南站设施一个接一个（见表2），其中最具代表性的是天津西站和天津西站。
表2 我国具有代表性的高铁高铁北站
广州北站主站房采用站桥一体的立交桥站房框架结构体系。 木柱为大跨度大悬挑钢结构，最大跨度72m，最大悬挑30m，总高近60m。 站房山墙采用正交异性钢格栅形式，总用钢量达12×104t。
广州北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，总用钢量约5×104t。 中央站房为双曲圆顶，外形呈椭圆形，单向圆弧形光滑面（见图3）。 梁等。 钢山墙由15个三跨连续变截面刚架组成。 雨棚内有94根巨大的A型钢塔柱，简支悬梁最大垂度为6.4m； 二环曲高桥位于站房与雨棚之间，跨度16-40m。 山墙施工采用高空松装法。
图3 建设中的上海北站
高铁钢结构发展趋势
随着钢结构设计和施工水平的提高，高铁钢结构正朝着轻量化、装配化、信息化、耐久性、高硬度等方向发展。
轻的
目前，无论是高铁桥梁还是站房结构都在向大跨度方向发展。 这是因为自重是阻碍跨度的重要诱因，因此桥梁、屋架等大跨度结构的轻量化成为必然。 高强轻量化材料的应用是结构轻量化技术的突破口之一，而钢结构作为典型的高强轻量化结构，将在未来的高铁建设中得到广泛应用。
集会
随着现代工业技术的发展，装配式构件加工精度的提高和装配式建筑技术的提高，装配式建筑得到了广泛的应用。 装配式施工可以缩短工期，实现资源集约化，减少施工干扰，鞋厂化、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。 这些技术都对高速钢结构的装配化程度，尤其是整体结构的装配化提出了更高的要求。 （见图 4）。
图4 公铁两用桥主梁节段拼装吊装
信息化
高铁钢结构的设计施工、项目管理、维护保养等需要现代信息通信技术的支持，涉及到大数据、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、运维全生命周期，还包括施工过程智能化和管理决策智能化。
图5 信息化发展与智能化建设的发展构成
耐用性
根据我国桥梁设计规范，高铁钢桥的设计寿命通常为100年。 从钢结构本身的性能和科技红色发展的要求来看，不断延长钢结构的使用寿命是一种技术趋势。 高性能耐候厚板的开发与应用、不锈钢复合厚板的推广应用以及新型喷涂材料与体系成为高铁钢结构耐久性研究的主要方向。
高硬度
高铁钢结构应能抵抗一定程度的自然洪水冲击，有效抵抗有意或无意的人为破坏。 这不仅关系到钢结构自身的安全，也关系到人民群众的生命财产安全和经济社会发展。 高速铁钢结构必须具有一定的硬度。 主要技术方向包括：从材料出发，重点开发高硬度钢材，提升结构材料的硬度； 从结构方法入手成品钢材分类，优化结构方法，特别是节点和连接件的结构措施。
我国高铁钢结构重点工作建议
设计
1.识别服务环境，制定设计标准
我国幅员辽阔，地理、地质、气候环境复杂，高铁建设分布全省。 在设计过程中需要准确确定钢结构的使用环境。 目前定义的六类环境可能无法涵盖当地的一些实际情况，如青藏高原的特殊情况，应提出新的服务环境识别类别和标准，并制定相应的建设标准建议，并提交审查为高铁钢结构的耐久性打下坚实的基础。 内因基础扎实。
此外，对于钢结构服务区内的洪水、洪水、泥石流、山体滑坡等自然灾害，应充分排查、明确分类，并采用相应的设计标准和措施，合理制定减排输入条件。钢结构的阻力。 以抗洪抗旱为例，因地制宜明确高铁钢桥的抗震性能指标、设计方法、结构措施、设防标准等。
2. 提高设计理论和技能
目前，高铁钢结构设计中比较成熟的技术有许用挠度法和极限状态法。 但从提高结构性能和降低成本的角度来看，相关设计理论和结构方法仍有发展空间。 在设计理论方面，宜总结和推进大跨度桥梁挠度控制标准研究，系统开展体温、徐变等后期变形控制标准及相关技术措施研究。 在结构方法上，宜适时开展简支梁、斜拉-悬索协同结构体系、新型工字梁-混凝土组合结构等技术研究。 也可采用重型结构方法，也可采用重型杆状和圆形空心预制构件。 提出新算法、开发新软件也是促进和保障高铁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技术将高铁桥梁项目涉及的所有过程信息汇集到一个统一的数据库中，从而实现信息共享和管理。 BIM技术在设计过程中得到优化，在工程实施中更加合理、智能。 能有效防止设计中的“失误、失误”，为工程建设和维护检修数字化、过程管理可视化提供有力手段。 从而大大提高了设计和初审工作的效率（见图6）。 推动BIM技术在高铁钢桥设计中的应用，提高我国高铁桥梁设计和管理的信息化水平。
图6 BIM技术解决碰撞问题
建造
1.线性控制
目前设计和使用的高速铁钢结构多为超静定结构。 在安装施工过程中，如果不严格控制线形，就会形成扭曲、弯曲变形，诱发附加内力，改变受力状态。 结构损坏。 在高铁钢结构安装施工过程中，应着重采用先进的测绘平差技术，确保对线顺畅。
2、点焊
历史经验表明，高速铁钢结构点焊时常发生因点焊缺陷（不致密、连接不良、未焊透、夹渣、未焊透等）引起的质量问题，影响结构受力和耐用性。 目前手工埋点焊、二氧化碳保护焊等点焊方法主要应用于高铁钢结构施工，基础技术已经非常成熟。 为满足一些特殊钢结构的点焊要求，应示范应用一批先进的点焊控制方法、设备和软件（见图7），总结经验，充分推广。
图7 先进的高速铁钢结构点焊技术
3、喷涂
如果喷涂方法不当，喷涂质量不高，会减缓高速铁钢结构的锈蚀。 从现场情况分析，如果除锈方法落后，除锈效果不好，直接喷涂会严重影响喷涂质量。 推广鞋厂除锈喷涂形式，推广现场螺纹连接方式（防止点焊损坏鞋厂喷涂），通过技术升级充分保证喷涂质量。
4、鞋厂化武研发
研发适用于装配式、大型高铁钢结构的施工装备，配套制鞋厂类工艺武器和智能化装备，逐步实现人工施工。 在提高装配生产效率的同时，减少或防止人为违规行为对高速铁钢结构施工质量的影响。
运维
1.检查检测
先进的高铁钢结构除了日常检测外，还应在设计和施工阶段配备常年检测设备，对运行过程中的环境特性和结构状况进行实时检测。 借助动态监测设备，定期对关键结构进行测量，对检测数据进行综合分析，准确指导结构的维护、维修和评估，确保高铁承载能力安全可靠使用期间的钢结构。
2.修复
面对自然洪水造成的结构破坏、人为破坏以及设计、施工中形成的缺陷或隐患，应及时作出修复决策，引导采用新技术、新材料进行修复，消除高铁钢结构“带病工作”现象。 以正交异性路面的疲劳加固修复为例，可采用厚板与高强螺钉结合或铺设高性能混凝土进行加固，从而修复结构病害（见图8）。
图8 正交各向异性路面疲劳加固方法
三、评价
以测量检测数据为基础，对高速铁钢结构进行状态评估和使用性能分析，掌握结构性能状态的变化过程。 对于使用多年或突然损坏的高速铁钢结构，重点进行全生命周期服役评估，确保绝对安全。
钢材
钢材的性能是钢结构性能的源泉。 提高炼钢技术，确保钢材合格率是重中之重。 在保证钢材质量的基础上，进一步提高钢材的性能是未来高铁钢结构性能提升的重点方向。
1.强度高
现阶段国外高铁桥梁普遍采用Q345、Q370桥梁用钢，Q420q、Q500q钢处于推广使用阶段。 如上海大胜关黄河二桥采用Q420q厚板； 沪通黄河二桥采用硬度更高的Q500q钢。 ≮，抗拉硬度>要求。 随着大跨度桥梁的建设，高铁工程对高硬度钢材的需求量将增加。 Q500q以上规格的桥梁用钢和以上硬度的桅杆钢丝将不可或缺。
2、耐候性
腐蚀会消耗大量的钢铁资源，造成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重。 加强对不生锈、不受物理有害物质腐蚀的钢材的研究，应重视成本问题。 由于耐候钢减少了炼铁工序，材料一次性投资略低于同牌号普通低合金钢。 但从成品桥来看，由于在鞋厂和现场减少了构件的表面处理和油漆，综合经济效益更具有优势。
3.硬度
高铁工程对结构钢的质量要求很高，在满足硬度要求的同时必须具有较高的硬度。 为提高高铁钢桥梁的硬度，避免因韧性断裂造成的安全事故，桥梁钢的硬度指标将不断提高。 钢材在高寒地区更容易发生脆性断裂，这对材料的硬度指标提出了更高的要求。 在不断提高钢材硬度的同时，通过硬度的提高来保持一定的抗断裂性能是非常重要的。
结语
随着我国高铁线路的不断缩减，高铁钢结构在强海洋腐蚀、高原寒冷、强紫外线等特殊气候条件下的应用越来越重要。 提出了更高的要求。 需要攻克耐候设计、恶劣海洋环境施工、高原少维护等一系列技术难点，持续保障这方面的科研投入。
针对耐候性问题，不断提高耐候厚板和耐候螺钉的性能指标，减少高铁工程中耐候钢材料的应用是一个重要的发展方向。 针对恶劣的施工环境，发展装配式、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。 针对高原养护难题，提升高铁钢结构工程运维管理水平，研发智能化、数字化管理养护新技术和装备。
本文来自陌陌公众号：中国工程院学报（ID：CAE-），作者：刘晓光、卢春芳（高铁工程技术与管理专家，中国工程院教授），鞠晓晨，蔡朝勋，本文选自中国工程院期刊《中国工程科学》2020年第3期，来源：我国高铁钢结构发展回顾与展望[J].中国工程科学, 2020,22(3):117-124.
