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高速铁路桥梁一、高速铁路桥梁的特点高速铁路由于采用全封闭行车模式，线路平纵面参数限制严格以及要求轨道高平顺性，导致桥梁比例明显增大。尤其在人口稠密地区和地质不良地段，为了跨越既有交通路网，节省农田，避免高路堤不均匀沉降，大量采用高架线路。日本近2000km高速铁路中，高架线占线路总长36％，全部桥梁达47％；拟建的我国京沪高速铁路桥梁占线路总长比例达50％以上，单座桥梁最长达19km。而我国普通铁路桥梁的平均比例仅为4％左右。可见，桥梁比例大，高架桥、长桥多是高速铁路桥梁的主要特征，桥梁已成为高速铁路土建工程主要组成部分。作为重要的现代交通干线，桥梁的主要功能是为高速列车提供平顺、稳定的桥上线路，确保运营安全和乘坐舒适，并尽量减少使期间结构的维修工作量。为此，桥梁应具备以下性能：1．梁体应有足够大的竖向刚度、横向刚度和抗扭刚度，限制温差和混凝土徐变产生的上拱变形，以保证线路的高平顺性和避免不良的车、桥动力响应。2．桥梁墩台应有足够大的纵向刚度，以限制桥上无缝线路轨道的附加应力和制动时梁轨相对位移，保证线路的稳定。3．桥型的选择应尽量避免增设无缝线路伸缩调节器。4．桥梁结构及构造布置应符合耐久性要求，并便于检查和维修。二、高速铁路桥梁分类按照不同用途，高速铁路桥梁可分为以下三类：1．高架桥——用以穿越既有交通路网、人口稠密地区及地质不良地段。高架桥通常墩身不高，跨度较小，但桥梁很长，往往伸展达十余公里。2．谷架桥——用以跨越山谷。跨度较大，墩身较高。3．跨河桥——跨越河流的一般桥梁。尽管各国高速铁路对建桥材料不作限制，但90％以上的桥梁都选用混凝土结构，主要是混凝土梁具有刚度大、噪声低、养护工作量少，而且造价较为经济等优点。当桥下交通繁忙，需要快速施工，减少干扰时，还经常选用钢混结合梁桥。高速铁路桥梁一般都选用简支梁、连续梁、连续刚构、拱及组合梁等刚度大的桥型，并尽量采用双线整孔箱型截面。跨度一般不超过100m，当需要修建大跨度桥梁时，应对车辆走行性能和动力响应作专门的研究。无碴轨道已被认为是高速铁路的发展趋势。实践证明，无碴轨道弹性均匀、状态稳定，大大减少了线路维修工作量。桥梁采用无碴轨道还能显著减少二期恒载，提高结构自振频率，改善车桥动力响应，但同时也对桥梁的变形控制、基础沉降、纵向力传递提出了新的要求，成为高速铁路桥梁需要研究的问题。三、梁体的刚度和变形要求高速铁路桥梁承受的动力作用远大于一般桥梁。当列车高速通过时，桥梁出现较大的挠度或结构自振频率与列车周期性激励荷载频率相近时，列车与桥梁均会产生较大的动力响应，造成桥上轨道不平顺、乘坐舒适度降低、结构活载效应增大，甚至列车走行性能恶化，严重影响车辆运行和结构安全。因此，与普通铁路桥梁相比，高速铁路桥梁必须具备足够大的刚度和良好的整体性。在结构形式与构造上通常有下列特点：1．选用刚度大、整体性能好的结构，如简支梁、连续梁、组合梁、刚架及拱等。2．优先选用双线整孔箱形梁桥。双线桥不仅提供了很大横向刚度，在经常承受单线列车荷载时，竖向刚度比单线桥增大1倍。当小跨度桥梁采用多片式T梁时，应具有较强的横隔板和整体桥面，以保证其整体性。3．选用较大的梁高以保证足够大的竖向刚度。例如，德国规定高速铁路混凝土简支箱梁和连续箱梁的高跨比分别为1／11和1／12；意大利高速铁路25m混凝土简支梁的高跨比甚至取为1／9。由于梁高的确定来自结构刚度要求，截面应力都偏低，因此，高速铁路桥梁在疲劳和预应力混凝土徐变方面的问题都不明显。4．桥梁跨度不宜过大。世界各国高速铁路桥梁的跨度一般不超过100m。少数几座跨度超过100m的桥梁都选用拱桥、V形刚构、密束斜拉桥等刚度大的结构形式。为了保证运行安全和乘坐舒适，各国均对桥梁在活载作用下的挠度限值作出了规定。我国高速铁路桥梁在zK静活载作用下梁体的竖向挠度限值(ZK活载作用下)见表2．4．1。此外，还应避免桥梁的一阶竖向自振频率与列车的周期性激励荷载频率相近而引起的共振或较大的动力响应。为了保证桥上轨道的平顺性，还规定了预应力混凝土梁徐变上拱的限值，即轨道铺设后，有碴桥面及无碴桥面的上拱值分别不超过2cm和lcm。高速铁路桥梁刚度的合理选择直接影响运营安全和乘坐舒适，是桥梁设计中十分重要的参数。四、桥墩的纵向刚度要求为了确保线路质量和轨道的平顺性，高速铁路要求全部采用无缝线路。与一般路基上的无缝线路相比，桥上无缝线路轨道的受力较为不利。由于桥梁的纵向刚度远低于路基，列车在桥上制动时，轨道要承受较大的制动力；同时，桥梁的温度伸缩变形和外载作用下的挠曲变形也会使轨道承受附加的伸缩力和挠曲力。保证桥上无缝线路的稳定性和运营安全最直接的方法是要求桥墩有足够的纵向刚度。五、桥梁的耐久性要求对高速铁路桥梁耐久性应格外关注，是基于长期以来对桥梁的使用经验和高速铁路的重要性。1．尽管铁路桥梁设计使用寿命为100年，但只有在设计、施工十分精心并在运营时认真检查、及时养护的情况下才能实现。不少桥梁往往使用不足50年便出现了种种劣化现象，而在不中断交通情况下进行修补非常困难，费用昂贵，经常由于病害不能及时得到整治而继续恶化，最终危及使用安全，造成巨大经济损失。2．大量病害实例证明，除了施工方面的原因，影响耐久性的决定性因素来自构造上的缺陷。长期以来，人们一直偏重结构计算方法的研究，却忽视了对构造细节方面的要求。3．桥梁养护经验表明，病害越早发现、及时整治，所需费用就少，并且不会影响结构的耐久性。因此，桥梁养护的重点首先要加强检查。在设计中要重视使结构易于检查、方便维修的原则。4．合理的经济性应当体现为桥梁的建造和使用期内的检查、养护、维修费用之和达到最低。片面追求较低的建造费用而忽视了对结构耐久性的改善，不仅影响交通运输的正常运营和桥梁使用寿命，同时投入的养护维修费用十分可观，乃至远远超过在建造中节省的费用。5．高速铁路是十分重要的交通干线，桥梁所占比例很大，而且高密度的交通量使维修工作格外困难。因此，强调结构物的耐久性并作为主要设计原则，统一考虑桥梁的合理结构布局和构造细节，使其易于检查、方便维修是十分必要的。根据国内外混凝土桥梁的使用经验并结合高速铁路桥梁的特点，保证高速铁路桥梁耐久性的设计原则有：1．优先采用上承式预应力混凝土结构，桥梁要有足够的刚度和良好的整体性。2．桥梁品种及规格要简明，外形及截面尺寸应标准化、模数化。3．尽量采用整体双线桥面，使承重结构置于密闭、不透水的桥面板遮盖之下。4．人行道设置在桥面板翼缘两端并通过人行道遮板保护主梁的翼缘。遮板上设有栏杆、电缆槽及其他桥面设施，使其更换和增设不影响承重结构。遮板一端的垂直板既作为桥面滴水檐又可保护桥面横向预应力锚具，人行道遮板作为易磨耗构件可以局部更换。5．整体桥面铺设密闭、有效的防水层，横向排水坡度不小于2％，两孔梁之间的接缝宜采用连续防水体系，防水层上要覆盖致密、耐磨的保护层，厚度不少于5。m。6．桥面应设置易于检查、维修的排水设施。要考虑线路有纵坡时的桥面排水措施。应使桥面积水迅速排走，而不流经梁体。7．主梁的封锚及接缝处应在构造上采取防水措施，不能让水有渗入的可能。8．墩台顶面要设置有效的排水系统，防止表面及支座处存水。9．主梁的构造要力求简洁、统一，任何部位都能让检查人员容易接近，进行检查。10．箱型梁内净空高度不宜低于1．7m，以便于检查人员通行，箱梁腹板及底板上需设置排气、排水及悬挂脚手的小孔。11．主梁截面尺寸的拟定不宜太紧，各项尺寸应能保证混凝土灌造及震捣质量。12．要有足够的预应力筋管道和普通筋的保护层，管道保护层不应少于管道直径，普通钢筋(包括箍筋和构造筋)的保护层一般不小于3cm。管道间净距不少于5cm。保护层应有良好的密实度。13．为保证线路状态的稳定，要严格控制预应力混凝土梁的徐变上拱。14．在结构有可能产生裂缝的部位要适当增设普通钢筋以控制裂缝的发展。15．支座的构造应考虑便于更换，墩台顶面要预留顶梁位置。16．高架线路一般桥下无水，应沿桥设置便道，以便在桥下进行检查，不能在桥下进行检查的桥梁应在桥上设有相应的检查、维修设备。17．桥梁设计必须考虑养护维修和检查设施的需求。18．混凝土桥梁应采用高品质混凝土。