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：