铁路客运专线桥梁工程技术

铁路客运专线桥梁工程技术中国铁道科学研究院铁建所桥梁室1 前言1.1 桥梁是客运专线土建工程中重要组成部分，比例大、高架桥及长桥多。

1.2 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。

1.3 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。

1.4 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）1.5 客运专线与普通铁路是两个时代的产物，客运专线设计、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。

2 客运专线桥梁特点2.1 结构动力效应大桥梁在列车通过时的受力要比列车静臵时大，其比值（1+Q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。

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。

跨度40m以下的客运专线简支梁桥当n v 1.5v/L时，会出现大的动力效应，甚至发生共振。

为此，应当选择合理的结构自振频率n，避免与列车通过时的激振频率接近。

列车高速通过时，桥梁竖向加速度达到0.7g （f < 20HZ以上会使有碴道床丧失稳定，道碴松塌，影响行车安全。

2.2 桥上无缝线路与桥梁共同作用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。

2.3 满足乘坐舒适度与普通铁路不同，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。

2.4 100 年使用寿命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。

2.5 维修养护时间少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。

2.6 客运专线桥梁设计要求应有足够的竖向、横向、纵向和抗扭刚度，使结构的各种变形很小；跨度40m 及以下的简支梁应选择合适的自振频率，避免列车过桥时出现共振或过大振动；结构符合耐久性要求并便于检查；常用跨度桥梁应标准化并简化规格、品种；长桥应尽量避免设臵钢轨伸缩调节器；桥梁应与环境相协调（美观、降噪、减振）。

3 主要设计原则及相关限值3.1 设计活载图式设计活载图式的大小直接影响桥梁的承载能力和建造费用，是重要的桥梁设计参数。

图式的制定应满足运输能力和车辆的发展。

我国普通铁路桥梁采用中-活载图式和相应的动力系数。

日本高速铁路采用非常接近运营列车的N、P和H型活载图式。

相应的动力系数与跨度、车速和结构自振频率有关。

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，相应的动力系数仅与跨度有关。

我国客运专线采用ZK 活载图式( 0.8UIC )以及与UIC 一致的动力系数和结构自振频率范围，我国新建时速200 公里客货共线铁路仍采用中-活载及相应的动力系数。

中-活载与UIC 活载效应大致相当，欧洲与日本的活载图式相差较大(一倍以上) ，导致日本高速铁路桥梁的体量略小。

3.2 结构刚度与变形控制限值我国普通铁路桥梁的规定欧盟高速铁路桥梁标准的规定( ENV1991-3:1995 )我国客运专线桥梁的规定(V > 250km/h)3.3 车桥动力响应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全和乘坐舒适。

动力响应分析方法采用移动荷载列以不同速度通过桥梁，计算桥梁结构的动力特性；采用车、桥平面模型计算车桥动力特性；采用车、桥空间模型计算车桥动力特性。

3.4 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根据轨道的位移—阻力关系建立的轨道—桥梁共同受力的力学计算模型可以分析墩台纵向刚度、跨度、跨数、列车位臵与钢轨附加力的关系。

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大于81MPa；制动时，梁轨相对快速位移不大于4mm 。

客运专线桥梁刚度大、钢轨挠曲力不大，且最大值与制动力、伸缩力不在同一位臵，挠曲力不控制。

最大制动力出现在停车前瞬间，桥梁墩台应有足够的纵向刚度以限制制动时钢轨出现较大的应力。

3.5 耐久性措施改善结构耐久性是通过实践中吸取大量经验教训得来的，世界各国总结的经验是：结构物使用寿命75~100 年只有在设计、施工以及使用中检查、养护十分精心的条件下才能实现。

造成结构病害的主要原因是结构构造上的缺陷，以往的设计过分重视计算，忽视了构造细节的处理。

桥梁的养护重点是及时检查。

病害早发现、早整治，不仅费用少，而且能保证耐久性。

桥梁的经济性应体现为一次建造费用和使用中养护维修费用之和最低。

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。

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。

3.6 桥面布臵桥面布臵优劣直接影响结构耐久性和桥梁使用方便。

除线路结构外，桥面主要设施有：防、排水系统（防水层、保护层、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2~3km 设臵应急出口。

特点：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。

3.7 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臵（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0.5~1m 深的凹槽；同时墩顶预留千斤顶顶梁位臵；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；梁底进人孔设臵在墩顶位臵。

3.8 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的平顺和稳定，必须限值桥梁的各种变形。

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。

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）：均匀沉降冬20mm;相邻墩台不均匀沉降冬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。

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；优化预应力筋布臵；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。

60 天。

梁端接缝两侧钢轨支点在活载及横向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。