（土木工程专业论文）高速铁路大跨度预应力混凝土连续梁设计关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 高速铁路大跨度预应力混凝土连续梁设计关键技术的研究以京津城际轨道 交通跨北京五环8 0 + 1 2 8 + 8 0 m 无碴轨道预应力混凝土连续梁为工程背景。根据京 津城际轨道交通跨北京五环的跨越条件以及设计时速3 5 0 公里的高速铁路使用 要求，研究采用了8 0 + 1 2 8 + 8 0 m 无碴轨道预应力混凝土连续梁。通过计算分析及 比选，确定了桥梁跨中及支点的合理梁高及满足高速铁路使用要求的大跨度混 凝土连续梁的结构刚度；通过计算分析不同高跨比、不同预应力钢束设置、梁 体上下翼缘恒载应力差等对工后残余徐变的影响，提出从设计角度降低工后残 余徐变的措施和预留调整措施，以满足无碴轨道的使用要求；通过研究提出合 理的预拱度设置方法，改善高速行车时桥上轨道的平顺性；通过对大跨度连续 梁地震响应分析，解决地震力作用下桥墩及基础设计问题。通过上述关键技术 问题的分析解决，力求获得可行、合理的技术参数，为工点的施工图设计提供 充分的依据，根据分析结果调整优化桥梁结构设计。 研究中以理论分析为主，采用专用程序及通用程序对高速铁路大跨度预应 力混凝土连续梁进行了总体、局部计算分析、抗震分析。 为了验证研究成果的可靠性，通过车桥耦合动力仿真分析，对研究提出的 设计参数是否满足高速行车安全性、乘车舒适性要求进行了验证。车桥耦合动 力仿真分析表明，该桥的静力刚度、动力特性、工后徐变变形满足高速铁路的 使用要求。 该项目的研究成果可为同类型项目提供一定的参考价值。 关键词：高速铁路，无碴轨道，连续梁，刚度，徐变，动力分析 a b s t r a c t ab s t r a c t t a k i n gt h em a i nb r i d g e o f8 0 + 12 8 + 8 0 ms p a nb a l l a s t l e s st r a c kp r e s t r e s s e d c o n c r e t ec o n t i n u o u sg i r d e ro v e rb e i j i n g5 伽砒n gr 0 a do fb e i j i n g t i a n j i ni n t e r c i t y r a i l w a ya sa ne x a m p l e o nt h ec o n d i t i o n so fb e i j i n g t i a n j i ni n t e r c i t yr a i l w a yo v e r b e i j i n g5 伽r i n gr o a da n d3 5 0 k m hd e s i g ns p e e d ，t h ep a p e ra d o p t e d8 0 + 1 2 8 + 8 0 ms p a n t h er e a s o n a b l eg i r d e rd e p t ho fm i d s p a na n ds u p p o r t s ，t h es t r u c t u r a ls t i f f n e s so f l o n g - s p a nc o n c r e t ec o n t i n u o u sg i r d e ra l ed e t e r m i n e db ya n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n t h e m e a s u r e so fr e d u c i n gr e m a i n i n gc r e e pa n da d j u s t m e n ta l eg i v e nb yc o m p u t i m i n g d i f f e r e n td e p t h - s p a nr a t i o ，p l a c i n gd i f f e r e n tp r e s t r e s s e dt e n d o n sa n dc o n s i d e r i n gt h e i n f l u n c eo ft h es t r e s sd i f f e r e n c eb e t w e e nt o pa n db o t t o m f l a n g e o fg i r d e ri n a c c o r d e n c ew i t hb a l l a s t l e s st r a c k t h er e a s o n a b l ep r e c a m b i n gi sg i v e nt oi m p r o v et h e s m o o t ho ft r a c ko nt h eb r i d g ed u r i n gt h eh i g hs p e e dt r a i nr u n n i n g t h ed e s i g n p r o b l e m so fp i e ra n df o u n d a t i o na p p l i e ds e i s m i cf o r c ew e r es o l v e db yt h es e i s m i c r e s p o n s ea n a l y s i so fl o n gs p a nc o n t i n u o u sg i r d e r , p r o v i d i n ga d e q u a t ef o u n d a t i o nf o r w o r k i n gd r a w i n gd e s i g n t h eb r i d g es t r u c t u r a ld e s i g nw a so p t i m i z e da c c o r d i n gt ot h e r e s u l t s t h ep a p e ra n a l i z e dt h el o n gs p a np r e s t r e s s e dc o n c r e t ec o n t i n u o u sg i r d e r sw h o l e a n dl o c a lc a l c u l a t i o n ，s e i s m i cr e s i s t a n c et h e o r e t i c a l l yb yu s i n gs p e c i a la n dg e n e r a l p r o g r a m t h ed e s i g np a r a m e t e r sa r es a f ea n dr e l i a b l eb yt h ea n a l y s i so ft h et r a i n - b r i d g e c o u p l i n gd y n a m i cs i m u l a t i o n t h es t a t i cs t i f f n e s s ，d y n a m i cb e h a v i o ra n dc r e e po f b r i d g ea l ea c c o r d a n c ew i t ht h eh i 曲s p e e dr a i l w a y t h er e s u l t sm a ys e r v ea sr e f e r e n c et ot h es i m i l a rp r o j e c t s k e yw o r d s ：h i g hs p e e dr a i l w a y , b a l l a s t l e s st r a c k , c o n t i n u o u sg i r d e r , s t i f f n e s s ， c r e e p ，d y n a m i ca n a l y s i s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：多【矾 加略年y 月，2 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 她陟吒 加。譬年够月，z 日 第l 章引言 1 1 课题研究背景 第1 章引言 京津城际轨道交通工程是国家批准的中长期铁路网规划客运系统的示范、 样板和标志性工程，是环渤海京津冀地区城际轨道交通网的重要组成部分，也是 沟通北京、天津两大直辖市的便捷通道。线路由北京南站东端引出，沿京津高速 公路第二通道至杨村，后沿京山铁路至天津站。该工程2 0 0 5 年7 月4 日正式开 工建设，将于2 0 0 8 年奥运会前正式通车运营，是我国目前已经开工建设并将最 早建成的第一条高速铁路客运专线，建成后将成为世界一流的客运专线。京津城 际轨道交通工程采用国际先进的无碴轨道技术，确保列车高速平稳舒适运行，设 计时速3 5 0 公里，使京津两地间实现3 0 分钟到达。 京津城际轨道交通正线全长1 1 3 5 4 4 k m ，其中桥梁总长度1 0 0 1 7 1 k m ，桥梁 长度占线路长度比例达8 8 2 2 ，桥梁最大跨度1 2 8 米。 京津城际轨道交通与北京五环路交叉处，跨越五环主路和两侧辅路以及辅路 两侧的煤气、电力、排污等几十条管道，主桥采用8 0 + 1 2 8 + 8 0 m 无碴轨道预应力 混凝土连续梁。由于无碴轨道不能象有碴轨道那样进行起、拔道作业，而且轨道 扣件的调整量非常有限，因此梁体变形必须保证无碴轨道铺轨条件、保证轨道的 平顺性；高速行车的舒适性、安全性要求高速铁路大跨度桥梁应具有良好的刚度 和整体性，因此必须对高速铁路大跨度预应力混凝土连续的关键技术进行研究， 使其满足高速铁路的使用要求。 1 2 大跨度预应力混凝土连续梁在工程中应用情况 1 2 1 国内外现状 高速铁路以其运量大、速度快、能耗低、占地少、安全性高、舒适性好、污 染小、效益高等优势在世界各国迅速发展。目前，国内已经建成的客运专线铁路 为设计时速2 5 0 公里的秦沈客运专线，并有多条高速铁路在建。国外高速铁路比 较发达的国家有日本、德国、法国、意大利等国家，其它国家及地区诸如韩国、 澳大利亚和我国台湾省等也在大力发展高速铁路。日本的新干线是世界高速铁路 1 第1 章引言 中最早修建的，1 9 6 4 年建成东海道新干线，这是世界上第一条高速铁路线，之 后日本又相继建成了山阳、东北、上越新干线。德国也于7 0 年代开始建设曼海 姆一斯图加特和汉诺威一维尔茨堡两条高速铁路。法国到目前为止也已建成 t g v 东南线、t g v 大西洋线等多条高速铁路。对于高速铁路而言，由于高速行 车对线路、桥梁等土建工程的刚度要求严格，因此国外高速铁路桥梁多以中小跨 度为主。 7 0 年代以来，在我国普速铁路上修建了大量的预应力混凝土连续梁。我国 秦沈客运专线为设计时速2 5 0 公里的客运专线铁路，该工程跨阜锦公路采用 4 8 + 8 0 + 4 8 m 预应力混凝土连续梁，是我国客运专线上首次采用8 0 m 的跨度，也 是我国目前运行的客运专线上的跨度最大的预应力混凝土连续梁。正在建设中的 石太客运专线工程中，也采用了4 8 + 8 0 + 4 8 m 预应力混凝土连续梁。国内客运专 线中采用的部分大跨度预应力混凝土连续梁见表1 1 。 国内客运专线预应力混凝土连续梁桥表1 - 1 主跨 支点跨中支点跨中建设 桥名 所在线路名称 ( m )梁高( m ) 高跨比情况 跨阜锦公路秦沈线8 05 7 3 41 4 0 4 2 3 5 3 己建成 东山过境特大桥石太客运专线 8 0 6 4 3 81 2 5 2 1 0 5建设中 t g v a v i g n o n ( 阿维尼翁) 高架桥位于法国南部罗纳河与迪朗斯河的汇合点 和阿维尼翁市之间，通过马赛一瓦朗斯支线和马赛一蒙彼利埃支跨越罗纳河，桥 长1 5 0 0 m ，主跨为1 2 孔跨度1 0 0 m 的连续梁。该桥为法国高速铁路中首次采用 1 0 0 m 的预应力混凝土梁、首次使用高强度混凝土，采用了多项划时代技术，在 法国t g v 线上占有重要地位。 法国地中海线上的罗格莫尔高架桥跨越瓦朗斯和阿维尼翁之间的罗纳河，该 高架桥位于9 号公路附近，桥长6 8 0 m ，桥梁由高度不等的箱梁组成，用就地浇 注的块件通过悬臂拼装方式建成。它创造了法国高速铁路高架桥1 0 5 m 最大跨度 的纪录。 表1 2 中列举了部分国外高速铁路、客运专线中采用的大跨度预应力混凝土 连续梁的应用实例。 2 第1 章引言 国外高速铁路混凝土连续梁桥 表l - 2 主跨 支点跨中 支点跨中结构 国家桥名 所在线路名称梁高 ( m )高跨比形式 ( m ) 日本太田川桥上越新干线 l l o 8 0 5 01 3 7 5 2 2连续梁 日本鱼野川桥上越新干线 9 06 01 5 连续梁 日本第二阿武限川桥东北新干线 1 0 5 8 5 1 5 01 2 3 5 2 1连续梁 法国 罗格莫尔高架桥 t g v 地中海线1 0 5连续梁 法国阿维尼翁高架桥t g v 地中海线 i 0 0 8 5 5 01 1 7 6 2 0连续梁 法国旺塔布伦桥t g v 地中海线 i 0 0 连续梁 目前国外高速铁路线上采用的预应力混凝土连续梁最大跨度为i l o m ，日本 新干线及法国t g v 高速铁路线上的预应力混凝土连续梁最大跨度分别为l l o m 和1 0 5 m 。而我国已建成运营的客运专线中，还没有跨度超过l o o m 的大跨度预 应力混凝土连续梁。对于高速铁路连续梁桥而言，1 2 8 m 预应力混凝土连续梁在 国内属于最大跨度，在国际上也属于跨度较大的高速铁路预应力混凝土桥梁。 1 2 2 国内外大跨径预应力混凝土桥梁病害问题 目前国内外大跨径预应力混凝土梁桥存在的主要病害是主跨跨中下挠过大、 梁体产生裂缝。以下列举几座下挠过大的桥梁病害实例： 1 黄石公路大桥 黄石大桥跨径布置为1 6 2 5 + 3 2 4 5 + 1 6 2 5 m ，连续长度达1 0 6 0 m ，于1 9 9 5 年建成。该桥通车运营3 年后，跨中仍然持续下挠。运营7 年后，各跨均有明显 下挠，跨中最大下挠累计已达3 0 5 c m 。 2 虎门公路大桥辅航道桥 虎门大桥辅航道桥为三跨预应力混凝土连续刚构桥，跨径为15 0 + 2 7 0 + 15 0 m ， 于1 9 9 7 年建成，是当时世界上最大跨度的预应力混凝土连续刚构桥。该桥连续 7 年的观测结果显示，主跨跨中挠度逐年增长，且尚未停止。2 0 0 3 年1 1 月观测 数据，跨中最大下挠达2 2 2 c m 。 3 广东南海金沙公路大桥 广东南海金沙大桥，孔跨布置为6 6 + 1 2 0 + 6 6 m ，于1 9 9 4 年建成通车。2 0 0 0 年底对该桥检查发现，主跨跨中挠度达2 2 5 c m 。 4 国外一些跨中下挠过大的桥梁实例 第1 章引言 科罗巴岛( k o r o t - - b a b e l d a o b ) 桥是一座3 跨预应力混凝土刚架桥，跨径 为7 2 + 2 4 1 + 7 2 m ，1 9 7 8 年建成通车，至1 9 9 0 年，其挠度达到1 2 m 。后采用体外 索施加预应力，使中跨挠度减小。但1 9 9 6 年7 月，加固处理后不到3 个月就发 生了倒塌事故。 英国的k i n g s t o n 桥，是一座跨径布置为6 2 5 + 1 4 3 3 + 6 2 5 m 的预应力混凝土 梁桥，1 9 7 0 年建成后，中跨挠度逐渐加大，至1 9 9 8 年已发展超过3 0 c m 。 美国1 9 7 9 年竣工的鹦鹉渡口桥( p a n o r sf e r r yb r i d g e ) 跨径为9 9 + 1 9 5 + 9 9 m ， 上部结构采用轻质混凝土。使用1 2 年后，中跨跨中下挠达6 3 5 c m 。 以上多座桥梁均发生中跨下挠过大的病害，分析原因主要是大跨径预应力混 凝土连续梁巧截面越来越轻型化，混凝土强度等级越来越高，设计对混凝土的收 缩徐变影响程度及其长期性估计不足，未采取徐变控制措施。同时，桥梁在使用 过程中受太阳照射、环境温度变化等影响，承受温度力作用是不可避免的，特别 是沿梁体截面高度方向的梯度温度模式，将在横截面上产生温度自约束应力( 有 关研究资料表明，在箱梁腹板和顶板交界处温度拉应力值可达1 - - 一3 m p a ) ，使该 处混凝土产生初始裂纹，进而产生腹板斜裂纹。裂纹的发生将直接降低梁体刚度、 使梁体挠度增大，并使梁体产生应力重分布、梁体预应力有效性降低、未开裂部 分梁段应力增大，使徐变效应增大和出现新的裂纹，活载的交变作用也使裂纹不 断扩展。因此，箱梁梁体裂纹使结构刚度降低、加大徐变效应、加剧跨中下挠， 而上述因素又使梁体发生新的裂纹，进而互相影响、形成恶性循环，是梁体产生 过大挠度的主要原因。 1 3 预应力混凝土连续梁的设计理论及研究进展 桥梁结构在力学上可分为梁式、拱式和悬吊式三种基本体系以及它们之间的 各种组合体系，因此现代的桥梁结构，根据其受力特点、建桥材料、适用跨度、 施工条件等特点，将桥梁划分为梁式桥、拱式桥、刚架桥、悬索桥和斜拉桥等组 合体系桥梁。按照上述分类，连续梁属于梁式桥结构。 预应力混凝土连续梁是由杆件组成的，杆件的几何特征是长度比横断面尺寸 大得多，所以预应力混凝土连续梁的杆件内力可按结构力学方法计算，其基本计 算方法是力法和位移法。随着电子计算机的应用与普及，目前桥梁结构分析主要 4 第l 章引言 采用矩阵分析法和有限单元法。结构矩阵分析法是以传统的结构力学理论作为计 算基础，以矩阵作为数学表达公式，用电子计算机作为计算手段，使理论、公式、 手段三位方法一体化。结构矩阵分析的基本原理是，把复杂的桥梁杆系结构离散 成有限个杆单元，再将这些杆单元集合成整体，将复杂的结构计算问题转化为简 单杆单元的分析和集合问题。该种分析法是杆单元的精确解而不是近似解。但在 桥梁结构计算中，由于受力情况、边界条件均较复杂，往往不能得到理论精确解， 只能应用数值法求结构的近似解。数值法中广泛采用的是有限元素法，这种方法 首先将连续的弹性体简化为有限个杆系单元，即将结构离散化为杆单元模型，然 后计算杆单元的数值解，由于应用十分方便，在现在的桥梁结构分析中得到广泛 应用。目前有限元法已从结构计算发展到结构优化设计，并向设计自动化方向发 展；而且逐步从平面计算分析向空间三维实体仿真分析发展。 对于高速铁路桥梁而言，桥梁设计除进行静力内力、变形、刚度计算分析外， 尚应进行基于车轨道桥梁耦合振动理论的的车桥耦合动力分析，这种分析是 在建立包含车体、转向架、轮对、轨道结构、桥梁梁部及下部结构在内的全结构 仿真分析模型，对高速行车条件下的车桥动力相应进行分析，得出脱轨系数、轮 重减载率、车体竖向和横向振动加速度等参数，以达到在设计研究阶段对桥梁设 计能否满足高速行车安全性、乘车舒适性要求进行判别的目的。 1 4 论文背景工程介绍 1 4 1 结构简述 京津城际轨道交通在与北京五环路交叉处跨越五环主路和两侧辅路以及辅 路两侧的煤气、电力、排污等几十条管道，跨北京五环主桥采用8 0 + 1 2 8 + 8 0 m 无 碴轨道预应力混凝土连续梁。 城市交通现状及规划对本桥的影响和要求：桥下公路要求净高5 m ，桥下交 通繁忙，施工期间必须保证桥下道路通畅。本桥与既有道路斜交4 0 度。 本桥布置见平面布置图( 附图1 0 1 ) 和全桥布置图( 附图1 0 2 ) 。 1 4 2 上部建筑 1 梁部结构尺寸( 详见附图1 0 3 - - 1 0 4 ) 经比选，连续梁中支点梁高9 6 m ( 高跨比1 1 3 3 ) ，边支点及跨中梁高5 6 m ( 高跨比1 2 2 9 ) ，梁高沿纵向按二次抛物线变化，中跨跨中直线段长9 m ，边 5 第1 章引言 跨直线段长2 1 9 5 m 。截面采用单箱单室、变高度、变截面直腹板形式。箱梁顶 宽1 3 4 m ，底宽7 0 m 。顶板厚度除梁端附近外均为4 5 0 “6 5 0 m m ，按折线变化；腹 板厚6 4 0 l l o o m m ，按折线变化；底板由跨中的5 2 0 m m 按二次抛物线变化至根部 的1 2 0 0 m m 。 在端支点、中跨中及中支点处共设置5 个横隔板。边支座处隔板厚度1 5 m ， 中跨中0 8 m ，中支点处3 0 m 。 2 预应力体系( 详见附图1 0 5 1 0 6 ) 箱梁横截面为单箱单室，梁部采用三向预应力体系。 纵向预应力采用高强度低松弛钢绞线，标准强度f p k = 1 8 6 0 m p a ，公称直径 巾1 5 2 m m ，锚下张拉控制应力1 2 6 5 m p a ，两端张拉，其中项、底板钢束用1 9 7 巾5 钢铰线，腹板束采用1 5 7 巾5 钢铰线。 梁体顶板横向预应力采用4 7 咖5 钢绞线，抗拉标准强度f p k = 1 8 6 0 m p a ，锚下 张拉控制应力0 6 8 f p k ，扁形金属波纹管成孔。 腹板竖向预应力筋采用中2 5 精轧螺纹钢筋，其抗拉强度为9 8 0 m p a ，锚下张 拉控制应力为7 3 5 m p a 。 3 支座：采用盆式橡胶支座。 4 桥面构造：按本线统一标准设计施工，采用无碴轨道，防撞墙内侧净宽 9 4 m ，桥上人行道栏杆内侧净宽1 3 2 m ，桥面板宽1 3 4 m ，桥梁建筑总宽1 3 8 m 。 1 4 3 下部建筑 1 桥墩 桥墩采用矩形墩，边墩墩顶横桥向宽7 6 m ，顺桥向宽3 6 m ，中墩墩顶横桥 向宽9 5 m ，顺桥向宽4 5 m ，墩身横桥向变宽。 2 基础 基础采用直径巾1 5 0 c m 的钻孔灌注桩，中墩按照4 行6 列布置2 4 根桩，桩 长7 0 m ；边墩按照4 行4 列布置1 6 根桩，桩长6 0 m ，。 1 4 4 施工方法 由于桥下交通繁忙，施工期间必须保证桥下道路畅通，需采用挂篮悬臂浇筑 施工，边跨不平衡段采用支架现浇施工，合龙顺序为先边跨、后中跨( 详见附图 1 0 7 】0 8 ) 。 6 第2 章研究解决的关键技术问题和研究思路 第2 章研究解决的关键技术问题和研究思路 2 1 研究解决的关键技术 针对本课题背景工程的实际情况，结合国内外现状和高速铁路的特点，对高 速铁路无碴轨道大跨度混凝土连续梁提出以下关键技术进行重点研究： 1 合理梁高及刚度研究； 2 减小工后残余徐变设计措施研究； 3 预拱度设置研究； 4 地震响应分析； 5 车桥耦合动力分析。 2 2 研究思路 研究以理论分析为主，采用桥梁专用程序及通用计算程序对高速铁路 ( 8 0 + 1 2 8 + 8 0 ) m 大跨度混凝土连续梁进行总体、局部计算分析，并通过车桥耦 合动力分仿真析及背景工程的施工、运营实践，分别在设计阶段和实施阶段对理 论研究成果进行验证。 2 2 1 合理梁高及结构刚度研究 首先对( 8 0 + 1 2 8 + 8 0 ) i l l 大跨度混凝土连续梁的横截面形式进行定性分析选 择，然后建立有限元分析模型进行横截面施工、运营阶段受力分析，得出满足受 力要求的横截面形式。在此基础上，建立有限元分析模型对连续梁支点、跨中不 同梁高组合进行受力指标分析和经济技术比选，从而从静力分析角度确定满足高 速铁路使用功能要求的( 8 0 + 1 2 8 + 8 0 ) i l l 大跨度混凝土连续梁合理梁高及结构刚 度。 2 2 2 减小工后残余徐变设计措施研究 首先通过对混凝土收缩徐变的机理和计算方法进行分析，找出混凝土工后残 余徐变的影响因素，然后通过有限元分析，选择设计参数，对各种工后残余徐变 的影响因素进行对比分析，从而从设计角度提出控制工后残余徐变的措施，使其 满足无碴轨道的使用要求；并鉴于收缩徐变的复杂性、不确定性，通过分析研究 7 第2 章研究解决的关键技术问题和研究思路 提出工后残余徐变预留调整措施，确保背景工程万无一失。 2 2 3 预拱度设置研究 对于铺设无碴轨道的高速铁路大跨度连续梁，确保成桥线形平顺对于高速行 车的安全性、舒适度而言是非常关键的。在2 2 1 、2 2 2 节研究提出的连续梁 结构设计的基础上，通过恒载、静活载作用下连续梁挠度的准确计算以及工后残 余收缩徐变发展规律分析研究，提出高速铁路无碴轨道大跨度混凝土连续梁合理 的预拱度设置方法，从而提高行车的安全性、舒适性。 2 2 4 地震响应分析研究 由于高速铁路对桥梁刚度的要求较高，使高速铁路桥梁梁部质量远大于一般 普速铁路桥梁，加之大跨度连续梁跨度大、联长较长，导致桥梁地震力大、地震 响应较为复杂，地震力往往控制桥墩及基础设计。桥梁地震响应与其所在场地、 地震动力参数、桥梁结构形式、下部结构设计等因素有关，研究中以背景工程为 前提条件，在2 2 1 、2 2 2 节研究提出的连续梁结构设计、常规工况下部结构 设计的基础上，采用安评反应谱、安评地震波，利用专用动力分析程序，在多遇 地震下对桥梁进行反应谱分析和弹性地震反应时程分析；在罕遇地震下对桥梁进 行弹塑性地震反应时程分析，从而解决地震力作用下大跨度连续梁桥墩及基础设 计问题。 2 2 5 车桥耦合动力分析 对于高速铁路而言，刚度往往是桥梁设计的控制因素。在上述2 2 1 2 2 4 节研究提出的连续梁上、下部结构设计和轨道平顺性条件的基础上，通过专用有 限元分析程序，建立包括列车、轨道、桥梁在内的车桥耦合动力仿真模型，得出 行车安全性、舒适性指标，从而在背景工程实施前对研究提出的桥梁上、下部结 构设计能否满足高速行车安全性、乘车舒适性等要求进行验证。 通过上述关键技术问题的分析解决，力求获得技术可行、经济合理的技术参 数，为背景工程施工图设计提供充分的依据，并根据研究成果调整、优化桥梁结 构设计。 8 第3 章主要技术标准及参数 第3 章主要技术标准及参数 3 1 选用的设计规范 ( 1 ) 新建时速3 0 0 3 5 0 公里客运专线铁路设计暂行规定( 上、下) ； ( 2 ) 铁路桥涵设计基本规范( t b l 0 0 0 2 1 - 2 0 0 5 ) ； ( 3 ) 铁路桥梁钢结构设计规范( t b l 0 0 0 2 2 2 0 0 5 ) ； ( 4 ) 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范( t b l 0 0 0 2 3 - 2 0 0 5 ) ； ( 5 ) 铁路桥涵地基和基础设计规范( t b l 0 0 0 2 5 2 0 0 5 ) ； ( 6 ) 新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定( 2 0 0 3 6 ) ； ( 7 ) 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定( 2 0 0 5 0 9 1 3 发布) ； ( 8 ) 铁路工程抗震设计规范( g b 5 0 1 1 1 - 2 0 0 6 ) 。 3 2 主要技术标准 ( 1 ) 线路等级：高速铁路；双线；线间距5 0 m ； ( 2 ) 设计速度：3 5 0 k m h ； ( 3 ) 线路情况：直、曲线； ( 4 ) 轨道：采用无碴轨道； ( 5 ) 牵引种类：电力； ( 6 ) 列车类型：动车组； ( 7 ) 设计活载：z k 活载。 3 3 主要技术参数 3 3 1 设计荷载 1 、恒载 ( 1 ) 结构自重 材料的容重应按铁路桥涵设计基本规范( t b l 0 0 0 2 1 2 0 0 5 ) 采用。 ( 2 ) 二期恒载 桥面二期恒载采用15 8 k n m 。 9 第3 章主要技术标准及参数 ( 3 ) 混凝土收缩、徐变影响：按照现行规范计算。 ( 4 ) 基础沉降 按照新建时速3 0 0 3 5 0 公里客运专线铁路设计暂行规定6 3 9 条考虑。 2 、活载 ( 1 ) 纵向计算采用z k 标准活载。 ( 2 ) 横向计算采用z k 特种活载。 ( 3 ) 列车活载动力系数如下： 剪力动力系数： 仍2 了瓤0 9 9 6 + 。9 1 3 弯矩动力系数：仍2 了再1 4 9 4 + 。8 5 1 其中l 口为梁的加载长度，以米计，当计算动力系数小于1 0 时采用1 0 。 ( 4 ) 离心力 桥梁在曲线上时，必须考虑离心力。离心力按水平向外作用于轨顶以上1 8 m 处，离心力应按下式计算： 对集中活载n ： 对分布活载q ： f = 三1 2 7 r ( 厂- ) 、_， f = 三1 2 7 r ( 厂g ) ， 川筋一一8 0 0 ( 等5 ) ( 一、孚 。 。 v 八 、三 j ( 5 ) 横向摇摆力：根据新建时速3 0 0 3 5 0 公里客运专线铁路设计暂行规 定第6 2 1 2 条规定考虑。 ( 6 ) 长钢轨纵向水平力 按新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定考虑。 3 、附加力 ( 1 ) 制动力或牵引力的计算按新建时速3 0 0 3 5 0 公里客运专线铁路设计 暂行规定第6 2 1 3 条规定考虑。 ( 2 ) 风力：按铁路桥涵设计基本规范( t b l 0 0 0 2 1 2 0 0 5 ) 第4 4 1 条计 1 0 第3 章主要技术标准及参数 算。 ( 3 ) 温度荷载：按铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范 ( t b l 0 0 0 2 3 2 0 0 5 ) 考虑。施工合拢温度按照5 1 0 。c 考虑，梁体按均匀升温3 0 、降温3 0 计算，非线性温度变化，按照规范附录b 考虑。 ( 4 ) 人行道荷载：作业通道设计荷载按s m 2 。计算时，人行道的竖向静 活载不与列车活载同时计算。 4 、特殊荷载 ( 1 ) 地震力：按铁路工程抗震设计规范( g b 5 0 1 1 1 2 0 0 6 ) 的规定考虑。 ( 2 ) 长钢轨断轨力、列车脱轨荷载：按新建铁路桥上无缝线路设计暂行 规定办理。 ( 3 ) 施工荷载：施工挂篮重8 5 t ，挂篮前支点距离梁端0 5 m 。机具、人群 等临时施工荷载按2 5 k n m 计算。 5 、荷载组合： 组合l ： 主力：恒载( 包括预应力) + 活载+ 混凝土收缩、徐变+ 基础变位 组合2 ：主力+ 纵向附加力：组合1 + 温度力 组合3 ：验算荷载： ( 1 ) 恒载( 包括预应力) + 混凝土收缩、徐变+ 地震力 ( 2 ) 恒载( 包括预应力) + 混凝土收缩、徐变+ 活载+ 地震力 3 3 2 主要控制指标 l 、梁体变形的限值 应符合新建时速3 0 0 - 3 5 0 公里客运专线铁路设计暂行规定第6 3 1 条规 定： ( 1 ) 梁体的竖向挠度的计算采用“z k 活载”静力作用下。梁体竖向挠度值 不大于梁体计算跨度的1 1 0 0 0 。 ( 2 ) 在z k 活载乘以动力系数作用下，梁端竖向折角不应大于1 o 。 ( 3 ) 在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下，梁体的水平挠 度应不大于梁体计算跨度的1 4 0 0 0 。 ( 4 ) 在z k 活载乘以动力系数作用下，一个轨距宽度内3 0 m 梁长的扭曲变 形应满足：t 1 2 m m 。 1 1 第3 章主要技术标准及参数 ( 5 ) 无碴轨道铺设后，桥面梁的徐变上拱值不大于l o m m ，下挠值不大于 2 0 m m 。 2 、安全系数及各阶段应力指标 ( 1 ) 按照铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范规定执行。 梁体设计安全系数及各阶段应力指标见表3 1 。 设计安全系数及各阶段应力指标表3 - 1 顺号项目检算条件 控制条件 运营荷载下 k 2 2 1 强度安全系数 设计安全 安装荷载下k 1 8 系数 运营荷载下 k f 1 2 2抗裂安全系数 安装荷载下k f 1 1 3 预加应力时的锚下钢绞线控制应力 0 c o n 0 7 5 f p k 预应力钢 4 传力锚固时钢绞线控制应力 0 p 0 6 5 f p k 绞线应力 5运营荷载下钢绞线应力 0 p 0 6 0 f p k ( 肝a ) 6 疲劳荷载作用下钢绞线应力幅a 0p 1 4 0 钢筋 7 疲劳荷载作用下带肋钢筋应力幅a 0s 1 5 0 应力( 好a ) 8 传力锚同时混凝土压应力 0c 0 7 5 f c 9 传力锚固时混凝土拉应力 0c t 0 7 0 f c t 1 0 运营荷载下混凝土压应力 0 c 0 5 0 f c 1 1运营荷载下混凝土拉应力 0c t 0 1 2 运营荷载f 混凝土最大剪应力 tc 0 1 5 f c 混凝土应 1 3 运营荷载下混凝土主拉应力0 t p 0 7 f c t 力( m p a ) 1 4抗裂荷载下混凝土主压应力 0 c p 0 6 0 f c 1 5 抗裂荷载下混凝土主拉应力 0t p f c t 注：f p k 为钢绞线之抗拉强度标准值；f c 、f c t 分别为预加应力时混凝土轴心抗压、抗拉极限强 度；f c 、f c t 分别为混凝土轴心抗压、抗拉极限强度。 3 3 3 主要建筑材料 1 、混凝土：梁体采用c 5 0 混凝土，封端采用c 5 0 无收缩混凝土，防撞墙及 电缆槽竖墙等采用c 4 0 混凝土。 2 、预应力体系： ( 1 ) 纵向预应力体系： 1 2 第3 章主要技术标准及参数 预应力钢筋采用抗拉强度标准值为1 8 6 0 m p a 的高强低松弛钢绞线，公称直 径1 5 2 m m ，其技术条件应符合g b t 5 2 2 4 2 0 0 3 标准。张拉控制应力可采用 0 7 5 f p k 。管道形成采用金属波纹管。锚具采用o v m 系列锚具。 ( 2 ) 横向预应力体系： 预应力钢筋采用抗拉强度标准值为1 8 6 0 m p a 的高强低松弛钢绞线，公称直 径1 5 2 m m ，其技术条件应符合g b t 5 2 2 4 2 0 0 3 标准。张拉控制应力可采用 0 7 5 f p k 。锚固体系采用b m l 5 4 、b m l 5 p 4 。管道形成采用7 0 x 1 9 m m 扁形金属 波纹管。 ( 3 ) 竖向预应力体系： 竖向预应力钢筋采用巾2 5 m m 高强度精轧螺纹钢筋，型号p s b 7 8 5 ，抗拉强度 标准值f p k = 9 8 0 m p a ，伸长率6s 7 ，1 0 h 松弛率1 5 ，锚固体系采用几m 2 5 型锚具，张拉体系采用y c 6 0 a 型千斤顶；管道形成采用内径3 5 m m 铁皮管成孔。 3 、普通钢筋：采用h r b 3 3 5 钢筋和q 2 3 5 钢筋。 4 、支座：采用客运专线铁路桥梁盆式橡胶支座。 第4 章合理梁高及结构刚度研究 第4 章合理梁高及结构刚度研究 4 1 横截面形式的选择及受力分析 对于中小跨度双线铁路连续梁桥，其梁部可采用两单线桥并置的分离式双箱 单室结构，也可采用双线单箱整体式结构，也有少数桥梁采用分片式t 梁结构。 而对于客运专线大跨度连续梁来说，单室箱形截面无疑是更为合适的截面形式。 我国既有铁路上的连续梁，无论是单线桥还是双线桥，绝大多数采用箱形截面构 造；国外高速铁路上的连续梁桥除小跨度以外，也大都采用单箱单室箱形截面。 单箱单室箱形截面的腹板数量少，有利于节省圬工量，两片腹板各自支撑一 条线路，结构受力明确，并且较厚的腹板有利于提高结构的耐久性和方便预应力 钢束的布置；单箱单室箱梁整体性强，横向刚度大，抗扭刚度大，结构自重大， 列车行驶平稳，旅客舒适度好；从施工及后期运营养护的角度考虑，单箱单室整 体式箱梁结构可以节省施工耗材，并可以大大提高施工效率，缩短施工周期，施 工中容易保证质量；另外，由于单箱单室构造简单，使桥梁结构易检查、易维修， 少维修，提高耐久性，延长桥梁的使用寿命。因此对于大跨度连续梁桥，采用单 箱单室整体式截面比较适宜。 综上所述，本研究8 0 + 1 2 8 + 8 0 m 预应力混凝土梁，采用单箱单室箱形截面。 横截面计算分析中，采用桥梁博士结构分析软件，建立横截面模型，分别对 支点截面及跨中截面进行横截面分析。分析中考虑结构自重、箱梁不均匀温度、 桥面二期恒载、活载以及人群荷载对主梁横截面的影响。 横截面布置图以及结构分析单元划分图分别如图4 1 、4 2 所示。 1 4 第4 章合理梁高及结构刚度研究 o o n 跨中截面 ? q o1 9 6 5。3 3 8 5。1 1 5 0 。1 1 5 0 。 3 3 8 5 。 1 9 6 5 2 矾 襄 12 12 名 7 i2 名 2 12 1 2 11 o j n t 一 8 0 m 的多跨梁的竖向静活载挠度不应大于 l 1 0 0 0 ，但我国规范仅适用于l 9 6 m 范围，对于本研究课题1 2 8 m 主跨的连续 梁，一般采用l 2 0 0 0 作为竖向静活载挠度限值较为适宜。各国规范对连续梁刚 度限值详见表4 5 。 各国规范对连续梁竖向刚度限值汇总表 表4 5 规范国家竖向刚度横向刚度梁端转角 u i c 国际铁路联盟 l 8 0 0l 4 0 0 05 d $ 8 0 4 德国 l 1 7 0 0 1 2 0 ( d s 8 9 9 5 9 ) 铁路建筑物设计标准日本l 10 0 0 ( 单线) l 2 0 0 0 ( 单线) 3 3 0 0 - - 3 5 0 客专暂行规定中国l 1 0 0 0 l 4 0 0 0 l 4 2 2 合理梁高的确定 研究中选取三种不同梁高方案进行计算研究，三个方案梁高配置详见表4 6 。 为便于数据的对比，不同梁高采用相同的横截面型式，顶底板厚度、腹板厚度、 梗肋尺寸和钢束布置形式相同。横截面如图4 1 所示。 平面分析采用a s c b 结构设计软件对梁体的截面应力、强度、位移、强度安 全系数、抗裂安全系数等等进行计算分析。并采用m i d a s 有限元分析软件，建 立三维空间模型，对桥梁空间自振特性进行分析研究。 各方案梁高参数表表4 - 6 支点 跨中 梁高h l ( m )高跨比梁高h 2 ( m )高跨比 方案一 9 41 1 3 65 4 1 2 3 7 0 方案二 9 61 1 3 35 6 l 2 2 8 6 方案三 9 81 1 3 15 8 l 2 2 0 7 1 9 第4 章合理梁高及结构刚度研究 1 抗裂、强度安全系数对比表 抗裂、强度安全系数对比表 表4 7 。 主力工况主+ 附工况 项目位置 方案一方案二方案三方案一方案二方案三 上翼缘最小抗裂安全系数 1 4 71 51 4 51 4 71 51 4 5 下翼缘最小抗裂安全系数 1 4 81 4 91 4 91 3 61 3 51 3 5 正截面强度安全系数 2 4 62 4 42 4 42 2 72 2 42 2 4 2 静活载挠度对比表 静活载挠度对比表 表4 - 8 竖向位移( r a m )跨挠比 序号方案 边跨跨中中跨跨中边跨中跨 1 方案一 2 0 9 95 2 0 41 3 8 3 9 91 2 4 5 9 6 2 方案二 1 9 34 8 0 51 4 1 7 6 21 2 6 6 3 9 3 方案三 1 7 8 34 4 7 31 4 5 2 0 51 2 8 6 1 6 3 静活载梁端转角对比表 静活载梁端转角对比表 表4 - 9 梁端转角梁端反弯角 序号方案 r a dr a d l 方案一 o 9 3 一o 7 3 2 方案二 0 8 6 一0 6 7 3 方案三 0 7 9 一0 6 2 4 截面正应力对比表( 主力工况) 2 0 第4 章合理梁高及结构刚度研究 截面正应力对比表( 主力工况) 表4 - 1 0 方案一 方案二方案三 截面上缘应力下缘应力上缘应力下缘应力上缘应力下缘应力 特征 ( 肝a )( m p a ) ( m p a )( m p a )( m p a )( m p a ) o o - i n0 瞳io - i n om o - i n om 0 - i n om 1 o - i no o - i n 边跨跨中1 1 8 9 4 5 21 3 0 23 8 71 1 - 0 83 9 71 2 1 53 3 81 0 8 84 01 1 7 53 2 7 中支点 6 7 92 7 71 1 5 57 0 76 6 42 7 61 0 1 26 1 16 2 12 3 21 1 1 26 8 中跨跨中 1 1 5 25 5 31 0 9 33 3 61 0 8 95 1 2l o 22 9 7l o 4 74 8 79 8 52 8 5 5 截面正应力对比表( 主+ 附工况) 截面正应力对比表( 主+ 附工况)表4 - 1 1 方案一方案二方案三 截面上缘应力下缘应力上缘应力下缘应力上缘应力下缘应力 特征( m p a )( m p a )( m p a ) ( m p a )( m p a )( m p a )