新建时速200km客货共线铁路桥梁设计

新建时速200客货共线铁路桥梁设计摘要通过铁路桥梁在提速状态下的实测结果研究分析，结合国外最新的铁路桥梁结构设计，分析我国既有铁路常用桥梁对速度200/客车、120/货车的适用性，提出新建时速200客货共线铁路桥梁设计一般规定的建议。TRANBBSCOM关键词时速200铁路；客货共线铁路；铁路桥梁；箱梁；梁；桥墩中图分类号44251文献标识码文章编号100429542004070030031概述我国既有铁路桥涵大量采用标准设计,常用跨度桥梁一般采用单线钢筋混凝土及预应力混凝土双片式梁桥,两片梁通常用横隔板联结,部分20以下的双片式梁无横向联结钢桥跨度小于等于40时多采用简支钢板梁,再大跨度多采用半穿式或穿式桁梁桥,桥面系采用明桥面桥墩一般采用实体墩,为节省圬工,也采用了一些轻型墩台和柔性桥墩。由于当时考虑的列车设计速度较低,客车一般按120/,货车在规范中没有明确规定,但实际运营速度一般只能达到60/。因此,桥梁设计主要满足承载能力和节省材料,而对桥梁的结构构造、刚度、长期变形、动力性能和耐久性考虑不足,造成了在长期运营中桥梁存在整体性和耐久性差、养护维修投入大等问题并在提速试验中发现一些跨度和结构形式的桥梁包括梁体和桥墩刚度不足和动力性能差等问题。这些桥梁的设计在当时条件下应该是正常的,但随着桥龄增长,铁路交通发展很快,客货车的速度不断提高,既有桥梁的问题便逐渐显露出来。因此,桥梁的设计标准和理念急需更新。为适应铁道部跨越式发展的要求,部建设司组织编制新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定,本文通过我国铁路桥梁在提速状态下的实测结果研究分析,总结了既有桥梁设计经验教训,结合国外最新的铁路桥梁结构设计,分析了常用铁路桥梁结构形式对速度200/客车、120/货车的适用性,提出了新建时速200客货共线铁路桥梁设计一般规定的建议。2既有桥梁结构存在的问题我国既有铁路桥梁的设计,由于当时条件和认识上的限制,通常都偏重于一次建设投资的经济性考虑和便于快速施工。常用跨度混凝土桥梁均采用工厂预制、火车运输、架桥机架设的双片式梁标准化设计,设计的结构以满足承载力要求,节省材料为主,对桥梁的刚度、长期变形、动力性能和耐久性则考虑不足。因此,在长期运营中和提速中出现一些问题,制约了铁路运输的发展。主要可归纳为桥梁长期使用状态问题和提速问题两大类。21长期使用状态问题混凝土梁的设计主要由于结构构造处理不当以及对耐久性和混凝土材料性能认识不足,造成1横隔板断裂2预应力梁上拱度过大3混凝土碱骨料反应造成部分桥梁严重的纵向水平裂纹4混凝土保护层过薄,放排水系统失效,污水流经梁体表面,造成钢筋严重锈蚀。钢梁均采用明桥面,明桥面的木枕用钩头螺栓固定于纵梁上,但钩头螺栓的紧固作用差,木枕易变位,桥上轨道维修量大。钢支座锈蚀严重,纵向活动支座不活动板式橡胶支座横向没有约束。涵洞主要是石砌边墙破损严重。因此,为避免新建时速200客货共线铁路桥梁设计出现同样的问题,保证新建桥梁的良好使用状态和耐久性,并尽量减少桥梁在运营期间的维修量,有必要对新建桥梁的设计和构造作出规定。22提速问题广深准高速铁路改造是将客车速度提高到160/4次大提速将三大干线的客车速度由原来的100/提高到140/,货车速度由60/以下提高到7080/。铁科院和一些铁路局桥检队对提速后桥梁的动力性能进行了大量测试和分析,发现提速后既有桥梁存在的一些问题,主要包括以下内容。1既有混凝土双片式梁的桥面不成整体、横向联结弱,造成有些跨度的桥梁横向自振频率偏低,当提速货车通过桥上时,由于货物列车的横向激振频率与梁体的横向有载自振频率接近,从而产生剧烈的横向振动现象。如32梁,货物列车提速至7080/时,实测32梁的横向振幅一般达到913,大大超出当时桥梁检定规范的限值/165194。从国外情况来看,前苏联乌克兰科学院院士鲍达尔教授研究了客车200/、货车120/运行条件下梁体的振动问题,认为梁体横向振幅的限值一般可取客车02、货车03其中以计,由此计算出32梁的振幅限值应为客车64、货车96。可见我国32梁横向振动已超出这个限值。德国的最新规范对客车300/和货车120/条件下单线钢桁梁的横向自振频率作了规定,这个规定可以用在混凝土简支梁上,即梁体横向自振频率不应小于120/,而前苏联的规定是100/。表1列出了混凝土标准梁实测横向自振频率及标准限值,一些跨度的横向自振频率不满足德国和前苏联的限值要求,如16及32预应力混凝土梁,货车提速后,梁体横向振动偏大。所以,既有标准梁的横向联结方式应改变,必须采用整体桥面,加强横向联结,提高横向自振频率。2在前几次提速试验中分别对1040跨6种不同跨度的钢板梁进行过动载试验,当客车达到160/时,梁体横向振幅在一些跨度接近新桥检规和前苏联的限值标准货车提速到8090/时,大部分跨度的梁体横向振幅超出限值标准,振动剧烈,危及行车安全客、货车进一步提速后,梁体振动还会增大。因此在新桥设计中,40以下的跨度不宜采用钢板梁。注为低高度钢筋混凝土双片式梁。3我国过去的钢桥都采用明桥面,广深准高速铁路跨度640双线钢桁梁也是明桥面,只是将明桥面用的钩头螺栓改为在纵梁上打孔的螺栓连接。列车在160/速度条件下已经安全运营了4年,整个结构和桥面系均处在良好的状态。日本东海道新干线运行速度210/上也使用明桥面。明桥面直接承受列车的冲击作用,一是纵横梁容易出现疲劳裂纹,日本东海道新干线在运营10年后明桥面出现裂纹的现象显著增多二是轨枕易变位,使得明桥面的轨道结构的维护量大三是明桥面噪声大。为此,日本东海道新干线明桥面的木枕已逐步改造成树酯轨枕。货车提速至120/后,由于其轴重和簧下质量都比客车大,冲击作用会显著增加,明桥面能否长期适用于120/货车的动力作用及噪声污染都是突出的问题。在德国新建铁路线上钢桥一般都采用正交异性板及钢筋混凝土板的道碴桥面。因此,综合考虑结构的长期使用性能和减少桥上轨道的维修量,在新建客车200/、货车120/的客货共线铁路上不宜采用明桥面。4我国既有铁路线上曾采用一些柔性桥墩,当货车速度提高到6080/时,柔性桥墩普遍存在横向振动急剧增大的现象。目前,有这类桥墩的线路区段提速货车不得不限速60/运行。因此,在货车120/的新建铁路上一般不应采用刚度较小的柔性墩台,以满足行车舒适性与安全性要求。5板式橡胶支座横向变位没有约束,列车通过时梁体横向呈整体刚体振动形态。当速度提高后,列车的横向激励频率与梁体横向整体刚体振动频率很容易接近,从而使梁体产生剧烈的横向振动。因此,必须采取措施,约束其横向变位。3国外的铁路桥梁设计目前,国际上发达国家的新线建设一般是高速客运专线和时速200以上的客货共线铁路,桥梁的主要功能是为高速列车提供平顺、稳定的桥上线路,确保列车运营安全和乘坐舒适,并尽量减少使用期间结构的维修工作量。因此,其桥梁设计具有以下特点1梁体具有足够大的竖向刚度、横向刚度和抗扭刚度,限制温差和混凝土徐变产生的上拱变形,以保证线路的高平顺性和避免不良的车桥动力响应2桥梁墩台有足够大的纵向刚度,以限制桥上无缝线路轨道的附加应力和制动时的梁轨相对位移,保证线路的稳定桥梁墩台还应有足够的横向刚度,保证线路的方向平顺性,避免车桥产生过大的横向振动3桥梁的选型尽量避免或减少钢轨伸缩调节器的设置4桥梁结构及构造设计充分考虑耐久性要求,并便于检查和维修。桥梁较长、墩身不高的高架桥在新建高速铁路中占有很大的比例。德国、意大利、西班牙等国都采用等跨布置的25预应力混凝土简支梁结构韩国高速采用325或240预应力混凝土连续梁日本十分重视结构的抗震性能,大量采用跨度为8、10、12的钢筋混凝土连续刚构,每联一般有410跨,各联之间采用简支梁过渡。一般桥梁一跨或一联长度大于80时,需要设置无缝线路伸缩调节器。因此,高架桥的选择应避免在桥上设置无缝线路伸缩调节器。欧洲新建铁路有不少跨越山谷的高墩桥梁,桥墩最高达100,称为谷架桥。德国在20世纪80年代新线建设时一般选用等跨布置的44、56两种跨度的预应力混凝土简支梁,运营后发现56简支梁的端部由于温度伸缩量大,道碴不稳定,维修工作量大。因此,在以后的新线铁路建设中简支混凝土梁的最大跨度用到44。在最近建设的科隆法兰克福高速客运专线上,谷架桥更多地采用了连续梁,连续梁和简支梁的比例约各占50。西班牙和法国均选用连续梁,跨度不超过80。由于谷架桥桥墩高,纵向刚度弱,因此都采用传力装置将制动力直接传到桥台或特别设计的制动墩上。桥梁截面形式一般有板梁、梁和箱梁。德国一般采用板梁和箱梁,法国一般采用箱梁,日本和西班牙采用了不少多片式形梁,多片式形梁都加强劲的横隔板并采用整体桥面。日本一般采用了4、6、8片式形梁,跨度有194、242、292、342、392和44西班牙一般采用25跨度5片式形梁,也用过39跨度9片式形梁。对于跨度小于20的小型桥梁,根据法国的经验,最好采用超静定结构,如刚构桥。因为法国早期的里昂巴黎高速线上的小跨度简支梁桥,动力效应十分显著,导致梁体开裂。简支梁和连续梁是最常用的两种结构形式。简支梁的优点是对于支座沉降不敏感,不需要设置轨道伸缩调节器,可采用工厂预制。连续梁较简支梁高度低,结构变形和墩帽尺寸较小,但支座沉降对连续梁的受力有影响,尤其是小跨度连续梁,跨度越小,影响越大并且当多跨连续梁一联长度大于80时,需要设置轨道伸缩调节器。从桥梁截面形式来看,跨度不大于40的混凝土梁采用箱形和形都可以,对形梁要采用整体桥面,加强横向联结。根据日本的研究比较分析,认为跨度大于38采用箱形梁才较为经济。4结论根据上述分析,一方面总结分析了我国既有桥梁在运营和提速中遇到的问题另一方面积极吸收发达国家类似铁路桥梁设计先进成熟的经验。在此基础上对我国新建时速200客货共线铁路的桥梁设计提出以下一般规定。1桥梁结构应满足行车舒适度和耐久性的要求,桥梁构造应便于检查、养护和维修。2桥梁上部结构应采用刚度大的结构型式,宜优先采用预应力混凝土结构,亦可采用钢筋混凝土结构和钢混凝土结合结构,必要时也可采用钢结构。3预应力混凝土梁,宜采用双线整孔箱梁,中小跨度也可采用两个并置的单