高速铁路桥梁设计.doc

高 速 铁 路 桥 梁 设 计主讲人： 勘察设计院京沪 北京25目 录1概述12高速铁路桥梁设计的一般规定和原则12.1高速铁路桥涵设计注重结构的耐久性设计12.2高速铁路桥涵具备良好的动力性能12.3高速铁路桥优先选用预应力混凝土结构22.4高速铁路混凝土梁部结构的形式以箱形截面为主22.4.1中小跨混凝土梁部结构22.4.2跨度16m及以下的桥梁32.5高速铁路梁型的选用32.5.1简支梁32.5.2连续梁32.5.3其它梁型42.6高速铁路梁型有关梁体斜交的规定52.7高速铁路桥涵建筑结构的间距53高速铁路桥梁设计荷载63.1荷载组合63.2竖向荷载设计图式73.3动力系数103.4离心力折减系数113.5横向摇摆力123.6脱轨荷载123.7汽车撞击力123.8其他荷载134高速铁路桥梁结构变形、变位和自振频率的限值134.1梁体的竖向、水平变形和扭转134.1.1高速列车安全性和舒适性的动力响应评判标准134.1.2高速铁路梁体变形的要求144.2梁体的竖向自振频率164.3车桥耦合动力响应分析的要求174.4桥梁下部结构刚度174.5桥梁墩台基础工后沉降量限值的规定185高速铁路桥涵结构构造要求195.1桥面布置的构造要求195.1.1有碴轨道和无碴轨道的选择195.1.2桥面宽度205.1.3加强排水、防水措施保证结构耐久性205.2桥梁结构易于检查维修215.3保护层厚度225.4徐变上拱的控制225.5支座225.6噪音235.7涵洞洞顶填土厚度236宁沪段（含京徐段五座特大桥）法方、日方咨询情况246.1日方咨询意见汇总246.2法方咨询意见汇总257高速铁路桥涵景观设计251 概述京沪高速铁路的运营要求就是高速度、高舒适性和高安全性。为了满足高速列车安全运行和旅客乘坐舒适度的要求，高速铁路桥梁设计在一些原则性规定、设计活载、结构变形限值、结构构造要求和维修养护等方面都作了更加严格的规定。高速铁路设计的重要依据之一就是京沪高速设计暂行规定。京沪高速设计暂行规定是在十多年科学研究和设计实践的基础上，以及对秦沈客运专线设计施工实践经验总结的基础上编制完成的。2003年9月，德、法、日三国完成对设计暂规进行了咨询，提出了修改建议。2004年4月，选取南京至上海的线路，就线路的总体性和各个专业的难点、疑点，请法、日两国进行了设计咨询，进一步对暂规指导下的设计进行验证。下面结合秦沈客运专线的工程实践、两次国际咨询和京沪线桥梁设计情况，重点对京沪高速设计暂行规定（以下简称暂规）中与普通铁路不同的地方向大家做个介绍。2 高速铁路桥梁设计的一般规定和原则2.1 高速铁路桥涵设计注重结构的耐久性设计大量桥梁的使用经验说明，结构的耐久性对桥梁的安全使用和经济性起着决定的作用。经济合理性应当使建造费用与使用期内的检查维修费用之和达到最少。京沪高速铁路是我国修建的第一条高速客运专线，车流量大，技术标准高，将建成世界一流水平的铁路，为保证列车正常运行不受限制，高速铁路的桥梁结构具有足够的耐久性是必要的保证。在设计暂规中特作了以下规定。（1）高速铁路的桥梁的洪水频率标准，按我国铁路干线最高级的级干线标准办理。并对涵洞的设计频率标准提高至1/100。此项规定对平原区涵洞影响较小，而对山丘区排洪涵洞，部分需要加大孔径，或改为梁式桥。（2）在普通铁路虽然对桥涵结构耐久性提出了要求，但在暂规中明确提出桥梁主要承重结构应按100年使用要求设计。（3）统一考虑合理的结构布局和结构细节，强调要使结构易于检查维修以保证桥梁的安全使用。2.2 高速铁路桥涵具备良好的动力性能在高速列车运行条件下，桥梁结构的动力响应加剧，从而使列车运行的安全性、旅客乘坐的舒适度、荷载冲击、材料疲劳、列车运行噪声、结构耐久性等等问题都与普通铁路不同。所以，桥梁结构必须具有足够的强度和刚度，必须保证可靠的稳定性和保持桥上轨道的高平顺状态，使高速铁路的桥梁结构能够承受较大的动力作用，具备良好的动力特性。为了使高速铁路的桥梁结构具有良好的动力性能，暂规对桥梁结构刚度和基频等进行严格控制。2.3 高速铁路桥优先选用预应力混凝土结构与其他建桥材料相比，预应力混凝土结构，具有一系列适合高速铁路要求的特性，如刚度大、噪音低，由温度变化引起的结构位移对线路结构的影响小，运营期间养护工作量少等，而且造价也较为经济，所以暂规要求桥梁上部结构应优先采用预应力混凝土结构。在京沪高速设计中北京至上海段共598km桥梁，预应力混凝土结构约占97%以上。2.4 高速铁路混凝土梁部结构的形式以箱形截面为主2.4.1 中小跨混凝土梁部结构桥梁的上部结构直接承受列车荷载，由于高速列车运行时动力响应加剧，为保证列车运行安全和旅客乘坐舒适，加强上部结构的竖向刚度、横向刚度和抗扭刚度，使其满足刚度限值的要求，同时加强结构的整体性，以提高结构的动力特性，都是十分必要的。箱形截面梁，刚度大，整体性好，具有较好的动力特性，架设(或制造)可一次到位，无工地联接工作，工期较短，是中小跨混凝土梁部结构的首选型式。它的主要缺点是自重大，桥面宽，预制架设需要重型设备等。双线单箱整体式结构，由于结构横向刚度大，改善了旅客乘坐舒适度。从保证高速列车运行乘坐舒适度的角度来看，联成整体的双线桥比单线桥优越，故优先采用。在秦沈客运专线采用了双线整孔箱梁和单线箱梁并置两种情况。在秦沈线的试验中，24m、32m双线整孔箱梁的实测挠跨比均在1/20000以上，而24m单线并置箱梁的实测挠跨比也达到了1/16783，其相应ZK荷载挠跨比为1/50311/7717。并且实测中横向振幅值也很小。2.4.2 跨度16m及以下的桥梁对于跨度16m及以下的桥梁，可以采用钢筋混凝土框架桥、钢筋混凝土刚构连续，这些结构均能满足高速行车的要求，可以根据工点的实际情况、施工条件等来选择合理的结构型式。2.5 高速铁路梁型的选用2.5.1 简支梁多孔等跨简支梁桥的桥跨外形一致、截面相同、构造布置统一，便于结构的日常检查和养护维修。采用简支体系的梁桥，更能适应地质不良、地基承载力低的地段。等跨简支梁，工程量大，适宜于现场工厂化预制，逐孔架设，能显著提高施工速度。秦沈客运专线简支梁架设2.5.2 连续梁多孔等跨布置的连续梁，能够提高梁部结构整体性和刚度，并且对保持桥上线路的平顺性更有利，从而提高桥上行车的舒适性和安全性。采用适当的施工方法能保证桥梁的经济性和施工进度。京沪高速铁路24m、32m常用跨度的连续梁，是按相邻墩台不均匀沉降1cm作为设计条件。因此24m、32m常用跨度连续梁对地基沉降较为敏感。在京沪高速铁路设计中，根据沿线地质条件，在沉降控制有把握的地段适当采用常用跨度的连续梁。目前设计中常用跨度连续梁主要分布在北京、济南至泰安和徐州至蚌埠附近。总计约50km。施工方法初步拟定原位现浇。秦沈客运专线大跨连续梁2.5.3 其它梁型斜交刚构连续和框构桥在跨越道路等场合，其适应性强，整体性好，可以根据需要采用。钢混凝土结合梁或型钢混凝土结构跨越能力强，施工方便，并且由于结构重量轻有显著的抗震优势，故在跨越繁忙道路或抗震要求较高的场合适用。京沪高速桥梁设计中优先采用预应力混凝土结构，根据立交、通航等的需要也采用了钢筋混凝土结构，钢结构和钢混凝土结合结构。暂规国际咨询中德、法、日均对优先使用混凝土结构结构予以认同，德国还特别提出在复杂地下条件（沉降不易控制），简支结构是合理的选择。秦沈客运专线结合梁桥2.6 高速铁路梁型有关梁体斜交的规定对于斜交桥梁由于梁体两侧挠度差异，将会影响高速列车的运行安全和旅客乘坐的舒适度，一般不宜设置斜梁。在秦沈客运专线和京沪线设计中，一般仅在跨越低等级道路时，根据斜交情况采用了斜交刚构，并不配以相应的斜交桥台。同样台后轨枕一头支于桥台另一头支于路基会造成不均匀沉降，影响行车的平稳性。因此在斜交桥台后，修筑T型混凝土楔块，将台尾与线路中线垂直。秦沈客运专线斜交刚构梁桥2.7 高速铁路桥涵建筑结构的间距桥涵结构物与路基的结合部，由于路基与桥涵结构物的刚度不同，以及路基与桥涵结构物的沉降不一致，会造成高速行车的跳车现象。涵洞由于洞顶有填土对高速行车的影响小一些。对于桥梁，两桥桥台之间的净距离过近时，会造成短时间内两次跳车，对旅客乘车的舒适性产生影响。另外，由于两桥后均要设置过渡段，距离过近，剩余的普通路基已不多，故与两桥连起来相比，经济上已没有多大差别。对于涵洞，由于高速铁路路基的填筑要求很高，一般应采用大型机械压实。两涵之间的净距过小，会造成施工困难。根据以上分析，并参考秦沈客运专线的设计施工经验，提出两桥台尾之间的距离不宜小于150m，两涵之间以及桥台尾与涵之间的净距离不宜小于30m。暂规国际咨询中法、日均对以上限值予以认同，但都提出涵洞之间可视具体情况，通过改变填料或取消过渡段，进而压缩涵洞间距。秦沈客运专线桥梁涵洞秦沈客运专线的涵洞3 高速铁路桥梁设计荷载3.1 荷载组合高速铁路有关荷载的内容是在现行铁路桥涵设计规范的基础上，针对高速铁路桥涵设计的特点，进行了必要的修订和补充。设计计算方法仍然采用容许应力法，荷载的分类及荷载的组合原则，仍然沿用铁路桥涵设计规范的规定，只是根据高速行车和采用无缝线路的实际情况，在荷载项目上，增列了长钢轨纵向水平力、长钢轨断轨力和高速行车引起的气动力。桥梁因温度变化而伸缩，因列车荷载作用而发生挠曲。桥梁的这种变形受到轨道结构的约束。又因桥上无缝线路的连续性，致使梁变形时，钢轨产生两种纵向水平力，分别称之为伸缩力和挠曲力，同时，两种力也反作用于梁，并传递到支座和墩台上。伸缩力和挠曲力都是主力，但二者在同一轨道上不会同时产生。桥上无缝线路的钢轨，由于疲劳、纵向力过大或其他原因损伤而可能造成断轨，从而产生断轨力。断轨力按一跨简支梁或一联连续梁长范围内的线路纵向阻力之和计算，最大断轨力不超过最大温度拉力值。在正常运营养护条件下，发生断轨的机率比较小，而断轨力的值又比较大，所以，规定不论单线或双线桥梁，只计算一轨的断轨力，而且将其作为特殊荷载，称为长钢轨断轨力。在荷载组合上，只考虑它与主力相组合，不与其他附加力组合。气动力是指高速列车运行时带动周围空气随之运动，形成的列车风在临近列车的建筑物上产生的波动压力，它与列车形状、速度、以及临近建筑物距线路的距离、建筑物的高度等因素有关。列车风压力呈正、负压力波形式。气动力属主力。气动力的作用主要用于声屏障的结构设计，对声屏障而言，最不利的气动力为吸力。除上述三项荷载外，其他荷载项目及有关荷载组合的规定，都与现行铁路桥涵设计规范相同。与秦沈线所用的时速200公里新建铁路线桥隧站设计暂行规定（以下简称200暂规）相比，多了气动力的规定。暂规国际咨询中日均对以上荷载项目予以认同，但日本对荷载组合没有规定，并提出船只撞击力作用方向、和防护方法应从技术、经济方面综合考虑决定。3.2 竖向荷载设计图式高速铁路的竖向荷载设计图式，是高速铁路桥梁设计的基础，是最重要的参数之一。活载标准应满足运输能力的需要，满足机车车辆发展的需要，并保证据此确定的承重结构具有足够的可靠度，能确保运输安全。对于高速铁路还要考虑较高的旅客乘坐舒适度的要求。桥梁是铁路线上主要承重结构，京沪高速铁路桥梁长度占全线很大比例，活载图式制定的合理与否，直接影响到行车安全和工程造价，如果选定的活载图式标准偏低，则会危及行车安全或影响运输能力，标准过高则会造成浪费。所以说，活载设计图式的选定不单单是个技术问题，更是一个经济政策的问题，同时，也反映一个国家的技术发展水平和综合国力。影响设计活载图式的因素很多，活载的图式和大小与线路上运行的机车车辆本身的参数如列车类型、轴距、轴重、编组以及车辆的发展有密切的关系，还与运输模式（是单一的客运还是客货混运）、速度指标、不同结构体系的加载方式等密切相关。所以说，实际运行的机车车辆本身的参数，并不等于活载图式。这牵涉到“设计活载”和“运营活载”的概念差别。简言之，在考虑了以上诸多因素后确定的设计活载图式在桥梁上产生的静、动效应，应大于各类实际运行的机车车辆所产生的静、动效应，同时考虑其发展以及其他难以预见的因素，还应留有适当的强度储备。（1）国外高速铁路设计活载图式概况及其特点国外高速铁路活载图式大体上分为两种体系。其一是欧洲普遍采用的UIC活载；另一种是日本采用的高速列车专用荷载N、P荷载。欧洲各国普遍采用的UIC活载，它包络了六种运营列车的活载图式，能够概括当前和可预见的将来在欧洲铁路上出现的荷载。它包络的运营列车，包括最大时速为80km的特重列车、最大时速为120km的重型货车、最大时速为250km的长途客车和最大时速为300km的高速轻型客车。日本高速铁路标准设计活载，非常接近日本实际的高速运营列车活载。标准P活载和UIC活载图式中包含的时速300km的高速轻型高速列车活载的轴重、轴距相差不大。日本P活载各种跨度简支梁的跨中等效弯矩较UIC活载所概括的高速轻型运营列车活载对各种跨度简支梁的跨中等效弯矩略大。（2）京沪暂规确定高速铁路活载图式的基本思路京沪高速铁路的设计速度目标值为350km/h。早期运营时的运营组织，采用高中速混运的模式，以高速为主，中速在200km/h以上。远期为纯高速运营。为此，在制定高速铁路活载图式时，首先考虑基础设施按350km/h的要求，同时也要考虑我国中速机车轴重较大的实际。由于UIC活载概括了现在欧洲的轻型和重型运营列车荷载，并留有列车发展的余地，这与我国京沪高速铁路的目标值和高中速混运的模式是很接近的。另外还考虑必要时高速铁路线可运行货物列车。通过综合分析，确定采用UIC活载的模式来制定我国高速铁路活载图式。在“85”、“95”关于高速铁路的前期研究中进行了详细的计算分析比较。（3）京沪暂规确定高速铁路活载图式根据静力计算的结果，结论如下：如果我国直接把UIC活载作为高速铁路的设计活载，它与运营活载的强度效应比余量太大，常用跨度的简支梁最少为50%左右，中等跨度的连续梁最少在40%左右。如采用0.7UIC作为高速铁路桥梁设计活载，虽能包络各种运营列车活载效应，但余量较小。如采用0.6UIC作为高速铁路桥梁设计活载，能包络中速、高速列车活载效应，但特殊情况下要求运营货物列车时，个别跨度经检算不能通过。根据以上分析比较，推荐采用0.8UIC作为高速铁路桥梁设计活载，也就是暂规条文上列出的ZK活载图式（一）。如图1。图1 ZK标准活载图0.8UIC作为高速铁路桥梁设计活载，其静、动载效应均大于中速列车和高速列车的静、动载效应，并有一定余量，且设计活载与实际运营活载间的余量和既有铁路设计活载（中一活载）与实际运营活载间的余量相当。对于跨度或影响线加载长度等于或小于6.0m的结构，需要采用UIC标准活载才能满足特殊情况下运营货物列车的要求，故将UIC标准活载中的集中力部分作为跨度或影响线加载长度等于或小于6.0m的结构的设计活载，即暂规条文上列出的ZK活载图式（二）。如图2。图2 特种活载图式（4）设计活载对高速铁路桥梁设计的影响高速暂规编制的主导思想是，静力计算控制结构强度的活载图式能够包住在高速线上可能运营的各种列车（包括高速列车、中速列车、轻载货物列车和养修机械），动力计算的行车安全度、旅客乘座舒适度指标和结构的刚度、变形、变位要满足实际高速行车的要求。暂规采用的动力计算的行车安全度、旅客乘座舒适度指标不低于国外的标准。由于暂规采用的ZK活载为0.8UIC，相应动力系数、离心力、梁部结构的竖、横向挠跨比及其它的变形、变位限值等均进行了换算，意图使之与采用UIC活载达到相当的水平。高速铁路桥梁设计主要包括三方面的内容：强度设计、动力检算和结构的刚度、变形、变位检算。京沪高速铁路桥梁恒、活载和施工荷载控制桥梁结构的强度设计。动力仿真检算和结构的刚度、变形、变位检算控制结构的尺寸。实际上京沪高速铁路常用跨度桥梁结构的主要尺寸由动力仿真计算确定，已不受活载图式的影响。而特殊大跨度桥梁（如黄河、长江桥）将受活载图式的很大影响，但特殊大跨度桥梁不包括在高速暂规之内。暂规国际咨询中法、德建议采用UIC活载（法方认为，使用完全的UIC活载可以保证桥梁、施工及运营的安全；德方认为UIC可以补偿设计中对维护的忽略、防止不可预见的施工问题（可能是赶工造成的）、异常条件下运行开行重载列车、补偿过多列车无规律运行造成的动态响应）；日方认为应进一步确定高速铁路运行的车型。通过暂规的国际咨询，对部分由于对国外情况不了解造成的不合理条文修改后，按ZK活载设计的桥梁是能够满足高速行车的要求的。但是不能满足重载货物列车运营的要求。3.3 动力系数京沪高速铁路采用的桥梁设计活载图式，并非单一的轻型高速模式，而是概括了轻型、重型并存，高中速混运的UIC活载的模式，这是一种概化的活载图式，制定动力系数也必须与之相适应。我们现在采用的高速铁路桥梁设计活载图式是0.8UIC图式（即暂规规定的ZK活载图式）。根据UIC规范的规定，通过把UIC活载图式乘以分级系数，可使线路得到较重或较轻的假定活载，但应当对它们采用相同的值。活载效应的全部数值(M，Q等)都要逐级增加或减少10%。因此，对于1.1、1.2、1.3或0.9、0.8、0.7级的线路分别用1.1、1.21、1.33加以扩大或者用0.91、0.83和0.75来减少。其中、M和Q为UIC活载作用时对应的动力系数、弯矩和剪力。按照这个精神，我们采用0.8UIC活载时，对应于0.8UIC活载的静效应M、Q的动力系数1、2，应该是1=0.831=1.03751 =2=0.832=1.03752 =关于连续梁和涵洞的动力系数，以及其他有关规定，也就是从UIC规范沿引而来的。暂规国际咨询中法、德建议采用与UIC活载一致的动力系数；日方认为应针对实际运行的车型确定动力系数。3.4 离心力折减系数离心力折减系数的内容沿引自 UIC规范。离心力的计算公式，基本上是与普通铁路的现行铁路桥涵设计规范一致的。只是在公式中多了一个折减系数f。f值的计算公式来源不详。但含义还是清楚的。因为UIC活载图式包络了最大运营速度V=80km/h的特重列车、V=120km/h 的重型列车、V=250km/h的长途客车和V=300km/h的高速轻型客车。当列车高速运行时，车辆的实际轴重要比UIC荷载图式的荷载小很多，所以说当行车速度120km/h的离心力的折减，实质上是列车活载图式中垂直荷载的折减。在UIC规范中折减系数f的计算式如下面的形式f =1(1)这是对UIC活载而言的，而我们的活载图式为0.8UIC，若按其折减，则折减过多而不符合实际。所以，在本条文中，将UIC规范中的f值，除以系数0.8，即f =1.25(1)1暂规国际咨询中法、德建议采用与UIC活载一致的折减系数；日方认为应针对实际运行的车型确定动力系数。3.5 横向摇摆力横向摇摆力参照外国的相关规范采用。国际铁路联盟（UIC）规范、德国铁路桥梁及其他工程结构物规范（VEI）DS804及英国标准BS5400均规定，列车的横向摇摆力为100KN，这是一个集中力，在与线路成直角方向（向左或向右）水平作用于轨道顶面，作用位置以能在所考虑的构件中产生最大效应来考虑。DS804明确规定，列车的横向摇摆力与UIC活载图式的现有等级无关。当为连续的道碴桥面时，横向摇摆力可沿线路方向均匀分布在 L=4.0m的长度上。暂规国际咨询中法方对横向摇摆力荷载予以认同；日方认为应采用集中轮中的20%作为横向摇摆力荷载。3.6 脱轨荷载有的国家考虑了列车掉道后的安全措施，以防止列车倾覆。如：德国高速铁路桥梁利用道碴槽两侧的电缆槽阻挡掉道列车坠落桥下；瑞典高速铁路桥梁采用加高的挡碴墙代替护轨。京沪高速铁路桥梁所占比例很大，为防止列车坠落桥下，所以采用了高挡碴墙的道床型式，但掉道的可能性仍是存在的，所以，本条参考德国铁路桥梁及其他工程结构物规范（VEI）DS804，列入了列车脱轨荷载的条文。脱轨荷载的第一种情况的线荷载，大致相当于实际运行列车脱轨后产生的荷载，在此情况下结构物的主要部分，如桥面板和主梁等，不应产生严重破坏，钢筋应力应在屈服点以内，混凝土不形成宽裂缝。脱轨荷载的第二种情况的线荷载，相当于列车脱轨，虽没有坠落桥下，但已作用于桥面边缘，在此情况下，须确保结构的稳定性。3.7 汽车撞击力京沪高速铁路沿线跨越了很多重要的公路和高速公路。对设在公路上或紧邻公路边缘的桥墩，当其可能受到汽车撞击时，根据实际情况，设置坚固可靠的防护工程。如采用拦板、防冲架、防撞墙等措施以防止桥墩被撞，当无法设置防护工程时，必须考虑汽车对桥墩的撞击力。此力属特殊荷载，不与其他附加荷载同时考虑，只与主力相组合。汽车撞击力的大小和作力点，是参考德国铁路桥梁及其他工程结构物规范的有关内容拟定的。3.8 其他荷载上述荷载除了气动力（气动力的作用主要用于声屏障的结构设计）以外的其他荷载（竖向活载、离心力、脱轨荷载、横向摇摆力、汽车撞击力等），在普通铁路里都有相应规定，只是在高速铁路上根据其特点作了进一步规定。其他荷载如土压力、水浮力、风力、地震力等，以及材料密度、混凝土预加力、混凝土收缩的影响、温度变化作用等，均按现行的铁路桥规、地震规范等相关规范办理。4 高速铁路桥梁结构变形、变位和自振频率的限值4.1 梁体的竖向、水平变形和扭转4.1.1 高速列车安全性和舒适性的动力响应评判标准列车过桥时，不仅产生竖向振动而且产生横向振动，这都影响列车运行的安全性和旅客乘坐舒适性。（1）安全评判指标列车运行的安全性主要涉及车辆在桥上是否会出现脱轨的问题。对于这一问题，车辆力学上，是用脱轨系数Q/P、轮重竖向减载率P/P及轮轨横向水平力等几个参数来限定。参照国内外有关资料，经过分析研究后确定，京沪高速铁路行车安全性的评判标准定为：脱轨系数：Q/P0.8；轮重竖向减载率：P/P0.6轮对横向水平力：Q80KN（2）舒适度指标评判指标除了行车安全性问题外，乘坐舒适性问题也是判定桥梁竖向和横向刚度是否合适的一个重要标准。Sperling评价标准主要用于评定车辆运行的稳定性，将其与疲劳时间评定标准比较，W=3.0（客车合格）的标准相当于疲劳时间5.6小时，也就是说按W=3.0的标准来限制车辆的振动，其舒适度是较高的。其评定标准为：斯佩林（Sperling）舒适度指标 2.5 优；2.52.75 良；2.753.0 合格。（3）桥梁振幅（半峰值）限值标准上面谈的是车辆运行舒适性与安全性，仅涉及到车辆的振动，若车辆与桥梁振动的耦合性不太强，则仅考虑车辆的振动并不一定能控制桥梁的振动大小。过大的桥梁振动会使桥上线路的保持（维护）困难，使桥梁疲劳强度降低。因此对桥梁的振幅大小有提出限值要求的必要。我国桥梁检定规范采用了限制横向振幅及振动频率的要求，由于未有更详细的研究资料和新的研究成果，故参照桥梁检定规范，提出桥梁振幅（半峰值）限值标准为：对混凝土桥Ay(mm)(L桥梁跨度，单位为m)4.1.2 高速铁路梁体变形的要求我们在桥梁设计时，不可能都作动力响应分析来判断其刚度是否符合要求。研究单位经过综合分析国内外桥梁规范关于桥梁刚度的限制规定，决定采用竖向及横向挠跨比作为衡量刚度大小标准。L80m的中小跨度桥梁竖向刚度的限制的确定方法是，计算高速列车以各种速度通过各种标准跨度的简支梁时的车辆与桥梁的空间耦合振动响应，通过分析响应的时程记录曲线，获得各种计算工况下的车辆最大振动加速度、轴重减载率、脱轨系数、桥梁横向振幅及桥梁挠度放大系数（动力系数）等数据，通过研究不同竖向及横向刚度时车辆及桥梁的振动状态，从而确定出高速铁路桥梁的合理刚度限值标准来。具体计算分析了16m、20m、24m、32m、40m、48m和56m共7种跨度的单跨简支梁桥，每一种跨度将截面的竖向刚度以0.8UIC活载（即ZK活载）作为设计活载，以1/800，1/1000，1/1200，1/1500，1/1800，1/2000，1/2500及1/3000的挠跨比，拟定出8种梁高来探讨竖向刚度的限制标准。另外，以100KN横向力作用于跨中，将梁截面按横向挠跨比1/2000，1/3000，1/4000，1/5000，1/6000和1/8000拟定刚度数值来探讨横向刚度的限值标准。这样对每一种跨度共计算14种拟定截面尺寸的简支梁结构，对每一种截面，都用100360km/h(20km/h一个间隔)共14个速度进行计算。除单跨梁桥外，还以10跨等跨布置的多跨简支梁桥为对象，采用了与单跨一样的方法分别按竖向、横向挠跨比拟定梁的刚度，然后计算各种截面下车辆和桥梁的动力响应。最后，又通过改变桥墩刚度的条件下，计算桥墩刚度对不同速度行车时，车辆和桥梁的响应。通过大量的计算分析得出以下结论：1)对于单跨桥梁16m24m梁的竖向挠跨比不应大于1/1500（ZK活载），且设计的梁体固有频率宜大于4.5HZ；对32m及以上跨度的竖向挠跨比不应大于1/1000，上述两种跨度范围的多跨等跨简支梁的竖向挠跨比分别为1/800和1/1300。暂规中实际采用值如下表：梁体的竖向挠度限值 跨度项目L24m24m80m单 跨L/1300L/1000L/1000多 跨L/1800L/1500L/10002)80m的中小跨桥梁的横向刚度，一般来说横向挠跨比不大于1/4000，行车安全性与舒适性及梁横向振幅都在允许范围内，能满足行车安全性与舒适性的要求.3)桥墩的耦合计算结果认为：下部结构横向刚度的减小，将增大上部结构的振幅。对于L80m的大跨度桥梁，竖向挠跨比的限值要求则是参考UIC规范的规定，挠跨比不大于1800。鉴于我们的设计活载ZK活载与UIC荷载接近，故建议挠跨比限值原则上按UIC规定取值，因ZK活载相当于0.8UIC荷载，故将挠度限制取为11000。对于横向挠跨比允许值，也采用UIC规范的规定为1/4000。至于梁端水平折角和桥梁扭转变形引起的轨面变形允许值的规定，也是参照UIC规范列入的。如下：1)梁部结构，在ZK活载静力作用下，跨度L80m的梁端竖向折角不应大于2。2)在ZK活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，桥跨结构横向水平变形引起的梁端水平折角应不大于1.0。3)活载作用下梁体扭转引起的轨面不平顺限值为：以一段3m长的线路为基准，ZK活载作用下，一线两根钢轨的竖向相对变形量不大于1.5mm；实际运营列车作用下，一线两根钢轨的竖向相对变形量不大于1.2mm。暂规国际咨询中法方建议按活载UIC，调整相应的限值。德国建议水平挠度，多跨时变形桥面曲率半径不大于17500m，对简支梁不大于R，R=L2/（8h），其中L为跨长，h最大水平挠度；相邻梁跨端部之间的相对横向位移不超过1.5mm。日方竖向挠度是按照P荷载+冲击时的挠度，行车速度按300km/h。4.2 梁体的竖向自振频率桥梁的竖向固有频率（自振频率）是促使桥梁动力系数出现峰值的根本原因。桥梁动力系数出现峰值，就意味着共振的发生，意味着激烈的振动，这就会造成道床松散，钢轨损伤，影响轨道结构的正常工作，也会引起混凝土开裂，结构疲劳，承载力降低，甚至危及桥梁的安全。对于一定跨度的桥梁，可以采用不同的结构形式和不同的材料，并具有不同的固有频率，但都要满足强度和刚度的要求。所以，对于跨度一定的桥梁而言，其固有频率是有一定范围的，研究桥梁固有频率的变化对动力系数的影响是很有必要的。研究单位计算了各国高速列车活载作用在880m的不同固有频率的简支梁上的最大动力系数。结果表明，对于同一跨度的桥梁，当其固有频率小于某一定值时动力系数急剧增大。随着桥跨固有频率的提高，动力系数的总趋势是减小，但不是单调减小。由于桥梁刚度与桥梁固有频率的平方成正比，可以认为动力系数随着桥梁刚度的增加而减小。随着列车速度的提高，乘坐舒适度要求桥梁有较大的刚度，动力效应也要求高速铁路桥梁较之普通铁路线上的桥梁有更大的刚度（即较高的固有频率）。UIC规范对铁路桥梁有一个最低固有频率限值。日本92年新的桥梁设计规范，对新干线上的桥梁，根据运营速度的不同制定了不同固有频率的低限，如速度由210km/h提高到300km/h时，桥梁的最低固有频率由55L-0.8，增加了1.445倍，亦即300km/h的桥梁刚度是210km/h时的1.44522.117倍。综上所述，为了避免桥梁出现激烈的振动，保证高速列车运行的安全性和乘坐的舒适性，对桥梁的最小自振频率加以限制是十分必要的。考虑到我国高速铁路活载图式采用UIC活载体系，原暂规编制时参考UIC规范列出了简支梁竖向自振频率的最低限值。秦沈客运专线通过动力仿真分析计算的设计成果，各种跨度简支梁的最小竖向自振频率见下表秦沈客运专线简支梁最小竖向自振频率表跨度（m）1216202432简支梁竖向自振（HZ）9.717.025.795.323.71京沪高速铁路的设计速度高于秦沈客运专线，故梁的竖向自振频率标准应有所提高。一般为避免车桥谐振，梁的竖向自振频率应大于n0=1.1 Vmax/L的计算值。考虑高速铁路车辆的动力作用较大，故建议京沪高速铁路简支梁跨度12m40m梁的竖向自振频率限值采用n0=1.2Vmax/L，按350km/h的列车速度计算约为n0=120/L（Hz）（L以m计）。40L80 m时 no=23.58L-0.592(Hz)。常用简支梁竖向自振频率限值跨度(m)16202432404856自振频率限值(Hz)7.5653.7532.382.18暂规国际咨询中法方认为以上规定是按照有碴轨道，在实际设计中应进行车桥耦合计算。按照暂规中计算的自振频率基本介于德方自振频率计算的上限、下限之间，德方还认为梁跨大于100m，通常需要进行动力分析。日方对自振频率没有限制。4.3 车桥耦合动力响应分析的要求桥梁结构竖向自振频率是促使动力系数出现峰值的根本原因，自振频率过低会引起激烈振动，将会影响行车的安全性和乘坐的舒适性。考虑到影响自振频率的因素较多，同时，参考欧洲规范规定所有高速铁路桥梁都必须进行动力仿真分析，为安全计，故条文要求本线所有桥梁，都要进行车桥耦合动力响应分析，直接用行车安全性和乘坐舒适性的评判标准进行检验。根据欧洲规范，桥梁动力仿真计算的最高速度应取1.2倍的设计速度，对于本线建议取420km/h。4.4 桥梁下部结构刚度铺设焊接长钢轨的桥梁的下部结构，其纵向水平刚度取决于两方面的因素，一是桥上轨道强度和稳定性；二是在制动力作用下梁轨相对位移的大小。桥上钢轨除承受长钢轨锁定时的温度应力和列车通过时的动弯应力外，还要承受由于列车制动和梁体伸缩变形所引起的附加应力，而这个附加应力值的大小是与桥梁的跨度及其下部结构的刚度密切相关的。另外在制动力作用下梁轨之间必然产生相对位移，经研究和参考国外规范。为保持桥上轨道的横向阻力，保证轨道的稳定，梁轨之间的相对位移应控制在4mm以下，这又是与桥梁的跨度及其下部结构的刚度密切相关的。因此为了保证桥上轨道结构的强度和稳定性，以及满足梁轨相对位移限值的要求，必须对不同跨度的桥梁下部的刚度加以限制。对常用跨度不同纵向水平刚度的桥梁，分析其钢轨附加应力和梁轨快速移动相对位移量，得出如下结论：下部结构达到一定的纵向水平刚度不设纵向传力装置就能保证钢轨的强度和稳定性，且下部结构纵向水平刚度由钢轨允许附加应力控制。暂规给出了不同跨度的下部结构的纵向水平刚度限值。下部结构纵向水平刚度（双线）下部结构跨度(m)最小水平刚度（KN/cm）附 注桥墩L12120不设钢轨伸缩调节器16200不设钢轨伸缩调节器20240不设钢轨伸缩调节器桥墩24300不设钢轨伸缩调节器32400不设钢轨伸缩调节器40700不设钢轨伸缩调节器481000不设钢轨伸缩调节器桥台 3000不设钢轨伸缩调节器4.5 桥梁墩台基础工后沉降量限值的规定墩台基础工后沉降量限值的规定，是在现行铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10002.5-99）第3.2.2条的基础上，结合高速铁路的实际情况拟定的。对墩台基础工后沉降及工后沉降差给予一定的限制，是为了保证墩台发生沉降后，桥头和桥上线路坡度的改变不致影响列车的正常运行，即使要进行线路高程调整，其调整工作量不致太大，不会引起桥面改建和桥梁结构加固。墩台基础的沉降，仅按恒载计算。暂规第4.3.3条规定，对于有碴轨道，桥台台尾过渡段路堤的工后沉降量不大于30mm，为使与台后过渡的工后允许沉降量取得一致，桥墩台的均匀沉降量的限值也定为30mm。至于相邻墩台沉降量之差的容许值，我们是这样考虑的：若参照现行铁路桥涵设计规范的办法，其限值可取均匀沉降量限值之半，即15mm；参考台湾高速铁路桥梁设计规范DD-2-5“桥梁和高架桥基础设计标准”的规定，两相邻桥墩之间的不均匀沉降不能超过20mm，这与按现行铁路桥涵设计规范规定的办法求得的限值，也比较接近。最终采用限值15mm。对于无碴轨道为保持轨面高程，对沉降的控制要求更严格。根据一般轨道扣件的可调量仅20mm的情况，确定无碴轨道桥梁的工后总沉降不能超过20mm，相邻墩台的不均匀沉降量不能超过5mm。对于外静不定结构，仍按现行桥规，相邻墩台沉降量之差的容许值，根据沉降时对结构产生的附加应力的影响而定。关于涵洞的沉降量的规定，也是对应于路堤对沉降的要求提出的。暂规国际咨询中法方高速铁路的沉降按施工过程中发生来考虑，而不是在轨道调整后发生来考虑。由于原暂规无碴轨道墩台平均沉降：20mm，相邻墩台之间沉降差异20mm。德方建议将其改为20/5mm。日方对于沉降的控制也是尽量在施工中予以消除。并给出新干线线路允许的垂直折弯=3/1000（L30m），建议按照竖曲线（Rsh=25000m）以上的曲率考虑结构物的沉陷。5 高速铁路桥涵结构构造要求5.1 桥面布置的构造要求5.1.1 有碴轨道和无碴轨道的选择桥上有碴轨道和无碴轨道各有利弊。桥上有碴轨道有利于改善行车舒适度和降低噪声，有利于桥上线路高程的调整，有利于铺设渡线，有利于养路机械的连续作业，不足之处是桥梁的二期恒载大，维修工作量大等；桥上无碴轨道性能均匀、稳定，养护维修工作量很少，桥梁上二期恒载较有碴轨道小很多，有利于桥梁的设计，不足之处是一次性投资较大。日本新干线大量采用了无碴轨道，建造和铺设日益标准化，其工程造价日益降低，据有关资料介绍与有碴轨道相比，工程造价已从高30%降到仅高10%左右。德、法等国通过多年实践已经体会到有碴轨道的养护维修工作量太大，现已越来越多地采用无碴轨道。所以说，桥上轨道型式有碴无碴均可采用，鉴于无碴轨道线路对工后沉降的要求极为严格，在地质条件较差的地段实际发生的沉降个别会超过计算值。因此在地质较好、沉降易于控制的桥梁工点可采用无碴轨道设计，桥上无碴轨道宜与路基、隧道一并成段设置。5.1.2 桥面宽度国外高速铁路桥梁的桥面布置，均比普通铁路桥梁宽松，以适应高速行车的需要。在构造上十分注意改善结构的耐久性和使结构便于检查、养护及更换，尽可能达到少维修，易养护，减少使用期内养护维修费用的目的。分析各国高速铁路桥面布置的有关数据，我国高速铁路风压带宽采用1.2m，按我国高速铁路暂规规定，线间距5.0m，车辆限界宽3.4m、建筑限界宽4.88m，则直线桥面宽B按以下两式计算，取大值。B线间距+车辆宽+（风压带作业通道宽）25.0+3.4+(1.2+1.0)2=12.8mB线间距+建筑限界宽+作业通道宽25.0+4.88+1.02=11.88m。桥面内侧净宽不应小于12.8m。为便于桥上线路养护维修作业，各国高速铁路均不设护轮轨。我国高速铁路桥面也不采用护轨，而采用加高挡碴墙的措施，以防止列车倾覆。道碴槽的道碴厚度，则是根据轨道专业的要求拟定的。道碴槽的宽度为满足道床清筛的要求而定。触网支柱在桥上的位置是根据接触网专业的技术要求和曲线内侧限界加宽要求确定的。为满足桥上行走桥梁检修小车的要求，触网支柱外侧至护栏内侧只少需要0.80m的宽度。综合以上因素，确定京沪高速铁路桥面净宽采用13.4m。直曲线上采用相同的布置。桥面布置示意图5.1.3 加强排水、防水措施保证结构耐久性结构耐久性对于高速铁路的安全运营和经济性起着决定性作用。以往一般认为混凝土桥梁，尤其是预应力混凝土桥梁有着足够的耐久性，不需要养护、维修。但是随着时间的推移，不少桥梁先后出现病害与劣化。通过对桥梁的病害分析，经常发现，原因是结构构造上存在缺陷。桥梁的防排水问题，就是很重要的一方面。排水措施必须保证在桥面行车道的结构表面排水顺畅一般考虑纵横向设置排水坡，坡度不小于2%，并布置排水孔、水蓖子、排水管、排水槽以及排水沟等，其容量必须与降水量相配合。还需注意在结构的缝隙处，须设置防止落碴和防止漏水的措施。防水措施是为防止结构表面向结构内部渗水及漏水。目前在既有铁路混凝土桥梁上防止措施种类较多，设计时宜慎重选择，必须确保防水效果。保护层的设置是为了确保防水层有效使用，因其处于道碴与防水层之间，必须致密，耐磨，耐冲击，并具有一定的延性，经试验研究，采用纤维混凝土较为合适。秦沈客运专线无碴轨道桥面5.2 桥梁结构易于检查维修国内外大量桥梁使用和养护实践，获得许多经验教训。其中很重要的一条经验，就是桥梁的病害发现早，整治及时，所需费用少，并且不会影响结构的耐久性。反之，整治费用就高，甚至影响行车，降低结构的耐久性。因此，桥梁养护的重点首先要加强检查，使劣化和病害及早发现。这就需要在桥梁设计中，统一考虑结构的布局和构造细节，尽量使结构构造简单，易于检查维修。同时，为使检查人员易于接近需要进行检查的部位，必须在构造上考虑检查人员通行和作业的需要，设置适当的检查维修设备。5.3 保护层厚度为增加结构的满足耐久性。结构物钢筋最小净保护层由铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范规定的20mm增加到30mm。5.4 徐变上拱的控制预应力混凝土梁，特别是预应力混凝土简支梁，梁截面长期处于预应力偏心受压状态，会出现梁体向上拱起，即徐变上拱。徐变上拱会影响梁上轨面的平整度，对高速行车的安全性和乘坐的舒适性不利，必须加以严格限制。由于高速铁路无碴轨道扣件的高度调节量为有限，有碴桥面的轨下道碴厚度不宜少于35cm。本条规定参照国外有关规定确定，桥上线路铺设后的徐变上拱限值，有碴轨道最大不宜超过2cm，无碴轨道，最大不宜超过1cm。由于混凝土质量控制不严或预应力值过大，较早生产的梁的徐变上拱值可达10cm，甚至16cm。可见，按既有的普通铁路预应力混凝土梁的设计和制造工艺，将不能满足高速铁路预应力混凝土桥梁徐变上拱限值的要求。高速铁路预应力混凝土梁，为了控制徐变上拱值，一般都采用较大的高跨比，以加大梁体刚度来降低下缘应力。提高梁体竖向刚度，以适应徐变上拱限值的要求。除设计外，施工时还必须注意材料的选用和混凝土质量及施工工艺的严格控制，这样才能确保预应力混凝土梁的上拱值满足限值的要求。5.5 支座高速铁路桥梁，由于长钢轨纵向力、制动力、列车动力作用和机车车辆横向摇摆力等动力影响较之普通铁路桥梁加剧，因而对支座的减振消振性能就提出了新的要求。目前在国内外桥梁上使用的支座类型，已从原来的以钢支座为主转变为以各类橡胶支座为主，一个重要的原因就是橡胶支座不仅弹性好，而且强度和韧性均较高，能满足支座动力和变形等方面的要求。也能满足高速行车条件下，减冲减振和乘坐舒适度的要求。铰轴滑板钢支座易于维护，寿命较盆式支座长。对于中小跨度桥梁可采用有防止结构横向移动措施的橡胶支座。对于跨度较大的连续梁和钢梁可采用铰轴滑板钢支座。为便于调整和更换，还需在梁与墩台顶之间有合适的位置和空间，以便顶梁设备操作。对于沉降难于控制的桥梁，沉降实际发生值在沉降计算值之内的保证率达不到100%，所以应设置可调支座，来弥补不可预见的沉降超限问题。5.6 噪音噪声污染是一种物理污染，它虽然并不致命，但对人的健康危害却很大。当桥梁位于城市和居民集中地区，应采取防噪声措施。高速铁路的噪声主要由以下几方面的原因引起:（1）车轮与钢轨接触振动产生的轮轨噪声;（2）由受电弓滑板产生的滑动噪声、滑板瞬时滑脱接触导线的瞬态放电噪声以及受电弓的空气动力学噪声三部分组成的集电系统噪声;（3）列车在空气中高速移动，压力在非恒定的气流中发生变化而产生的空气动力噪声;（4）由于运动列车的动力作用，使建筑结构如桥梁、声屏障等振动产生的结构物噪声。高速铁路列车运行时产生的总噪声级，由以上几种噪声叠加而成，不同的列车速度和不同的减振降噪措施条件下，上述几项影响的重要程度是不一样的。为降低桥梁噪声，从合理选择桥梁型式以及减振降噪措施上。这些对策大体上可分为二类:一