新建時(shí)速200客貨共線鐵路橋梁設(shè)計(jì)摘要通過鐵路橋梁在提速狀態(tài)下的實(shí)測(cè)結(jié)果研究分析，結(jié)合國(guó)外最新的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析我國(guó)既有鐵路常用橋梁對(duì)速度200/客車、120/貨車的適用性，提出新建時(shí)速200客貨共線鐵路橋梁設(shè)計(jì)一般規(guī)定的建議。TRANBBSCOM關(guān)鍵詞時(shí)速200鐵路；客貨共線鐵路；鐵路橋梁；箱梁；梁；橋墩中圖分類號(hào)44251文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文章編號(hào)100429542004070030031概述我國(guó)既有鐵路橋涵大量采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),常用跨度橋梁一般采用單線鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土雙片式梁橋,兩片梁通常用橫隔板聯(lián)結(jié),部分20以下的雙片式梁無橫向聯(lián)結(jié)鋼橋跨度小于等于40時(shí)多采用簡(jiǎn)支鋼板梁,再大跨度多采用半穿式或穿式桁梁橋,橋面系采用明橋面橋墩一般采用實(shí)體墩,為節(jié)省圬工,也采用了一些輕型墩臺(tái)和柔性橋墩。由于當(dāng)時(shí)考慮的列車設(shè)計(jì)速度較低,客車一般按120/,貨車在規(guī)范中沒有明確規(guī)定,但實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度一般只能達(dá)到60/。因此,橋梁設(shè)計(jì)主要滿足承載能力和節(jié)省材料,而對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、剛度、長(zhǎng)期變形、動(dòng)力性能和耐久性考慮不足,造成了在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中橋梁存在整體性和耐久性差、養(yǎng)護(hù)維修投入大等問題并在提速試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些跨度和結(jié)構(gòu)形式的橋梁包括梁體和橋墩剛度不足和動(dòng)力性能差等問題。這些橋梁的設(shè)計(jì)在當(dāng)時(shí)條件下應(yīng)該是正常的,但隨著橋齡增長(zhǎng),鐵路交通發(fā)展很快,客貨車的速度不斷提高,既有橋梁的問題便逐漸顯露出來。因此,橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和理念急需更新。為適應(yīng)鐵道部跨越式發(fā)展的要求,部建設(shè)司組織編制新建時(shí)速200公里客貨共線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定,本文通過我國(guó)鐵路橋梁在提速狀態(tài)下的實(shí)測(cè)結(jié)果研究分析,總結(jié)了既有橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),結(jié)合國(guó)外最新的鐵路橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),分析了常用鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式對(duì)速度200/客車、120/貨車的適用性,提出了新建時(shí)速200客貨共線鐵路橋梁設(shè)計(jì)一般規(guī)定的建議。2既有橋梁結(jié)構(gòu)存在的問題我國(guó)既有鐵路橋梁的設(shè)計(jì),由于當(dāng)時(shí)條件和認(rèn)識(shí)上的限制,通常都偏重于一次建設(shè)投資的經(jīng)濟(jì)性考慮和便于快速施工。常用跨度混凝土橋梁均采用工廠預(yù)制、火車運(yùn)輸、架橋機(jī)架設(shè)的雙片式梁標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)以滿足承載力要求,節(jié)省材料為主,對(duì)橋梁的剛度、長(zhǎng)期變形、動(dòng)力性能和耐久性則考慮不足。因此,在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中和提速中出現(xiàn)一些問題,制約了鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。主要可歸納為橋梁長(zhǎng)期使用狀態(tài)問題和提速問題兩大類。21長(zhǎng)期使用狀態(tài)問題混凝土梁的設(shè)計(jì)主要由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理不當(dāng)以及對(duì)耐久性和混凝土材料性能認(rèn)識(shí)不足,造成1橫隔板斷裂2預(yù)應(yīng)力梁上拱度過大3混凝土堿骨料反應(yīng)造成部分橋梁嚴(yán)重的縱向水平裂紋4混凝土保護(hù)層過薄,放排水系統(tǒng)失效,污水流經(jīng)梁體表面,造成鋼筋嚴(yán)重銹蝕。鋼梁均采用明橋面,明橋面的木枕用鉤頭螺栓固定于縱梁上,但鉤頭螺栓的緊固作用差,木枕易變位,橋上軌道維修量大。鋼支座銹蝕嚴(yán)重,縱向活動(dòng)支座不活動(dòng)板式橡膠支座橫向沒有約束。涵洞主要是石砌邊墻破損嚴(yán)重。因此,為避免新建時(shí)速200客貨共線鐵路橋梁設(shè)計(jì)出現(xiàn)同樣的問題,保證新建橋梁的良好使用狀態(tài)和耐久性,并盡量減少橋梁在運(yùn)營(yíng)期間的維修量,有必要對(duì)新建橋梁的設(shè)計(jì)和構(gòu)造作出規(guī)定。22提速問題廣深準(zhǔn)高速鐵路改造是將客車速度提高到160/4次大提速將三大干線的客車速度由原來的100/提高到140/,貨車速度由60/以下提高到7080/。鐵科院和一些鐵路局橋檢隊(duì)對(duì)提速后橋梁的動(dòng)力性能進(jìn)行了大量測(cè)試和分析,發(fā)現(xiàn)提速后既有橋梁存在的一些問題,主要包括以下內(nèi)容。1既有混凝土雙片式梁的橋面不成整體、橫向聯(lián)結(jié)弱,造成有些跨度的橋梁橫向自振頻率偏低,當(dāng)提速貨車通過橋上時(shí),由于貨物列車的橫向激振頻率與梁體的橫向有載自振頻率接近,從而產(chǎn)生劇烈的橫向振動(dòng)現(xiàn)象。如32梁,貨物列車提速至7080/時(shí),實(shí)測(cè)32梁的橫向振幅一般達(dá)到913,大大超出當(dāng)時(shí)橋梁檢定規(guī)范的限值/165194。從國(guó)外情況來看,前蘇聯(lián)烏克蘭科學(xué)院院士鮑達(dá)爾教授研究了客車200/、貨車120/運(yùn)行條件下梁體的振動(dòng)問題,認(rèn)為梁體橫向振幅的限值一般可取客車02、貨車03其中以計(jì),由此計(jì)算出32梁的振幅限值應(yīng)為客車64、貨車96?？梢娢覈?guó)32梁橫向振動(dòng)已超出這個(gè)限值。德國(guó)的最新規(guī)范對(duì)客車300/和貨車120/條件下單線鋼桁梁的橫向自振頻率作了規(guī)定,這個(gè)規(guī)定可以用在混凝土簡(jiǎn)支梁上,即梁體橫向自振頻率不應(yīng)小于120/,而前蘇聯(lián)的規(guī)定是100/。表1列出了混凝土標(biāo)準(zhǔn)梁實(shí)測(cè)橫向自振頻率及標(biāo)準(zhǔn)限值,一些跨度的橫向自振頻率不滿足德國(guó)和前蘇聯(lián)的限值要求,如16及32預(yù)應(yīng)力混凝土梁,貨車提速后,梁體橫向振動(dòng)偏大。所以,既有標(biāo)準(zhǔn)梁的橫向聯(lián)結(jié)方式應(yīng)改變,必須采用整體橋面,加強(qiáng)橫向聯(lián)結(jié),提高橫向自振頻率。2在前幾次提速試驗(yàn)中分別對(duì)1040跨6種不同跨度的鋼板梁進(jìn)行過動(dòng)載試驗(yàn),當(dāng)客車達(dá)到160/時(shí),梁體橫向振幅在一些跨度接近新橋檢規(guī)和前蘇聯(lián)的限值標(biāo)準(zhǔn)貨車提速到8090/時(shí),大部分跨度的梁體橫向振幅超出限值標(biāo)準(zhǔn),振動(dòng)劇烈,危及行車安全客、貨車進(jìn)一步提速后,梁體振動(dòng)還會(huì)增大。因此在新橋設(shè)計(jì)中,40以下的跨度不宜采用鋼板梁。注為低高度鋼筋混凝土雙片式梁。3我國(guó)過去的鋼橋都采用明橋面,廣深準(zhǔn)高速鐵路跨度640雙線鋼桁梁也是明橋面,只是將明橋面用的鉤頭螺栓改為在縱梁上打孔的螺栓連接。列車在160/速度條件下已經(jīng)安全運(yùn)營(yíng)了4年,整個(gè)結(jié)構(gòu)和橋面系均處在良好的狀態(tài)。日本東海道新干線運(yùn)行速度210/上也使用明橋面。明橋面直接承受列車的沖擊作用,一是縱橫梁容易出現(xiàn)疲勞裂紋,日本東海道新干線在運(yùn)營(yíng)10年后明橋面出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象顯著增多二是軌枕易變位,使得明橋面的軌道結(jié)構(gòu)的維護(hù)量大三是明橋面噪聲大。為此,日本東海道新干線明橋面的木枕已逐步改造成樹酯軌枕。貨車提速至120/后,由于其軸重和簧下質(zhì)量都比客車大,沖擊作用會(huì)顯著增加,明橋面能否長(zhǎng)期適用于120/貨車的動(dòng)力作用及噪聲污染都是突出的問題。在德國(guó)新建鐵路線上鋼橋一般都采用正交異性板及鋼筋混凝土板的道碴橋面。因此,綜合考慮結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用性能和減少橋上軌道的維修量,在新建客車200/、貨車120/的客貨共線鐵路上不宜采用明橋面。4我國(guó)既有鐵路線上曾采用一些柔性橋墩,當(dāng)貨車速度提高到6080/時(shí),柔性橋墩普遍存在橫向振動(dòng)急劇增大的現(xiàn)象。目前,有這類橋墩的線路區(qū)段提速貨車不得不限速60/運(yùn)行。因此,在貨車120/的新建鐵路上一般不應(yīng)采用剛度較小的柔性墩臺(tái),以滿足行車舒適性與安全性要求。5板式橡膠支座橫向變位沒有約束,列車通過時(shí)梁體橫向呈整體剛體振動(dòng)形態(tài)。當(dāng)速度提高后,列車的橫向激勵(lì)頻率與梁體橫向整體剛體振動(dòng)頻率很容易接近,從而使梁體產(chǎn)生劇烈的橫向振動(dòng)。因此,必須采取措施,約束其橫向變位。3國(guó)外的鐵路橋梁設(shè)計(jì)目前,國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家的新線建設(shè)一般是高速客運(yùn)專線和時(shí)速200以上的客貨共線鐵路,橋梁的主要功能是為高速列車提供平順、穩(wěn)定的橋上線路,確保列車運(yùn)營(yíng)安全和乘坐舒適,并盡量減少使用期間結(jié)構(gòu)的維修工作量。因此,其橋梁設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)1梁體具有足夠大的豎向剛度、橫向剛度和抗扭剛度,限制溫差和混凝土徐變產(chǎn)生的上拱變形,以保證線路的高平順性和避免不良的車橋動(dòng)力響應(yīng)2橋梁墩臺(tái)有足夠大的縱向剛度,以限制橋上無縫線路軌道的附加應(yīng)力和制動(dòng)時(shí)的梁軌相對(duì)位移,保證線路的穩(wěn)定橋梁墩臺(tái)還應(yīng)有足夠的橫向剛度,保證線路的方向平順性,避免車橋產(chǎn)生過大的橫向振動(dòng)3橋梁的選型盡量避免或減少鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器的設(shè)置4橋梁結(jié)構(gòu)及構(gòu)造設(shè)計(jì)充分考慮耐久性要求,并便于檢查和維修。橋梁較長(zhǎng)、墩身不高的高架橋在新建高速鐵路中占有很大的比例。德國(guó)、意大利、西班牙等國(guó)都采用等跨布置的25預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)韓國(guó)高速采用325或240預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁日本十分重視結(jié)構(gòu)的抗震性能,大量采用跨度為8、10、12的鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu),每聯(lián)一般有410跨,各聯(lián)之間采用簡(jiǎn)支梁過渡。一般橋梁一跨或一聯(lián)長(zhǎng)度大于80時(shí),需要設(shè)置無縫線路伸縮調(diào)節(jié)器。因此,高架橋的選擇應(yīng)避免在橋上設(shè)置無縫線路伸縮調(diào)節(jié)器。歐洲新建鐵路有不少跨越山谷的高墩橋梁,橋墩最高達(dá)100,稱為谷架橋。德國(guó)在20世紀(jì)80年代新線建設(shè)時(shí)一般選用等跨布置的44、56兩種跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁,運(yùn)營(yíng)后發(fā)現(xiàn)56簡(jiǎn)支梁的端部由于溫度伸縮量大,道碴不穩(wěn)定,維修工作量大。因此,在以后的新線鐵路建設(shè)中簡(jiǎn)支混凝土梁的最大跨度用到44。在最近建設(shè)的科隆法蘭克福高速客運(yùn)專線上,谷架橋更多地采用了連續(xù)梁,連續(xù)梁和簡(jiǎn)支梁的比例約各占50。西班牙和法國(guó)均選用連續(xù)梁,跨度不超過80。由于谷架橋橋墩高,縱向剛度弱,因此都采用傳力裝置將制動(dòng)力直接傳到橋臺(tái)或特別設(shè)計(jì)的制動(dòng)墩上。橋梁截面形式一般有板梁、梁和箱梁。德國(guó)一般采用板梁和箱梁,法國(guó)一般采用箱梁,日本和西班牙采用了不少多片式形梁,多片式形梁都加強(qiáng)勁的橫隔板并采用整體橋面。日本一般采用了4、6、8片式形梁,跨度有194、242、292、342、392和44西班牙一般采用25跨度5片式形梁,也用過39跨度9片式形梁。對(duì)于跨度小于20的小型橋梁,根據(jù)法國(guó)的經(jīng)驗(yàn),最好采用超靜定結(jié)構(gòu),如剛構(gòu)橋。因?yàn)榉▏?guó)早期的里昂巴黎高速線上的小跨度簡(jiǎn)支梁橋,動(dòng)力效應(yīng)十分顯著,導(dǎo)致梁體開裂。簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁是最常用的兩種結(jié)構(gòu)形式。簡(jiǎn)支梁的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于支座沉降不敏感,不需要設(shè)置軌道伸縮調(diào)節(jié)器,可采用工廠預(yù)制。連續(xù)梁較簡(jiǎn)支梁高度低,結(jié)構(gòu)變形和墩帽尺寸較小,但支座沉降對(duì)連續(xù)梁的受力有影響,尤其是小跨度連續(xù)梁,跨度越小,影響越大并且當(dāng)多跨連續(xù)梁一聯(lián)長(zhǎng)度大于80時(shí),需要設(shè)置軌道伸縮調(diào)節(jié)器。從橋梁截面形式來看,跨度不大于40的混凝土梁采用箱形和形都可以,對(duì)形梁要采用整體橋面,加強(qiáng)橫向聯(lián)結(jié)。根據(jù)日本的研究比較分析,認(rèn)為跨度大于38采用箱形梁才較為經(jīng)濟(jì)。4結(jié)論根據(jù)上述分析,一方面總結(jié)分析了我國(guó)既有橋梁在運(yùn)營(yíng)和提速中遇到的問題另一方面積極吸收發(fā)達(dá)國(guó)家類似鐵路橋梁設(shè)計(jì)先進(jìn)成熟的經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上對(duì)我國(guó)新建時(shí)速200客貨共線鐵路的橋梁設(shè)計(jì)提出以下一般規(guī)定。1橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足行車舒適度和耐久性的要求,橋梁構(gòu)造應(yīng)便于檢查、養(yǎng)護(hù)和維修。2橋梁上部結(jié)構(gòu)應(yīng)采用剛度大的結(jié)構(gòu)型式,宜優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),亦可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼混凝土結(jié)合結(jié)構(gòu),必要時(shí)也可采用鋼結(jié)構(gòu)。3預(yù)應(yīng)力混凝土梁,宜采用雙線整孔箱梁,中小跨度也可采用兩個(gè)并置的單