桥梁概述与高速铁路桥梁ppt课件

HaiboLiuPhD SWJTU 1 桥梁概论与高速铁路的桥梁 电话 HaiboLiuPhD SWJTU 2 西南交通大学 一 桥梁概述二 高速铁路桥梁类型与特点Pg 107 end 桥梁概论与高速铁路的桥梁 HaiboLiuPhD SWJTU 3 西南交通大学 1桥梁概论2大跨度桥梁的类型与桥例 一 桥梁概述 HaiboLiuPhD SWJTU 4 1 1桥梁术语 基本概念桥梁起源桥梁组成桥梁分类桥梁发展 HaiboLiuPhD SWJTU 5 基本概念 桥梁供车辆和行人跨越障碍物的建筑工程结构线路跨越障碍的延伸部分或连接部分桥梁工程桥梁建筑的实体建造桥梁所需的科技知识意义技术经济美学 HaiboLiuPhD SWJTU 6 桥梁起源 树桥 梁桥的雏形 HaiboLiuPhD SWJTU 7 桥梁起源 续 原始木梁桥 天然石梁桥 早期石梁桥 HaiboLiuPhD SWJTU 8 桥梁起源 续 世界上最长的天然石拱桥 跨度119 5米 位于美国犹他州国家公园 中国最长的天然石拱桥 跨度80米 位于重庆涪陵小溪 法国阿尔代什峡谷天然石拱桥 HaiboLiuPhD SWJTU 9 桥梁受力 HaiboLiuPhD SWJTU 10 桥梁组成 上部结构 superstructure 包括桥跨结构 也叫承重结构桥面构造 deck 下部结构 substructure 也叫支承结构 包括桥墩与桥台 abutmentandpier 墩台基础 foundation 多种结构形式支座 bearing 附属结构物 HaiboLiuPhD SWJTU 11 西南交通大学 桥梁专业部分名词 专用名词 技术术语主桥 桥梁跨越主要障碍物 如通航河道 的结构部分 引桥 从桥台至正桥的结构部分 连接主桥和两端道路 跨度 径 表示桥梁的跨越能力 对于多跨桥 最大跨度称为主跨 计算跨径 桥跨结构相邻两支点间的距离l1 净跨径 设计洪水位线上相邻两桥墩 台 间的水平净距L0 各孔净跨径之和称为总跨径 标准跨径的目的 有利于桥梁制造和施工的机械化 也有利于桥梁养护维修和战备需要 HaiboLiuPhD SWJTU 12 西南交通大学 1 1桥梁术语及其分类 标准跨径 公路常用10m 16m 20m 40m铁路常用20m 24m 32m 48m桥长 两桥台侧墙或八字墙尾端之间的距离 桥下净空高度 设计洪水位 通航水位 与桥跨结构最下缘的高差H 桥梁建筑高度 桥面与桥跨结构最下缘的高差h HaiboLiuPhD SWJTU 13 桥梁分类 HaiboLiuPhD SWJTU 14 桥梁分类 续 HaiboLiuPhD SWJTU 15 结构体系详细分类 a 悬臂梁桥b 连续梁桥c 拱桥d 悬索桥e 刚架桥f T型刚构g 斜腿刚构h 连续刚构i 斜拉桥j 系杆拱 HaiboLiuPhD SWJTU 16 西南交通大学 桥梁按跨径的分类 HaiboLiuPhD SWJTU 17 梁桥 简支梁桥悬臂梁桥等截面连续梁桥变截面连续梁桥连续刚构 梁为承重结构 主要以其抗弯能力来承受荷载 在竖向荷载作用下 其支承反力也是竖直的 简支的梁部结构只受弯受剪 不承受轴向力增加中间支承 可减少跨中弯矩 更合理地分配内力 加大跨越能力梁式体系分实腹式和空腹式 前者的梁截面为T形 工字形和箱形等 后者指桁架结构 梁的高度可等高或变高 HaiboLiuPhD SWJTU 18 刚构 架 桥 门式刚架 T形刚构 斜腿刚构 V形刚构 HaiboLiuPhD SWJTU 19 拱桥 三铰拱 两铰拱 无铰拱 系杆拱 结构特征 主要承重结构具有曲线外形受力特点 在竖向荷载作用下 拱主要承受轴向压力 但也受弯受剪 支承反力不仅有竖向反力 也承受较大的水平推力静力学分类 单铰拱 双铰拱 三铰拱和无铰拱常用材料 石材 钢筋混凝土 钢材施工方法 有支架和无支架施工 系杆 吊杆 主拱圈 立柱 行车道系 HaiboLiuPhD SWJTU 20 悬索桥 组成 主要由缆 塔 锚碇 加劲梁等组成受力 在竖向荷载作用下 索受拉 塔受压 锚碇受拉拔反力材料 缆通常用高强度钢丝制成圆形大缆 加劲梁多采用钢桁架或扁平箱梁 桥塔可采用钢筋混凝土或钢材跨度 因悬索的抗拉性能得以充分发挥且大缆尺寸基本上不受限制 故悬索桥的跨越能力一直在各种桥型中名列前茅 缆 塔 锚锭 加劲梁 HaiboLiuPhD SWJTU 21 斜拉桥 形式 由梁 塔和斜索组成的组合体系 结构型式多样 造型优美壮观受力 在竖向荷载作用下 梁以受弯为主 塔以受压为主 斜索则承受拉力材料 斜索采用高强钢丝制成 塔多采用钢筋混凝土 梁采用预应力混凝土梁或钢箱梁 斜拉索 索塔 主梁 HaiboLiuPhD SWJTU 22 人行桥 pedestrianbridge 上 德国的两座人行桥 左下 伦敦的一座人行桥 右下 美国的一座人行桥造型轻盈别致 线条流畅 与环境协调 是其特点 HaiboLiuPhD SWJTU 23 开启桥 活动桥 左 伊拉克的一座平转开启桥 中 巴西的一座提升开启桥 右 竖转开启桥右下 天津塘沽海门开启桥 64m 目的和特点 节省总造价 可保证水上交通 陆地交通受限制 维修管理费用较高 HaiboLiuPhD SWJTU 24 西南交通大学 桥梁的主要桥型 梁桥 刚构桥 拱桥 斜拉桥 悬索桥 组合桥 1 2桥梁的类型与桥例 HaiboLiuPhD SWJTU 25 宋代虹桥 虹桥 1032 1033年 见宋代画家张泽端的名画 清明上河图 构造奇特 采用两套木拱并配以横木 形成稳定的超静定结构 HaiboLiuPhD SWJTU 26 灞陵桥 位于在渭源县南城门外的清源河上 是一座古典纯木结构卧式悬壁拱桥 俗称 卧桥 结构独特 工艺精巧 已成为渭水一大景观始建于明洪武初年 1368年 1919年重建 跨度29 5m 高15 4m 宽4 8m 桥底部以十根粗壮圆木并列十一组 从两岸桥墩逐次递级 飞挑凌空 形成半圆状桥体 桥面有台阶通道三条 并配有扶手栏杆 桥顶为飞檐挑阁式廊房 共13间64柱 HaiboLiuPhD SWJTU 27 赵州桥 在隋大业元年 公元605年左右 李春在河北赵县修建了赵州石拱桥 又称安济桥 该桥净跨37 02m 宽9m 构思巧妙 造型美观 工艺精致 历1400年而无恙 举世闻名 被誉为 国际土木工程里程碑建筑 HaiboLiuPhD SWJTU 28 玉带桥十七孔桥 北京颐和园内的十七孔桥建于清乾隆年间 1736 1795年 拱洞从桥中间向两端逐渐收小 玉带桥建于清乾隆十五年 1750年 两端有反弯曲线的玉石拱 HaiboLiuPhD SWJTU 29 湖州三桥 位于江苏湖州双林镇 主拱跨12 6m 宽3 5m居中的拱桥大约建于800年前中国南方地区拱桥特点 HaiboLiuPhD SWJTU 30 大渡河铁索桥 建于1706年 长约103m 宽约2 8m 由13条锚固于两岸的铁链组成 HaiboLiuPhD SWJTU 31 钱塘江桥 主跨16 65 84m 公铁两用 由我国桥梁先驱茅以升先生主持修建1937年9月通车 同年12月侵华日军攻陷杭州 我国军队西撤后将桥炸毁 1947年3月修复 HaiboLiuPhD SWJTU 32 武汉长江大桥 中国第一座跨越长江的大桥 1957年完成钢桁架连续梁桥 主跨128m 双层桥面 公铁两用悬臂拼装法施工 HaiboLiuPhD SWJTU 33 南京长江大桥 1968年完成 其材料 设计 施工全部自己承担钢桁架连续梁桥 主跨160m 双层桥面 公铁两用悬臂拼装法施工 深水基础施工 HaiboLiuPhD SWJTU 34 南昆线清水河桥 铁路预应力混凝土连续 刚构桥主跨128m 墩高100m 1996年完成 HaiboLiuPhD SWJTU 35 南昆线板其二号桥 采用曲线连续 刚构体系 曲线半径R 450m我国铁路上的第一座弯梁桥主跨布置为44 72 44m 最大跨径的混凝土连续梁 连续刚构 桥 HaiboLiuPhD SWJTU 37 大跨混凝土梁桥的长期挠度问题 近10多年来 我国相当多的大跨梁桥在通车2 5年后出现持续下挠和跨中底板开裂的现象 预拱度法 传统设计方法 按总弯矩包络图配筋 对预应力及其附加力进行估算 在悬臂施工状态 占主体荷载的恒载弯矩大于预加力产生的反向弯矩 这就导致成桥后跨中挠度的持续发展 零弯矩法 建议的方法 有成功设计的例子 从施工顺序出发 先以悬臂梁为基本图式 通过预应力手段取得了力学上平衡 由此不设预拱度 使施工的立模安装标高与成桥标高能够保持一致 这样不但极大的简化了工程控制 而且实践证明它对控制长期挠度的效果也十分理想 其他因素 材料 徐变系数难以准确考虑 各程序计算结果不准确 成昆铁路一线天桥 铁路石拱桥 跨度54m有支架 钢拱架 施工 1966年建成 HaiboLiuPhD SWJTU 39 双曲拱 河南前河大桥 中国最大的公路双曲拱桥 跨度150m 1970年建成有支架施工 HaiboLiuPhD SWJTU 40 四川宜宾金沙江小南门大桥 中承式混凝土提篮拱桥 跨度240m 1990年建成 时称 亚洲第一大中承式钢混拱桥 劲性骨架法施工2001年11月7日4 30分左右桥面突然垮塌 HaiboLiuPhD SWJTU 41 四川宜宾金沙江小南门大桥 HaiboLiuPhD SWJTU 42 重庆綦江新虹桥 原虹桥为钢管混凝土系杆拱 因质量事故于1999年1月4日整体垮塌 死40人 伤14人 震惊全国新虹桥系X型钢筋混凝土人行拱桥 全长160米 净跨130米 宽7 5米 1999年9月28日开工 2000年12月峻工并投入使用 立碑纪念四川省交通厅设计院设计 大桥局施工 全国最老最大的建桥队正建造一座该队建桥史上最小但影响最大的桥 HaiboLiuPhD SWJTU 43 四川旺苍东河大桥 我国第一座钢管混凝土系杆拱桥跨度115m 1990年建成 HaiboLiuPhD SWJTU 44 三峡工程专用公路黄柏河桥 上承式钢管砼拱 桥长276 71m 跨度160m转体施工 1996年竣工 HaiboLiuPhD SWJTU 45 桁架拱 贵州剑河桥 主跨150m 1985年建成 HaiboLiuPhD SWJTU 46 组合桁架拱 江界河桥 位于贵州瓮安跨度330m 世界上跨度最大的桁架拱桥悬臂拼装施工1995年建成 重庆万州长江大桥 世界上跨度最大的钢筋混凝土拱桥 主跨420m采用劲性骨架 含钢管混凝土 和缆索吊装方法施工1997年建成 HaiboLiuPhD SWJTU 48 斜拉桥 19世纪出现雏形 20世纪中期出现现代意义上的斜拉桥 后期得到迅猛发展 全世界约有400余座 我国占大约1 4 斜拉桥发展的原因和条件结构造型新颖 直线感和柔细感 新材料的应用 高强钢丝 特别是斜拉索卷材 设计理论和计算技术的进步施工技术的进步经济效益 在400 800m跨度内具有很强竞争力 总体趋势 稀索 密索 混凝土斜拉桥 造型多样化技术问题 斜拉索的防腐 抗风抗震 最大跨径斜拉桥 HaiboLiuPhD SWJTU 50 中外斜拉桥跨度统计 苏通 昂船洲 南京三桥 仁川 HaiboLiuPhD SWJTU 51 上海南浦大桥 结合梁 主跨423m 1991年 南京长江二桥 钢箱梁 主跨628m 2000年 HaiboLiuPhD SWJTU 53 广西来宾红水河桥 混凝土梁 主跨96m 1981年 HaiboLiuPhD SWJTU 54 悬索桥 最早的大跨度桥型 依旧保持桥梁跨度记录与其他桥型相比 悬索桥的优势 材料用量 加劲梁截面 基本不发生变化构件设计 承重结构在尺寸方面不受限制大缆受力形式 受拉 可充分发挥材料能力施工 大缆是现成的悬吊式脚手架不足 刚度较小 容易振动 HaiboLiuPhD SWJTU 55 各国悬索桥的主要特点 美国 钢主塔 直吊索 非连续的桁架式加劲梁 钢筋混凝土桥面板 铸钢鞍座和眼杆锚拉杆 空中送丝法 AS法 欧洲 混凝土主塔 全焊梭状扁平钢箱加劲梁 直吊索和斜吊索 AS法日本 钢主塔 直吊索 桁式加劲梁 双层桥面 预制平行丝股法 PS法 中国 混凝土索塔 倾向于采用 扁平钢箱梁 垂直吊索 PS法 HaiboLiuPhD SWJTU 56 汕头海湾大桥 混凝土加劲梁 主跨452m 1995年 HaiboLiuPhD SWJTU 57 西陵长江大桥 钢箱加劲梁 主跨900m 1996年 HaiboLiuPhD SWJTU 58 广东虎门大桥 钢箱加劲梁 主跨888m 1997年 HaiboLiuPhD SWJTU 59 香港青马大桥 钢箱加劲梁 主跨1377m 1997年 HaiboLiuPhD SWJTU 60 江阴长江大桥 钢箱加劲梁 主跨1385m 1999年 世界上最大跨径的混凝土拱桥 HaiboLiuPhD SWJTU 62 钢拱桥 在20世纪30年代 国外钢拱桥的跨度就超过500m在90年代 兴起钢管混凝土拱桥目前正热衷于钢拱桥拱桥向大跨度发展 重点在无支架施工方法上 四川旺苍东河大桥 跨度115m 1990 第一座钢管混凝土系杆拱桥 钢管混凝土拱桥 柳州市文惠大桥 跨度3 180m 1994 第一座中承式钢管混凝土拱桥 HaiboLiuPhD SWJTU 64 广州丫髻沙珠江大桥 跨度360m 2000年 贵州水柏铁路北盘江铁路大桥 轨底到峡谷底深达280m 跨度236m 转体 2001年 武汉江汉三桥 跨度280m 2001年 钢管混凝土拱桥 续 宜宾戎州大桥 跨度260m 缆索 2004年 HaiboLiuPhD SWJTU 65 历史上著名的钢拱桥 世界上第一座钢拱桥 位于美国密西西比圣路易斯 建于1867 1874年 主跨158 80m双层桥面 上层为公路 下层为双线铁路 使用至1974年 美国鬼门 HellGate 桥四线铁路桥 主跨298m1916年建成 HaiboLiuPhD SWJTU 66 历史上著名的钢拱桥 美国新河谷桥 1977 518 2m 澳大利亚悉尼港大桥 1932 503m 美国贝永桥 1931 503 6m 美国弗里芒特桥 1973 382 6m HaiboLiuPhD SWJTU 67 ThatcherFerryBridgeinPanama Called bridgeoftheAmericas byPanamanianpeopleSteelarchedtrussarchwithspanof344m completedin1962CrossingPanamaCanal HaiboLiuPhD SWJTU 69 韩国傍花大桥 主跨540m 2000年 美国罗斯福湖桥 主跨330m 1990年 日本Kishiwada桥 主跨255m 1993 日本Shin Hamadera桥 主跨254m 1991 HaiboLiuPhD SWJTU 70 厦门钟宅湾大桥 主跨208m 2004 上海卢浦大桥 主跨550m 2003 中国近年来修建的钢拱桥 中承式钢箱提篮拱桥 云南小湾大桥 主跨130m 2002 上海卢浦大桥 主跨550m 2003 HaiboLiuPhD SWJTU 71 新型的组合式系杆钢拱桥中承式钢桁系杆拱桥独塔自锚式悬索桥斜拉拱桥组合体系其他的花式桥 组合桥等 HaiboLiuPhD SWJTU 72 新型的组合式系杆钢拱桥 重庆菜园坝大桥 主跨420m 2007 广州新光大桥 主跨428m 在建 美国Alsea海湾钢拱桥 主跨137 16m 1991 新型的组合式系杆钢拱桥 重庆菜园坝大桥 主跨420m 2007 广州新光大桥 主跨428m 2006 HaiboLiuPhD SWJTU 74 重庆朝天门大桥 2008 552m 宜万铁路万州长江大桥 主跨360m的单拱连续钢桁梁 02年12月开工 2005年6月合龙 190米 552米 190米 三跨连续中承式钢桁系杆拱桥 HaiboLiuPhD SWJTU 75 西 东 1936年建成 1989年地震中损伤 独塔自锚式悬索桥 替代东侧的桁架桥 2002年动工 由于经济原因 工程延误 预计2012年完工 signaturespan 广珠城际铁路小榄水道特大桥主跨220m 在建 施工控制进行中 HaiboLiuPhD SWJTU 76 旧金山 奥克兰海湾桥 西 东 1936年建成 1989年地震中损伤 独塔自锚式悬索桥 替代东侧的桁架桥 2002年动工 由于经济原因 工程延误 预计2012年完工 signaturespan HaiboLiuPhD SWJTU 77 韩国Yeongjong大桥 空间缆自锚式悬索桥 分跨125 300 125m 2000 HaiboLiuPhD SWJTU 78 独缆自锚式悬索桥 分跨120 300 120m 1987 日本大阪konohana 此花 大桥 HaiboLiuPhD SWJTU 79 马来西亚SeriSaujana桥 斜拉拱桥组合体系 主跨300m 2002 HaiboLiuPhD SWJTU 80 马来西亚SeriWawasan桥 主跨168 5m 2003 HaiboLiuPhD SWJTU 81 HaiboLiuPhD SWJTU 82 Alameda桥 主跨130m 1995 西班牙的两座城市道路钢拱桥 BachdeRoda FelipeII桥 主跨130m 1995 HaiboLiuPhD SWJTU 83 JuscelinoKubitschekBridgeinBrazil 2002年3 240m HaiboLiuPhD SWJTU 84 桥梁发展 桥跨结构继续向大跨发展结构型式和构造呈多样化发展桥梁设计理论更趋完善和合理桥梁CAD技术应用更趋广泛建桥材料向高强 轻质 新功能方向发展 HaiboLiuPhD SWJTU 85 Spanincrementandbridgetypes HaiboLiuPhD SWJTU 86 桥梁建设的基本目标 基本目标是适用 安全 经济 美观 围绕这一基本目标 桥梁技术的发展应表现在 桥梁具有较大的跨越能力和承载能力 车辆能安全运行于桥上并使旅客有舒适感 讲求经济效益 力图降低造价 考虑结构与环境的协调 HaiboLiuPhD SWJTU 87 桥梁学科的研究及发展 墩台和基础 总的说来 在桥梁墩台和基础技术水平方面 我国仅次于日本 日本因修建了较多的海湾 海峡桥及大跨悬索桥 斜拉桥 使其在施工机械 大体积混凝土施工 无人沉箱 设置沉井和地下连续墙等技术方面处于世界领先地位 到了90年代 我国深基础的施工和技术水平仅次于日本 己进入世界先进水平 材料 桥梁的发展进程表明 新材料对其发展具有关键性作用 没有材料科学的发展 就不会有长大跨及新桥型的演进 从另一方面看 正是由于材料科学的发展还不满足桥梁科技进步的需要 一些目前己经可以构思 设计的大跨桥梁工程 但因没有理想的材料而难以实现 由此可见 新材料确实是桥梁的物质基础和重要依托 桥梁所用材料主要有两类 一为钢材 另一为混凝土 目前它们都是向高强 轻质 新功能方向发展 下面简介其发展动态 HaiboLiuPhD SWJTU 89 高性能钢 桥梁用钢的历史 表现出一条低碳钢 低合金钢 高强度钢 高性能钢的发展轨迹 高强度钢 HighStrengthSteel HSS 在材料韧性和可焊性等方面往往不尽人意高性能钢 HighPerformanceSteel HPS 是一种综合优化了材料力学性能 便于加工制造 适于低温和腐蚀环境 具备较高性价比的桥梁结构用钢 进展 美 日 欧洲从20世纪90年代起 开始研究和应用HPS 97年日本 超级钢材 项目 98年中国 新一代钢铁材料重大基础研究 HPS材料特征 化学成分 碳 磷 硫含量有显著的减少 增加有利于防腐蚀和耐候稀有元素 力学性能 对合金元素进行优化组合 并采用Q T或热力控制处理 TMCP 技术 生产出同时保持高强度 高韧性和可焊性好的细晶粒结构钢 抗腐蚀和耐候性能 通常无需油漆 疲劳性能 有待更多试验 HaiboLiuPhD SWJTU 90 混凝土 高强混凝土高强混凝土是相对普通强度混凝土而言 其定义的确定并无统一的标准 我国一般把强度等级大于C60级的混凝土称为高强混凝土 大于Cl00级的混凝土称为超高强混凝土 美国ACI363委员会把强度超过4lMPa的混凝土定义为高强混凝土 而前苏联则把500号 相当于48MPa 以上的混凝土称为高强混凝土 高强混凝土具有抗压强度高 抗冲击性能好 耐久性强等优点 因用高强混凝土建造桥梁 不仅可减小梁高 又能减轻梁自重 从而使其跨度增大 据国外资料统计 预应力混凝土桥采用高强混凝土 结构截面尺寸可减小近一半 而构件自重与钢构件相当 可提高经济效益30 40 日本歧关大桥为7 48m后张T梁 采用60MP的高强混凝土后 T梁高度降低12 5 截面积减小13 5 HaiboLiuPhD SWJTU 91 混凝土 高强混凝土目前 在实验室条件下 我国己能制成C100级凝土 罗马尼亚可制成C170级混凝土 美国己制成C200级混凝土 在铁路桥工程中 我国现浇混凝土等级已达C60 C70级 预制的达C80级 如衡广复线江村桥混凝土设计强度达80MPa 在结构工程领域已达C100 HaiboLiuPhD SWJTU 92 轻质混凝土凡用轻质骨料配制的混凝土 容重在16 20kN m3 普通混凝土容重为23 24kN m3 强度等级在C30 C50者称为轻质混凝土 轻质混凝土的骨料主要是以页岩锻烧膨胀而得 其有陶粒型 破碎成粉后制成球锻烧 和非陶粒型 页岩破碎后原状锻烧 1965年起 日本开始将轻质混凝土用于铁路桥梁制造 如东北本线金山架道桥和总武本线荒川桥 其容重为16 20kN m3 强度等级为40级 HaiboLiuPhD SWJTU 93 轻质混凝土我国在南京长江大桥等一些铁路桥中 也采用过轻质混凝土 但使用并不普遍 这主要是轻质混凝土在使用中还存在着一些难以处理的问题 如轻质混凝土自重虽可减轻 但其弹性模量为同等级普通混凝土的50 60 且徐变大 造成应力损失也大 所以也有人认为将混凝土等级提高来减小断面 其效果比轻质混凝土好 这样就出现一种趋向 认为轻质混凝土对中小跨径铁路桥减轻自重 提高抗震效能是有一定效果 但在大跨径铁路桥梁上要成为理想材料 还需作更多的研究 HaiboLiuPhD SWJTU 94 絮凝混凝土水下絮凝混凝土可在水中缓慢地自行流平和密实 能进行钢筋密集区 狭窄断面 水下大面积薄板及小体积结构等过去无法施工的水下混凝土工程的施工 其工艺简单 不受水位 季节等的限制 1974年德国首次研制成功专用外加剂 其主要成分是纤维素醚类有机水溶性高分子聚合物的抗分散外加剂 用它拌制的水下絮凝混凝土 在水中浇注时不易因周围水流冲洗而分离 混凝土始终能粘成一体 从而达到不离析的目的 1981年日本三井石油化学工业公司引进德国的技术 并开发了自己的水下不离析混凝土 目前 日本已有十余种抗分散外加剂投放市场 美国 法国等国也都在开发 HaiboLiuPhD SWJTU 95 碳纤维强化复合材料1930年代 美国旧金山金门大桥建成时 创下了桥梁史上跨长1280m的世界记录 几经改写 到20世纪末 日本明石海峡桥才将这一记录改成1990m 其中 结构理论的发展和材料强度的提高起了决定性作用 根据目前理论计算 钢悬索桥的极限跨长 指桥跨结构能支承自重的跨度 可达4000m 而到20世纪末 实际所建最大跨长只有其一半 分析表明 若改用碳纤维强化复合材料 悬索桥的极限跨长可比钢悬索桥提高一倍以上 HaiboLiuPhD SWJTU 96 碳纤维强化复合材料可以预言 纤维强化复合材料是21世纪桥梁新材料的发展方向 正因如此 许多发达国家都在争相研究 开发 目前 因其成本太高 主要还只用于航天工业 桥梁工程中只是极少量使用 国内现已开展非金属纤维加劲塑料预应力筋的研究 其可作为我国桥梁工程中开展碳纤维强化复合材料研究的起步 纤维加劲材料的研究是21世纪一个重要的研究方向 HaiboLiuPhD SWJTU 97 材料总之 我国桥梁所用材料 不论是结构钢材 预应力钢材 混凝土材料 在强度方面都已接近国外先进水平 但在新型高强材料的品种 类型和使用上比国外少 今后要加强这方面的工作 HaiboLiuPhD SWJTU 98 计算机辅助设计与结构分析系统CAD技术 即计算机辅助设计技术 自1960年代出现以来 经历近40年的发展 在工程领域取得了长足进步 在桥梁设计中的应用也越来越广泛 现在 桥梁CAD技术的主要内容有如下五部分 结构分析 图形绘制 结构优化 工程数据库 专家系统 HaiboLiuPhD SWJTU 99 高速铁路车桥耦合动力性能研究随着铁路提速 高速铁路与城市轻轨的修建 桥梁在移动列车荷载下引起的振动问题往往成为桥梁结构设计时的控制因素 车桥耦合动力学 便是针对上述问题而产生的一门新型交叉学科 HaiboLiuPhD SWJTU 100 高速铁路车桥耦合动力性能研究研究并建立车桥耦合动力学理论 是解决铁路提速 高速铁路与城市轻轨修建带来的一系列动力学问题的关键 随着京沪高速铁路建设 在一系列国家攻关项目的支撑下 开展了高速铁路车桥耦合动力性能的研究 完成了大量的理论分析和数值计算工作 并编制了京沪高速铁路桥梁动力特性分析及设计准则 HaiboLiuPhD SWJTU 101 桥梁结构风工程研究随着大跨 超大跨桥梁的发展以及跨海桥梁的建设 桥梁抗风问题日益突出 近年来 针对大跨度悬索桥 斜拉桥的重大工程建设 开展了大量桥梁抗风性能研究 对于诸如虎门大桥 汕头海湾大桥以及上海卢浦大桥等开展风洞试验及理论分析研究 对这些桥梁的选型和设计 施工方法起到了指导作用 并在颤振 抖振 驰振理论研究领域取得了进展 此外 还开展了斜拉索雨振的研究 在此领域的成果推动了大跨桥梁的发展 HaiboLiuPhD SWJTU 102 桥梁结构抗震性能研究研究桥梁在地震波作用下的动力响应规律已成为近年来桥梁抗震分析中的热门研究课题 90年代以来 国内在此领域内分析了斜拉桥在纵向地震波入射下的动力响应 并讨论了行波效应 地震的竖向分量 桩 土 结构相互作用以及多点激振对大跨度桥梁地震响应的影响 对于连续刚构桥 采用平面杆系有限元模型对其地震动力响应进行分析 结果表明 竖向地震激励对结构的内力影响较小 行波效应及土 桩 结构相互作用对结构的位移 内力增长显著 对于大跨 高墩连续梁桥空间地震响应进行了分析 结论是 地震波相位差对结构不利 梁的横向刚度变化对桥梁的横向地震响应影响不大 HaiboLiuPhD SWJTU 103 桥梁结构施工力学及既有结构性能评估研究大跨 超大跨及新型桥梁结构由于工程规模大 过程漫长 施工期间的环境和结构边界条件和结构状态 几何形状和物理特性 经常变化 结构荷载和材料的性能是时变的 最近几年的许多工程事故大都发生在施工阶段 虽然其中有许多责任问题 但和对施工力学和时变力学研究与重视不够也有很大关系 目前 许多大跨度桥梁施工开展了施工控制研究 但这只是对一般工程设计的补充和一般工程力学应用的扩展 实际上这方面设计到许多学科的交叉和综合发展 HaiboLiuPhD SWJTU 104 桥梁结构施工力学及既有结构性能评估研究既有结构的评估 加固与合理利用是目前世界各国均十分关注的一个重大问题 内容包括 结构在经历了若干年的正常或非正常使用之后 其各项功能发生的不同程度退变以及评价其承载能力 损伤程度 使用性能 抵抗超载的能力 剩余寿命以及相应的可靠性的方法 在正确评价的基础上 进一步研究了对既有结构的加固措施与方法 并在实际工程中采用了多种加固措施 解决了现代交通运输对既有桥梁的要求 该领域的研究正在不断深入 HaiboLiuPhD SWJTU 105 桥梁学科科学研究 总之 紧跟世界潮流 半个世纪以来 我国在桥梁建设规模与水平 新材料的开发与应用 新技术的研究与推广 设计理论的研究 计算机技术的应用等各方面均开展了卓有成效的工作 取得了许多重大成果 建成了一大批具有世界影响的桥梁工程 此处难以全面论及 随着大型跨江 跨海桥梁结构建设需要的日益突出 如桥梁结构抗风 快速交通运输条件下的桥梁动力学结构分析计算 桥梁结构设计分析与工程控制等 对桥梁结构行为理论研究和应用软件的开发与完善等都提出了更高的要求 对桥梁工程的总体把握 HaiboLiuPhD SWJTU 107 西南交通大学 1高速铁路桥梁的特点2高速铁路桥梁设计荷载3高速铁路桥梁刚度要求与变形限值 二 高速铁路桥梁类型与特点 HaiboLiuPhD SWJTU 108 1高速铁路桥梁的特点 高速铁路的高速度 高舒适性 高安全性 高密度连续运营等特点对其土建工程提出严格的要求 高速铁路的发展推动现代铁路技术的发展 采用设计 施工新理念 桥梁设计突出人性化 满足适用 舒适 耐久 环保 便于维修等方面的要求 从而体现经济性 HaiboLiuPhD SWJTU 109 1高速铁路桥梁的特点 具体而言 高速铁路桥梁的特点体现为 1 桥梁所占的比例大 高架桥 长桥多 2 结构的动力效应较大 3 桥上无缝线路与桥梁及下部结构共同作用 4 刚度大 整体性能好 5 修养护的时间少 6 重视耐久性 便于检查 维修 7 强调结构与环境的协调 HaiboLiuPhD SWJTU 110 1高速铁路桥梁的特点 高速铁路的自身特性对设计也提出了新的要求 1 桥梁具有足够刚度 竖 向 转 结构变形小 2 避免结构出现共振和较大振动 3 结构耐久性的要求 便于检查 4 力求标准化并简化规格 品种 5 桥梁与环境协调 满足美观 降噪 减振的要求 HaiboLiuPhD SWJTU 111 西南交通大学 2高速铁路桥梁设计荷载 列车活载 欧洲欧洲高速铁路采用UIC荷载作为设计活载 是考虑到了与其他欧洲铁路网相接 以及将来高速铁路上行走重型车辆的可能 UIC活载满足货车80 120km h的重型货车和高速轻型客车250 300km h桥梁设计要求 UIC 活载 HaiboLiuPhD SWJTU 112 西南交通大学 日本日本采用接近其高速运营列车的P N 荷载作为设计活载 P荷载仅为UIC活载的40 N标准活载重 车型最高速度最大轴重 2高速铁路桥梁设计荷载 列车活载 HaiboLiuPhD SWJTU 113 西南交通大学 2高速铁路桥梁设计荷载 中国客运专线中国高速铁路采用ZK荷载作为设计活载 ZK活载为普通铁路桥梁设计的中 活载的70 为欧洲铁路联盟UIC活载的80 ZK 活载 HaiboLiuPhD SWJTU 114 西南交通大学 2高速铁路桥梁设计荷载 中国客货混运桥梁荷载按中 活载设计 ZK 活载校核 中 活载 HaiboLiuPhD SWJTU 115 西南交通大学 2高速铁路桥梁设计荷载 中国台湾中国台湾高速铁路采用UIC修正荷载作为设计活载各种荷载相互关系 以中 活载为基准作简单比较 HaiboLiuPhD SWJTU 116 西南交通大学 3高速铁路桥梁刚度要求与变形限值 桥梁刚度要求对高速铁路线上单跨及多跨简支梁桥的刚度限值的计算方法可采用如下思路确定 1 对高速铁路线上运行的车辆按车辆共振速度和最高设计速度用整车模型确定其最低刚度要求 2 结构设计时按满足最低刚度要求设计 并计算其结构自振频率 HaiboLiuPhD SWJTU 117 西南交通大学 3高速铁路桥梁刚度要求与变形限值 3 对于设计好的结构 根据其自振频率 计算桥梁及车辆的共振速度 设法避开车辆及桥梁同时发生共振的结构布置形式 即在可能出现车辆和桥梁同时共振的跨度范围 不采用等跨度的桥梁结构布置形式 4 对于已设计好的结构 用车 桥耦合振动计算模型检算车辆和桥梁各自共振速度时的列车运动舒适性与安全性 对不能满足要求的桥梁进行修改设计 直至满足舒适性与安全性的要求 结构变形限值 竖向挠度限值不同速度等级的铁路 对竖向挠度的限值是不一样的 详细列出如下 HaiboLiuPhD SWJTU 118 西南交通大学 3高速铁路桥梁刚度要求与变形限值 京沪暂规中的梁体的竖向挠度限值 ZK静载 客专无碴轨道设计指南梁体的竖向挠度限值 ZK静载 L 50m 无碴轨道铺设后徐变上拱 10mmL 50m 无碴轨道铺设后徐变上拱 L 5000 20mm HaiboLiuPhD SWJTU 119 西南交通大学 3高速铁路桥梁刚度要求与变形限值 200km h客货共线暂规梁体的竖向挠度限值 中 活载 铁路基本规范梁体的竖向挠度限值 中 活载 简支混凝土梁 L 800 200 250km h客专暂规梁体的竖向挠度限值 ZK静载 HaiboLiuPhD SWJTU 120 西南交通大学 3高速铁路桥梁刚度要求与变形限值 德国铺设无碴轨道的高速铁路桥梁 对桥梁变形的要求 参照德国 无碴轨道的总体技术规范技术通告 2002 8 1DBNetzNST 和DIN技术报告101 L UIC K S 容许 L 804L10 0m时 L 0 4以32m梁为例 L 0 4容许 的垂直位移取决于跨度和速度L 32m v 350km h时 HaiboLiuPhD SWJTU 121 西南交通大学 结构变形限值 竖向转角限值 客专无碴轨道设计指南梁端的竖向转角 ZK静载 京沪暂规中的梁端的竖向转角 ZK静载 L 80m无规定L 80 2 3高速铁路桥梁刚度要求与变形限值 HaiboLiuPhD SWJTU 122 西南交通大学 3高速铁路桥梁刚度要求与变形限值 200km h客货共线暂规梁端的竖向转角 中 活载 铁路基本规范中梁体的竖向转角 中 活载 无规定 200 250km h客专暂规梁端的竖向转角 ZK静载 有碴轨道 2 无碴轨道 路基与桥梁过渡段 3 10 3rad 两梁之间 1 2 6 10 3rad HaiboLiuPhD SWJTU 123 西南交通大学 3高速铁路桥梁刚度要求与变形限值 德国考虑冲击系数的UIC71活载和温度 1 单线桥梁 桥梁端头 6 5 10 3rad 中间支点处 1 2 10 10 3rad2 双线桥梁 桥梁端头 3 5 10 3rad中间支点处 1 2 5 10 3rad HaiboLiuPhD SWJTU 124 西南交通大学 3高速铁路桥梁刚度要求与变形限值 两梁竖向错位对扣件上拔力的影响 其他要求 两梁竖向错位 客专无碴轨道设计指南 规定 梁缝钢轨支点相对位移不应大于1mm 德国无碴轨道技术规程 规定 设有纵坡的桥梁 由于活动支座产生水平位移引起的梁缝两侧钢轨支点间的竖向相对位移不宜大于1mm HaiboLiuPhD SWJTU 125 西南交通大学 3高速铁路桥梁刚度要求与变形限值 结构变形限值 横向力挠度限值在列车摇摆力 离心力 风力和温度的作用下 梁体的水平挠度应小于或等于梁体计算跨度的1 4000 结构变形限值 竖向自振频率限值常用简支梁竖向自振频率限值 HaiboLiuPhD SWJTU 126 西南交通大学 在高速铁路线上 列车对桥梁的动力作用增大 为满足行车安全 乘坐舒适以及适应高速铁路线路的构造要求 高速铁路桥梁必须具有足够的强度 更高的刚度及良好的稳定性 更大的抗扭能力和较高的减振降噪特性 同时 采用无缝长钢轨的线路 其桥梁体系的构造应能很好地传递列车纵向力 使列车纵向力不能过多地分配给钢轨 三 世界各国高速铁路桥梁的结构形式 HaiboLiuPhD SWJTU 127 西南交通大学 为满足以上要求 国外一些规定或规范中对高速铁路桥梁的结构型式提出了原则性的建议或要求 国际铁路联盟UIC776 2 高速和超高速线路上的桥梁规程 规定 最适宜的桥型应是桥梁上部结构具有尽可能好的刚性 并建议 世界各国高速铁路桥梁的结构形式 续 HaiboLiuPhD SWJTU 128 西南交通大学 小跨度桥 L 20m 的结构形式 带道碴的正交异性板 外包混凝土的钢梁 钢筋混凝土或预应力混凝土板或T梁 钢 混凝土组合结构 世界各国高速铁路桥梁的结构形式 续 HaiboLiuPhD SWJTU 129 西南交通大学 对中等跨度桥 20m L 60m 钢筋混凝土或预应力混凝土箱形梁 钢 混凝土组合结构对大跨度桥 L 60m 上弦设有抗风联结系的双线桥格构梁桥 钢 钢筋或预应力混凝土拱桥 世界各国高速铁路桥梁的结构形式 续 HaiboLiuPhD SWJTU 130 西南交通大学 随着建桥水平的提高及预应力混凝土结构的广泛应用 同时人类对环境的要求越来越高 国外近年修建的高速铁路新线 基本上全部采用钢筋混凝土及预应力混凝土结构 世界各国高速铁路桥梁的结构形式 续 HaiboLiuPhD SWJTU 131 西南交通大学 在日本的铁路新干线上 除东海道新干线设计速度为210km h外 其余几条线的设计速度为260km h 在这些线上 桥梁总延长所占线路长度比重较大 下表为各条新干线上桥梁及高架桥所占比例 日本新干线上的桥梁 HaiboLiuPhD SWJTU 132 西南交通大学 新干线上的桥梁及高架桥所占比重 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 133 西南交通大学 由上表可见 日本新干线上高架桥的比率 在某些段几乎占了线路总长的一半 由于有这样多的高架桥 因此日本新干线上的高架桥多采用标准设计 日本高架桥标准设计的基本情况如表3 1 标准设计中桥面宽度按表3 2确定 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 134 日本新干线上的桥梁 续 高架桥标准设计的基本情况表3 1 HaiboLiuPhD SWJTU 135 西南交通大学 日本新干线上的桥梁 续 高架桥标准设计的基本情况续表3 1 HaiboLiuPhD SWJTU 136 西南交通大学 新干线表彰高架桥桥宽 m 表3 2 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 137 西南交通大学 东海道高架桥的几种标准设计形式如下图所示 日本新干线上的桥梁 续 图3 1日本东海道标准设计框架式高架桥 单位 mm HaiboLiuPhD SWJTU 138 西南交通大学 续上图3 2日本东海道标准设计框架式高架桥 单位 mm 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 139 西南交通大学 主要结构形式除高架桥外 日本新干线上其它桥梁采用了上承钢板梁 结合梁 穿式桁架 钢筋混凝土及预应力混凝土梁 也有少量拱桥 下表列出了各条新干线上采用的混凝土桥与组合梁桥 钢桥等各自在除高架桥外所占的比例 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 140 西南交通大学 各条新干线上混凝土桥与其他桥所占比例表3 3 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 141 西南交通大学 主要结构形式上表中的数据说明 除东海道新干线上采用了较多的组合梁桥和钢桥外 后来修建的新干线大量地采用了混凝土桥 只在万不得已的情况下才用组合梁桥和钢桥 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 142 西南交通大学 主要结构形式东海道新干线建成运营十年后 发现桥梁存在许多问题 尤以钢梁更突出 通过调查发现主要原因是设计处理不当及桥梁振动 疲劳等原因所致 另外钢梁桥的噪音比混凝土桥也大得多 因此 在后来修建的几条新干线上大量采用了混凝土桥梁 这样可增大结构阻尼 减小桥梁振动和噪音 减小维修工作量 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 143 西南交通大学 在选择结构型式时 尽量采用有碴桥面梁 德国DS804规范规定 铁路桥一般应采用上承式桥 在任何情况下都必须设置道碴道床 日本东海道新干线上 曾经采用过明桥面钢梁 但经过几年行车后 在34孔明桥面穿式板梁中 有8孔在纵梁 横梁端部腹板的断面变化处出现向上斜裂缝 后根据裂缝发展情况 予以更换或加强 东海道以后的新干线 只在万不得已的情况下才采用 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 144 西南交通大学 主要结构形式在日本新干线上 大量采用标准设计的预应力混凝土桥 截面形式有T梁和箱梁 T梁跨度在15 45m 双线主梁片数从3片到8片不等 主梁截面形式以箱梁为主 在跨度较小 梁高较低的桥梁也使用少量的T梁 从施工方法上看 以支架施工 悬臂施工和顶推施工为主 预制拼装施工的极少 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 145 西南交通大学 噪声解决方式高速行车噪音引起沿线居民强烈不满的问题 一直困扰着日本的新干线运输 为减少新干线桥梁的噪音 现在的做法是在高架桥上设隔音板 在钢梁上设隔音板 但是这种措施要使噪音降至70dB以下 目前来说是难以达到的 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 146 西南交通大学 为从根本上解决这一问题 不采用或尽量少采用钢及钢 混凝土组合梁是一比较明智的决策 另外 无碴桥面梁的行车噪音也比有碴的大 日本新干线上的桥梁 续 HaiboLiuPhD SWJTU 147 西南交通大学 设计速度250km h 全长327km的德国汉诺威 维尔茨堡和全长104km的曼海姆 斯图加特两条新干线上 共有桥梁359座 总延长37km 在359座桥中 152座跨越公路 139座跨越铁路 其余68座为大型山谷桥和高架桥 从桥梁总长与线路总长之比来看 德国高速铁路上的桥梁数量远小于日本新干线和我国在建的京沪高速铁路线 德国这两条新干线上的桥梁几乎全部是预应力混凝土和钢筋混凝土桥 其原因一方面是混凝土桥养护维修方便 造价也较低 另一更主要的的原因则是混凝土桥在高速行车条件下的噪音远比钢桥低 德国高速铁路线上的桥梁结构型式 HaiboLiuPhD SWJTU 148 西南交通大学 在德国的这两条高速铁路上 大部分桥为预应力混凝土简支梁和连续梁 简支梁的墩中心距基本上采用44m及58m两种 25m的只有少数几跨 墩中心距44m的梁跨度为42m 58m的梁跨度55 75m 德国高速铁路线上的桥梁结构型式 续 HaiboLiuPhD SWJTU 149 西南交通大学 为这两条高速铁路 德国联邦铁路管理中心组织力量制定了一套标准设计图 参考设计 标准设计均为单室单箱形截面预应力混凝土梁 桥面的横断面按 铁路新干线上桥梁的特殊规程 的56条办理 规定的横断面如图3 3所示 德国高速铁路线上的桥梁结构型式 续 HaiboLiuPhD SWJTU 150 西南交通大学 德国高速铁路线上的桥梁结构型式 续 图3 3时速超过200km h线路上的铁路桥桥面典型横断面 单位 m HaiboLiuPhD SWJTU 151 西南交通大学 在标准设计中 箱梁底板宽5 0m 桥面板宽14 3 道床部分9 1m 跨度42m的梁高4 0m 55 75m的梁高5 0m 腹板与铅垂方向成15 其正常厚度为0 6m 支座处0 7m 底板的一般厚度为0 35m 支座处0 6m 梁端还设有0 8m厚的横隔板 设检修洞 图3 4所示为两座典型桥梁的横截面 其参数列于表3 4中 德国高速铁路线上的桥梁结构型式 续 HaiboLiuPhD SWJTU 152 西南交通