高速铁路桥梁知识培训

高速铁路桥梁主要内容一、前言二、高速铁路桥梁设计要点三、国外桥梁结构型式与施工技术四、秦沈客运专线桥梁结构型式与施工技术五、我国新建客运专线桥梁特点一、前言1、桥梁是高速铁路土建工程重要组成部分，比例大，长桥多。项目线路总长（km）桥梁所占比例（%）附注中国既有普通铁路700003.6桥梁总延长约2500km日本高速铁路200047高架桥约占36%台湾省高速铁路34573拟建的京沪高速铁路131660预制梁2万余孔(92%)武广客运专线88040预制梁1万余孔(94%)一、前言2、桥梁的主要功能是为高速列车提供高平顺、稳定的桥上线路。3、高速铁路桥梁可分为高架桥、谷架桥和一般桥梁，并以高架桥为主。通常采用预应力混凝土结构。一、前言4、全面采用无碴轨道是高速铁路发展趋势，无碴轨道桥梁在变形控制方面较有碴桥梁更为严格。无碴轨道的优点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无碴轨道基本类型轨道板工厂预制、现场铺设——日本板式轨道、德国博格型无碴轨道现场就地灌筑——德国雷达型无碴轨道（长枕埋入式、双块式）一、前言日本桥上板式无碴轨道一、前言RHEDA型优化过程德国雷达2000型无碴轨道一、前言德国桥上博格型板式无碴轨道一、前言•高速铁路与普通铁路是两个时代的产物。高速铁路推动了现代铁路技术的发展，采用设计、施工新理念，桥梁施工趋于精细化、工业化。•高速铁路桥梁设计突出人性化，通过满足适用、舒适、耐久、环保、便于养护维修等方面的要求体现经济性。一、前言•高速铁路桥梁的特点1、结构动力效应大2、桥上无缝线路与桥梁共同作用3、满足乘坐舒适度4、100年使用寿命5、维修养护时间少一、前言1、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iLnvkik2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）一、前言客运专线速度效应大于普通铁路，桥梁的动力效应相应较大，对常用刚度的混凝土梁、车速为130、160、300km/h时，α—L的关系如下图：速度参数α的最大值130300160一、前言•跨度40m以下的客运专线简支梁桥当α＞0.33、相当于n＜1.5V/L时，会出现大的振动，甚至发生共振。为此，应当选择合理的结构自振频率n，避免与列车通过时的激振频率接近。列车高速通过时，桥梁竖向加速度达到0.7g（f≤20Hz）以上会使有碴道床丧失稳定，道碴液化、松塌，影响行车安全。一、前言2、桥上无缝线路与桥梁共同作用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和变形。当梁、轨体系产生相对位移时，桥上钢轨会产生附加应力。如果附加应力过大，会造成线路丧失稳定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一、前言3、满足乘坐舒适度与普通铁路不同，客运专线必须保证高速运行的列车有很好的旅客乘坐舒适度，它取决于车体的垂直振动加速度乘坐舒适度评定标准列车通过桥梁时，影响乘坐舒适度的主要因素是桥梁的竖向刚度一、前言4、100年使用寿命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5、维修养护时间少客运专线采用全封闭行车模式行车密度大桥梁比例大、数量多一、前言根据以上特点，桥梁设计应满足以下要求：桥梁应有足够的竖向、横向、纵向和抗扭刚度，使结构的各种变形很小避免结构出现共振和过大振动结构符合耐久性要求并便于检查常用跨度桥梁力求标准化并简化规格、品种长桥应尽量避免设置钢轨伸缩调节器桥梁应与环境相协调（美观、降噪、减振）二、高速铁路桥梁设计要点•欧洲各国为UIC荷载，主要考虑有客货混运的高速线及各国联网，其大小相当于中-活载。•日本为轻型的N、P标准活载，主要考虑只运行客车并不与本国的普通铁路联网（窄轨），大小仅相当于0.4～0.5UIC荷载。•我国客运专线考虑只运行客车及轻型货车，设计荷载采用0.8UIC。1.设计活载活载大小直接影响桥梁承载能力和建造费用，各国按各自国情制定标准，目前可分三类：二、高速铁路桥梁设计要点1.设计活载国际铁路联盟制定的UIC活载图式二、高速铁路桥梁设计要点1.设计活载日本高速铁路活载图式二、高速铁路桥梁设计要点1.设计活载我国客运专线采用的ZK活载图式(0.8UIC)二、高速铁路桥梁设计要点2.结构变形控制•为了保证列车高速运行时桥上轨道的平顺，各国均制定了桥梁的各种变形限值，其大小大致相当。•我国规范相应的规定与欧盟标准一致。二、高速铁路桥梁设计要点2.结构变形控制欧盟高速铁路桥梁变形限值的规定（ENV1991-3:2019）序号项目限值说明1桥面竖向加速度有碴桥面a≤0.35g无碴桥面a≤0.50g用运营列车进行车桥动力分析2上部结构扭转变形当V＞220km/ht≤1.5mm/3m(1+Ф)·UIC荷载作用下3梁端竖向转角变化θ≤3.5‰θ1+θ2≤5‰(1+Ф)·UIC荷载及温度变化作用下4梁端水平转角变化θ1+θ2≤1.5‰(1+Ф)·UIC荷载、风荷载、横向摇摆力、离心力及上部结构温差作用下5上部结构挠跨比L/1600（15m＜L≤30m）L/2100（30m＜L≤50m）L/2400（50m＜L≤90m）(1+Ф)·UIC荷载作用下二、高速铁路桥梁设计要点3.选择合理结构刚度，减小车桥动力响应•列车高速通过时对桥梁会产生较大的动力作用。•小跨度桥梁（40m以下）应具有较大的刚度，避免桥梁发生共振或出现较大振动。•大跨度桥梁应进行车桥动力分析，确保行车安全和舒适。•桥面竖向振动加速度（≤20Hz）应小于0.35g（有碴桥面）和0.5g（无碴桥面），避免道碴松塌和跳轨。二、高速铁路桥梁设计要点4.通过结构构造措施，限制桥上无缝线路的附加应力•桥梁变形会使桥上无缝线路产生附加应力。为保证线路安全，欧盟规定该应力应不超过±92Mpa(无碴桥)或+72、-92Mpa(有碴桥)。•提高下部结构的纵向刚度，可有效降低列车制动产生的钢轨附加应力。当纵向刚度不能保证时（高墩桥），应采取结构措施减小桥梁纵向变形对钢轨附加应力的影响。[见下图]•当温度跨长≥120m时，应设置钢轨温度调节器，降低桥梁伸缩产生的钢轨附加应力。通常结构选型应尽量避免设置温度调节器，减少养护工作量。二、高速铁路桥梁设计要点4.通过结构构造措施，限制桥上无缝线路的附加应力•将高墩简支梁串连，仅在A型支柱处设固定支座，全桥纵向力直接通过A型支柱传至基础。二、高速铁路桥梁设计要点5.提高结构耐久性1）改善结构耐久性是通过实践中吸取大量经验教训得来的，世界各国总结的经验是：•结构物使用寿命75～100年只有在设计、施工、材料选用以及使用中检查、养护十分精心的条件下才能实现。•造成结构病害的主要原因之一是结构构造上的缺陷，以往的设计过分重视计算，忽视了构造细节的处理。•桥梁的养护重点是及时检查。•桥梁的经济性应体现为一次建造费用和使用中养护维修费用之和最低。二、高速铁路桥梁设计要点5.提高结构耐久性2）耐久性设计原则•按不同使用环境采用相应的高性能混凝土和合宜的施工工艺；•注重结构构造设计，如高质量的防排水体系、足够的保护层厚度以及易于保证施工质量的截面尺寸；•必须具备畅通的检查通道，便于检查养护。二、高速铁路桥梁设计要点5.提高结构耐久性3）德国高速铁路桥梁采取的构造措施人行道遮板示意•优质防水层、箱内排水、可更换的人行道遮板二、高速铁路桥梁设计要点5.提高结构耐久性•公路直达空心桥台；•电瓶车可在桥台及箱梁内通行。二、高速铁路桥梁设计要点5.提高结构耐久性•空心墩内外均能检查；•梁上设孔便于悬挂脚手。二、高速铁路桥梁设计要点5.提高结构耐久性•人行道可行走特制的检查车，进行桥梁外侧检查。6.常用跨度桥梁宜标准化，尽量简化品种规格二、高速铁路桥梁设计要点•日本高速铁路高架桥占桥梁总数的70％以上，均采用规格统一的小跨度混凝土连续刚架；•德国高速铁路（科隆-莱茵/美因线）桥梁的常用型式为44m简支梁或44m等跨连续梁，两种型式截面相同。7.无碴轨道桥梁设计特点二、高速铁路桥梁设计要点1）影响桥上无碴轨道平顺性的主要因素：墩台基础工后沉降预应力混凝土梁在轨道铺设后的残余徐变上拱梁端竖向转动日照引起的梁体挠曲2）针对上述因素，德国和日本专门制定了无碴轨道桥梁设计相关规定和检算要求。7.无碴轨道桥梁设计特点二、高速铁路桥梁设计要点7.无碴轨道桥梁设计特点二、高速铁路桥梁设计要点7.无碴轨道桥梁设计特点二、高速铁路桥梁设计要点7.无碴轨道桥梁设计特点二、高速铁路桥梁设计要点RHEDA型号的优化过程：7.无碴轨道桥梁设计特点二、高速铁路桥梁设计要点7.无碴轨道桥梁设计特点二、高速铁路桥梁设计要点秦沈客运专线沙河特大桥长枕埋入式无碴轨道桥梁24m双线整孔箱梁7.无碴轨道桥梁设计特点二、高速铁路桥梁设计要点秦沈客运专线狗河特大桥板式无碴轨道桥梁24m双线整孔箱梁7.无碴轨道桥梁设计特点二、高速铁路桥梁设计要点秦沈客运专线双何特大桥板式无碴轨道桥梁24、32m单线箱梁7.无碴轨道桥梁设计特点二、高速铁路桥梁设计要点•梁端转动引起钢轨支点上拔示意图（上图）•采用平衡板结构减小梁端转动对无碴轨道平顺性的影响（右图）三、国外桥梁结构型式与施工技术•意大利“罗马－佛罗伦萨线”桥梁实例•西班牙“马德里－塞维利亚线”桥梁实例•日本“北陆新干线”桥梁实例•德国高速铁路桥梁实例•法国“地中海线”桥梁实例•各国高速铁路大跨度桥梁（L100）汇总三、国外桥梁结构型式与施工技术意大利“罗马－佛罗伦萨线”桥梁实例•常用桥梁跨度为25m，结构型式采用双线整孔预应力混凝土箱梁。先张法预制、架桥机架设，施工速度快。•特殊桥梁采用跨度不超过70m的预应力混凝土连续箱梁，悬臂灌筑法施工。三、国外桥梁结构型式与施工技术意大利“罗马－佛罗伦萨线”桥梁实例•25m先张梁外型及预应力筋布置。三、国外桥梁结构型式与施工技术意大利“罗马－佛罗伦萨线”桥梁实例•预制梁移运。三、国外桥梁结构型式与施工技术意大利“罗马－佛罗伦萨线”桥梁实例•预制梁运输。三、国外桥梁结构型式与施工技术意大利“罗马－佛罗伦萨线”桥梁实例•架桥机架设。•桥长2540m，102×25m等跨布置简支梁。三、国外桥梁结构型式与施工技术西班牙“马德里－塞维利亚线”桥梁实例常用桥梁跨度26m，结构型式由五片式预应力混凝土简支T梁组成。T梁采用后张法预制，运至现场吊装，并在现场灌注两个厚达1m的端横梁和整体桥面，以保证桥梁的整体性。特殊桥梁均为多跨预应力混凝土连续箱梁，跨度约70m。施工方法有顶推法、悬臂灌筑法和预制节段悬臂拼装法等。三、国外桥梁结构型式与施工技术西班牙“马德里－塞维利亚线”桥梁实例•26m标准跨截面型式。•连续梁截面型式。三、国外桥梁结构型式与施工技术日本“北陆新干线”桥梁实例自第一条高速铁路东海道新干线建成后，逐步推广采用无碴轨道桥梁。高架桥约占桥梁总长的70%以上，为标准的小跨度钢筋混凝土连续刚架结构，跨度系列为8、10、12m，桥位灌筑。日本认为，刚架桥适用多地震地区，且可节省土地。跨度40m及以下的桥梁以四片预应力混凝土T梁组成的整孔简支梁为主。采用T梁预制、轮胎吊架设、现场灌筑混凝土联成整体。特殊跨桥梁有连续梁、刚架、斜拉桥、组合结构及少量钢桥等，最大跨度达134m（第二千曲川桥）。三、国外桥梁结构型式与施工技术日本“北陆新干线”桥梁实例•钢筋混凝土连续刚架桥，桥位灌筑三、国外桥梁结构型式与施工技术日本“北陆新干线”桥梁实例•跨度30m四片式