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我国高速铁路桥梁设计技术及探索

2018-04-18郑旺

商品与质量 2018年45期
关键词:铁路桥梁跨度高速铁路

郑旺

中交铁道设计研究总院有限公司 北京 100088

1 高速铁路桥梁的设计特点

高速列车的速度比普通列车快得多。它将对桥轨的平滑性产生很大影响,并且对结构的影响也会增加。导致轨道的状态受到影响,甚至危及高速列车的正常运行。通常情况下高速铁路的设计都会受到这些因素的影响。

1.1 大跨度桥梁多

高速铁路为全封闭线路,在跨越既有公路、铁路时均采用立交形式跨越,根据我国既有公路、铁路现状及路网规划,在高速铁路进行设计的过程中大跨度桥梁技术被广泛的使用在其中,根据相关的资料可以看出,在我国高速铁路中跨越超过100米的桥梁共有200多架。

1.2 刚度大,整体性好

减少高速铁路在运行过程中的较大的偏转与振幅能够有效的提高高速列车在运行过程中的安全性以及舒适性,所以高速桥梁在建设过程中需要保持好其完整性以及横向和竖向的刚度,除此之外还需要加大对温差的控制,因为混凝土会由于温差而产生结构的变形。

1.3 提高结构的耐久性,以便于桥梁的检查和维修

高速铁路是一个非常重要的交通设施。所以在对高速桥梁进行设计的过程中,要合理的考虑到每一个步骤,以便于更好对桥梁的稳定性和耐久性进行提高,同时,在桥梁正式施工过程中,必须严格控制桥梁的质量。在夜间时要加强对此的养护。

2 高速铁路桥梁设计的一般规定和原则

2.1 高速铁路桥梁设计注重结构的耐久性设计

从使用大量桥梁的过程来看,一个结论是桥梁结构必须具有耐久性,因此在高速铁路的设计过程中,需要有一定的技术措施保证桥梁结构既经济合理,又满足耐久性要求。京沪高速铁路是中国第一条高速铁路。耐久性与安全性,良好的稳定性主要是为了保障高速铁路桥梁在不受外界状况的影响下还能够稳定的运行,例如在修建过程中使用更高的洪水频率标准。较大的刚度要求,较强的沉降控制措施等来满足桥梁100年的使用要求。

2.2 高速铁路桥梁应具有良好的动力性能

在高速铁路运行过程中,桥梁结构的动态响应将得到加强,运动过程的安全性将降低,乘客的舒适性将会降低。为了避免这些情况,高速铁路桥梁必须具有足够的强度和刚度,以在设计中采用更大的结构尺寸。并结合地质情况,选择合理稳固的基础形式来满足高速铁路桥梁的强度和刚度要求。

2.3 高速铁路桥梁应该优先选择预应力混凝土结构

在高速铁路施工的过程中最好是采用预应力混泥土,其材料具有很高的刚度和强度,受温度以及噪音的影响比较的小,所以在高速铁路桥梁施工中预应力混泥土最为适合。同时如果此混泥土使用的足够的恰当还能够减少后期的维护,节省了大量的人力和财力。

3 我国高速铁路桥梁建设的关键技术

3.1 大跨度桥梁设计建造技术

一般来说,对于一般交通而言,安全性以及可靠性是最基本的要求,我国拥有广袤的土地,在地形上有着很大的差别,所以为了交通方便,必须在大河或者是大山之间来架设桥梁,但是,在我国高速铁路桥梁的建设和设计中由于困难重重而导致了设计速度以及施工的速度得不到提高。就目前的情况而言,施工过程中的速度和目标需要与其他简单的道路施工一致,这大大增加了设计和建造大跨度桥梁的难度。其也是对一个国家桥梁施工水平的检验标准。

3.2 无缝线路桥梁设计建造技术

无缝铁路和普通的铁路相比较在列车运行过程中更加的平稳,其原因是由于无缝铁路在施工中接头的部分比较的少,除此之外还减少了铁路在使用过程中的维护成本以及对使用周期的延长,尤其是在无缝铁路施工的过程中可以有效的减少列车在桥上的作用力,以此来对列车行驶过程中的平稳性进行提升,列车在高速行驶的过程中,运行的速度越块越能突出其无缝铁路的优越性,重要的是无缝铁路的建设在铁路轨道中占据着重要的地位,可以为了能够很好的发挥出无缝铁路的优点就需要在建设过程中提高铁路的强度和稳定性能,经过诸多的工程实际可以总结了中国建设无缝线桥的经验,并通过机械模型的理论支持,制定了相应的技术控制指标。桥上的无缝线设计需要根据气候,地形和其他条件合理选择轨道结构模式,长轨布置和锁定模式。准确计算中和温度,减少其对热膨胀和收缩等物理因素的影响,并确保轨道具有足够的强度和稳定性。

3.3 无砟轨道桥梁设计建造技术

无碴轨道是由混凝土或沥青砂浆与基础材料形成的轨道结构。目前,无碴轨道桥梁设计与施工的关键技术是梁体的刚度和变形控制技术。为 为了保持轨道外观简单,施工方便,确保其耐用性和良好的动态性能。目前,中国已经基本掌握了这项技术。使无砟轨道桥梁更为坚固稳定。

3.4 高架长桥快速施工技术

中国东部人口稠密地区,华北平原和高山丘陵等地的高层铁路比例占高速铁路的很大比例。根据中国的地形条件,在建和规划的高速铁路桥梁比例远高于普通铁路。并出现了一些特长高架桥。中国长长的桥梁建设历史悠久,经验丰富。然后使用配套设备沿线竖立,并采用原位浇注施工方法对特殊跨度的连续梁进行施工。在不断总结经验的过程中,效率也在不断提高。特殊桥梁的快速建设实现了质量和数量。

除以上提及的几点技术,高速铁路桥梁施工技术还包括900吨级全井简支梁制造和运输安装技术,桥梁基础沉降控制技术,高性能混凝土材料应用技术等。在中国高速铁路桥梁的建设中,这些步骤中的每一步都与这些关键技术密不可分,它们发挥着重要作用。

4 案例探讨

4.1 桥梁技术参数及设计特点

目前,高速铁路是在最高纬度的高速铁路上设计和实施的。其技术指标如表1所示。

表1 某高速铁路桥梁设计技术参数

由于线路所处的特殊环境,桥梁工程设计还具有以下特点。

(1)气候条件恶劣,存在冻融侵蚀和冻胀等问题。目前,高速铁路在最高纬度的高速铁路上设计和实施,最低温度为-39.9°C,最大冰冻深度为205厘米。气候条件恶劣,存在冻融,侵蚀和冻胀等问题。(2)技术标准高设计速度目标值为350km/h,整条生产线采用CRTS-I型板式无碴轨道技术。对桥梁的动态性能,刚度指标和变形控制提出了更高的要求。(3)桥梁的长度占线路长度的很大比例。桥的长度占该线长度的73.8%。(4)沿线地质条件复杂,桥梁设计和施工难度大。部分桥梁位于海湾或沿海地区。有些路段有熔岩地质,有些路段发育很强,有珠状开发区,大部分都是未填充的空洞,难以建造。

4.2 桥梁设计

高速铁路干线总长903.94公里,主干线总长度和大中桥桥梁总长657.182公里。桥的长度约为73.8%,桥的分布如表2所示。

表2 某高速铁路桥梁分布

高速铁路沿线的经济发展相对较快。出现了一些长度超过20公里的长桥,大大节省了桥上的铁路建设用地。减少道路和涵洞以及道路和桥梁的频繁过渡有助于提高乘客的舒适度;它有效地减少了沿线城市沿线铁路的切割,促进了城市规划的整合,促进了沿线人们的生产和生活,为未来发展预留了空间。

(1)梁部设计。高速铁路干线的简支梁部分一般由预制框架构成。梁顶宽度12m;通桥(2005)2322-HD采用跨越河流,深谷和桥长200m的桥梁,顶宽13.4m。两个简单的箱梁梁的底板和腹板是相同的,只有桥面板的侧面减少了70厘米。由于沿线的控制项目太多,某些路段的间隙受到桥机高度的限制,不可能使用预制设施。因此,重新设计了适合该生产线的现浇预应力混凝土简支箱梁。箱梁的一般横截面结构和桥面布局与通桥(2008)2322AHD相同。在设计中考虑了端部张力空间的设计要求,并修改和设计了梁体的相关尺寸。除了一般简支梁外,预应力混凝土连续箱梁主要用于大于40m的大跨度梁截面。常用跨度有(32+48+32) m、(40+56+40) m、(40+ 64+40) m、(45+3×70+45) m、(48+80+48)m、(60+100+60) m、(32+2×48+32) m,(32+3×48+32) m,(40+3×64+40) m、(48+5×80+48) m连续梁,除了带有支架现浇解决方案的(32+3×48+32) m连续梁外,所有设计都具有可变的横截面。(60+ 100+ 60)m连续梁的交叉施工在铁路上进行,其余采用吊篮分段现浇方案。

(2)支座设计。直线简易箱梁采用桥(2007)8360盆式橡胶支座;大跨度连续梁桥承载采用“铁路桥大吨位盆地橡胶支座(TGPZ型)”(叁桥(2007)8361);DK0~DK144+000 采用常温型轴承,DK144+000~终点采用耐寒型轴承。辽阳附近地下水沉降受影响区域的桥梁和连续梁采用可调高度轴承,其他桥梁采用不可调高轴承。相同的桥固定支撑和纵向可移动支撑位于线的同一侧。

(3)桥墩台设计。桥墩的形状选择与桥下水流和全墩高度分布相结合,遵循墩型均匀,相邻桥墩刚度相近的原则,施工方便。在正常情况下,河流中的桥梁使用圆端桥墩。它不仅符合河流洪水,还符合高速铁路的安全性,稳定性和舒适性要求。旱桥使用圆端桥墩或矩形桥墩,城市附近考虑景观效果。在正常情况下,当墩身较低时使用直墩体墩,并且同一桥墩台尽可能简单。在正常情况下,当墩身较低时使用直墩体墩,并且同一桥墩台尽可能简单。当横桥的交叉角较小时,框架墩用于交叉。基台通常采用“一”字台。

4.3 严寒地区铁路混凝土结构耐久性研究

该线路位于东北腹地,冬季最低气温达-39.9°C,属于严寒地区。桥梁的侵蚀环境包括碳化环境,氯盐环境,化学侵蚀环境,冻融破坏环境和磨蚀环境等各种类型。最高级别是L3和H4,有些部分受到几种腐蚀环境的影响。

通过分析严寒地区混凝土冻融破坏机理和氯盐引起的钢筋腐蚀,冻融破坏和盐溶液腐蚀是基本前提。开展了提高混凝土抗冻性,抗海水中氯盐腐蚀的研究。

(1)从混凝土通量和氯离子扩散系数的试验结果来看,水胶比的影响最为明显,水与粘结剂的比例也是影响混凝土强度的最重要因素。通过降低混凝土的水与粘结剂比例来适当提高强度等级是提高混凝土耐腐蚀性的有效方法。矿物掺合料的种类和用量也影响混凝土的氯离子渗透阻力,与粉煤灰和矿渣粉混合。粉煤灰与硅粉复合可以达到混凝土混合料性能,强度和氯离子渗透阻力的综合满意效果。

(2)混合比设计是耐用混凝土设计的关键环节之一。在条件允许的情况下,尽量使用较低的水与粘合剂比例来减少混凝土中使用的水和固井材料的量。有利于提高混凝土的致密性,降低混凝土的渗透性,减少收缩,并能有效地抵抗各种离子的运动。它大大延缓了碳化和氯离子和硫酸根离子的侵蚀,并阻止了钢筋的腐蚀。

5 结束语

我国铁路桥梁建设技术近年来取得了突飞猛进的发展,建成了世界上长度最长的高速铁路桥(京沪高铁丹昆特大桥) 和一批世界上技术复杂、工程规模和运营速度等级位于世界领先水平的大跨度桥梁。随着国民经济发展和铁路网的延伸,桥梁设计还将迎来更大的机遇和挑战,需要对跨海铁路通道建设等新课题进行提前研究。本文通过研究和工程实践,掌握建造1500~2000m跨度铁路或公铁两用桥和水深100m以上跨海大桥的能力,以适应近期宁波至舟山铁路、甬沪通道跨杭州湾工程等建设的需要,为将来建设琼州海峡、跨渤海湾、台湾海峡通道积累经验和技术储备。

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