铁路桥梁是为了让铁路在跨越江河、山谷、公路或者与另外一条铁路交叉而建造的桥梁。中国广阔而长远的铁路网需要众多铁路桥的支撑。而铁路桥梁荷载大，冲击力大，行车密度大，要求能抵抗自然灾害的标准高，特别是结构要求有一定的竖向横向刚度和动力性能。目前，中国铁路的建桥技术取得了很多成就，其设计和施工的水平也得到了世界的瞩目。尤其在当今中国高铁迅速发展的时期，铁路桥梁的技术与创新成就更是有目共睹。
中国幅员广阔，地理和气候具有多样性，西部有干燥高原、巍巍高山，深大峡谷、湍急河流；东南部濒临大海，河流宽阔，北部高寒。各地经济发展和交通运输条件也有很大的地域差别。
近年来，中国高速铁路发展迅速，目前，高铁通车里程已超过两万公里。桥梁是高速铁路的重要组成部分，对于高速列车运行的平稳性、安全性和旅客舒适性具有重要影响。中国高铁建设了大量的大跨度桥梁，其特点是——
（1）跨越的大江大河多：如长江、黄河、珠江等；
（2）兼顾桥梁和航运需求：考虑黄金水道未来发展，航道要求高；
（3）经济、社会快速发展：公路、市政道路、轨道交通等其他交通功能也有过江需求的建设特点。
高铁列车运行速度高，要求桥梁具有更好的刚度，以获得更好的轨道平顺性。目前，我国已建成和在建中的跨度超过200米的大跨度高铁桥梁已达60余座，其中跨度超过1000米的两座，超过500米的约10座。
为实现这样巨大的需求，我国对结构、材料、建造施工技术等持续开展研究，形成了一系列大跨度高铁桥梁建设的关键技术。
多功能合建更经济
我国许多经济繁荣的地区航运十分发达，因岸线资源宝贵,将公路、铁路、市政道路和城市轨道交通等建设在同一座桥梁上，可节约桥位资源、减少建桥对环境的影响。
多功能合建桥梁主要有两种类型。
其中一种桥型为公铁两用桥，即将公路和铁路建设在同一座桥上。如天兴洲大桥（见图1）除通行京广高铁和沪汉蓉铁路外，还承担着武汉城市三环线的重任；沪通长江大桥除通行沪通铁路和通苏嘉城际铁路外，还承载着无锡至南通高速公路；郑州郑新黄河大桥、五峰山大桥、成贵铁路金沙江大桥也都是高铁和高等级公路的合建桥梁。
图１ 天兴洲长江大桥
另一种桥型为多条铁路共用桥，即同一座桥上通行两条或两条以上的铁路。如安庆长江大桥通行南京至安庆城际铁路和阜阳至景德镇铁路共4线，新白沙沱长江大桥通行渝黔客专、渝长客专和渝黔铁路共6线，大胜关大桥（见图2）通行京沪高铁、沪汉蓉客专和南京地铁共6线。
图2 大胜关长江大桥
公铁两用桥和多条铁路共用桥可更好地利用大跨桥梁所必须的结构宽度和刚度，与分别建设多座单一通道桥梁相比，可节省大量工程材料，从而显著节约工程总投资。
迫切需求高性能材料
桥梁钢
我国桥梁工程目前大量使用的钢材为Q345q和Q370q， 随着桥梁跨度越来越大，特别是多功能合建桥梁的建设， 结构内力越来越大。大胜关大桥为主跨2x336米的钢桁拱桥, 通行6线铁路,最大杆力达到150MN。沪通大桥通行4线铁路6 车道高速公路,主航道桥为主跨1092米的斜拉桥，主梁最大压力达750MN，对更高强度桥梁用钢的研发极为迫切。
为此，我国先后成功研发了Q420q和Q500q桥梁钢。Q420q首先在大胜关大桥中获得应用，Q500桥梁钢已在沪通大桥中应用。
为保持结构的合理刚度和尺寸，同一座大桥的主梁上不同区段采用不同强度等级的钢材。大胜关大桥受力较大的拱肋杆件采用Q420钢，其余部位采用Q370钢；沪通大桥主梁靠近主塔和辅助墩附近的压力较大，采用Q500钢，压力稍小的区段采用Q420钢，压力较小的区段采用Q370钢。
采用高强度材料可减轻结构自重、减少材料用量，从而减少对资源和能源的消耗。
斜拉索
高强度高耐久性桥梁用拉索体系也在高铁桥梁中获得开发应用。
与桥梁钢发展道路一样，桥梁用斜拉索钢丝的强度也走过了一条从1570MPa、1670MPa、1770MPa到1860MPa不断提高的道路。资料表明，刚建成不久的土耳其博斯普鲁斯三桥斜拉索采用了强度1960MPa的钢丝。在建的沪通长江大桥斜拉索研发了强度2000MPa的钢丝，同时采用锌铝镀层以进一步提高其耐久性。2015年建成通车的铜陵公铁两用大桥是一座钢桁梁斜拉桥，主跨630米，通行4线铁路和6车道高速公路，是世界上已建成的最大跨度公铁两用斜拉桥， 其斜拉索采用平行钢绞线拉索体系，因钢绞线拉索内每根绞线基本相互独立，可有效防止风雨振的产生。
混凝土
桥梁工程采用的混凝土性能依据使用环境、结构部位和施工工艺而不同。目前，在内陆一般环境条件下，现浇施工的混凝土主梁、主塔结构大多采用C50，预制的结合梁混凝土桥面板等基本采用C60，大体积的承台、锚碇等结构采用的混凝土强度以C30和C40为主。沪通大桥主塔高达325米，出于经济性考虑，采用钢筋混凝土结构，由于跨度大、荷载重，为尽量减轻结构自重，混凝土标号采用C60， 这也是C60混凝土在大体量高塔结构上的首次采用。
复杂空间结构
三索面三主桁结构
铁路运力大，载重量大。我国客货共线铁路使用“中- 活载”，其荷载集度为80KN/m，模拟机车的5个集中力，每个220KN，间距1.5米，重载铁路的荷载更大。即使是高速铁路使用的ZK荷载，其荷载集度也有6.4KN/m。可见，一条单线铁路的活载集度相当于一条6-8车道的公路。所以铁路桥梁所承载的活荷载非常大，使得结构内力巨大。
近年常见的钢桁梁公铁两用桥，通常是上层为6-8车道高速公路，铁路通常为4线铁路甚至6线铁路，桥梁的宽度较大，其横截面变形成为影响高速铁路运营速度的一个难题。变形是由于结构的柔性产生的，减小变形的唯一途径就是提高刚度。在材料种类确定后，提高刚度的途径有两个：一是加大梁的截面，二是减小梁的跨度。
在常规的两主桁中间增加一个桁架组成3片主桁的桁架结构，形成横向布置的两个净空框格，将4线铁路两个一组分别置于一个框格内。采用3片主桁后，相当于截面横向从简支梁变成了连续结构，受力更加合理，变形减小，提高了轨道的平顺性。相应的，斜拉索也设计成3个索面，这种3索面3主桁结构首先应用于武汉天兴洲大桥。此后，推广应用于铜陵大桥、沪通大桥、安庆铁路大桥等斜拉桥和大胜关大桥的钢桁拱等工程。
为实现这样的空间结构，中铁大桥院研发了专用的桥梁设计软件，可进行“中-活载”、ZK荷载、公路荷载等多种活载加载，并能进行公路铁路的双层加载。
斜主桁结构
近年建设的公铁两用桥，通常公路均为多车道高等级公路，上层公路面宽度大，下层铁路面宽度小，针对这种情况，将钢桁梁设计成倒梯形结构，可以显著节省钢材用量。京广高铁与郑州-新乡高速公路合建在郑州黄河公铁两用桥（见图3）上跨越黄河，武汉至黄冈城际铁路和一条高速公路合建于黄冈长江大桥跨越长江即是这种情形，这两座大桥均采用斜主桁钢桁梁的斜拉桥结构。
（左）郑州黄河公铁两用桥主梁横截面（中）郑州黄河公铁两用桥主梁
透视效果图（右）郑州黄河公铁两用桥
图3
组合结构
组合结构有两种情形。其一为板桁组合结构，即钢桁梁的桥面板结构与桁架共同受力。早期的钢桁梁结构，公路桥面为纵横梁上搁置小块预制的公路桥面板，它们只负责将公路荷载传递给主桁节点，未能充分发挥桥面结构作用的则不参与主桁受力。其优点是受力明确，易于计算， 缺点是未能充分发挥桥面板的作用。近年来，随着高铁桥梁的跨度越来越大，提高桥梁的刚度成为设计的重要目标，使桥面板与主桁结合共同受力，形成板-桁组合结构是提高桥梁刚度的最为有效、最为经济的途径。
在天兴洲大桥的设计中便采用了这样的板-桁组合结构，在后续建设的黄冈公铁长江大桥、铜陵长江公铁大桥等项目中，不仅公路桥面板与主桁结合，而且铁路桥面板均与主桁结合，分别与桁梁的上下弦杆共同组成桁架梁的上下弦截面，共同承担结构的总体受力，极大增加了主梁结构的刚度，对高铁列车的运行十分有利。
其二为钢-混凝土组合结构，钢桁梁桥面采用正交异性钢板与混凝土板混合桥面。公路桥面采用混凝土结构，可以从根本上避免钢桥面带来的疲劳寿命和铺装寿命普遍存在的问题。
郑州黄河公铁桥的上层公路面采用分块预制的钢筋混凝土结构，并且公路面通过剪力钉与钢主桁的上弦结合形成共同受力的组合结构。此外，沪通大桥、平潭海峡公铁大桥的许多孔80-112米简支钢桁梁的上层公路面和下层铁路面均采用了钢筋混凝土结构，形成了双层钢-混凝土组合结构。
钢桁梁整体化工厂制造
传统上，钢桁梁的制造、架设均以杆件为单位进行， 这种模式需要的施工机械设备简单，但有大量的高空工作量，对工程质量保证、工人作业安全保护都具有较大的挑战，在高铁大跨度桥梁的工程实践中正在不断改进创新。
天兴洲大桥首次采用了整节段架设新技术，即将钢桁梁一个节间的所有主桁杆件、横联杆件、铁路面纵横梁、公路桥面板均在工厂连接好，形成一个重650吨的整节段（见图4）后运输、安装，显著减少了高空作业量。铜陵公铁两用长江大桥首次采用了全焊接桁片单元技术，即以钢桁梁的每两个节间为一组，将所有构件分为若干个制造单元，每个制造单元在工厂全部采用焊接工艺制造。如每片主桁的两根（两个节间）上弦杆、两根下弦杆、两根竖杆、两根斜杆在工厂全部采用焊接连接在一起，形成桁片后运输、安装（见图5）。沪通长江大桥则将钢桁梁每两个节间的所有三片主桁、公路和铁路桥面、横向连接结构全部在工厂焊接，形成重达2000吨的整体后运输安装。平潭海峡公铁大桥80米和88米两种跨度的钢桁梁则是整孔在工厂全部焊接成整体后运输安装。
图4 天兴洲大桥主梁整节段吊装
图5 铜陵公铁大桥主梁桁片吊装
大跨度高铁桥梁的未来
我国诸多江河湖泊水域宽阔、航运繁忙，作为桥梁工程师必须努力实现桥梁建设与维护黄金水道的可持续发展。多塔缆索承重桥梁可提供连续多孔大跨，将上行、下行航道分孔布置，具有显著的经济优势。
目前， 大跨度多塔缆索承重桥梁技术已然成熟。多塔斜拉桥已建成多座，早期的公路桥有宜昌夷陵大桥、洞庭湖大桥等，近年来陆续建成了武汉二七长江大桥、济南建邦黄河大桥、嘉绍大桥等。铁路桥方面，蒙华铁路洞庭湖大桥采用主跨 2x408米的三塔斜拉桥。
多塔悬索桥技术也已获得突破，率先在世界上建成了3座千米级的大跨度三塔悬索桥，即泰州长江大桥（跨度2x1080米）、马鞍山长江大桥（跨度2x1080米）和武汉鹦鹉洲长江大桥（跨度2x850米），目前正在建设的还有采用钢桁梁双层桥面的温州瓯江北口大桥（跨度2x800米）。这些工程的建成，为未来琼州海峡通道、渤海湾通道建设桥梁方案采用更大跨度的公铁两用多塔斜拉桥和多塔悬索桥储备了技术，打下了坚实的基础。
如前所述，大跨度铁路桥梁上部结构在工厂化、预制化技术上已积累了丰富的经验，此外，大型深水基础工程的工厂化建造技术也取得了一定的成果。商合杭铁路芜湖公铁两用长江大桥和大连星海湾大桥均采用了设置基础， 芜湖公铁桥采用的是岩石地基上的预制钢壳设置基础，星海湾大桥采用的是沙土地基上的预制混凝土沉箱基础。未来需要以建设跨海峡大桥为目标，研究适应百米水深、深厚覆盖层条件下的基础新结构、施工装备及相关施工技术。
同时，在继续提高钢材、混凝土材料性能的基础上， 开展新型建筑材料的研究，如碳纤维、纤维复合材料等也是未来大跨度高铁桥梁建造的必经之路。
桥是路的延伸，《中长期铁路网规划》显示，到2020 年我国铁路网规模将达到15万公里，其中高速铁路里程将达到3万公里，形成“八纵八横”高铁网，随着高铁快速延伸，高铁桥梁必将得到更好的创新发展。未来还有琼州海峡通道、渤海湾通道等跨海通道需要建设，还有西部的崇山峻岭需要跨越，中国大跨度高铁桥梁应继续坚持创新驱动，坚持需求引领，服务国家经济社会可持续发展，服务“一带一路”等国家战略。
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