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1、高速铁路（客运专线）桥涵施工技术葛俊颖 编石家庄铁道学院二零零五年十月第一章 绪 论第一节 前 言自1964年日本建成世界上第一条200km/h高速铁路以来，由于其快速和安全所带来的经济效益和社会效益，及对国民经济和科学技术的发展所起的作用，已引起世界各国的重视，各经济发达国家竟相发展高速铁路。实践表明，高速铁路是现代世界经济发展和人类生活水平提高的需要，是运输市场激烈竞争的出路，是现代高新技术发展的产物。它在2001000km的运距范围内具有很大的竞争力。它极大地提高了铁路运输服务的质量和管理水平，使曾经被视为“夕阳工业”的世界铁路得以复兴，并有蓬勃发展、方兴末艾之势。目前欧洲和日本已将一条
2、条独立的高速铁路连接成高速铁路网。高速铁路网的形成，实现了铁路从传统型产业向现代型产业发展的历史性转变。我国改革开放20年来，经济迅速发展，各行各业与国际接轨，使得国内铁路也面临着巨大的挑战。既有铁路不能适应市场经济发展的需要，繁忙干线运输能力紧张，运输质量和服务水平低下，管理手段落后等等，迫切需要我国铁路人把握世界铁路技术发展的趋势，抓住机遇，以既有线提速改造和新建一流的高速铁路为契机，使我国铁路事业有质的飞跃，从而在运输市场竞争中立于不败之地。有鉴于此，我国在1990年就计划在广深既有线提速至160km/h（局部达200km/h），目前，该准高速铁路早已经投入运营。秦沈高速铁路客运专线是我
3、国第一条真正意义上的高速铁路，该线也已经运营多年。我国的高速铁路的长远发展是在全国建成“四横四纵”的高速铁路网，我国高速铁路发展很快将进入一个崭新的历史时期。根据我国中长期铁路网规划，到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率均达到50，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。秦沈客运专线是我国已经建成的第一条客运专线，广深准高速铁路也已经运营多年，已经开工或即将开工的高速铁路客运专线有石家庄太原客运专线、武汉合肥高速铁路、武汉广州高速铁路、郑州至西安客运专线、京石高速铁路、福厦高速铁路。另外京沪高速铁路、京汉高速铁路
4、以及广珠高速铁路、沪宁高速铁路等，也进入了规划或前期准备阶段。高速铁路网的建设，在大江南北已呈方兴未艾之势。高速铁路与传统的普通铁路有很大的不同：1 高速度速度在200 km/h以上的铁路才称为高速铁路，由于高速度的原因，线路轨道不平顺、行车运行控制难度、行车事故后果被放大，轨道上微小的不平顺或长波不平顺对列车都将造成巨大的振动激扰。所以要求桥上轨道和路基与桥的连接部具有极好的平顺性。2 高舒适性贯彻以人为本的理念，突出设计上的人性化，满足舒适的要求。3 高安全性高速铁路必须具有一流的安全保障系统，这不仅要求土建工程具有较高的可靠性和稳定性，更重要的是进行实时的安全监测、监视与控制。在能见度很
5、低的大雾天气，高速公路封闭，民航飞机延误起飞，而高速铁路就不受影响的安全运营。从1964年有高速铁路以来，全世界范围内只有极少的列车事故。4 高密度高速列车追踪列车间隔时间普通可以达到3分钟。要体现高速铁路的优势，就必须保证列车在高速铁路线上高密度地连续运行。5 通车即按设计速度运行目前世界上所建设的高速铁路除日本东海道新干线在开通运营的第一年未达到最计速度外，其后修建的和其他国家的高速铁路均在通车之日即按设计速度运营。这与我国传统普通铁路有根本不同，我国既有铁路大都是通车一年半载后还不一定能达到设计速度。如京九铁路，通车时某些地段仅达5060km/h，运营一段时间才达到7080km/h，至今
6、仍不能全线按设计速度120km/h运营，这对高速铁路是绝对不可以的，否则，线路（轨道）将产生记忆性病害或不平顺，其后果是将花费数倍的力量去整修才可能达到高速运行的目标。6. 很强的本土化 高速铁路具有很强的土木化特征，必须结合我国的现实条件，尽管日本和欧洲各国经过几十年的实践，积累了大量经验，并各自制定了一套高速铁路专用的技术标准，如日本的新干线网结构物设计标准、国际铁路联盟的高速线上桥梁技术标准、联邦德国的铁路新干线上桥梁的特殊规程BesB(DS899/59)以及1993年修订的德国铁路桥梁及其它工程结构物规范VEI(DS804)，但这些规范中的规定值一般是根据各国具体情况经过研究后确定的，
7、因此，无法套用到我国高速铁路线上。鉴于此，需要集中我国铁路界的力量，结合我国国情，对高速铁路的关键技术进行详细、系统的研究，为我国高速铁路设计规范的制定提供理论依据。为了保证高速铁路行车的安全与舒适，其各项技术标准要求均很高，由于线路高度的限制及要求全线封闭等原因，高架、立交桥梁在各类工程结构中所占的比例较大，因此，在高速铁路的修建中，如何将桥梁快速、优质的建成是非常关键的。第二节 高速铁路桥梁的特点行车速度大于200 km/h即为高速铁路，客运专线的基础设施设计时速为350km/h，客货混运铁路的运营速度大于200 km/h，不管哪种高速铁路，其运行速度均较快，技术标准要求较高，站间距离长，
8、且要与周围环境协调，要求尽量减小噪音污染，所以高速铁路对桥梁的要求与普通铁路不同，且高速铁路参数限制严格，曲线半径大、坡度小，并需要全封闭行车，桥梁建筑物数量多于普通铁路。在平原及人口稠密地区，经常选用高架线路；而在山区及丘陵地带，谷架桥会明显增多，因此，高速铁路桥梁通常可以分为三种类型：(1) 高架桥：用以穿越既有交通路网、人口稠密地区及地质不良地段。高架桥通常墩身不高，跨度较小，但桥梁很长，往往伸展达十余公里；(2) 谷架桥：用以跨越山谷。跨度较大，墩身较高；(3) 跨河桥：跨越河流的一般桥梁。已经建成的高速铁路或客运专线桥梁的结构形式一般是：小跨度桥梁采用多孔等跨简支梁桥，大跨度桥梁的结
9、构形式较多，但数量较少，表1.1列出了国外大跨度桥梁的一些例子。高架线路上采用多孔等跨简支梁桥的型式，具有以下优点:等跨简支体系的桥跨外形一致、截面相同、构造布置统一，使桥跨密集的高架线路在运营中的管理工作大为简化，也便于结构的日常检查和养护维修。高架线路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。但对于跨度小于20米的小型桥梁，根据法国的经验最好采用超静定结构，如刚构桥。因为法国早期修建的小跨度简支梁桥动力效应十分显著，会导致梁体开裂。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
10、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。钢筋混凝土刚架结构，是一种空间静不定结构，整体性好，具有较好的刚度和抗震性能，日本高速铁路高架桥多采用这种结构型式，有一定的使用经验。故当技术经济条件相宜时，也可采用这种结构型式。斜交刚架和框构桥在跨越道路等场合，其适应性强，整体性好，可以采用。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。表1.1 国外高速铁路大跨度桥梁序号结构型式孔跨布置(m)桥 名123预应力混凝土连续梁40+77+130+7750+1010
11、0+5067+100+67德国 美因河桥(无碴轨道)法国 阿维尼翁桥法国 旺他勃朗桥456预应力混凝土V型连续刚构预应力混凝土T型刚构预应力混凝土斜腿刚构82+135+8276+76263+51+263德国 格明登 美因河桥日本 第一千曲川桥(无碴轨道)日本 雾积川桥(无碴轨道)789预应力混凝土斜拉桥预应力混凝土低塔斜拉桥1339+133965+105+105+6555+90+55日本第二千曲川桥(无碴轨道)日本 屋代北桥(无碴轨道)日本 屋代南桥(无碴轨道)101112混凝土上承拱桥16241275116德国伐茨霍希汉姆美因河桥德国瓦尔泽巴赫桥德国拉恩特尔桥(无碴轨道)131415钢系杆拱
12、桥12412141154+1154法国 阿维尼翁桥法国 莫纳斯桥法国 阿德玛桥16钢混结合连续桁梁桥76+96+96+80+675德国 范拉桥17下承式连续钢桁梁桥382.3+31030日本 第三千曲川桥高速铁路中的桥梁一般有以下的特点：1. 桥梁数量多平交道的存在将使列车速度、交通安全和正点运行等均不能得到保证，因此，新建高速铁路一般均不设平交道，而设立交桥，日本、法国、德国等国家的高速铁路均如此。对既有线改为行驶高速列车时，国际铁路联盟规定：当列车速度超过200km/h时，不许设平交道；当列车速度为140200km/h时，也应首先考虑立交；在遇到以下情况时，均应该为立交桥，取消平交道：交通
13、繁忙的道路，平交道的看守与养护费用和新建立交桥的投资相差不大或嘹望条件不好等等。加之尽量减小用地等原因，高速铁路中桥梁总延米在线路总长中所占比例比普通铁路大，欧洲高速铁路以德国为例，桥梁总延长约占线路总长8左右，亚洲国家人口稠密，高架线路增多、桥梁比例明显上升，如日本的高速铁路桥梁平均达到48%，其中，高架桥要占线路总长的37。韩国在建的高速铁路，桥梁约占三分之一（见表1.2）。相比之下，我国普通铁路桥梁的比例仅占线路总长2左右。表1.2 德国、日本、韩国高速铁路桥梁所占比例国名线路总长（km）桥梁总长（km）桥梁所占比例（）德国603468日本195393048韩国41113533桥梁数量增
14、加，尤其是大量采用很长的高架线路，使桥梁成为高速铁路的主要组成部分。因此，桥梁的使用性能能否满足高速行车要求已成为修建高速铁路的成败关键。2. 混凝土桥梁多高速铁路的桥梁需要有很高的抗扭刚度、足够的稳定性和耐久性，加之高速铁路要求维修量小，且近几年各国公众对噪音特别反感，因此世界各国对高速铁路桥梁的结构类型进行了充分而细致的研究，不仅中小跨度的桥梁普遍采用道碴桥面的钢筋混凝土和预应力混凝土桥梁，而且还发展多种形式的大跨度预应力混凝土结构。德国的DS804规范规定高速铁路桥梁一般应采用上承式梁，在任何情况下都必须设置石碴道床，采用下承式槽形梁、斜拉桥或悬索桥需特别批准；日本的东海道干线曾经使用过
15、明桥面钢梁，运营10年后，在纵梁、横梁端部腹板的断面变化处出现裂缝，因而在后来修建的山阳新干线中，该线大部分桥梁设计为混凝土结构，从冈山至博多段共119,432延米，桥梁中钢梁和结合梁仅占7.5%；东北新干线钢筋混凝土和预应力混凝土梁的比重，比上述的值还大。表1.3给出了日本各新干线上各类桥梁所占的比例。表1.3 日本各条新干线上各类型桥梁所占比例铁 路段混 凝 土 桥组合梁桥、钢桥线 别别总长(km)所占比例总长(km)所占比例东海道东京新大阪14282%3118%山 阳新大阪冈山8793%77%山 阳冈山博多11094%66%东 北大宫盛冈32698%72%东 北上野大宫2288%312%
16、上 越大宫新泻16199%11%各国已建成的高速铁路的钢筋混凝土桥中，预应力混凝土桥梁在高速铁路桥梁中占有绝对优势，因为预应力混凝土与其它建桥材料相比，具有一系列适合高速铁路桥梁的优点，如刚度大、噪音低，温度引起的变形对线路位置影响小，养护工作量少，造价也较低等，所以一般要求桥梁上部结构应优先采用预应力混凝土结构。当需要减轻梁重或快速施工时，结合梁也常被采用。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。3. 重视改
17、善结构耐久性，桥梁要便于检查、维修国内外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，片面地追求较低的建造费用而忽视耐久性，往往会造成很大的经济损失。因此，高速铁路的桥梁结构，设计中应十分重视结构物的耐久性设计，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。高速铁路是极其重要的交通运输设施，任何中断行车都会造成很大的社会影响和经济影响，为此桥梁结构物应尽量做到少维修或免维修，这就需要在设计时将改善结构物耐久性作为主要设计原则、统一考虑合理的结构布局和构造细节并在施工中严
18、格控制，保证质量。一些国家规定高速铁路桥梁在结构耐久性方面要求的设计基准期，一般以50年不需维修为目标；在正常检查、养护前提下，期待能达到100年的耐用期。我国新建铁路的设计使用年限现已经提高到100年。另一方面，由于高速铁路运营繁忙、列车速度高，造成桥梁维修、养护难度大、费用高。因此，桥梁结构构造应易于检查和维修。以上原则，在各国的高速铁路桥梁设计建造时，均得到充分的重视，如：明确规定耐久性设计的有关内容、考虑易损部件更换的措施、预留15的预应力束补张拉位置、预留各种检查维修通道等，在桥梁设计时力求构造简单，规格外形标准化，尽量消除构造上的薄弱环节。4. 限制纵向力作用下结构产生的位移，避免
19、桥上无缝线路出现过大的附加应力高速铁路要求一次铺设跨区间无缝线路而桥上无缝线路钢轨的受力状态不同于路基，结构的温度变化、列车制动、桥梁挠曲能使桥梁在纵向产生一定的位移，引起桥上钢轨产生附加应力。过大的附加应力会造成桥上无缝线路失稳，影响行车安全。因此，墩台基础要有足够的纵向刚度，以尽量减小钢轨附加应力和梁轨间的相对位移。各国在修建高速铁路时，除了对墩顶纵向刚度有严格的要求外，对如何避免结构物出现较大的纵向位移也进行了深入研究，提出了多种控制方法和构造措施，以供高墩桥梁选择。对于高速轨道而言，必须尽可能消灭钢轨有缝接头，采用跨区间超长无缝线路。欧洲和日本已运营的4400 km 高速铁路无不采用无
20、缝线路，表明世界各国铁路工作者对高速铁路轨道结构的共识。发展跨区间超长无缝线路的一项关键技术是如何在特大桥上铺设无缝线路,即解决桥上无缝线路纵向附加力的分布及传递问题。桥上无缝线路纵向附加力指的是在温度变化及列车荷载的作用下，钢轨所承受的伸缩附加力、挠曲附加力、断轨力以及制动力等,这些附加力的计算是检算钢轨强度及墩台强度与稳定性的前提。 由于高速铁路桥梁的结构型式多种多样,国内对钢轨所承受的附加力计算方法进行了许多研究。在特大桥上铺设无缝线路,按规范要求均需要单独设计。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
21、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，为保证桥上轨道的强度和稳定性，经研究，当采用UIC60钢轨时，这个附加应力的最大拉应力不得超过81Mpa，最大压应力不得超过61Mpa。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
22、的桥梁下部的刚度加以限制。对于由多跨简支结构组成的桥梁，在桥台纵向水平刚度大于桥墩纵向水平刚度的情况下，桥上满布列车荷载时，桥头钢轨产生的最大拉（压）制动附加应力。对于钢轨挠曲附加应力，大量试验表明，在第三跨以后一般均很小，因此仅取两跨有载计算。钢轨最大制动、伸缩和挠曲附加应力均在桥台与梁的接缝附近，其中钢轨最大挠曲附加应力在此处总是以受拉的形式出现，而钢轨最大制动和伸缩附加应力则以受拉或受压的形式出现。钢轨最大制动和伸缩附加应力组合时，会出现钢轨最大附加压应力；钢轨最大制动附加拉应力与钢轨最大挠曲附加拉应力组合时会出现钢轨最大附加拉应力。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
23、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。5. 结构要有足够大的刚度，为列车高速行驶提供坚实、平顺的行车道长期以来，由于对结构振动特性认识不足，对结构振动频率与列车速度之间的关系认识不足，导致部分桥梁结构在列车过桥时产生横向晃动，给司机、旅客带来不安全感，甚至导致限速行驶，影响桥梁正常使用。如佳木斯松花江桥，列车以58. 1 kmh通过时，实测上、下弦最大横向振幅分别为9.85 mm和7.6 mm； 蚌埠淮河大桥引桥39.6 m无碴有枕预应力混凝土梁，中心距1.8 m，宽跨比12
24、2，司机反映有明显晃动；沈山线大凌河桥列车提速后，横向振幅较多，长期限速运营；京山线滦河大桥也与此桥类似，并连续在桥上掉道，只好限速运营。桥梁出现较大挠度会直接影响桥上轨道的平顺性，造成结构物承受很大的冲击力，旅客舒适度受到严重影响，轨道状态不能保持稳定，甚至影响列车的运行安全。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。从设计荷载的角度，在列车中低速行驶时，结构的动力效应不明显，一般求得挠度冲击系数，然后在桥梁设计时为静态的荷载乘以一个荷载放大系数。随着高速列
25、车的出现及桥梁向长大跨度方向的发展，仅仅求出冲击系数已不能满足桥梁设计要求，为了确保高速行车的安全与舒适，车桥动力作用的研究增加了对桥梁挠度及梁段折角限值的研究，列车过桥时的横向振动响应也逐渐成为一个重要的研究内容。普通客车乘坐舒适度一般可以用顺桥向及横桥墩台顶面的弹性水平位移来保证。对于高速铁路，满足高速行车时列车安全性和旅客乘车舒适度要求的桥墩台刚度的要求应更高，同时还要考虑车桥耦合动力响应分析的影响，桥梁下部结构的横向刚度对车桥耦合振动体系的影响是较为明显的，且横向刚度的影响明显地大于纵向刚度的影响，尤其是对横向动位移的影响更大。纵向和横向应区别对待。静力计算的墩台顶水平位移值，是桥墩台
26、刚度的直接体现，是对车桥耦合振动体系影响较大的一个因素，影响列车安全性和旅客乘车舒适度的指标，故应参考有关规定进行检算，予以控制。最终，设计的桥墩台，应与梁部结构一起进行车桥耦合振动分析，满足列车安全性和旅客乘座舒适度指标的要求，对于适用于高速铁路的墩台顶的弹性水平位移的容许值，应在专题研究的基础上再行确定。此外，为保证轨道的平顺性还必须限制桥梁的预应力徐变上拱和不均匀温差引起的结构变形。这些都对高速铁路桥梁结构的刚度和整体性提出很高的要求，对桥梁挠度、梁端转角、扭转变形、横向变形、结构自振频率和车辆竖向加速度方面作出严格的限定。为此，各国高速铁路桥梁基本上都遵循以下原则：（1）采用双线整孔桥
27、梁，主梁整孔制造或分片制造整体联结。双线桥梁一方面提供很大的横向刚度，同时在经常出现的单线荷载下，竖向刚度比单线桥增大了一倍。（2）除了小跨度桥梁外，都采用双线单室箱形截面；（3）加大简支梁的梁高，如欧洲各国高速铁路预应力简支梁高跨比一般选择1/91/10，而普通铁路的预应力混凝土简支梁的高跨比约为1/101/11（除了跨度32m梁因运输净空限制梁高定为2.5m）；（4）尽量选用刚度大的结构体系如连续梁、刚架、拱桥、斜拉桥等；鉴于高速铁路全封闭桥梁数量多，设计技术标准高，又要求行车安全舒适，所以，对高速铁路桥梁结构形式的选择应给予足够的重视。适合高速行车的较好桥式是实体结构和超静定结构，且要求
28、结构物有较高的抗扭和抗弯刚度，通常不应采用柔性结构，而刚构和框架结构可减少维修工作量，且局部损伤并不影响整体。日本是地震高发区，因此，日本山阳新干线高架桥大量地采用双线跨度为8米和10米的双孔和三孔连续钢筋混凝土刚构，其两端各留有3米的悬臂，上铺设道碴桥面，也有连续多孔两端无悬臂的，常用于轨道板梁桥，多孔连续混凝土梁对受力有较大的安全储备量。（5）桥梁跨度不宜过大。法国高速铁路直至修建地中海线时才首次采用100m跨度的桥梁。目前各国最大跨度的桥梁均未超过162m（见表1.4）。表1.4 各国高速铁路跨度最大的桥梁国 名桥 名主 跨（m）结 构 型 式高 速 线 名日 本第二千曲川桥135预应力
29、混凝土密束斜拉桥北陆新干线德 国法伊茨赫希海姆美因河桥162上承式钢筋混凝土拱桥汉诺威一维尔茨堡法 国旺塔布伦桥100预应力混凝土连续梁地中海线西班牙阿姆波斯特桥92预应力混凝土连续梁巴塞罗纳一瓦朗期瑞 典伊格尔斯塔桥158预应力混凝土刚构高速铁路桥梁设计主要由刚度控制。尽管高速铁路活载小于普通铁路，但实际应用的高速铁路桥梁，在梁高、梁重上均超过普通铁路桥梁。6. 高架车站桥较多高速铁路多修建在客运或货运量较大的路段，或新建，或对既有线进行改造，无论哪种情况，既有车站线路和站房相交错或综合在一起的现象是避免不了的，往往形成结构形状、构造复杂的车站桥，特别是与既有铁路相结合的高架车站桥，既要保证
30、高速铁路的行车静空，又要便于进、出站旅客的疏散。7. 全面采用无碴轨道是客运专线发展趋势无碴桥面梁的优点是：桥上不用上道碴，不用设挡碴墙，桥面的宽度可以减小，梁重相应减轻。桥上无碴轨道性能均匀、稳定，维修养护作业少，能节省大量维修养护费用。目前，虽然大部分国家的高速铁路仍采用有碴轨道，但随着日本数十年来在高速铁路上广泛应用板式无碴轨道以及经数十种刚性道床的试铺、改进，德国近年也在新建高速铁路上全面推广，无碴轨道已被认为是高速铁路的发展趋势。实践证明，无碴轨道弹性均匀、状态稳定、大大减少线路维修工作量。桥梁采用无碴轨道还能显著减少二期恒载、提高结构自振频率、改善车桥动力响应。但是无碴轨道的缺点也
31、是明显的：行车舒适度和噪声控制不如有碴轨道，桥上线路高程的调整不如有碴轨道方便，不利于铺设渡线，一次性投资过大外，对桥梁的变形控制、基础沉降、纵向力传递提出了新的要求，成为高速铁路桥梁需要研究的问题。在大跨度梁桥和长桥上无碴轨道的技术还有待进一步提高，梁的上拱度控制（比如梁体温度梯度影响，假设较多造成计算误差较大）、梁的横向挠曲控制还有许多的问题有待解决。另外，高速铁路作为重要的现代交通运输线，应强调结构与环境协调，重视生态环境保护。这主要指桥梁造型要与周围环境相一致并注重结构外观和色彩；在居民点附近的桥梁应有降噪措施；避免桥面污水损害生态环境等。客运专线推动了现代铁路技术的发展，采用设计、施
32、工新理念。桥梁设计突出人性化，通过满足适用、舒适、耐久、环保、便于养护维修等方面的要求体现经济性。桥梁施工应精细化、工业化。第三节 高速铁路桥梁的设计要求1桥梁应有足够的竖向、横向、纵向和抗扭刚度，使结构的各种变形很小。高速铁路上的桥梁设计，除须满足一般铁路桥梁的要求外，还需满足一些特殊的要求，这是因为在高速列车运行条件下，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
33、动力特性。2避免结构出现共振和过大振动在进行车桥耦合动力分析时，对于车桥系统的激振源，目前存在两种处理办法，一种是将轨道不平顺作为系统的激励源，另一种是将转向架构架的实测波形或人工蛇行波作为系统的激励源，也有采用轮对蛇行波。车桥系统的空间耦合振动主要是竖向振动和横向振动。前者已有较多研果，并己在一些国家的设计标准或规范中有所反映，而后者则不然。一是由般中小跨度桥梁结构本身的构造己自然满足横向刚度的要求，因而横向振动在相当长一段时期被忽略了；二是横向振动的机理尚不完全清楚，所涉及出因素都很复杂，研究难度较大，这些都限制了车桥横向振动的研究和发展。研究结果表明，桥梁的竖向固有频率（自振频率）是促使
34、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。3结构符合耐久性要求并便于检查预应力混凝土结构，具有刚度大、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造价也较为经济等优点。从耐久性的角度来看，预应
35、力混凝土结构也优于普通钢筋混凝土结构和钢结构。高性能混凝土是近年来一些发达国家基于混凝土结构耐久性设计提出的新概念混凝土。区别于传统混凝土，高性能混凝土把混凝土结构的耐久性作为首要的技术指标。高性能混凝土是在传统混凝土中加入了超塑化剂和其它外加剂以及矿物细掺料(例粉煤灰等)，采用低水胶比，它具有较高的力学性能(如抗压、抗折、抗拉强度)，高耐久性(如抗冻融循环、抗碳化和抗化学侵蚀)，高抗渗性。它根据需要，在硅酸盐水泥中掺入不同的矿物细掺料及高性能外加剂，可以降低水灰比，减小混凝土的收缩、徐变，降低混凝土温升，提高混凝土抗冲刷能力等。据国外研究成果报道，高性能混凝土可使结构使用寿命提高一倍以上甚至
36、更长。将高性能混凝土用于高速铁路梁体和墩台结构，可以达到事半功倍的效果，具有极大的经济和社会效益。为了在我国高速铁路桥梁中推广应用这一新材料和新技术，应立即开展对高性能混凝土材料、配合比设计、施工工艺、质量控制的研究，积极参加高性能混凝土验收及相关标准和施工规范的制定，提高整体竞争实力。4常用跨度桥梁力求标准化并简化规格、品种从施工的角度，桥梁跨度和墩身截面形式应尽可能标准化，并简化规格品种。采用标准设计可以简化设计，有利于提高模板的重复使用，有利于合理组织施工，从而最终降低建造成本。5长桥应尽量避免设置钢轨伸缩调节器根据高速行车和采用无缝线路的实际情况，在计算荷载项目上，暂规增列了长钢轨纵向
37、水平力、长钢轨断轨力。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。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
38、度由钢轨允许附加应力控制。6以人为本，与环境相协调(美观、降噪、减振)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。经常生活在强噪声环境中，将引起健忘、乏力、耳鸣和耳聋，同时，噪声也对人的心理产生危害、干扰通话和语言交流，使人烦躁，造成疲劳和降低工作效率。铁路噪声原本存在，随着高速铁路的诞生，噪声污染问题就更显突出。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
39、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。桥梁结构因其类型和型式的不同而具有不同的噪声特点，合理选择桥梁型式，并分别采取相应的减振降噪措施，可以降低桥梁的结构噪声和轮轨辐射噪声。这些措施大体上可分为二类:一类是从噪声源上进行治理，对桥梁来说就是尽量减小结构的振动，降低噪声发生源的振动和噪声声强，另一类从传播途径上加以控制，即设置声屏障、隔音板等。桥上声屏障的设置，一般应根据环境影响评价的结果，预测保护目标的限值和距离，与环保专业共同商定设置声屏障的高度、型式和范围。第二章 高速铁路桥梁技术标准针对高速铁路桥涵设计的特点，我国的设计计算方法仍然
40、采用容许应力法，所以，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
41、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。除增列了上述三项荷载外，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。第一节 高速铁路桥梁设计荷载一、标准
42、荷载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。活载标准的制定历来为各国所重视。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
43、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（国际
44、铁路联合会）活载，其基本图式是一致的（见图2-1），仅根据各国具体情况有所补充；另一种是日本采用的高速列车专用荷载N、P荷载（见图2-2）。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（见图2-3），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。说明图2-4给出了日本P活载
45、与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图。图21 UIC活载图式(a) N标准活载重注：图内轴距长度单位为m。轴距(m)轴重Q(tf)LVL1L2L316202.82.212.817203.52.212.1(b) P标准活载重图22NP活载图23 UIC活载包络的六种运营列车活载图24 日本高速铁路P活载与UIC包络的300km/h运营列车活载跨中等效弯矩比较2我国高速铁路设计活载图式概况及其特点我国新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定中规定：列车竖向静活载采用中华人民共和国铁路标准活载，即“中活载”。有关设计荷载的采用除本暂规提到的规定外、其余按铁路桥涵
46、设计基本规范（TB10002.1-2005）办理。但是，在制定客运专线高速铁路活载图式时，首先是考虑基础设施按350km/h的要求，同时也要考虑我国跨线列车轴重较大的可能。我国过去没有高速铁路，只能参考借鉴国外高速铁路的经验，特别是同我国高速铁路目标值和运营模式相近的外国高速铁路，对我们就更具有参考价值。分析当前国外高速铁路活载图式的两种体系，日本基本上是单一的轻型高速列车体系。而UIC活载却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本线与跨线列车混运的模式是很接近的。再者，根据专家意见，应考虑必要时高速铁路线可运行货物列车，另外应考虑高速铁路活载图式向国际标准靠拢。通过综合分析，认为采用UIC活载的模式来制定我国高速铁路活载图式是比较合适的。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本线与跨线列车混运的模式是很接近的。我国客运专线和高速铁路桥梁采用ZK活载图式(0.8UIC)以及与欧洲一致的冲击系数。图25 ZK标准活载图式图26 特种活载图式二、冲击系数的取值当列车以一定速度通过桥梁时，桥梁产生振动，使桥梁结构的动挠度、动应力比相同的静荷载作用时的挠度和应力大，这种由于桥梁振动引起的挠度和应力增大的影响，通常就以冲击系数或动力系数(=1+)来衡量。动力系数是结
