新建时速200km客货共线铁路桥梁设计

行车高平顺要求,又能适应轴重25t 、牵引5000t 、速度120km/h 货物列车大运量运行,并且尽可能减少维修工作量的轨道结构以及路基和桥梁的结构与标准。

(4)为使我们所期望的时速200km 客货共线铁路得以顺利发展,得到国民的认可,除必需采用与之相适应的、先进的技术装备外,还应该保证国民在旅途中自始至终能够得到高水平的运输服务。

通过提高旅客乘车的舒适性、安全性和缩短在途旅行时间,以及使旅客在最方便、合适的时间出发或到达,为最大可能吸引旅客创造有利条件。

参考文献:[1]　钱立新.世界高速铁路技术[M ].北京:中国铁道出版社,2003.收稿日期:20040511第一作者简介:柯在田(1964—),男,副研究员,1986年毕业于同济大学桥梁及结构工程专业,工学学士。

新建时速200km 客货共线铁路桥梁设计柯在田,殷宁骏(铁道科学研究院铁道建筑研究所　北京　100081) 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200km/h 客车、120km/h 货车的适用性,提出新建时速200km 客货共线铁路桥梁设计一般规定的建议。

关键词:时速200km 铁路;客货共线铁路;铁路桥梁;箱梁;T 梁;桥墩 中图分类号:44215+1 文献标识码:C 文章编号:10042954(2004)070030031　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T 梁桥,两片T 梁通常用横隔板联结,部分20m 以下的双片式T 梁无横向联结;钢桥跨度小于等于40m 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120km/h ,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60km/h 。

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200km/h 客车、120km/h 货车的适用性,提出了新建时速200km 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T 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。

211　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・设计标准・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200km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。

212　提速问题广深准高速铁路改造是将客车速度提高到160 km/h;4次大提速将三大干线的客车速度由原来的100km/h提高到140km/h,货车速度由60km/h以下提高到70～80km/h。

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T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32m梁,货物列车提速至70～80 km/h时,实测32m梁的横向振幅一般达到9～13 mm,大大超出当时桥梁检定规范的限值L/1615= 1194mm。

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200km/h、货车120km/h 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012L(mm)、货车013L(mm)(其中L以m计),由此计算出32m梁的振幅限值应为客车614mm、货车916mm。

可见我国32m梁横向振动已超出这个限值。

德国的最新规范对客车300km/h和货车120km/h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/L Hz,而前苏联的规定是100/L Hz。

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16m及32m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10～40m跨6种不同跨度的钢板梁进行过动载试验,当客车达到160km/h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80～90km/h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,40m以下的跨度不宜采用钢板梁。

表1　混凝土标准梁实测横向自振频率及标准限值　Hz跨度/m810121620243240实测频率——8143617～71361837173219～312210～213桥检规限值111259107155163415317521812125前苏联限值1215108133612551041173113215德国限值1512107156531753 注:3为低高度钢筋混凝土双片式T梁。

(3)我国过去的钢桥都采用明桥面,广深准高速铁路跨度6410m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160km/h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210km/h)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120km/h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120km/h 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200km/h、货车120km/h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60～80km/h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60km/h运行。

因此,在货车120km/h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・设计标准・运专线和时速200km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25m预应力混凝土简支梁结构;韩国高速采用3×25m或2×40m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、12m 的钢筋混凝土连续刚构,每联一般有4～10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80m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100m,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、56m两种跨度的预应力混凝土简支梁,运营后发现56m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44m。

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80m。

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、T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T形梁,多片式T形梁都加强劲的横隔板并采用整体桥面。