【正文】 724m米高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第1章：緒論自有鐵路以來，速度一直是人們追求的目標(biāo)，一般認(rèn)為時(shí)速低于200km/h的鐵路，稱為普通鐵路或快速鐵路，高于200km/h的稱為高速鐵路。 1964年世界第一條高速鐵路——日本東海道新干線建成，行車速度達(dá)到210km/h，揭示了鐵路這一運(yùn)輸工具同其它運(yùn)輸行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的巨大潛力。高速鐵路速度快，運(yùn)輸能力大，節(jié)省能源及土地，環(huán)境污染輕，是一種有發(fā)展前途的現(xiàn)代化交通工具。繼東海道新干線之后，日本及西歐積極開展高速鐵路技術(shù)研究與建設(shè)。現(xiàn)在全世界高速鐵路總營(yíng)業(yè)里程已超過15 000 km，最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速為300 km， km。與普通鐵路相比，高速鐵路在動(dòng)力牽引、信號(hào)安全系統(tǒng)、線路建筑和養(yǎng)護(hù)等方面都有很高的技術(shù)要求。就高速鐵路橋梁而言，可分為高架橋、谷架橋和跨越河流的一般橋梁。由于高速鐵路的運(yùn)營(yíng)密度及對(duì)舒適性、安全性的要求均高于普通線路，因此對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的要求也更高。(1)比例大，高架長(zhǎng)橋多。對(duì)于我國(guó)既有鐵路總長(zhǎng)約70000km，橋梁長(zhǎng)度約2500km，％。在線路總長(zhǎng)為13l6km的京滬高鐵中橋梁比例高達(dá) 97％以上，特大橋占85％以上。在武廣客運(yùn)專線中橋梁比例同樣也大于30％。 (2)以中小跨度為主。由于高速鐵路對(duì)橋梁剛度要求嚴(yán)格，因此，橋梁不宜采用大跨度，應(yīng)以中、小跨度為主。 (3)剛度大，整體性好。為了保證列車高速、舒適、安全行駛，高速鐵路橋梁必須具有足夠大的豎向和橫向剛度以及良好的整體性，以防止橋梁出現(xiàn)較大撓度和振幅。同時(shí)，還必須嚴(yán)格控制由混凝土產(chǎn)生的徐變上拱和不均勻溫差引起的結(jié)構(gòu)變形，以保證軌道的高平順性。 (4)梁部多采用感熱遲鈍材料。 (5)墩臺(tái)基礎(chǔ)剛度大(限制縱向力作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移)。 (6)重視改善結(jié)構(gòu)耐久性，便于檢查、維修。高速鐵路是極其重要的交通運(yùn)輸設(shè)施，橋梁結(jié)構(gòu)物應(yīng)盡量做到少維修或免維修，因此，設(shè)計(jì)時(shí)需要將改善結(jié)構(gòu)物的耐久性作為設(shè)計(jì)原則，統(tǒng)一考慮合理的結(jié)構(gòu)布局和構(gòu)造細(xì)節(jié)，并在施工中加以嚴(yán)格控制，保證質(zhì)量。另一方面，高速鐵路運(yùn)營(yíng)繁忙，列車速度高，維修時(shí)間都放在夜間“天窗”時(shí)間進(jìn)行，一般為4h，因此，橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造應(yīng)易于檢查和維修。 (7)強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)與環(huán)境的協(xié)調(diào)。在橋梁設(shè)計(jì)構(gòu)思時(shí)，除了考慮結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)性之外，還同時(shí)從橋梁美學(xué)效果綜合考慮橋梁形式美、功能美以及與環(huán)境的協(xié)調(diào)性，從時(shí)代的需求出發(fā)，努力塑造新穎、美觀的橋梁造型。作為線路的組成部分，高速鐵路的橋梁設(shè)計(jì)主要有下述幾個(gè)方面的特點(diǎn)：①剛度要求。高速鐵路車速比提速列車的速度要高得多，為保證列車過橋的乎穩(wěn)性和旅客的舒適度，對(duì)橋梁的剛度要求相當(dāng)嚴(yán)格。②橋型選擇及構(gòu)造要求。高速鐵路橋梁由于要求有足夠的豎向、橫向剛度，因此在橋型選擇上有其特點(diǎn)，國(guó)際鐵路聯(lián)盟推薦盡量采用剛勁的上部結(jié)構(gòu)。日本已修建的高速鐵路橋梁中預(yù)應(yīng)力混凝土梁占絕大多數(shù)。采用T形截面時(shí)，各片梁之間要通過橫隔板牢固地連成一體，以增加橋梁的整體性及橫向剛度。大跨度橋梁其結(jié)構(gòu)型式多為連續(xù)剛構(gòu)、連續(xù)梁橋等 斜拉橋也在北陸新干線中采用，為增加橋梁剛度，主梁大都采用剛度較大的箱形截面、塔梁固接，如屋代橋和第二干曲川橋等。縱橫梁橋面體系的鋼桁梁在高速鐵路橋梁一般不予采用，當(dāng)必須采用鋼桁橋時(shí)，往往將橋面系做成正交異性鋼橋面板結(jié)構(gòu)或做成鋼與混凝土結(jié)合梁結(jié)構(gòu)。軟土路基地段往往采用一種高架橋(俗稱板凳橋)來代替路堤。這種橋梁一般跨度為10 m左右，可以做成多孔連續(xù)，如北陸新干線是10孔連續(xù)。與路堤相比．采 用高架橋占地面積小，避免采用路堤時(shí)不易控制的沉降、翻漿、冒泥等問題 所以在日本高速鐵路的修建中被大量采用。③主要設(shè)計(jì)參數(shù)。高速鐵路與普通鐵路橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)上的差別要反映在設(shè)計(jì)荷載和動(dòng)力系數(shù)這2方面。目前世界各國(guó)已建成的高速鐵路，大部分都是客運(yùn)線，只有少數(shù)線路采用客貨混跑，所以，設(shè)計(jì)荷載一般都比普通線路小，我國(guó)擬建的京滬高速鐵路其設(shè)計(jì)，荷載采用0．8UIC(國(guó)際鐵路聯(lián)盟)荷載。高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)中的沖擊系數(shù)與一般鐵路設(shè)計(jì)中的表達(dá)式不同。一般鐵路橋梁的沖擊系數(shù)表示為跨度(或影響線加載的長(zhǎng)度)函數(shù)，尚有很多不合理成分，實(shí)際上橋梁沖擊系數(shù)與移動(dòng)載荷大小、速度、橋梁的剛度、軌道的平順性等因素有關(guān)，高速鐵路速度高，速度效應(yīng)就顯得突出。因此，高速鐵路橋梁采用以下設(shè)計(jì)原則：(1)采用雙線整孔橋梁。 (2)多采用雙線單室箱型截面：部分小跨度橋梁采用T型截面或板梁。 (3)增大梁高，高跨比一般為1/12～1/9。 (4)盡量選用剛度大的結(jié)構(gòu)體系。 (5)跨度不宜過大(1)撓度控制與預(yù)應(yīng)力技術(shù) 在高速鐵路線上，可大量應(yīng)用預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，對(duì)其應(yīng)嚴(yán)格控制過大撓度的產(chǎn)生，達(dá)到“微撓度”甚至“零撓度”的要求，例如磁懸浮列車，由于是卡在其下的軌道梁上，并且“飛”離軌道運(yùn)行的，列車與行車軌道之問的懸浮間隙僅為10mm，所以它不僅要求軌道梁等土建工程的制作、安裝精度十分嚴(yán)格， mm計(jì)量，而且要求列車下的軌道梁在列車運(yùn)營(yíng)過程中幾乎沒有撓曲變形，因此，軌道梁應(yīng)采用剛度大的預(yù)應(yīng)力混凝土梁或鋼梁，并且，對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土梁，應(yīng)采用荷載平衡法進(jìn)行預(yù)應(yīng)力配筋設(shè)計(jì)，使梁在靜載及部分活荷載作用下不產(chǎn)生撓度，在全部移動(dòng)活荷載作用下(列車通過時(shí))僅有微小的下?lián)献冃巍４送?，橋梁基礎(chǔ)也應(yīng)采用深孔灌注樁技術(shù)，確保橋墩柱不發(fā)生沉降，因此，對(duì)于高速鐵路橋梁，需嚴(yán)格控制其過大撓度的產(chǎn)生。為此需要建造整體性好、剛度較大的預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁，一般采取以下措施： 1)采用整孔箱梁。 2)提高簡(jiǎn)支梁的高跨比，一般應(yīng)在l/10～1/9之間。 3)可選用連續(xù)梁、組合梁、連續(xù)剛構(gòu)橋和拱橋等剛度較大的結(jié)構(gòu)。 4)為防止車橋共振，對(duì)橋梁的自振頻率提出相應(yīng)的限值要求。 5)采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，控制好梁的撓度和變形，同時(shí)，應(yīng)從設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)方面控制梁的徐變變形。設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足以下要求：①減小截面上、下緣的應(yīng)力差：②加大高跨比：③保證有效預(yù)應(yīng)力值的準(zhǔn)確性。施工方面應(yīng)做到：①調(diào)整混凝土的水灰比(不大于0．40)和水泥用量：②張拉預(yù)應(yīng)力時(shí)，混凝土強(qiáng)度和彈性模量已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并嚴(yán)格實(shí)行“雙控”，嚴(yán)禁超張拉：③張拉期限不小于10d，并且盡可能使混凝土梁的徐變變形在鋪設(shè)軌道前完成。 (2)耐久性設(shè)計(jì)與構(gòu)造措施 高速鐵路上的橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)遵循少維修、免維修的原則，要把橋梁的耐久性放在重要位置。因?yàn)樵诓恢袛嘟煌ㄟ\(yùn)輸?shù)那闆rF進(jìn)行檢查、維修、加固甚至更換是十分困難的，費(fèi)用也是昂貴的，然而，若不及時(shí)維修、加固，橋梁耐久性病害將會(huì)危及橋梁安全，因此，有學(xué)者建議盡量采用高性能混凝土，有條件時(shí)，采用先張法折線配筋預(yù)應(yīng)力筋混凝土橋梁?？紤]到鐵路橋梁的一些特殊要求，提出了高速鐵路橋梁改善耐久性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)造措施。①高速鐵路橋梁采用全預(yù)應(yīng)力混凝土上承式道碴橋面箱形梁。在主力作用下，梁體縱向不出現(xiàn)拉應(yīng)力：主力及附加力作用時(shí)，允許出現(xiàn)有限拉應(yīng)力：橋面采用橫向預(yù)應(yīng)力。橋梁結(jié)構(gòu)形式主要為簡(jiǎn)支梁與連續(xù)梁兩種，規(guī)定高架線路結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)跨度為25m，谷架橋的標(biāo)準(zhǔn)跨度為44m、58m。所有橋梁的墩臺(tái)與梁部均采用統(tǒng)一的外形尺寸，高跨比規(guī)定為：簡(jiǎn)支梁——1／1連續(xù)梁——1／12。②采用統(tǒng)一的橋面布置，為了便于檢查及養(yǎng)護(hù)維修。③人行道設(shè)置在主梁的橋面翼緣板兩端，并通過人行道遮板保護(hù)主梁的翼緣，遮板上設(shè)有欄桿、電纜槽及其它橋面設(shè)施，使其更換或增設(shè)不影響承重結(jié)構(gòu)。遮板一端的垂直板既作為橋面滴水檐又可保護(hù)橋面橫向預(yù)應(yīng)力錨具，人行道遮板作為易磨耗構(gòu)件可以局部更換。④重視橋面防、排水設(shè)施。除了采用密閉的防水層外，要求排水系統(tǒng)能在任何時(shí)候都可以榆查。⑤必須制訂統(tǒng)一的養(yǎng)護(hù)維修和相應(yīng)的檢查設(shè)施計(jì)劃。(3)高速鐵路橋梁與普通鐵路橋梁架設(shè)方法的差異 高速鐵路橋梁與普通鐵路橋梁的施工程序不同。高速鐵路是先架梁，然后一次性鋪設(shè)長(zhǎng)軌：普通鐵路是邊鋪軌邊架梁，架橋機(jī)利用鋪設(shè)的軌道走行就位、架梁，梁的運(yùn)輸需利用已鋪設(shè)好的軌道。在同等跨度條件下，高速鐵路橋梁比普通鐵路橋梁重量大，體積大，現(xiàn)有的架橋機(jī)、造橋機(jī)均無法滿足高速鐵路橋梁架設(shè)的要求，必須研制新型的架橋機(jī)和造橋機(jī)以及其他相關(guān)設(shè)備。 (4)無縫線路橋梁關(guān)鍵技術(shù) 我國(guó)既有鐵路在進(jìn)行無縫線路改造時(shí)，長(zhǎng)鋼軌力的大小受到限制，所以橋上均采用了小阻力扣件，把長(zhǎng)鋼軌力傳到路基或更多的橋跨上，以減小每個(gè)墩臺(tái)的長(zhǎng)鋼軌力，起到了保護(hù)既有橋梁的作用。高速鐵路是一次鋪設(shè)無縫線路的新建鐵路，在研究橋上無縫線路時(shí)，結(jié)合國(guó)外的先進(jìn)理念，在國(guó)內(nèi)提出了橋墩線剛度概念，目的在于增加橋梁抵抗長(zhǎng)鋼軌力的能力，取消或減少小阻力扣件，確保無縫線路的穩(wěn)定性。在保證無縫線路的穩(wěn)定和安全的條件下，合理的橋墩線剛度限值對(duì)工程投資影響較大。雙線簡(jiǎn)支梁橋墩線剛度的規(guī)定是基于制動(dòng)力和牽引力同時(shí)達(dá)到最大為前提的，而在“京滬高速鐵路常用跨度連續(xù)梁設(shè)計(jì)研究”中，雙線連續(xù)梁橋墩線剛度的規(guī)定僅以制動(dòng)力或牽引力達(dá)到最大為前提，由此可以認(rèn)為簡(jiǎn)支梁橋墩的線剛度偏大。如何合理地選擇高墩縱向水平線剛度，節(jié)約工程投資，值得深入研究。目前墩高小于30m時(shí)，橋墩滿足400kN／m線剛度時(shí)墩身尺寸還是可以容忍的。為保證無縫線路的穩(wěn)定，減少維修養(yǎng)護(hù)的工作量，應(yīng)盡量減少設(shè)置無縫線路溫度調(diào)節(jié)器，這是無縫線路橋梁橋式方案選擇的重要技術(shù)條件。目前初步考慮設(shè)置溫度調(diào)節(jié)器的條件，一般是預(yù)應(yīng)力混凝土梁溫度跨超過160 m?；谶@樣的條件，大跨度橋梁選擇簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)(如系桿拱、鋼桁梁等)、連續(xù)剛構(gòu)等是一種比較理想的橋式。 (5)高速鐵路橋梁的降噪措施 噪聲來源：①輪軌噪聲 ②集電系統(tǒng)噪聲包括三部分：受電弓滑板產(chǎn)生的滑動(dòng)噪聲、放電噪聲、受電弓的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲。③列車前進(jìn)引起的空氣動(dòng)力學(xué)噪聲：④建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)物噪聲。 降噪措施： ①噪聲源對(duì)策。盡量采用混凝土橋梁 盡量采用有道床橋梁、有碴道床在結(jié)構(gòu)構(gòu)件上鋪設(shè)減振吸聲材料：在軌枕下設(shè)置彈性材料、彈性襯墊：在道床下設(shè)置彈性材料等。②傳播途徑對(duì)策。設(shè)置隔聲屏障、隔聲罩等，封閉對(duì)接接縫、人行道板縫 密封、填充彈性材料等。一般來說，計(jì)算無縫線路力是為了分析在給定條件不同的荷載工況下的軌道結(jié)構(gòu)包括道岔區(qū)在內(nèi)的軌道與結(jié)構(gòu)物相互作用力。要分析和確定由于豎向力、溫度變化、制動(dòng)力、加速以及不同荷載組合引起的軌道與結(jié)構(gòu)物相互作用力以及附加軌道應(yīng)力。溫度變化是控制荷載工況。由豎向荷載引起的鋼軌力僅為溫度力引起的鋼軌力的20％左右。橋面及軌道的位移必須規(guī)定限值，以防止道碴過度分散。一般而言，應(yīng)該避免采用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，但當(dāng)鋼軌應(yīng)力或變形超過允許極限值時(shí)，就必須在橋梁自由端安裝鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。鋼軌斷裂大多數(shù)出現(xiàn)在鋼軌應(yīng)力最高的部位。而鋼軌最大應(yīng)力位于較長(zhǎng)連續(xù)多跨橋梁的土建接縫處。我們建議假定鋼軌斷裂在這一位置。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)支梁橋(跨長(zhǎng)32 m)而言，因其熱膨脹約束力較小，不必要使用低緊固力扣件。對(duì)于中等跨度的橋梁而言，其相應(yīng)的熱伸縮長(zhǎng)度適中，有必要在鄰近土建伸縮縫處兩端使用低緊固力扣件。對(duì)于有較長(zhǎng)自由熱伸縮長(zhǎng)度的橋梁而言，有必要安裝鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有變形小，結(jié)構(gòu)剛度好，行車平順舒適，伸縮縫少，養(yǎng)護(hù)簡(jiǎn)易，抗震能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在40—200米范圍內(nèi)，與其它結(jié)構(gòu)體系比較，是最富有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型之一，在橋梁工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在國(guó)外，連續(xù)梁橋在混凝土橋梁總數(shù)中，已從1948年的10％左右上升到目前的4050％左右；我國(guó)從70年代開始修建至今，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋中連續(xù)梁橋占有很大比例。無論是城市橋梁、高速公路橋、高架道路、山谷高架棧橋，還是跨越寬闊河流的大橋，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋較大的發(fā)揮了它的優(yōu)勢(shì)，它是一種被廣泛應(yīng)用的橋型。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、試驗(yàn)研究、預(yù)應(yīng)力材料及工藝設(shè)備、施工工藝等方面日新月異，預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)都己達(dá)到相當(dāng)高的水平。設(shè)計(jì)上，自70年代后期以來，我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)分析專用軟件和CAD技術(shù)得到大力開發(fā)和應(yīng)用，有限元法編制的橋梁通用綜合程序以及橋梁專用程序的使用，大大提高了計(jì)算精度和速度，尤其是將程序用于大量重復(fù)計(jì)算、局部應(yīng)力分析、設(shè)計(jì)方案優(yōu)化等方面。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件開發(fā)和應(yīng)用，為我國(guó)橋梁建設(shè)的迅猛發(fā)展提供了條件。但是近年來隨著我國(guó)高速鐵路的迅猛發(fā)展，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁提出了更高的要求，其特點(diǎn)除須滿足一般鐵路橋梁的要求外，還需滿足一些特殊的要求，這是因?yàn)樵诟咚倭熊囘\(yùn)行條件下，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)加劇，從而使列車運(yùn)行的安全性、旅客乘坐的舒適度、荷載沖擊、材料的疲勞、列車運(yùn)行時(shí)的噪聲、結(jié)構(gòu)的耐久性等等問題都與普通鐵路不同。所以，橋梁結(jié)構(gòu)必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，必須保證可靠的穩(wěn)定性和保持橋上軌道的高平順狀態(tài)，使高速鐵路的橋梁結(jié)構(gòu)能夠承受較大的動(dòng)力作用，具備良好的動(dòng)力特性。高速列車的運(yùn)營(yíng)要求較高，能用于檢查、維修的時(shí)間有限。因此，從總體上來說，高速鐵路上的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)構(gòu)造簡(jiǎn)潔，規(guī)格和外形力求標(biāo)準(zhǔn)化，消除構(gòu)造上的薄弱環(huán)節(jié)，使得便于施工、建造質(zhì)量容易得到控制，達(dá)到少維修的目的。預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，除了具有鋼筋混凝土梁橋的所有優(yōu)點(diǎn)外，它的主要特點(diǎn)如下：一、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，由于能夠充分利用高強(qiáng)度材料（高強(qiáng)度混凝土、高強(qiáng)度鋼筋），所以構(gòu)件截面小，自重彎矩占總彎矩的比例大大下降，橋梁的跨越能力得到提高。二、與鋼筋混凝土梁橋相比，一般可以節(jié)省鋼材30%～40%，跨徑愈大，節(jié)省愈多。三、全預(yù)應(yīng)力混凝土梁在使用荷載作用下不出現(xiàn)裂縫，即使部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁在常遇荷載作用下也無裂縫，鑒于全截面參加工作，梁的剛度就比通常開裂的鋼筋混凝土梁要大。因此，預(yù)應(yīng)力梁可顯著減少建筑高度，使大跨徑橋梁做的輕柔美觀。由于能消除裂縫，這就擴(kuò)大了對(duì)多種橋型的適應(yīng)性，并更加提高了結(jié)構(gòu)的耐久性。四、預(yù)應(yīng)力技術(shù)的采用，不但使鋼橋應(yīng)有的施工方法，如：懸臂拼裝、縱向拖拉（演化為預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋的頂推法）在預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋中得到新的應(yīng)用和發(fā)展，而且為現(xiàn)代化預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)提供了非常有效的接合和拼裝手段。連續(xù)梁是一種超靜定結(jié)構(gòu)，一般地說，只要設(shè)計(jì)恰當(dāng)，都能使內(nèi)力分布比較合理，使梁式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用得以擴(kuò)大，橋垮和橋墩工程梁都可能比簡(jiǎn)支梁節(jié)省。預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁便于無支架施工，更是獲得廣泛應(yīng)用的重要因素。和簡(jiǎn)支梁相比，連續(xù)梁中間支點(diǎn)截面有負(fù)彎矩，使梁內(nèi)所受彎矩沿