3萬公里高鐵，中國鋼鐵技術有多強？

新中國成立以來中國鐵路事業成就顯著，在國民經濟發展中發揮了重要作用，尤其是近15年來高速鐵路建設飛速發展，成為一張靚麗的國家名片。

鋼結構對於鐵路發展起着不可替代且極為關鍵的作用，在鐵路大跨度鋼橋、高速鐵路車站屋架結構等工程中獲得廣泛應用。站位於新的歷史階段，適時對中國鐵路鋼結構發展進行回顧和展望，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》撰文，從材料、結構、使用規模等角度，對大跨度鋼橋、車站屋架等鐵路鋼結構的發展進行了系統回顧。文章提出了中國鐵路鋼結構輕量化、裝配化、信息化、耐久性和高韌性的技術發展趨勢，總結了鐵路鋼結構在設計、施工、運維和材質等方面的未來重點工作。文章指出，隨着應用地域和環境的多樣化，鐵路鋼結構仍然面臨一系列有待攻克的技術難題，如耐候設計、海洋惡劣環境施工、高原少維護等，需持續加大研究投入以保障關鍵技術突破與運用。

鐵路作為國家的重要基礎設施、大眾化的交通工具，在中國綜合交通運輸體系中處於骨幹地位。截至2019年年底，中國鐵路營業里程達到13.9×104 km，其中高速鐵路營業里程達到3.5×104 km。在鐵路工程中有許多重要設施採用鋼結構來建造，如跨越江河峽谷的大跨度鐵路橋樑、現代化的大跨度高架站房等。鐵路的快速發展與鋼結構技術的研發與應用是密不可分的。

鋼結構主要分為建築鋼結構、橋樑鋼結構等，與鋼筋混凝土結構相比，具有強度高、工程造價低、自重輕、施工周期短、可工廠化製作等優點。伴隨着國民經濟的快速發展，鋼結構的設計、加工製造和施工技術水平顯著提高，在鐵路中的應用也得到跨越式發展。中國建造了數十座跨越大江大河的大跨度鐵路鋼橋和一批結構形式新穎、造型美觀的大跨度高架站房結構，極大地促進了中國鐵路事業的發展。

本文站位於新的歷史階段，從材料、結構、使用規模的角度對大跨度鐵路鋼橋、車站屋架等鐵路鋼結構的發展進行回顧；根據中國國情，提出鐵路鋼結構輕量化、裝配化、信息化、耐久性、高韌性的發展趨勢，進一步明確鐵路鋼結構未來在設計、施工、運維和材質方面的重點工作；提出基於建築信息模型（BIM）技術的信息化設計、裝配化施工、智能化運維的鋼結構發展建議。

中國鐵路鋼結構發展回顧

以鐵路工程中的鋼橋和車站兩大鋼結構基礎設施為重點，從材料、結構、使用規模的角度對中國鐵路鋼結構發展歷程進行回顧。

鋼橋

1937年建成的錢塘江大橋是中國自行設計、建造的第一座雙層公鐵兩用鋼結構桁梁橋。新中國成立後鐵路橋樑技術發展成就顯著，尤其是近20年，得益於高速鐵路的建設，數座大跨度橋樑相繼落成或開工建設。從鐵路大跨度橋樑技術發展歷程來看，已經建成了多座里程碑式的橋樑工程（見表1和圖1）。

表1 中國代表性的長江鐵路鋼橋

武漢長江大橋主橋為跨度3×128 m的鉚接連續鋼桁梁，通行雙線鐵路、4車道公路。主桁材質為從國外進口的A3q鋼，全橋用鋼量為2.44×104 t。首次採用鋼板樁圍堰管樁基礎，鋼筋混凝土管柱直徑為1.55 m。武漢長江大橋的建成標誌着中國初步具有建設大跨度鐵路橋樑的能力。

南京長江大橋主橋為跨度3×160 m鉚接連續鋼桁梁，通行雙線鐵路、4車道公路。主桁材質為中國自主研發的16錳橋鋼（16Mnq），用鋼量為6.65×104 t。主橋採用4類基礎：築島重型混凝土沉井基礎、深水浮式鋼筋混凝土沉井基礎、鋼板樁圍堰管柱基礎、沉井加管柱基礎，其中預應力混凝土管柱直徑為3.6 m。南京長江大橋的建成標誌着中國具有自主創新的鐵路橋樑技術。

九江長江大橋主橋為跨度180 m+216 m+180 m栓焊連續鋼桁梁拱橋，通行雙線鐵路、4車道公路。主桁材質為中國自主研發的15錳釩氮橋鋼（15MnVNq），首次採用M27高強螺栓連接，全橋用鋼量為5.68×104 t。採用雙壁鋼圍堰鑽孔基礎取代了管柱基礎。九江長江大橋的建成標誌着鉚接鋼橋退出中國新建橋樑工程的歷史舞台。

蕪湖長江大橋主橋為跨度 180 m+312 m+180 m的雙矮塔雙索麪斜拉橋，通行雙線鐵路、4 車道公路。主桁材質為中國自主研發的 14 錳鈮橋鋼（14MnNbq），採用厚板焊接整體節點，全橋用鋼量為 7.16×104 t。採用鋼筋混凝土板與鋼桁梁結合共同受力的結合桁梁。蕪湖長江大橋的建成標誌着中國橋樑技術向全焊方向邁出了一大步，也拉開了鐵路大跨度斜拉橋建設的帷幕。

天興洲長江大橋為主跨 504 m 的公鐵兩用斜拉橋，通行 4 線鐵路、6 車道公路。在世界上首次採用三主桁、三索麪栓焊結構，鋼結構材質為Q370q，全橋用鋼量為4.61×104 t。天興洲長江大橋的建成實現了中國鐵路橋樑跨度從300米級到500米級的跨越，標誌着中國鐵路斜拉橋技術邁上了新台階。

在上述建設成就的基礎上，中國鋼橋技術進一步發展，在建的滬通長江大橋和五峯山長江大橋主跨均超過千米。

以滬通長江大橋為例，大橋主橋跨徑佈置為140 m+462 m+1092 m+462 m+140 m，採用三主桁、三索麪結構；主桁斷面最大軸力達7.0×105 kN，根據承載需求主橋鋼桁梁確定採用了Q370qE、Q420qE、Q500qE 等多種規格鋼材，合計用鋼量達13.95×104 t，其中Q500qE 用鋼量為3.16×104 t；主航道橋為全焊整體節段設計，實現了橋樑的大型化、工廠化製造；全橋共有92個節段，其中12個節段質量達到1600 t；由372塊公路和鐵路橋面、170片橫聯、558根弦杆、1269根腹杆組成，單根杆件最大質量約為114 t、最高5 m，採用整節段吊裝技術施工完成（見圖2）。

車站

在新中國建國前修建的鐵路車站大多粗糙簡陋，建國後陸續修建了一些不同等級的車站。但直到20世紀末，國內車站建築結構還多為磚木結構或混凝土結構，結構跨度小且功能單一。

近年來，隨着高速鐵路的快速發展，中國的鐵路車站建設也取得了長足進步，一批結構形式新穎、造型美觀的車站設施相繼建設完成（見表2），其中最有代表性的是南京南站和北京南站。

表2 中國代表性的高速鐵路車站

南京南站主站房採用了站橋合一的高架站房框架結構體系，一層出站層和二層站台層均為承託超重荷載的大跨度結構。屋架為大跨度大懸挑鋼結構，最大跨度為72 m，最大懸挑為30 m，總高近60 m。站房屋蓋採用正交異性鋼網架形式，總用鋼量達到12×104 t。

北京南站主體結構由中央站房、站台雨篷及地下換乘大廳三部分組成，總用鋼量約為5×104 t。中央站房為雙曲穹頂，外形為橢圓結構，屋面為雙向圓弧的光滑曲面（見圖3），其主要承重構件包括支撐屋蓋的格構柱、橫向桁架、縱向桁架和鋼樑等。鋼結構屋蓋由 15 榀三跨連續變截面剛架組成。雨篷設巨大A字形鋼塔柱共有94根，預應力懸垂梁最大下垂度為6.4 m；內環曲線形高架橋位於站房和雨篷之間，跨度範圍為16~40 m。屋蓋施工採用高空散拼法安裝。

鐵路鋼結構發展趨勢

隨着鋼結構設計和建造水平的提高，鐵路鋼結構朝着輕量化、裝配化、信息化、耐久性、高韌性的方向發展。

輕量化

當前，無論是鐵路橋樑還是站房結構都朝着大跨度方向發展，這是因為自重是制約跨度的重要因素，故橋樑、屋架等大跨度結構的輕量化成為必然。高強輕質材料的應用是輕量化結構技術的突破口之一，而鋼結構作為典型的高強輕質結構將在未來的鐵路建設中獲得大量使用。

裝配化

隨着現代工業技術的發展、預製構件的加工精度與裝配式施工技術水平的提高，裝配式施工獲得了廣泛應用。裝配化施工可以縮短建設周期，實現資源集約，降低施工干擾，且工廠化、集約化的管理也更利於保障施工質量。

快速施工、無人化或少人化施工、工廠化施工、高質量施工將是未來施工技術的發展方向，這些技術均要求鐵路鋼結構實現更高程度的裝配化，特別是整體結構的裝配化（見圖4）。

信息化

鐵路鋼結構的設計施工、工程管理、養護維修，需要以現代化的信息和通信技術為支撐，從而涉及大數據、物聯網、人工智能等技術的應用（見圖5）。信息化重點體現在鋼結構設計、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。

耐久性

按照中國橋樑設計規範，鐵路鋼橋設計壽命一般為100年。從鋼結構自身性能和技術綠色發展的要求來看，繼續延長鋼結構的使用壽命是技術趨勢。高性能耐候鋼板的研製和應用、不鏽鋼複合鋼板的推廣應用、新型塗裝材料和體系等方面成為鐵路鋼結構耐久性研究的主要方向。

高韌性

鐵路鋼結構應當抵抗一定程度的自然災害衝擊，有效抵禦有意或無意的人為破壞，這不僅關係到鋼結構自身安全，更事關人民生命財產安全和經濟社會發展。鐵路鋼結構必須具有一定的韌性，技術主攻方向包括：從材料出發，重點研發高韌性鋼材來提高結構材料韌性；從結構形式出發，優化結構形式尤其是節點及連接件的構造措施。

中國鐵路鋼結構重點工作建議

設計方面

1. 辨識服役環境，擬定設計標準

中國地域廣闊，地理、地質、氣候環境複雜，而鐵路建設分佈於全國各地，在開展設計的過程中需要準確判斷鋼結構的服役環境。當前劃分的6種環境有可能無法涵蓋一些局部實情，如青藏高原的特殊情況，應提出新的服役環境判識類別和標準，擬定相應的建設標準建議並報批，為鐵路鋼結構耐久性打牢外因基礎。

另外，對於鋼結構服役地區的地震、洪水、泥石流、滑坡等自然災害，應充分調查、明晰歸類，準確採取與之相適應的設計標準和措施，為增加鋼結構抗力合理擬定輸入條件。以地震災害為例，應針對當地情況明確鐵路鋼橋抗震性能指標、設計方法、構造措施、設防標準等。

2. 提升設計理論和方法

目前鐵路鋼結構設計方面較為成熟的方法有容許應力法、極限狀態法等，但從提高結構性能和降低成本的角度來看，相關設計理論和結構形式等方面尚有完善空間。關於設計理論，宜總結和深化大跨度橋樑剛度控制標準研究，系統開展温度、徐變等後期變形的控制標準及相關技術措施研究。關於結構形式，宜適時開展預應力梁、斜拉 – 懸吊協作結構體系、新型鋼 – 混組合結構等技術研究，還可採用輕型結構形式、應用輕型管狀和矩形空腹構件等。提出新的算法、開發新的軟件，也是促進和保障鐵路鋼結構設計理論與工程化能力創新發展的重要方面。

3. 拓寬BIM技術應用範圍

BIM技術將鐵路橋樑工程所有涉及的過程信息彙集到統一的數據庫，據此實現信息共享與管理。BIM技術在設計流程上進行了優化而更具工程實施的合理性，可以有效防範設計上的「差錯漏碰」，為工程施工和養護維修的數據化、過程管理的可視化提供強有力的手段，從而大幅提高設計與審核工作的效率（見圖6）。應加快推廣BIM技術在鐵路鋼橋樑設計中的應用，提高中國鐵路橋樑設計和管理工作的信息化水平。

施工方面

1. 線性控制

目前設計和使用的鐵路鋼結構多為超靜定結構形式，在安裝施工過程中，若線形控制不嚴將會產生扭曲和彎曲變形，誘導附加內力並使受力狀態出現變化，嚴重時可使結構發生破壞。在鐵路鋼結構安裝施工過程中，應注重採用先進的測繪和調整技術來確保線形平順。

2. 焊接

歷史經驗表明，鐵路鋼結構焊接中曾出現過焊接缺陷（不致密、連接不良、未焊透、夾渣、未焊滿等）帶來的質量問題，影響了結構受力和耐久性。當前鐵路鋼結構施工中主要採用的自動埋弧焊和氣體保護焊等焊接方法，基礎技術已經非常成熟。為了滿足一些特殊鋼結構的焊接需求，應示範應用一批先進的焊接控制方法、設備和軟件（見圖7），總結經驗並全面推廣。

3. 塗裝

若塗裝方法不當、噴塗質量不高，將加劇鐵路鋼結構鏽蝕。從現場情況分析，若除鏽手段落後、除鏽效果不佳，直接進行塗裝會嚴重影響塗裝質量。應推廣工廠除鏽和塗裝方式，普及現場螺栓連接方法（以免焊接破壞工廠塗裝），通過技術升級來全面保障塗裝質量。

4. 工廠化裝備研製

研製適用於裝配化、大型化鐵路鋼結構的施工設備以及與之配套的工廠化工藝裝備與智能化設備，逐步實現自動化施工。在提升裝配生產效率的同時，減少或避免人為的不規範行為對鐵路鋼結構施工質量的影響。

運維方面

1. 檢測監測

除了日常檢查外，先進鐵路鋼結構在設計施工階段應針對性地佈設長期監測設備，對運營期間的環境特徵和結構狀態開展實時監測。利用動態檢測設備定期對關鍵結構進行檢測，針對檢測監測數據進行綜合分析，精確指導結構養護維修和評估以保證鐵路鋼結構服役期內的安全可靠承載。

2. 修復

面對自然災害、人為破壞造成的結構損傷以及設計、施工中產生的缺陷或隱患，應及時做出維修決策，指導採用新技術、新材料實施修復，消除鐵路鋼結構「帶病工作」現象。以正交異性橋面疲勞加固修復為例，可採用鋼板與高強螺栓組合或高性能混凝土鋪裝來進行加固，從而修復結構病害（見圖8）。

3. 評估

基於檢測監測數據，對鐵路鋼結構進行狀態評定和服役性能分析，掌握結構性能狀態的變化過程。對於已使用多年或遭受突然性破壞的鐵路鋼結構，重點開展壽命期服役評估以確保絕對安全。

鋼材材質

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

1. 高強

現階段國內鐵路橋樑普遍採用Q345、Q370橋樑鋼，而Q420q、Q500q鋼處於推廣使用階段。例如，南京大勝關長江大橋採用了Q420q鋼板；滬通長江大橋採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。隨着大跨度橋樑的興建，高強度鋼材在鐵路工程中的應用需求量會越來越大，Q500q以上規格的橋樑用鋼、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，導致自然環境污染和生態環境破壞，其中基礎設施腐蝕佔有相當大的比例。加強不鏽蝕、不被化學有害物質腐蝕的鋼材研究，且成本問題應予以關注。耐候鋼由於冶煉工序的增加，材質的一次性投資略高於同等級普通低合金鋼。但從橋樑成品角度來看，由於在工廠和現場減少了部件的表面處理和塗料，綜合經濟效益較有優勢。

3. 韌性

鐵路工程對結構鋼的品質要求高，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安全事故，橋樑鋼的韌性指標將不斷提高。在高寒地區鋼材更易發生脆斷，這對材料韌性指標提出了更高要求。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重要。

結語

隨着中國鐵路線路的不斷增加，鐵路鋼結構在海洋強腐蝕、高原高寒強紫外線等特殊氣候條件中的應用越來越多，這對鋼結構的設計、施工、運維、裝備和鋼材材質方面提出了更高的要求。耐候設計、海洋惡劣環境施工、高原少維護等一系列技術難題有待攻克，需要持續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，增加耐候鋼材在鐵路工程中的應用是重要的發展方向。針對惡劣的施工環境，發展裝配式、機械化和智能化的施工技術來減少現場施工操作量、提高施工質量。針對高原維護的問題，提高鐵路鋼結構工程運維管理水平，研發新型智能化數字化的管養技術和設備。