铁路客运专线桥梁工程技术.docx

1、铁路客运专线桥梁工程技术铁路客运专线桥梁工程技术中国铁道科学研究院 铁建所桥梁室1 前言1.1 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。1.2 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。1.3 客运

2、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。1.4 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）。1.5 客运专线与普通铁路是两个时代的产物，客运

3、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。2 客运专线桥梁特点2.1 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+） 称为动力系数（冲击系数）。产生动力效应的主要因素：移动荷载列的速度效应、轨道不平顺造成车辆晃动。 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。 跨度40m以下的客运专线简支梁桥当n1.5v/L时，会出现大的动力效应，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（f20Hz）以上会使有碴道床丧失稳定，道碴松塌，影响行车安全。2.2 桥上无缝线

4、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。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。2.3 满足乘坐舒适度 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、

5、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。2.4 100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。 2.5 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。2.6 客运专线桥梁设计要求 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； 跨度40m及以下的简支梁应选择合适的自振频率，避免列车过桥时出现共振或过大振动； 结构符合耐久性要求并便于检查； 常用跨度桥梁应标准化并简化规格、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

6、协调（美观、降噪、减振）。3 主要设计原则及相关限值3.1 设计活载图式 设计活载图式的大小直接影响桥梁的承载能力和建造费用，是重要的桥梁设计参数。图式的制定应满足运输能力和车辆的发展。 我国普通铁路桥梁采用中-活载图式和相应的动力系数。 日本高速铁路采用非常接近运营列车的N、P和H型活载图式。相应的动力系数与跨度、车速和结构自振频率有关。 欧洲统一采用UIC活载图式，它涵盖6种运营列车，包括高速列车和重载列车，相应的动力系数仅与跨度有关。 我国客运专线采用ZK活载图式（0.8UIC）以及与 UIC 一致的动力系数和结构自振频率范围，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

7、系数。 中-活载与UIC活载效应大致相当，欧洲与日本的活载图式相差较大（一倍以上），导致日本高速铁路桥梁的体量略小。 3.2 结构刚度与变形控制限值 我国普通铁路桥梁的规定 欧盟高速铁路桥梁标准的规定（ENV1991-3:1995） 我国客运专线桥梁的规定(V250km/h) 3.3 车桥动力响应 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

8、参数指标，并判断其是否符合行车安全和乘坐舒适。 动力响应分析方法 采用移动荷载列以不同速度通过桥梁，计算桥梁结构的动力特性； 采用车、桥平面模型计算车桥动力特性； 采用车、桥空间模型计算车桥动力特性。3.4 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 根据轨道的位移阻力关系建立的轨道

9、桥梁共同受力的力学计 算模型可以分析墩台纵向刚度、跨度、跨数、列车位置与钢轨附加力的关系。 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。 客运专线桥梁刚度大、钢轨挠曲力不大，且最大值与制动力、伸缩力不在同一位置，挠曲力不控制。 最大制动力出现在停车前瞬间，桥梁墩台应有足够的纵向刚度以限制制动时钢轨出现较大的应力。3.5 耐久性措施 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75100年只有在设计、施工以及使用中

10、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。病害早发现、早整治，不仅费用少，而且能保证耐久性。 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。 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

11、采用高品质混凝土。 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。3.6 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。 除线路结构外，桥面主要设施有： 防、排水系统（防水层、保护层、泄水管、伸缩缝）； 电缆槽及盖板（检查通道） ； 遮板、栏杆或声屏障 ； 挡砟墙或防护墙 ； 接触网支柱 ； 长桥桥面每隔23km设置应急出口。 特点： 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

12、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。 3.7 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

13、架桥机架设箱形梁，要保证四支点在同一平面上 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0.51m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。 3.8 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

14、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。 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。 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

15、小于1.3。当梁端悬出长度过大时，宜采用平衡板构造措施。 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。 梁端接缝两侧钢轨支点在活载及横向力作用下的竖向和横向相对位移不大于1mm。应考虑支座弹性压缩变形、梁端转角、坡道梁伸缩、支座横向间隙等影响。 日照引起梁体挠曲或桥墩横向位移应

16、与其它因素组合满足竖向与水平折角的要求，必要时需进行动力检算。3.9 客运专线桥梁设计关键控制指标表3.1 客运专线桥梁设计关键控制指标序号项目内容规 定说 明1设计使用寿命100年指主要承重结构2设计活载图式ZK（0.8UIC）3线间距5.0m（4.6m）时速350km（250km）4线路中心线至挡砟墙内侧2.2m有砟轨道5轨下枕底道砟厚度35cm有砟轨道6涵洞顶至轨底填土厚1.5m7涵洞地基工后沉降50mm有砟轨道8墩台基础工后均匀沉降30mm（20mm）有砟（无砟）轨道9相邻墩台基础工后沉降差15mm（5mm）有砟（无砟）轨道10铺轨后梁跨徐变上拱20mm（10mm）有砟（无砟）轨道11

17、箱梁内最小净空高1.6m12最外层普通钢筋保护层厚度30mm13预应力管道保护层厚度管道直径50mm结构顶面，侧面14桥面竖向加速度0.35g（0.5g）f20Hz有砟（无砟）15梁端竖向转角2指一跨梁的转角16梁端水平折角117梁体水平挠跨比L/400018结构扭转变形0.3（每延米）相当于t1.5mm/3m19简支梁L40m竖向自振频率120/L4 国外高速铁路桥梁结构型式与施工技术 世界第一条高速铁路日本东海道新干线（东京大阪，515.4km），1959年4月20日开工，1964年10月1日投入运营，最高运行速度210km/h。 法国第一条高速铁路TGV东南线（巴黎里昂，全长417km）

18、，1976年10月开工，1983年9月全线通车，最高运行速度270km/h。 德国第一条高速新线汉诺威维尔茨堡（327km），1971年开工，1991年6月2日开通运营，最高运行速度250km/h。 4.1 意大利“罗马佛罗伦萨线”桥梁 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。4.2 西班牙“马德里塞维利亚线”桥梁 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

19、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。 4.3 日本“北陆、九州新干线”桥梁 自第一条高速铁路东海道新干线建成后，逐步推广采用无砟轨道桥梁。 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）。4.4 德国“汉诺威

20、-维茨堡、斯图加特-曼海姆、科隆-莱茵/美因”线桥梁 德国高速铁路谷架桥标准跨早先为56m、44m预应力混凝土简支箱梁和等跨连续箱梁。在发现56m简支梁梁轨相对位移较大后，近年已改为44m一种。采用移动模架、顶推或膺架法施工。 特殊桥梁有混凝土拱桥、连续梁、V形连续刚架和钢混组合桁架桥。 自汉诺维维茨堡、斯图加特曼海姆新线建成后，新建或改建的高速铁路桥梁开始推广无砟轨道。4.5 法国“地中海线”桥梁 法国“地中海线”高速铁路桥梁数量不多，仅占线路总长的5%以内。除小跨度桥采用标准设计的刚架桥外，其余桥梁均为特殊设计，风格各异，造型美观。施工方法多样，如悬臂浇筑、转体合拢、浮运架设、节段式体外预

21、应力束悬臂拼装等。4.6 韩国和台湾地区高速铁路桥梁 韩国京釜高速铁路全长412km，桥梁148座，延长112km，占线路的27%，大部分桥梁采用325m和240m先简支后连续箱梁。 台湾省高速铁路由台北至高雄，全长345km，高架桥250km，占线路总长的76%，主要以30m、35m简支箱梁为主。 韩国和我国台湾省高速铁路采用的桥梁结构型式与德国箱型梁桥结构基本一致。4.7 小结 高速铁路桥梁一般均选择刚度大的结构，如：简支梁、连续梁、刚架、拱结构等，截面型式多为双线整孔箱形截面。较小跨度的桥梁也可采用多片T梁及板梁等。 桥梁结构以预应力混凝土梁为主，钢-混结合梁及小跨度钢筋混凝土结构也常有

22、使用。 为保证桥上线路平顺性，各国在选用大跨度桥梁时均十分慎重，已建的跨度超过100m的桥梁数量有限。 等跨布置的简支梁和连续梁均能适应高速铁路运营要求，两种结构型式的选择应根据工期、地质情况、施工方法及温度伸缩调节器数量等因素综合确定。5 我国客运专线桥梁结构型式与施工技术 5.1 我国客运专线规划和建设概况 我国对高速铁路技术系统的研究始于上世纪80年代，国家“八五”、“九五”有关高速铁路成套技术研究取得了大量科研成果，为我国高速铁路大规模建设提供了技术保障。 2020年规划目标：我国客运专线网布局规模为12000公里以上，城际轨道交通7000公里左右。 铁路网总布局规模为147000公里

23、以上。5.2 我国客运专线桥梁特点 高速铁路采用全封闭的行车模式，线路平纵面参数限制严格以及要求轨道高平顺性，导致桥梁在线路中所占比例明显增大。尤其是在人口稠密地区和地质不良地段，为了跨越既有交通网，节省农田，避免高路基的不均匀沉降等，亚洲各国家和地区高速铁路建设中大量采用高架线路。 我国客运专线桥梁具有以下特点： 桥梁比例大，高架、长桥、大跨度桥梁多； 设计时速300km、350km的客运专线及城际铁路全部采用无砟轨道； 桥梁必须预制架设，以实现一次铺设无缝线路；传统的铺轨、架梁施工方法与施工组织不再适用； 国情要求建设速度快。 5.3 客运专线桥梁结构型式与施工方法的选择 常用跨度桥梁选择

24、的考虑因素： 刚度大、变形小，能够满足各种使用要求； 标准化，品种、规格简洁； 便于快速施工和质量保证； 力求经济与美观的统一。 预应力混凝土简支箱梁：常用跨度桥梁以等跨布置的32m双线整孔预应力混凝土简支箱梁为主型结构，少量配跨采用24m简支箱梁。施工方法主要采用沿线设置预制梁厂进行箱梁预制，运梁车、架桥机运输架设。部分采用移动模架、膺架法桥位灌筑。 预应力混凝土连续箱梁：跨越公路、站场、河流等跨度较大的桥梁主要采用预应力混凝土连续箱梁，根据结构跨度布置、类型和工期要求，多采用悬臂、膺架法施工。 其它大跨度及特殊桥梁结构：预应力混凝土连续刚构、各种拱结构、斜拉桥及梁-拱组合结构等。为保证列车

25、的安全和乘坐舒适，对大跨度桥梁的竖向刚度提出了严格的限制。5.4 客运专线常用跨度桥梁研究情况 根据预应力混凝土双线整孔简支箱梁用量巨大的情况，铁道部从1990年开始，针对高速铁路桥梁特点、设计原则、设计暂规制定以及京沪高速铁路、秦沈客运专线等新建客运专线桥梁，系统地设立了系列科研项目，通过1:2模型试验、秦沈线实体箱梁静载及综合试验、预应力混凝土箱梁设计优化研究、时速250km/h箱梁试验研究（合宁线）、时速350km/h箱梁试验研究（郑西线）、常用跨度桥梁动力仿真分析、混凝土桥面合理布置研究等系统研究等，对常用跨度预应力混凝土箱梁的设计、施工、受力及使用性能、长期变形等方面进行了全面分析和

26、试验验证。5.5 客运专线桥梁实例6 预应力混凝土梁施工质量控制要点6.1 采用高性能混凝土 通过混凝土材料中掺加活性矿物掺合料（级粉煤灰、磨细矿粉）和其它改善混凝土性能的外加剂，改善混凝土的耐久性和施工性能。对混凝土采用的各种材料提出了严格要求和规定。 混凝土质量应达到以下要求： 强度及弹性模量不得低于设计值； 冻融循环200次后，试件重量损失不大于5%，相对动弹性模量不低于60%； 抗渗等级不小于P20； 氯离子渗透值不大于1000C； 护筋性试件中钢筋不应出现锈蚀。6.2 预制梁养护 蒸汽养护 静停时，棚温不低于5，灌筑完保持4小时；升温速度不应大于10/h；恒温蒸汽温度不宜超过45 ；

27、降温速度不大于10/h； 蒸养过程中，梁体芯部混凝土温度不应超过60，芯部与表层、表层与环境温差不超过15； 蒸养结束后，立即进入自然养护，时间不少于14天。 自然养护 保持混凝土表面充分潮湿； 相对湿度在60%以上时，不应少于14天；否则不应少于28天。6.3 预制梁拆模 混凝土强度达到设计强度的60%以上； 梁体混凝土芯部与表层、箱内与箱外、表层与环境的温差不大于15。6.4 后张梁预施应力 三阶段张拉 带模预张拉（大型预应力混凝土结构）： 防止早期混凝土温差及收缩裂缝，松开模板，不能让模板阻碍梁体压缩变形； 初张拉（提供顶梁、移梁所需的预应力）： 达到80%混凝土设计强度； 终张拉：梁体

28、混凝土达到设计的强度和弹性模量值，且混凝土龄期不少于10天，要求已张拉过的预应力束重新拉到设计吨位； 采取措施，防止预应力筋及锚具受雨水，养护用水浇淋。 保证预施应力值准确的措施 试生产期间，应至少对两件梁体测试各项瞬时损失，调整张拉控制应力，以后每100件进行一次测试； 管道摩阻； 锚口摩阻； 锚垫板喇叭口摩阻； 锚具回缩损失； 采用千斤顶油压表和预应力筋伸长值双控：要求由钢绞线实际弹性模量计算的伸长值与实测伸长值相差不超过6%。 伸长值不符的原因 油压表不准； 千斤顶内摩阻过大； 预应力筋实际弹性模量偏高或偏低； 各种摩阻过大； 伸长值测量方法错误。6.5 管道压浆 采用真空辅助压浆。压浆

29、及压浆后3天内，梁体及环境温度不应低于5。 压浆前，管道真空度应稳定在-0.06-0.10MPa之间，注满浆体后，应在0.500.60MPa压力下持压2分钟。 浆体水胶比宜在0.34，0.14MPa压力下泌水率不大于2.5%。 浆体流动度宜为不大于25秒。标准养护条件下，28天膨胀率00.1%，抗压强度不小于35.0MPa。6.6 预制梁静载弯曲抗裂性及挠度试验 合格评判标准 抗裂性kf 1.2（检验预应力及混凝土抗拉强度）； 静活载挠度1.05倍设计计算值(检验梁体弹性模量及刚度)。 需要检验的场合 首孔预制梁生产时； 正式生产后，原材料及工艺有较大变化，可能影响产品性能时； 批量生产中抽样； 有质量缺陷，可能对产品的抗裂性及刚度有较大影响时。6.7 箱梁架设 落梁时应采用测力千斤顶作临时支点，四支点力与平均值相差不超过5%。 支承垫石顶面与支座底面间隙采用注浆填实。 注浆材料强度不小于20MPa时，撤去千斤顶，梁重由支座承受。客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件（截录）3. 技术要求预制梁应按经有关部门批准的图纸及本技术条件制造。预制梁应采用满足铁路客运专线工程耐久性要求的高性能混凝土。3.1 产品类型预制梁分单线箱梁、双线箱梁和多片式T梁三种类型。3.2 原材料要求3