高速客专桥梁的检测与维修.ppt

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1、高速铁路桥梁标准、设计、施工及维护,1,讲座内容,一.前言二.客运专线桥梁特点三.主要设计原则及相关限值四.我国高速铁路桥梁结构型式五.预应力混凝土梁施工质量控制要点六.桥梁动力性能试验七.高速列车作用下桥振动分析八.高速铁路桥梁的维修养护,2,一、前 言,3,2.客运专线桥梁的主要功能是为高速列车提供稳定、平顺的桥上线路。桥上线路与路基上、隧道中的线路不同，由于桥梁结构在列车活载通过时产生变形和振动，并在风力、温度变化、日照、制动、混凝土徐变等因素作用下产生各种变形，桥上线路平顺性也随之发生变化。因此，每座桥梁都是对线路平顺的干扰点。尤其是大跨度桥梁。为了保证高速列车的行车安全和乘坐舒适，高

2、速铁路桥梁除了具备一般桥梁的功能外，首先要为列车高速通过提供高平顺、稳定的桥上线路。,4,3.客运专线桥梁可分为高架桥、谷架桥和跨越河流的一般桥梁。混凝土和预应力混凝土结构具有刚度大、噪音小、温度变化引起结构变形对线路影响少、养护工作量小、造价低等优势，在客运专线桥梁设计中广泛采用。,5,京津城际铁路高架桥概貌,4.全面采用无砟轨道是高速铁路发展趋势，桥上无砟轨道对桥梁的变形控制提出更为严格的要求。无砟轨道的优点 弹性均匀、轨道稳定、乘坐舒适度进一步改善 养护维修工作量减少 线路平、纵断面参数限制放宽，曲线半径减小，坡度增大 无砟轨道基本类型 轨道板工厂预制、现场铺设日本板式轨道、德国博格型无

3、砟轨道 现场就地灌筑 德国雷达型无砟轨道（长枕埋入式、双块式）,6,二、高速铁路桥梁特点,7,客运专线铁路桥梁的主要特点：结构动力效应大桥上无缝线路与桥梁共同作用满足乘坐舒适度100年使用寿命维修养护时间少,8,1.结构动力效应大,桥梁在列车通过时的受力要比列车静置时大，其比值（1+）称为动力系数（冲击系数）。产生动力效应的主要因素：移动荷载列的速度效应 轨道不平顺造成车辆晃动,速度参数 v 车速（m/s）i 轨道不平顺的影响（常数项）n 结构自振动频率（Hz）k 系数 L 跨度（m）,9,客运专线速度效应大于普通铁路，桥梁的动力效应相应较大，对常用刚度的混凝土梁、车速为130、160、300

4、km/h时，-L的关系如下图：,10,11,修建客运专线要求一次铺设跨区间无缝线路，以保证轨道的平顺和稳定。桥上无缝线路可看作为不能移动的线上结构，而桥梁在列车荷载、列车制动作用下和温度变化时要产生位移。当梁、轨体系产生相对位移时，桥上钢轨会产生附加应力。客运专线桥梁必须考虑梁轨共同作用。尽量减小桥梁的位移与变形，以限制桥上钢轨的附加应力，保证桥上无缝线路的稳定和行车安全。,2.桥上无缝线路与桥梁共同作用,12,与普通铁路不同，客运专线要求高速运行列车过桥时有很好的乘坐舒适度，舒适度的评价指标为车厢内的垂直振动加速度。影响乘坐舒适度的主要因素有列车车辆的动力性能、车速、桥跨结构的自振频率和桥上

5、轨道的平顺性。桥梁应具有较大的刚度、合适的自振频率，保证列车在设计速度范围内不产生较大振动。,3.满足乘坐舒适度,乘坐舒适度评定标准,13,对客运专线桥梁首次提出在预定作用和预定的维修和使用条件下，主要承力结构要有100年使用年限的耐久性要求。设计者应据此进行耐久性设计。客运专线采用全封闭行车模式行车密度大桥梁比例大、数量多,4.100年使用寿命,5.维修养护时间少,三、主要设计原则及相关限值,14,15,设计活载图式结构刚度与变形控制限值车桥动力响应梁轨纵向力传递耐久性措施桥面布置支座与墩台无砟轨道桥梁设计,设 计 原 则,16,我国客运专线采用ZK活载图式（0.8UIC），我国新建时速20

6、0公里客货共线铁路仍采用中-活载及相应的动力系数。,1.设计活载图式,我国客运专线采用的 ZK 活载图式(0.8UIC),17,2.刚度和变形控制限值,我国普通铁路桥梁的规定,18,2.刚度和变形控制限值,19,2.刚度和变形控制限值,20,3.车线桥耦合振动响应分析,客运专线桥梁结构除进行静力分析满足有关规定外，尚应按实际运营客车通过桥梁的情况进行车桥耦合动力响应分析。分析得出的各项参数指标应满足有关规定要求。车桥耦合动力响应分析是利用有限元方法建立车辆及线-桥结构动力模型、运动方程。在满足轮轨间几何相容和作用力平衡的条件下，求解行车过程中车、线、桥相应的动力参数指标，并判断其是否符合行车安

7、全和乘坐舒适。,21,车线桥耦合振动响应分析各项动力参数限值,3.车线桥耦合振动响应分析,22,4.梁轨纵向力传递,桥上无缝线路钢轨受力与路基上不同，由于桥梁自身的变形和位移会使桥上钢轨承受额外的附加应力。为了保证桥上行车安全，设计应考虑梁轨共同作用引起的钢轨附加力，并采取措施将其限制在安全范围内。钢轨附加应力的分类：制动力 列车制动使桥墩纵向位移产生的钢轨附加力伸缩力 梁体随气温变化纵向伸缩产生的钢轨附加力挠曲力 梁体受荷挠曲变形产生的钢轨附加力,23,4.梁轨纵向力传递,为了保证桥上无缝线路（有砟）稳定和安全，要求：桥上无缝线路钢轨附加压应力不大于 61MPa 桥上无缝线路钢轨附加拉应力不

8、大于 81MPa 制动时，梁轨相对快速位移不大于 4mm当温度跨大于120m时，由于伸缩力过大，应设置钢轨伸缩调节器，释放钢轨附加应力。对于满足桥墩纵向最小刚度有困难的高墩谷架桥，应采用结构措施，限制钢轨附加力。,24,改善耐久性的原则 采用上承式结构和整体桥面高质量的桥面防排水体系和梁端接缝防水，不让桥面污水流经梁体结构构造简洁，常用跨度桥梁标准化、规格品种少结构便于检查，可方便地到任何部位察看足够的保护层厚度，普通钢筋最小保护层厚度3cm，预应力管道最小保护层管道直径截面尺寸拟定首先应保证混凝土的灌筑质量，应力不宜用足采用高品质混凝土,5.耐久性措施,25,5.耐久性措施-德国高速铁路桥梁

9、构造措施实例,44m预应力混凝土简支梁截面,人行道示意,26,5.耐久性措施-德国高速铁路桥梁构造措施实例,桥面泄水孔构造,支座示意,27,5.耐久性措施-德国高速铁路桥梁构造措施实例,箱梁检查通道,28,5.耐久性措施-德国高速铁路桥梁构造措施实例,梁体和墩柱辅助检查设施,29,5.耐久性措施,我国客运专线桥梁设计暂规以及设计图纸中比较充分地考虑了耐久性措施：采用整体、密闭的桥面 提高了保护层厚度 预留检查通道 简化常用跨度标准梁的品种 采用高性能混凝土 优化构造细节,30,6.桥面布置,桥面布置优劣直接影响结构耐久性和桥梁使用方便。特点除线路结构外，桥面主要设施有：防、排水系统（防水层、保

10、护层、泄水管、伸缩缝）电缆槽及盖板（检查通道）遮板、栏杆或声屏障挡砟墙或防护墙接触网支柱长桥桥面每隔23km设置应急出口,31,6.桥面布置,用挡砟墙（防撞墙）替代护轨，便于线路维修养护。有砟轨道桥梁，挡砟墙内侧至线路中心线距离2.2m，便于大型养路机械养修线路。直曲线梁的桥面等宽，接触网支柱设在桥面，线路中心至立柱内侧净距不小于3.0m。桥面总宽按检查通道是否行走桥梁检查车而定。时速350km客运专线桥梁（无砟）顶宽分别为13.4m和12.0m。采用优质防水层和伸缩缝，确保桥面污水不直接在梁体上流淌。,32,6.桥面布置-检查通过行走桥梁检查车,有砟桥面,无砟桥面,33,6.桥面布置-伸缩缝

11、构造,伸缩缝构造,34,7.支座与墩台,支座客运专线桥梁对支座的要求应明确区分固定和活动支座，保证桥上无缝线路的安全支座应纵、横向均能转动，并能使结构在支点处可横向自由伸缩支座应便于更换盆式橡胶支座能符合上述要求，被广泛应用于各国高速铁路桥梁每孔简支箱梁的四个支座采用四种型号有砟桥梁的坡道梁支座应垂直设置（无砟桥梁另作考虑）采用架桥机架设箱形梁，要保证四支点在同一平面上 采用架桥机架设箱形梁，要保证四支点在同一平面上,35,7.支座与墩台,墩台墩台基础的纵向刚度应满足纵向力安全传递的要求，横向刚度应保证上部结构水平折角在规定的限值以内。为保证桥墩具有足够的刚度，结构合理、经济，墩高20m以下宜

12、采用实体墩，大于20m宜采用空心墩，禁止使用轻型墩；为便于养护维修、同时注重外观简洁，取消了墩帽、并在墩顶设有0.51m深的凹槽；同时墩顶预留千斤顶顶梁位置。预制架设简支梁，墩顶支座纵向间距由普通铁路桥梁70cm放大至120cm；桥位制梁时，应考虑相邻孔梁端张拉空间，墩顶支座宜采用170cm；梁底进人孔设置在墩顶位置。,36,7.支座与墩台,简支箱梁支座布置图,37,7.支座与墩台,矩形实体墩效果图,矩形实体墩设计图,38,7.支座与墩台,圆端形空心墩效果图,圆端形空心墩设计图,39,8.无砟轨道桥梁设计,桥上无砟轨道建成后可调整余量很小，扣件垫板在高程上调整量约为2cm，为了保证客运专线线路

13、的平顺和稳定，必须限值桥梁的各种变形。,40,8.无砟轨道桥梁设计,德国桥上雷达2000无砟轨道,41,8.无砟轨道桥梁设计,影响桥上无砟轨道平顺性的主要因素：墩台基础工后沉降预应力混凝土梁在运营期间的残余徐变上拱梁端竖向转角桥面高程施工误差梁端接缝两侧钢轨支点的相对位移日照引起的梁体挠曲和旁弯相邻不等高桥墩台顶的横向位移差差,42,8.无砟轨道桥梁设计,墩台基础工后沉降应满足以下要求（必要时可采用调高支座）：均匀沉降20mm相邻墩台不均匀沉降5mm梁端竖向转角会引起钢轨的局部隆起，造成梁端接缝两侧钢轨支点承受附加拉力和压力。应限制转角使附加拉力小于扣件的扣压力、附加压力不超过垫板允许的疲劳压

14、应力；轨道板上抬的稳定安全系数小于1.3。当梁端悬出长度过大时，宜采用平衡板构造措施。,43,8.无砟轨道桥梁设计,平衡板示意及国外施工照片,梁端竖向转角的影响,44,8.无砟轨道桥梁设计,无砟轨道铺设后，预应力混凝土梁残余徐变上拱应不大于1cm，大跨度桥梁应不大于2cm。控制徐变上拱的措施有：增大梁高优化预应力筋布置采用部分预应力结构延长预施应力至铺设无砟轨道的时间间隔，一般不少于60天桥面高程施工误差应控制在+0/-30mm。以保证有足够的无砟轨道建筑高度。施工应根据梁高偏差、架梁时支座与垫石间灌浆层厚度确定支承垫石顶面的高程。,45,8.无砟轨道桥梁设计,梁端接缝两侧钢轨支点在活载及横向

15、力作用下的竖向和横向相对位移不大于1mm。应考虑支座弹性压缩变形、梁端转角、坡道梁伸缩、支座横向间隙等影响。,日照引起梁体挠曲或桥墩横向位移应与其它因素组合满足竖向与水平折角的要求，必要时需进行动力检算。,四、我国高速铁路桥梁结构型式,46,47,1.我国客运专线桥梁特点,高速铁路采用全封闭的行车模式，线路平纵面参数限制严格以及要求轨道高平顺性，导致桥梁在线路中所占比例明显增大。尤其是在人口稠密地区和地质不良地段，为了跨越既有交通网，节省农田，避免高路基的不均匀沉降等，亚洲各国家和地区高速铁路建设中大量采用高架线路。,48,各国高速铁路桥梁占线路比例统计表,49,我国客运专线桥梁占线路比例统计

16、表,50,1.我国客运专线桥梁特点,我国客运专线桥梁具有以下特点：桥梁比例大，高架*、长桥、大跨度桥梁多；设计时速300km、350km的客运专线及城际铁路全部采用无砟轨道；桥梁必须预制架设，以实现一次铺设无缝线路；传统的铺轨、架梁施工方法与施工组织不再适用；国情要求建设速度快。*我国既有普通铁路线路总长约74000km，桥梁总延长约为2500km，占线路总长的3.4%。,51,2.客运专线桥梁结构型式与施工方法的选择,常用跨度桥梁选择的考虑因素：刚度大、变形小，能够满足各种使用要求；标准化，品种、规格简洁；便于快速施工和质量保证；力求经济与美观的统一。,52,2.客运专线桥梁结构型式与施工方

17、法的选择,预应力混凝土简支箱梁桥：常用跨度桥梁以等跨布置的32m双线整孔预应力混凝土简支箱梁*为主型结构，少量配跨采用24m简支箱梁。施工方法主要采用沿线设置预制梁厂进行箱梁预制，运梁车、架桥机运输架设。部分采用移动模架、膺架法桥位灌筑。*我国新建高速铁路桥梁中90%以上为32m预应力混凝土简支箱梁结构。,53,2.客运专线桥梁结构型式与施工方法的选择,预应力混凝土连续箱梁桥跨越公路、站场、河流等跨度较大的桥梁主要采用预应力混凝土连续箱梁，根据结构跨度布置、类型和工期要求，多采用悬臂、膺架法施工。,预应力混凝土连续箱梁类型,54,2.客运专线桥梁结构型式与施工方法的选择,其它大跨度及特殊桥梁结

18、构：预应力混凝土连续刚构、各种拱结构、斜拉桥及梁-拱组合结构等。为保证列车的安全和乘坐舒适，对大跨度桥梁的竖向刚度提出了严格的限制。,京沪高速铁路南京大胜关长江大桥,武广客运专线武汉天兴洲长江大桥,55,3.客运专线桥梁实例-京津城际铁路,桥梁数量多、比例大，全线桥梁共计100.3km，约占正线全长的87%。其中特大桥5座，长99.56km。大量采用双线整孔箱梁结构，以32m简支箱梁为主，跨越主要河流、道路采用连续梁，最大跨度为跨北京四环（60+128+60m）加劲拱连续梁、五环桥跨（80+128+80m）连续梁。基础采用桩基，桩径1m，桩长50m左右，大跨桥桩径1.5m，桩长70m。建设周期

19、短，22个月完成101km桥梁工程。,五、预应力箱梁质量控制措施,56,六、高速铁路桥梁动力性能试验,57,1、高速桥梁动力试验的特点（1）桥上列车运行的安全性和平稳性与车辆、轨道、桥梁的状态和三方面的参数及相应的诸多因素相关。随着列车速度的提高，桥梁和轨道状态及其动力性能对列车运行性能的影响更加突出。从系统动力学角度出发，对车辆、轨道和桥梁三部分进行测试。（2）对桥梁的结构特点和变形性能、桥上轨道进行调研和系统的分析，有针对性的选择测试参数、测试范围和布置测点。（3）试验数据的分析和评判既要从桥梁、轨道和列车的动力响应和评价标准出发，对各子系统的动力性能进行分析评价，还要从系统观点研究，系统

20、分析桥梁、轨道和列车动力响应，最终从列车运行的安全性和平稳性、桥梁和轨道的正常运营等进行综合评价。,2、试验工点的选取原则（1）新设计或修改设计的标准梁；（2）新型桥梁结构或采用新型轨道结构的桥梁；（3）大跨度特殊结构桥梁；（4）连续等跨布置的长大桥梁引起竖向周期性不平顺效应。基于以上原则，按照如下步骤确定检测桥梁工点：（1）根据设计资料，分析典型桥梁的分布状况；（2）现场踏勘；（3）根据设计单位、建设单位、运营管理单位意见。,试验桥梁:对合宁线、京津城际铁路、合武线、武广线综合试验段、石太线的35座桥梁（合宁5座、京津8座、合武8座、武广8座、石太6座）。进行动力性能检测，共66孔梁，共21

21、种梁型，分别为：1、16mT梁 2、32m单线T梁 3、24m、32m、40m双线箱梁 4、32m单线箱梁 5、24m、32m组合箱梁 6、（40+56+40）m结合梁 7、64m下承式钢桁结合梁 8、(32+48+48+32)m连续梁、6-32m连续梁、(32+48+32)m连续梁、（80+128+80）m连续梁、（45+70+70+45）m连续梁、(40+56+40)m连续梁(17.2+420+17.2)m刚构连续梁、(19.7+820+14.7)m刚构连续梁、（18+3-24+18）m刚构连续梁 9、(42.5+60+42.5)m斜腿连续刚构 10、（60+128+60）m系杆拱连续梁,

22、表2试验桥梁汇总,试验桥梁汇总,续上表2试验桥梁汇总,续上表试验桥梁汇总,续上表 试验桥梁汇总,续上表 试验桥梁汇总,3、测试项目（1）梁体控制截面的动应变及动力系数 测试列车以5km/h和其他速度通过桥梁时梁体控制截面的动应变，一方面分析动应力的大小，另一方面以5km/h的实测结果为准静态值分析应变动力系数，以评定桥梁的动力效应是否满足要求。（2）梁体控制截面动挠度及动力系数 测试列车以5km/h速度通过桥梁时的梁体控制截面准静态竖向挠度，换算至中活载和ZK活载，得到竖向挠跨比，以评定桥跨竖向刚度。通过测试列车以其他速度通过桥梁时测试得到的动挠度，分析挠度动力系数。,（3）梁体竖向振动（含振

23、幅、强振频率、自振频率、阻尼比）测试列车通过桥梁时梁体竖向振动（含强振频率、振幅），分析竖向激励特征和梁体是否产生竖向共振现象；通过用环境微振动法或余振法测试梁体竖向固有特性（含自振频率、阻尼比），以评定梁体动力性能。（4）梁体横向振动（含振幅、强振频率、自振频率、阻尼比）测试列车通过桥梁时梁体横向振动（含强振频率、振幅），以分析横向激励特征和评定梁体横向刚度；通过用环境微振动法或余振法测试梁体横向固有特性（含自振频率、阻尼比），以评定梁体横向动力性能。,（5）桥面竖向振动加速度 测试列车通过桥梁时桥面竖向振动加速度，以评定桥梁的振动强度是否满足桥上轨道状态稳定要求；（6）桥墩横向振动（含振幅

24、、强振频率、自振频率）测试列车通过桥梁时墩顶横向振动（含强振频率、振幅），以分析横向激励特征和评定桥墩横向刚度；通过用环境微振动法或余振法测试桥墩横向自振频率，以评定桥墩动力性能。（7）支座的横向和竖向位移 测试列车通过桥梁时支座的横向和竖向位移，以评定支座的竖向和横向位移是否满足要求。（8）列车速度和位置 测试列车速度和位置，以分析在某些测试参数超标时列车在桥上的排列，找出产生异常激励的车辆。,（1）自振频率 客运专线桥梁采用整孔箱梁和整体桥面T梁，桥墩不用柔性结构，桥梁的横向自振频率大大提高，基本不存在横向振动问题。因此一般重点关注高速移动列车作用下的竖向振动问题。研究表明，当桥梁竖向自振

25、频率小于某一定值时，动力系数急剧增大。当速度参数0.33时，桥梁可能产生共振，将引起较大冲击。日本1992版的铁路桥梁设计规范铁道构造物设计标准混凝土结构对于频率和冲击系数的规定是根据速度效应参数 0.33制定的。,69,4、测试结果及评价,简支梁竖向自振频率与跨度关系图,从实测结果可以推算出梁体实际竖向自振频率为：200250客专：160/L300350客专：200/L 这样一来，速度参数为：200250客专：0.217300350客专：0.243 均明显小于日本建议的=0.33。所以客运专线的标准梁频率较高，不会发生明显共振，冲击较小。,图2 梁体横向阻尼比与跨度关系图,（2）竖向振动加速

26、度和竖向振动幅值 客运专线相关规范均规定：道砟桥面强振频率不大于20Hz的竖向振动加速度a 3.5m/s2；无砟桥面强振频率不大于20Hz的竖向振动加速度a5.0m/s2。主要是为了保证轨道的稳定性、防止道砟粉化。从实测结果看，由于梁体刚度大，频率高，高速列车通过时梁体的竖向加速均较小，250km/h线路的桥梁在0.05g以下；350km/h线路的桥梁在0.15g以下。,梁体跨中竖向加速度与跨度关系图（250km/h动车组）,梁体跨中竖向加速度与跨度关系图（350km/h动车组）,实测梁体跨中最大竖向振幅，从整体趋势来看，120km/h货车重车作用下梁体跨中竖向振幅最大，120km/h货车空车

27、居中，动车组最小；在试验车速范围内，均未发生竖向共振现象。,跨中竖向振幅,梁体跨中竖向振幅与跨度关系图（120km/h货车）,梁体跨中竖向振幅与跨度关系图（160km/h客车）,梁体跨中竖向振幅与跨度关系图（250km/h动车组）,梁体跨中竖向振幅与跨度关系图（350km/h动车组）,（3）动力系数 动力系数评价可分为运营动力系数和设计动力系数。运营动力系数评价 实际运营列车的动力系数与列车速度、梁体的跨度和竖向自振频率以及实际的轨道状态有关，国内外的大量理论和试验研究表明，在不出现共振条件下，运营列车的动力系数可引用欧洲标准1：承重结构的设计原理及对桥梁的作用第3部分：桥上的移动荷载（DIN

28、 V ENV 1991-3：1996-08；德文版 ENV 1991-3：1995），用下式表示：,设计动力系数 设计动力系数是在制定设计荷载图式时考虑各种运营的机车车辆的轴重和速度，根据实际列车的动力作用大小，按设计动力作用与实际动力作用等效的原则确定的动力系数。因此动力系数可以根据下式的原则予以评价，实测的运营动力系数乘以列车轴重得出的实际动力作用不超过设计考虑的动力作用。,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。随着预应力混凝土结构的应用，在满足强度要求

29、的前提下梁体可具有较低的刚度，速度参数超过0.33的情况也逐渐增加。为适应近年来的新干线高速化的发展现状，日本于2004年编制了新版铁道构造物设计标准混凝土结构，并于2006年制定了铁道构造物设计标准变形限制。新标准较1992版标准有很大的变化，主要是不再规定桥梁频率的下限，提供了设计冲击系数根据速度参数、桥梁跨度与车辆长度之比的查询曲线。,按我国200250暂规和300350暂规竖向自振频率限值和实测频率依据日本规范计算冲击系数对比表,梁体挠度动力作用与跨度关系图（换算至ZK活载）,（4）竖向挠跨比 120km/h货车、250km/h或350km/h动车组准静态通过桥梁时推算双线加载时跨中最

30、大挠度（扣除盆式橡胶支座竖向位移），换算至中活载和ZK活载的跨中竖向挠跨比。换算至中活载的跨中竖向挠跨比，均满足200客货共线暂规限值和设计值要求；换算至ZK活载的跨中竖向挠跨比，均满足200250暂规的限值要求，且均有较大裕量。实测京津城际、武广线综合试验段桥梁换算至ZK活载的跨中竖向挠跨比，均满足300350暂规的限值和设计值要求，且均有很大裕量。,梁体挠跨比与跨度关系图（换算至ZK活载）,（5）梁体横向振动参数评价标准 横向振幅 桥检规规定不同类型梁体及列车在不同速度级别的横向振幅的通常值，如 预应力混凝土梁，跨中横向振幅L/14.7B（mm）（客车，160v200km/h）、L/7.0

31、B（货列重车，v80km/h）。横向加速度 桥检规规定梁体横向振动加速度不大于1.4m/s2。横向自振频率 既有线提速200km/h技术条件（试行）规定L64m简支的混凝土梁、下承式钢桁梁、钢板梁的横向自振频率不应小于60/L0.8（Hz）。,桥墩横向参数,墩顶横向振幅和桥墩横向自振频率通常值,注：H为墩全高（自基底或桩承台底至墩顶）（m）；H1为墩高（自基顶或桩承台顶至墩顶）（m）；B为墩身横向平均宽度（m）。,实测梁体跨中最大横向振幅均远小于桥检规通常值，在试验车速范围内，均未发生横向共振现象。从整体趋势来看，120km/h货车重车作用下梁体跨中横向振幅最大，120km/h货车空车居中，动

32、车组最小。实测分析结果表明，采用整孔箱梁和整体桥面T梁后，梁体刚度大大提高，实测横向振幅比既有线的标准还要低得多。如果以实测的横向振幅与轨道方向不平顺标准（35mm）相比，梁体的横向振动对轨道和行车基本没有影响。,跨中横向振幅：,梁体跨中横向振幅与跨度关系图（350km/h动车组）,200250km/h客专墩（台）顶横向振幅汇总(mm),300350km/h客专墩（台）顶横向振幅汇总(mm),墩顶横向振幅均远小于桥检规通常值。桥墩横向自振频率与120km/h货车、CRH2或CRH3动车组车辆蛇行运动的频率相差较远，不会产生横向共振现象，实测桥墩横向振幅很小。,（6）位移参数评价 日本铁路结构物

33、设计标准及解说（钢桥、结合梁桥）端横梁的拼接纵梁位置处的挠度限度值2mm（新干线）、3mm（既有铁路130km/hv160km/h）。日本铁路结构物设计标准及其解释变位限制标准(2006年）规定，保证列车运行安全性的错位标准为：2.0mm(260km/h)；1.5mm(300km/h)；1.0mm（360km/h)200客货共线暂规规定纵向活动支座的横向位移不大于1 mm。300350暂规和客运专线无砟轨道铁路设计指南规定无砟轨道梁缝两侧的钢轨支点横向和竖向相对位移不应大于1mm。,梁缝两侧钢轨支点的横竖向相对位移汇总表,梁缝两侧的钢轨支点横竖向相对位移均满足1mm要求。支座横向位移也满足1m

34、m限值要求。从目前实测结果看，大跨度钢桥、拱桥桥面端横梁的竖向位移满足日本规范要求。,七、高速列车作用下桥梁振动分析,96,1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率 由移动荷载引起的车桥系统竖向共振的因素有移动荷载列效应、车轮扁疤、钢轨凹陷、轨道不平顺。这里分析移动荷载列效应，即车辆重力荷载通过规则排列的轮轴对桥梁的周期性加载。当列车以速度V通过桥梁时，作为一系列重力组成的移动荷载列，每一个力都会引起结构的瞬态响应，连续形成一种周期性的激励，结构反应的幅值会随通过轴数N的增加而被放大，使结构出现共振。松浦章夫Mastsuura（1976）年指出，铁路桥梁发生共振是由于桥梁自振频率与列车对桥梁的加载频

35、率的特有关系引起的。对于车桥系统来说，其荷载是运动的列车，当列车的速度改变时，加载频率就会发生变化。列车速度达到某一特定的值，加载频率就会接近桥跨结构自振频率，从而引起共振。,铁路车辆存在4个特征距离（轴距、转向架中心距、相邻两车的相邻转向架中心距、车长）对应4种竖向加载频率（移动荷载频率）。,1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率,松浦章夫（1976）在研究铁路桥梁竖向共振机理时指出，移动荷载列对桥梁的竖向加载频率fl主要取决于车速v（m/s）和车长Lv(m)，而轴距、定距、两车相邻转向架的中心距由于重复作用不连续，相对处于次要地位。即：,1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率,CRH2和CRH3动

36、车组对桥梁的竖向加载频率,1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率,动车组作用下32m梁竖向强振频率与行车速度关系图,120km/h货车作用下梁体竖向强振频率与行车速度关系图,动车组作用下竖向强振频率与行车速度关系图，从图上可以看出，竖向强振频率与速度呈线性关系，梁体强振频率与速度的拟合直线的斜率接近车长的倒数/3.6=0.011，可见引起桥梁竖向振动的主要激振源是移动荷载效应，证明了移动荷载列对桥梁的竖向加载频率主要取决于车速和车长。,1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率,对于跨度16m梁、24m梁、32m梁、40m梁、64m梁、(32+48+48+32)m连续梁、6-32m连续梁、(32+48+3

37、2)m连续梁、(40+56+40)m连续梁、6-32m连续梁、(42.5+60+42.5)m斜腿连续刚构）、(17.2+420+17.2)m刚构连续梁、(19.7+820+14.7)m刚构连续梁、（18+324+18）m刚构连续梁的梁体竖向自振频率与120km/h货车、动车组竖向加载频率相差较远，不会产生竖向共振现象。对于较大跨度桥梁（80+128+80）m连续梁、（45+70+70+45）m连续梁竖向自振频率在动车组竖向加载频率的范围内，但由于动车组质量较小、编组较短，激励能量有限，因此实测桥梁竖向振幅仍然很小，未发生明显共振现象。对于（60+128+60）m预应力混凝土系杆拱连续梁在动车组

38、速度160170km/h时对桥梁的竖向加载频率与梁体的竖向自振频率2.03Hz接近，实测中跨128m梁体跨中竖向振幅和应变动力系数也有较明显增大，但由于动车组质量较小、编组较短，激励能量有限，因此实测桥梁竖向振幅和应变动力系数仍然很小，实测中跨128m梁最大竖向振幅在动车组速度160170km/h时竖向振幅仅为0.156mm，相比其跨度来说非常小。,前面说过列车对桥梁的竖向激励主要取决于速度和车长，车辆的其他特征距离由于重复性间断，不占主要地位，但是不是说没有作用呢？下面以祝家冲特大桥24m组合箱梁为例，说明相邻两节车辆相邻转向架距离起的作用，这种现象在2004年京秦线提速试验中16m梁中也出

39、现过。下面从竖向振幅、挠度动力系数、应变动力系数三个指标来综合分析这种现象。从三个图中可以看出，这三个指标均与行车速度的关系不明显，但CRH2动车组车速达到230km/h左右时，三个指标均出现明显峰值，而当车速增大到250km/h左右时，三个指标又减小。发生这种现象的主要原因是，当CRH2动车组的车速为230240km/h时，由相邻两节车辆相邻转向架距离（7.5m）引起的竖向加载频率为8.528.89Hz，接近该梁的竖向自振频率8.59Hz，导致梁体动力响应明显增大。,24m组合箱梁跨中竖向振幅与行车速度关系图,24m组合箱梁挠度动力系数实测与行车速度关系图,24m组合箱梁应变动力系数实测与行

40、车速度关系图,共振的工程概念：激励频率与结构固有频率之比0.751.25之间。共振并不是十分可怕，其危害程度需要看以下三方面：（1）共振激励的持续时间（2）激励的大小,双线简支梁换算ZK活载系数（静力，双线加载）,1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率,（3）阻尼的作用 桥梁结构的阻尼由两部分组成：一部分为内阻尼，与结构材料的性质有关，可假定为粘滞阻尼；另一部分为外阻尼，是由于结构、构件、支点及支座的外摩擦引起的，属非线性阻尼。在计算和试验测试中，通常都不加以区分，按照粘滞阻尼假定，综合叠加在一起。,1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率,桥梁结构的阻尼比一般在0.3%6%之间。按照材料分类，上部结构

41、阻尼比 按照结构类型分类，上部结构阻尼比由小到大的顺序为：悬索桥、斜拉桥，拱桥，简支梁、桁架桥。跨度越大，上部结构阻尼比越小；固有频率越大，上部结构阻尼比越大。,1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率,2、车辆蛇行运动与梁体横向自振频率 列车通过桥梁产生横向振动的激励主要有三个：车辆蛇行运动、轨道横向不平顺、列车上桥前的横向振动。下面主要阐述车辆蛇行运动，后两个原因这里不作分析。蛇行运动产生的机理是，车辆沿直线轨道运行时，由于车轮踏面的锥度，且轮缘与钢轨侧面之间有间隙，车辆在水平面面内既有横摆运动，又有摇头运动。正常的蛇行运动是允许的,它对运行安全并不构成危害,但当车辆运行速度达到或超过一定的临界

42、值时，蛇行运动将进入失稳状态，左右横摆的振幅越来越大,并且不可逆转恢复，即所谓的蛇行失稳，从而激发起较大幅度的车桥横向耦合振动。,自由轮对假设时的蛇行运动频率：,刚性定位转向架假设时的蛇行运动频率：,其中：为车轮踏面锥度；b为左右车轮滚动圆之间的距离（近似为轨距）的一半；r0为车轮半径(m)，S0为轴距(m)，v为车辆运行速度(m/s)。,2、车辆蛇行运动与梁体横向自振频率频率,可见刚性定位转向架假设时比自由轮对假设时的蛇行频率低。大量试验表明实际的蛇行频率介于两者之间。CRH2型动车组转向架：S0=2.5m，2r0=0.86m，2b=1.499m，=1/20。CRH3型动车组转向架：S0=2

43、.5m，2r0=0.92m，2b=1.499m，=1/20。120km/h货车(C70和C80)K5转向架：S0=1.80m，2r0=0.84m，2b=1.499m，=1/20。,2、车辆蛇行运动与梁体横向自振频率频率,CRH2和CRH3动车组不同速度时的蛇行运动频率,2、车辆蛇行运动与梁体横向自振频率频率,120km/h货车不同速度时的蛇行运动频率,2、车辆蛇行运动与梁体横向自振频率频率,CRH2动车组蛇行运动频率与行车速度关系图,CRH3动车组蛇行运动频率与行车速度关系图,120km/h货车蛇行运动频率与行车速度关系图,从CRH2和CRH3动车组、120km/h货车蛇行运动频率与行车速度关

44、系图可以看出，从整体趋势来看，横向强振频率与行车速度基本呈线性关系，实际的蛇行运动频率介于刚性定位转向架假设和自由轮对假设理论值之间。,2、车辆蛇行运动与梁体横向自振频率频率,对于跨度16m梁、24m梁、32m梁、40m梁、64m梁、(32+48+48+32)m连续梁、6-32m连续梁、(32+48+32)m连续梁、(40+56+40)m连续梁、(17.2+420+17.2)m刚构连续梁、(19.7+820+14.7)m刚构连续梁、（18+324+18）m刚构连续梁的梁体横向自振频率与车辆蛇行运动的频率相差较远，不会产生横向共振现象。对于长连续梁或连续刚构桥（60+128+60）m系杆拱连续梁

45、、（80+128+80）m连续梁、6-32m连续梁、（45+70+70+45）m连续梁、(42.5+60+42.5)m斜腿连续刚构），车辆在某一速度时的蛇行运动的频率虽与梁体横向自振频率相近，但由于桥梁长度远大于车辆长度（动车组车辆长度为25m左右），桥上同时存在很多节车辆，各节车辆之间的振动相位不同而被相互抵消了，且车辆质量较小，激励能量有限，车辆蛇行运动形不成明显横向共振，因此实测梁体横向振幅很小。对于（32+48+32）m连续梁，动车组车辆在230260km/h左右蛇行运动频率与墩梁一体横向自振频率2.54Hz接近，行车速度在230260km/h时梁体横向振幅出现较明显峰值，但由于车辆相

46、对梁体质量较小，激励能量有限，实测梁体横向振幅均很小。,3、32m箱梁等跨布置竖向周期不平顺 在铁路桥梁设计中，单孔桥梁不多见，绝大多数的桥梁采用多孔布置。理论分析表明，高速列车通过等跨布置的多孔桥梁时，会受到桥跨的周期性冲击，因而车桥会发生共振现象。高速铁路桥梁设计时，面临着等跨布置的简支梁的可行性问题。为了防止共振，国际铁路联盟UIC76规范，对于准高速和高速铁路的设计建议：多跨桥相接时，应具有不同的固有频率。这可以理解为具有不同的跨度或截面刚度。如果按此要求，则给联孔桥梁的设计和施工带来很大的麻烦。实际上，世界各国的高速铁路桥梁，大量采用了多孔等跨布置的混凝土简支梁型式，而不特别注意不等跨的配合。,动车组在连续等跨布置32m双线箱梁进桥与出桥时，跨中竖向振幅、竖向加速度、应变动力系数差别不大，未出现明显共振和梁体动力效应增大的现象；动车组进桥与出桥时，动车组上测试的脱轨系数、轮重减载率、车体垂向加速度、垂向平稳性指标没有明显差异，我国的时速250公里和350公里的常用中等跨度32m双线箱梁桥未出现明显的等跨布置竖向周期性影响。,3、32m箱梁等跨布置竖向周期不平顺,八、高速铁路桥梁维修养护,125,谢谢,