高速铁路桥梁特点及分类

高速铁路桥梁特点及分类1讲座内容一.前言二.高速铁路桥梁特点三.主要设计原则及相关限值四.我国高速铁路桥梁结构型式2一、前言31.桥梁是客运专线土建工程中重要组成部分，比例大、高架桥及长桥多。42.客运专线桥梁的主要功能是为高速列车提供稳定、平顺的桥上线路。桥上线路与路基上、隧道中的线路不同，由于桥梁结构在列车活载通过时产生变形和振动，并在风力、温度变化、日照、制动、混凝土徐变等因素作用下产生各种变形，桥上线路平顺性也随之发生变化。因此，每座桥梁都是对线路平顺的干扰点。尤其是大跨度桥梁。为了保证高速列车的行车安全和乘坐舒适，高速铁路桥梁除了具备一般桥梁的功能外，首先要为列车高速通过提供高平顺、稳定的桥上线路。53.客运专线桥梁可分为高架桥、谷架桥和跨越河流的一般桥梁。混凝土和预应力混凝土结构具有刚度大、噪音小、温度变化引起结构变形对线路影响少、养护工作量小、造价低等优势，在客运专线桥梁设计中广泛采用。6京津城际铁路高架桥概貌4.全面采用无砟轨道是高速铁路发展趋势，桥上无砟轨道对桥梁的变形控制提出更为严格的要求。无砟轨道的优点弹性均匀、轨道稳定、乘坐舒适度进一步改善养护维修工作量减少线路平、纵断面参数限制放宽，曲线半径减小，坡度增大无砟轨道基本类型轨道板工厂预制、现场铺设—日本板式轨道、德国博格型无砟轨道现场就地灌筑—德国雷达型无砟轨道（长枕埋入式、双块式）7普通铁路桥梁概貌客运专线桥梁概貌85.客运专线与普通铁路是两个时代的产物，客运专线设计、施工采用新理念，其建设促进了我国铁路桥梁工程技术的发展。二、高速铁路桥梁特点9客运专线铁路桥梁的主要特点：1.结构动力效应大2.桥上无缝线路与桥梁共同作用3.乘坐舒适度要求高4.需满足100年使用寿命5.维修养护时间少101.结构动力效应大•桥梁在列车通过时的受力要比列车静置时大，其比值（1+μ）称为动力系数（冲击系数）。产生动力效应的主要因素：①移动荷载列的速度效应②轨道不平顺造成车辆晃动α—速度参数v—车速（m/s）i—轨道不平顺的影响（常数项）n—结构自振动频率（Hz）k—系数L—跨度（m）vμ=k·α+i=k+i2n·L1112•修建客运专线要求一次铺设跨区间无缝线路，以保证轨道的平顺和稳定。桥上无缝线路可看作为不能移动的线上结构，而桥梁在列车荷载、列车制动作用下和温度变化时要产生位移。当梁、轨体系产生相对位移时，桥上钢轨会产生附加应力。•客运专线桥梁必须考虑梁轨共同作用。尽量减小桥梁的位移与变形，以限制桥上钢轨的附加应力，保证桥上无缝线路的稳定和行车安全。2.桥上无缝线路与桥梁共同作用13•与普通铁路不同，客运专线要求高速运行列车过桥时有很好的乘坐舒适度，舒适度的评价指标为车厢内的垂直振动加速度。•影响乘坐舒适度的主要因素有列车车辆的动力性能、车速、桥跨结构的自振频率和桥上轨道的平顺性。•桥梁应具有较大的刚度、合适的自振频率，保证列车在设计速度范围内不产生较大振动。3.乘坐舒适度要求高乘坐舒适度评定标准乘坐舒适度垂直加速度（m/s2）很好1.0好1.3可接受2.014•对客运专线桥梁首次提出在预定作用和预定的维修和使用条件下，主要承力结构要有100年使用年限的耐久性要求。设计者应据此进行耐久性设计。•客运专线采用全封闭行车模式，维修时间有限。•行车密度大，桥梁比例大、数量多，维修工作量大。4.需满足100年使用寿命5.维修养护时间少三、主要设计原则及相关限值15161.设计活载图式2.结构刚度与变形控制限值3.车桥动力响应4.梁轨纵向力传递5.耐久性措施6.桥面布置7.支座与墩台8.无砟轨道桥梁设计设计原则17•我国客运专线采用ZK活载图式（0.8UIC），我国新建时速200公里客货共线铁路仍采用中-活载及相应的动力系数。1.设计活载图式我国客运专线采用的ZK活载图式(0.8UIC)182.刚度和变形控制限值项目混凝土梁，简支钢板梁钢桁梁说明梁式桥跨梁体竖向挠度≤L/800≤L/900L—跨度墩台顶纵、横向弹性水平位移≤5L（mm）L—跨度，单位以米计当L＜24m时，按24m计静定结构墩台均匀沉降量≤20L（mm）静定结构相邻墩台均匀沉降量差≤10L（mm）•我国普通铁路桥梁的规定19序号项目限值说明1桥面竖向加速度≤0.35g（0.5g）有砟(无砟)(f≤20Hz)2上部结构扭转变形≤1.5mm/3mZK活载作用下3梁端竖向转角变化≤2‰≤4‰≤1.5‰（梁端悬出长度≤0.55m）≤1.0‰（0.55＜长度≤0.75m）≤3.0‰（梁端悬出长度≤0.55m）≤2.0‰（0.55＜长度≤0.75m）有砟，梁与桥台之间有砟，梁与梁之间无砟，梁与桥台之间无砟，梁与桥台之间无砟，梁与梁之间无砟，梁与梁之间4梁端水平转角变化≤1‰5梁体水平挠度≤L/40006墩台基础工后均匀沉降≤30mm（20mm）有砟（无砟）7相邻墩台基础工后沉降差≤15mm（5mm）有砟（无砟）8铺轨后梁体残余徐变上拱≤20mm（10mm）有砟（无砟）2.刚度和变形控制限值20序号项目限值说明9简支梁竖向自振频率≥100/L（Hz）(L=12、16、20、24m）≥120/L（Hz）(L=32m）≥120/L（Hz）(L=12、16、20m）≥140/L（Hz）(L=24m）≥150/L（Hz）(L=32m）200~250km/h线路350km/h线路10上部结构挠度L/1400（L≤40m）L/1400（40m＜L≤80m）L/1000（L＞80m）L/1600（L≤40m）L/1900（40m＜L≤80m）L/1500（L＞80m）ZK静活载作用下200~250km/h线路ZK静活载作用下350km/h线路2.刚度和变形控制限值213.车线桥耦合振动响应分析•客运专线桥梁结构除进行静力分析满足有关规定外，尚应按实际运营客车通过桥梁的情况进行车桥耦合动力响应分析。分析得出的各项参数指标应满足有关规定要求。•车桥耦合动力响应分析是利用有限元方法建立车辆及线--桥结构动力模型、运动方程。在满足轮轨间几何相容和作用力平衡的条件下，求解行车过程中车、线、桥相应的动力参数指标，并判断其是否符合行车安全和乘坐舒适。224.梁轨纵向力传递•桥上无缝线路钢轨受力与路基上不同，由于桥梁自身的变形和位移会使桥上钢轨承受额外的附加应力。为了保证桥上行车安全，设计应考虑梁轨共同作用引起的钢轨附加力，并采取措施将其限制在安全范围内。钢轨附加应力的分类：制动力列车制动使桥墩纵向位移产生的钢轨附加力伸缩力梁体随气温变化纵向伸缩产生的钢轨附加力挠曲力梁体受荷挠曲变形产生的钢轨附加力234.梁轨纵向力传递•为了保证桥上无缝线路（有砟）稳定和安全，要求：桥上无缝线路钢轨附加压应力不大于61MPa桥上无缝线路钢轨附加拉应力不大于81MPa制动时，梁轨相对快速位移不大于4mm•当温度跨大于120m时，由于伸缩力过大，应设置钢轨伸缩调节器，释放钢轨附加应力。•对于满足桥墩纵向最小刚度有困难的高墩谷架桥，应采用结构措施，限制钢轨附加力。24•改善耐久性的原则采用上承式结构和整体桥面高质量的桥面防排水体系和梁端接缝防水，不让桥面污水流经梁体结构构造简洁，常用跨度桥梁标准化、规格品种少结构便于检查，可方便地到任何部位察看足够的保护层厚度，普通钢筋最小保护层厚度≥3cm，预应力管道最小保护层≥管道直径截面尺寸拟定首先应保证混凝土的灌筑质量，应力不宜用足采用高品质混凝土5.耐久性措施255.耐久性措施-德国高速铁路桥梁构造措施实例44m预应力混凝土简支梁截面人行道示意265.耐久性措施-德国高速铁路桥梁构造措施实例桥面泄水孔构造支座示意275.耐久性措施-德国高速铁路桥梁构造措施实例箱梁检查通道285.耐久性措施-德国高速铁路桥梁构造措施实例梁体和墩柱辅助检查设施295.耐久性措施•我国客运专线桥梁设计暂规以及设计图纸中比较充分地考虑了耐久性措施：采用整体、密闭的桥面提高了保护层厚度预留检查通道简化常用跨度标准梁的品种采用高性能混凝土优化构造细节306.桥面布置•桥面布置优劣直接影响结构耐久性和桥梁使用方便。•特点除线路结构外，桥面主要设施有：①防、排水系统（防水层、保护层、泄水管、伸缩缝）②电缆槽及盖板（检查通道）③遮板、栏杆或声屏障④挡砟墙或防护墙⑤接触网支柱⑥长桥桥面每隔2~3km设置应急出口316.桥面布置用挡砟墙（防撞墙）替代护轨，便于线路维修养护。有砟轨道桥梁，挡砟墙内侧至线路中心线距离2.2m，便于大型养路机械养修线路。直曲线梁的桥面等宽，接触网支柱设在桥面，线路中心至立柱内侧净距不小于3.0m。桥面总宽按检查通道是否行走桥梁检查车而定。时速350km客运专线桥梁（无砟）顶宽分别为13.4m和12.0m。采用优质防水层和伸缩缝，确保桥面污水不直接在梁体上流淌。326.桥面布置-检查通过行走桥梁检查车有砟桥面无砟桥面336.桥面布置-伸缩缝构造伸缩缝构造347.支座与墩台•支座•客运专线桥梁对支座的要求应明确区分固定和活动支座，保证桥上无缝线路的安全支座应纵、横向均能转动，并能使结构在支点处可横向自由伸缩支座应便于更换•盆式橡胶支座能符合上述要求，被广泛应用于各国高速铁路桥梁•每孔简支箱梁的四个支座采用四种型号•有砟桥梁的坡道梁支座应垂直设置（无砟桥梁另作考虑）•采用架桥机架设箱形梁，要保证四支点在同一平面上采用架桥机架设箱形梁，要保证四支点在同一平面上357.支座与墩台•墩台•墩台基础的纵向刚度应满足纵向力安全传递的要求，横向刚度应保证上部结构水平折角在规定的限值以内。为保证桥墩具有足够的刚度，结构合理、经济，墩高20m以下宜采用实体墩，大于20m宜采用空心墩，禁止使用轻型墩；为便于养护维修、同时注重外观简洁，取消了墩帽、并在墩顶设有0.5~1m深的凹槽；同时墩顶预留千斤顶顶梁位置。预制架设简支梁，墩顶支座纵向间距由普通铁路桥梁70cm放大至120cm；桥位制梁时，应考虑相邻孔梁端张拉空间，墩顶支座宜采用170cm；梁底进人孔设置在墩顶位置。367.支座与墩台简支箱梁支座布置图377.支座与墩台矩形实体墩效果图矩形实体墩设计图387.支座与墩台圆端形空心墩效果图圆端形空心墩设计图398.无砟轨道桥梁设计•桥上无砟轨道建成后可调整余量很小，扣件垫板在高程上调整量约为2cm，为了保证客运专线线路的平顺和稳定，必须限值桥梁的各种变形。轨距块轨距挡板弹条螺旋道钉轨下垫板平垫圈预埋套管铁垫板下调高垫板轨下微调垫板铁垫板铁垫板下弹性垫板408.无砟轨道桥梁设计京津-北京环线特大桥CRTS-II型板式无砟轨道桥梁双线整孔箱梁CRTS-II型板式无砟轨道特殊构造418.无砟轨道桥梁设计•影响桥上无砟轨道平顺性的主要因素：墩台基础工后沉降预应力混凝土梁在运营期间的残余徐变上拱梁端竖向转角桥面高程施工误差梁端接缝两侧钢轨支点的相对位移日照引起的梁体挠曲和旁弯相邻不等高桥墩台顶的横向位移差差428.无砟轨道桥梁设计•墩台基础工后沉降应满足以下要求（必要时可采用调高支座）：均匀沉降≤20mm相邻墩台不均匀沉降≤5mm•梁端竖向转角会引起钢轨的局部隆起，造成梁端接缝两侧钢轨支点承受附加拉力和压力。应限制转角使附加拉力小于扣件的扣压力、附加压力不超过垫板允许的疲劳压应力；轨道板上抬的稳定安全系数小于1.3。当梁端悬出长度过大时，宜采用平衡板构造措施。438.无砟轨道桥梁设计平衡板示意及国外施工照片梁端竖向转角的影响448.无砟轨道桥梁设计•无砟轨道铺设后，预应力混凝土梁残余徐变上拱应不大于1cm，大跨度桥梁应不大于2cm。控制徐变上拱的措施有：增大梁高优化预应力筋布置采用部分预应力结构延长预施应力至铺设无砟轨道的时间间隔，一般不少于60天•桥面高程施工误差应控制在+0/-30mm。以保证有足够的无砟轨道建筑高度。施工应根据梁高偏差、架梁时支座与垫石间灌浆层厚度确定支承垫石顶面的高程。458.无砟轨道桥