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1、1,我国高速铁路预应力混凝土箱梁研 究 与 应 用,中国铁道科学研究院胡所亭二O一O年六月,2,引 言,京沪高速铁路全长1318公里，正线桥梁244座，总长1059.7公里，占全线80.4%。高速铁路常用跨度桥梁范围？高速铁路常用跨度桥梁理论研究(设计参数制定)、结构选型、试验验证、推广应用。高速铁路常用跨度质量控制体系？,3,前言结构选型及关键设计参数研究系统试验研究质量控制体系结语,4,随着京津城际、武广、郑西等350km/h级高速铁路，合宁、合武、石太、甬台温、温福等250km/h级高速铁路相继开通运营，我国高速铁路运营总里程已跃居世界第一，标志着我国铁路已经全面步入高速铁路时代。,一.
2、前言,高速铁路运营里程对比(截止2010年3月),根据国务院、国家发改委最新批准的“中长期铁路网发展规划”。高速铁路建设在“四纵四横”骨架基础上，进一步加大繁忙干线客货分线力度，延伸并扩大高速铁路覆盖面，加强高速铁路之间相互连通和衔接，发挥整体优势。我国高速铁路建设目标在1.6万公里以上。,哈大 高速铁路,京沪 高速铁路,京广 高速铁路,沿海 高速铁路,太青 高速铁路,陇海 高速铁路,沪汉蓉 高速铁路,沪昆 高速铁路,5,6,为保证高速列车运行的安全与舒适，高速铁路线路应具有高平顺性、高稳定性、高精度、小残变及少维修等特点，同时出于节约土地、保护线路周边环境等目的，我国高速铁路建设中大量采用了
3、高架桥梁结构，桥梁约占线路总长的50%左右。其中，京津城际铁路和京沪高速铁路桥梁比例分别高达88%、80%以上。常用跨度预应力混凝土桥梁结构占桥梁总里程的95%以上。,一.前言,我国既有普通铁路桥梁仅占线路总长的4%。,7,我国高速铁路桥梁建设中面临两个十分突出的问题：(1)桥梁工程数量巨大；据目前不完全统计，我国已建和在建高速铁路预应力混凝土简支箱梁的数量已超过20万孔，本轮大规模建设结束时预计将接近30万孔。(2)建设周期相对较短，同时开工的线路多，在建桥梁工程十分集中。,一.前言,8,我国高速铁路建设概况结构选型及关键设计参数研究系统试验研究质量控制体系结语,9,二.结构选型及关键设计参
4、数研究,2.1 高速铁路桥梁主要设计原则,普通铁路双片式T梁概貌(单线),高速铁路箱梁概貌(双向),对于常用跨度桥梁，高速铁路运营活载静态效应(动车组)约为普通客货共线铁路活载效应的3555%。桥梁结构已由既有强度控制设计转变为刚度(变形)控制设计。,10,刚度：桥梁应有足够的竖向、横向、纵向和抗扭刚度，减小结构的各种变形；耐久：桥梁结构应进行耐久性设计，并应便于检查与维护；环保：桥梁应与环境相协调（美观、减振降噪等方面）；质量保证：常用跨度桥梁力求标准化并简化规格、品种，便于施工和质量控制。,二.结构选型及关键设计参数研究,2.1 高速铁路桥梁主要设计原则,11,二.结构选型及关键设计参数研
5、究,2.2 主要设计参数研究-活载图式及动力系数,我国普通铁路桥梁采用中-活载图式和相应的动力系数。日本高速铁路采用接近运营列车实际活载图式和实际动力系数。欧洲统一采用UIC活载图式，它涵盖6种运营列车，包括高速列车和重载列车。,12,二.结构选型及关键设计参数研究,2.2 主要设计参数研究-活载图式及动力系数,根据高速铁路实际运营车辆，通过开展大量静动力分析确定桥梁设计活载效应，并参考国际铁路活载图式研究成果，提出了ZK活载图式和相应的动力系数。,我国客运专线采用的 ZK 活载图式(0.8UIC),13,二.结构选型及关键设计参数研究,2.2 主要设计参数研究-梁部结构竖向基频和刚度限值,列
6、车以一定速度通过桥梁桥时，对桥梁的作用类似于频率固定的激振源；对于简支梁，其激振频率简化为速度(m/s)/车辆定长(m)。,京津城际24m简支箱梁实测值,京津城际32m简支箱梁实测值,14,通过开展仿真分析和实测验证，系统研究了常用跨度桥梁动力响应与运行速度、列车类型(轴重、轴距和车辆定长、编组)和桥梁刚度(基频)的关系。限值标准确定的主要原则为：基于结构受力：动力系数；基于轨道状态：梁体竖向加速度；基于乘坐舒适度：车体竖向加速度。,二.结构选型及关键设计参数研究,2.2 主要设计参数研究-梁部结构竖向基频和刚度限值,15,二.结构选型及关键设计参数研究,2.2 主要设计参数研究-梁部结构竖向
7、基频和刚度限值,京津城际实测值与仿真分析对比图限值选择不当将导致动力系数过大甚至发生共振现象,16,2.2 主要设计参数研究-梁端转角限值,二.结构选型及关键设计参数研究,为保证桥梁接缝部位有砟道床稳定性或梁端无砟轨道扣件系统的受力要求，同时保证高速列车乘坐舒适和行车安全。高速铁路桥梁设计时应控制活载作用下梁端转角在允许限值以内。经研究，在ZK静活载作用下，有砟轨道桥梁梁端竖向折角不应大于2。,梁端转角示意图,17,2.2 主要设计参数研究-梁端转角限值,二.结构选型及关键设计参数研究,对于采用无砟轨道的桥梁，梁端转角将使得梁缝两侧的扣件分别产生上拔和下压。为满足无砟轨道受力要求，根据其影响因
8、素，分别规定了相应的限值。,梁端扣件受力示意图影响因素：悬出长度、梁高、扣件布置,18,2.2 主要设计参数研究-墩台纵向线刚度限值,二.结构选型及关键设计参数研究,高速铁路要求一次性铺设无缝线路，因此桥梁设计时必须考虑梁轨纵向相互作用，设计时应选择适宜的墩台纵向刚度、以尽量减小桥梁的位移与变形，限制桥上钢轨的附加应力，保证桥上无缝线路受力、稳定和行车安全。,19,2.2 主要设计参数研究-桥梁长期变形限值,二.结构选型及关键设计参数研究,预应力混凝土梁部结构徐变变形会导致桥上线路的附加不平顺，影响行车安全和乘坐舒适。对于铺设无砟轨道的预应力混凝土箱梁：L50m的梁体竖向残余徐变变形应控制在1
9、0mm以内，L50m的梁体残余徐变变形应满足L/5000的限值。如对于主跨100m的连续梁，跨中残余徐变变形应控制在20mm以内，实际监测表明，可控制在10mm以内。长期变形控制技术是铁路预应力混凝土箱梁的关键技术之一。,20,综合国外高速铁路和我国既有铁路设计、运营经验，确定常用跨度桥梁梁部结构以采用预应力混凝土结构为主、墩台基础以钢筋混凝土结构为主，梁部截面类型以箱梁为主。根据大量车桥耦合动力仿真分析及试验验证结果，简支和连续两种结构均能满足高速列车运行安全和舒适要求，从结构标准化，规格简洁及施工等因素考虑，40m及以下跨度以简支结构为主、40m以上跨度多采用连续结构。,二.结构选型及关键
10、设计参数研究,2.3 常用跨度桥梁的结构选型,21,通过大量的理论和试验研究，同时考虑施工能力等因素，常用简支梁跨度采用32m，少量配跨采用24m、40m等；常用连续梁主跨跨度主要为48m、56m、64m、70m、80m、100m和128m等。对于简支梁结构，大量采用现场预制、架桥机架设；少量采用造桥机、现场灌筑或预制节段法施工；对于连续梁结构，多采用现场悬臂灌筑，部分采用造桥机施工；等跨连续梁部分采用先简支后连续或造桥机施工。,二.结构选型及关键设计参数研究,2.3 常用跨度桥梁的结构选型,22,从快速施工和质量保证等因素考虑，大量简支梁结构采用沿线梁场预制、运梁车运输和架桥机架设的施工模式
11、。,二.结构选型及关键设计参数研究,2.3 常用跨度桥梁的结构选型,高速铁路箱梁预制、运输和架设,23,二.结构选型及关键设计参数研究,通过针对高速铁路桥梁设计的各项控制参数开展系统的研究，提出了相应的限值，目前均已纳入我国高速铁路设计规范，用于指导设计。与此同时，根据上述原则考虑我国高速铁路建设中的实际国情特点，确定了常用跨度桥梁结构型式，并统一颁布了通用设计参考图，从源头上较好地控制了设计质量，为后续整个质量控制体系打下了基础。,24,我国高速铁路建设概况结构选型及关键设计参数研究系统试验研究质量控制体系结语,25,三.系统试验研究,为适应我国高速铁路建设中预应力混凝土箱梁广泛应用的实际情
12、况，铁科院自上世纪90年代起，针对预应力混凝土简支箱梁开展了系统的试验研究，对简支箱梁的设计参数、制造工艺、使用性能和长期变形等方面进行了全面分析和试验研究。系列试验研究达到验证设计、检验工艺及形成并完善技术标准的目的，各项研究成果已广泛应用于预应力混凝土箱梁设计和施工中,并被纳入相关规范中。,26,高速铁路预应力混凝土简支箱梁主要试验研究项目汇总表,三.系统试验研究,3.1 简支箱梁静动力性能试验研究,郑西客运专线（350km/h）首孔设计时速350km后张箱梁试验,三.系统试验研究,3.1 简支箱梁静动力性能试验研究,合宁客运专线（250km/h）折线配筋的先张预应力混凝土箱梁,29,三.
13、系统试验研究,3.1 简支箱梁静动力性能试验研究,高速铁路预应力混凝土箱梁在纵向采用全预应力结构设计，并结构抗裂安全系数1.2、强度安全系数2.0。通过对开展正常使用试验、开裂试验、重裂试验及破坏性试验四个阶段研究，对全预应力箱梁的剪力滞效应、抗裂性和设计强度等参数进行了系统的研究。,试验梁破坏状态裂缝扩展情况,三.系统试验研究,3.1 简支箱梁静动力性能试验研究,31,三.系统试验研究,3.1 简支箱梁静动力性能试验研究,研究结果表明，高速铁路预应力混凝土箱梁刚度大，纵向按全预应力结构设计时，混凝土抗拉强度(RL)的作用高于普通铁路常用预应力梁，即施工阶段必须避免梁体混凝土早期收缩开裂。高速
14、铁路预应力混凝土箱梁在横向按钢筋混凝土结构设计，研究表明单线加载为活载横向加载的控制工况。,32,通过在施工和运营两个阶段开展箱梁动力性能试验研究，施工期间在考虑梁面不同二期恒载的条件下，确保梁体基频满足规范要求，并通过联调联试期间的实车试验进行验证。,三.系统试验研究,3.1 简支箱梁静动力性能试验研究,33,三.系统试验研究,3.2 简支箱梁工艺试验研究-混凝土水化热控制,研究成果表明，梁体在养护期间(特别是蒸汽养护)，早期温度过高虽然可提高混凝土强度发展速度提高生产效率，但对混凝土的后期性能将产生不利影响。研究提出混凝土芯部最高温度宜控制在60以下。为避免表面收缩裂缝的产生，研究提出拆模
15、时混凝土芯部与表面、表面与环境温差均应控制在15以内。,34,三.系统试验研究,3.2 简支箱梁工艺试验研究-预施应力工艺,研究提出三阶段预施应力工艺：预张拉：用于避免混凝土早期产生裂缝；初张拉：初张拉用于克服梁体自重以进行移梁作业；终张拉：完成预施应力作业（并对已完成预、初张的钢束进行补张）。同时，预施应力工艺试验研究表明，距梁端约为一个梁高的位置，预应力在截面上的分布较好地符合线性规律。,35,三.系统试验研究,3.2 简支箱梁工艺试验研究-箱梁移、运、架工艺,36,三.系统试验研究,3.2 简支箱梁工艺试验研究-箱梁移、运、架工艺,研究表明，支点存在不平整量时，梁端倒角部位(斜对角位置)
16、将出现较大的拉应力,当支点不平整量超过3mm时，将可能导致裂缝产生。同时，支点不平整将引起四支点支反力的不平衡。,37,三.系统试验研究,3.2 简支箱梁工艺试验研究-箱梁移、运、架工艺,研究提出，预制梁在制梁场内运输、起落梁和出场装运、架设均应采用联动液压装置或三点平面支撑方式，运输和存梁时均应保证每支点实际反力与四个支点的反力平均值相差不超过10或四个支点不平整量不大于2mm。,38,三.系统试验研究,3.2 箱梁工艺试验研究-长期变形特征,研究过程中，通过跟踪监测数百片箱梁的长期徐变变形，对预应力混凝土简支箱梁长期变形特征进行了验证。实测箱梁变形综合变异系数在30%左右，与我国铁路规范考
17、虑值接近。,部分梁体观测结果与理论值对比,39,三.系统试验研究,3.2 箱梁工艺试验研究-长期变形特征,针对不同跨度的预应力混凝土连续箱梁长期变形特征的系列研究和实测结果均表明，在现有高速铁路常用跨度连续箱梁刚度和预应力配束条件下，按照现有设计二期恒载上桥时间（60天），其梁体长期残余变形可以控制在10mm以内。,40,三.系统试验研究,通过针对高速铁路常用跨度箱梁使用性能和承载能力等开展系统的试验研究，在验证整个设计体系的同时，进一步提出了箱梁制造、移运、架设等各个工艺过程中的关键控制环节和控制指标，并形成了相应的标准，为在高速铁路桥梁建设过程中质量控制打下了基础。,41,我国高速铁路建设
18、概况结构选型及关键设计参数研究系统试验研究质量控制体系结语,42,高速铁路预应力混凝土箱梁的质量控制体系由标准体系、质量检验体系及产品认证体系组成。其中标准体系除包含预应力混凝土箱梁的设计规范、施工规范、设计文件、技术条件、验收规定外，还包括箱梁制造过程中各种原材料、配件的标准及技术条件。质量检验除采用一般土建工程的监理、质检制度外，对箱梁预制还采取了生产许可证、配套产品认证制度。同时，在质量控制中特别强调了过程控制的理念。,四.质量控制体系,43,梁场建设,试生产,局级鉴定(单位自检),铁道部鉴定(资格认证)1.管理及技术文件；2.施工工艺、设备；3.人员配备4.现场梁体静载检验,颁发许可证
19、,正式批量生产,生产过程中工艺检验及静载抽检,四.质量控制体系,44,梁场过程控制(抗裂性检验),梁场正常生产后，每个检验批的预制箱梁均应进行静载检验，否则不允许上道。,四.质量控制体系,45,铁道部质检机构还会根据建设的需要，定期与不定期进行各种原材料、产品的质量抽检，公布检查结果，杜绝了劣质产品流入铁路市场，也对保证高速铁路桥梁的工程质量起到了关键作用。实践证明，我国铁路针对预应力箱梁的质量控制体系适应了高速铁路建设需求，较好地控制了质量。,四.质量控制体系,46,我国高速铁路建设概况结构选型及关键设计参数研究系统试验研究质量控制体系结语,47,高速铁路与普通铁路是两个时代的产物，高速铁路桥梁设计、施工采用新理念，其建设促进了我国铁路桥梁工程技术的发展。经过多年艰苦努力，我国在高速铁路常用跨度桥梁方面已经逐步建立了较为完善的技术体系，后续工作中重点针对以下问题开展研究：进一步研究高速铁路预应力混凝土箱梁优化的可能性；高速铁路桥梁的日常检查与养护维修技术。,结 语,48,谢谢!,单位：中国铁道科学研究院 铁建所 桥梁室地址：北京 海淀 大柳树路2号电话：010-51874098网址：,
