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高速铁路设备系列介绍之五——话说铁路桥梁
时间:2015-04-22  点击量:

 


要修建一条铁路,常常会碰到江河、山谷、公路或者与另外一条铁路交叉,为了让铁路跨越这些地形上的障碍,就需要修建各种各样的铁路桥梁。铁路桥梁,貌望简单,实看铁路桥梁却是相当了不起的工程,它能把原本隔断、分开的并无法或难以改变、更动的山谷,海洋及河流等地形、地貌各区域得到有效、很好的连接,能让火车巨龙飞驰奔向远方。有人比喻说,铁路桥梁似多色彩虹;有人比喻说铁路桥梁似巨龙飞翔。但有一点可相同,人们的比喻想象力是从铁路桥梁的结构形状出发的。所以,还是顺其自然,从铁路桥梁的结构出发点开始话说铁路桥梁。 
 
铁路桥梁结构,它由上部结构和下部结构组成。 
 
上部结构是跨越部分,又称跨越结构或桥跨结构。由桥面结构、桥梁跨越部分的承载结构和桥梁支座组成。桥面构造包括行车道人行道、栏杆等。 
 
下部结构为桥墩、桥台和桥梁基础。下部结构是支承部分,又称支承结构。它指桥梁结构中设置在地基上用以支承桥跨结构,将其荷载传递至地基的结构部分。桥墩位于相邻桥跨之间,桥台位于桥梁两端。桥台后端伸入路基,兼有挡住桥头路基填土以及连接路基和桥跨的作用。两个墩台之间的空间就是桥孔。每个桥孔在设计水位处的距离为孔径。从设计水位到桥跨之间的高度,叫做净空。桥梁的孔径和净空应能满足排洪水、流水、泥石流和船舶通航等的要求。每个桥跨在两个支点之间的距离,叫做跨度,整个桥梁包括墩台在内的总长,就是桥梁的全长。 
 
桥墩主要由顶帽、墩身组成。桥台主要由顶帽、台身组成。顶帽的作用是把桥跨支座传来的较大而集中的力,分散而匀称地传给墩身和台身。因此顶帽应采用强度较高的材料建筑,一般用不低于200级钢筋混凝土建筑,且厚度不小于40厘米。此外,顶帽还须有较大的平面尺寸,为施工架梁及养护维修提供必要的工作面。墩身和台身是支承桥跨的主体结构,不仅承受桥跨结构传来的全部荷载,而且还直接承受土压力、水流冲击力、冰压力、船舶撞击力等多种荷载,所以墩身和台身都具有足够的强度、刚度和稳定性。铁路桥梁墩台有重力式墩台和轻型墩台两类。
 
重力式墩台主要依靠自身较大的重量和较大的截面尺寸,以及建筑材料的抗压性能,来承受竖直方向和水平方向荷载的墩台。一般采用抗压性能较好,抗拉性能较差的石料或混凝土由泥水工筑建。 
 
轻型墩台采用钢筋混凝土、预应力混凝土结构,也有用钢结构的墩台。这种墩台同重力式墩台比较具有造型轻巧美观和工程量少,以及可减轻地基负荷、节省基础工程和便于采用拼装结构等优点。因此,应用较广泛。 
 
随着高速铁路的飞速发展,铁路桥梁在高速铁路中,更显示突出地位。由于高速铁路的运营密度及对舒适性、安全性的要求均高于普通线路,由此高速列车对桥梁结构的动力作用也就更大。但从经济合理理念出发,高速铁路的桥梁必须按不同情况而定。其中,高架桥通常墩身不高,跨度较小,桥梁往往长达十余公里,用以穿越既有交通路网、人口稠密地区及地质不良地段。 
 
谷架桥用以跨越山谷,跨度较大,墩身较高;一般桥梁垮越大江长河。 
 
为节省土地资源,以桥代路的高速铁路设计大增,使桥梁比例、高架长桥增大增多。加之高速铁路设计参数限制严格,曲线半径大、坡度小,并需要全封闭行车,因而桥梁建筑物、高架长桥的数量大大多于普通铁路。日本近2000公里的高速铁路中,桥梁占线路总长的47%。我国武广客运专线桥梁占线路总长的42.14%,而京沪高速铁路桥梁占线路总长的86.5%。 
 
高速铁路桥梁必须具有足够大的刚度和良好的整体性,以防止桥梁出现较大挠度和振幅。同时,必须限制桥梁的预应力徐变上拱和不均匀温差引起的结构变形,以保证轨道的高平顺行。一般来说,高速铁路桥梁设计主要由刚度控制,强度基本上不控制其设计。尽管高速铁路载重小于普通铁路,但实际应用的高速铁路桥梁在梁高、梁重上均超过普通铁路。 
 
由于高速铁路对线路、桥梁、隧道等土建工程的刚度要求严格,因此,高速铁路桥梁跨度以中小跨度为主。以京沪高速铁路上的桥梁为例,绝大多数为中小跨度,常用桥式为等跨布置的双线整孔简支梁,跨度有24米、32米、40米几种,以32米梁居多,其中20米以下跨度的桥梁由4至5片T梁组成。
 
高速铁路要求依次铺设跨区间无缝线路,而桥上无缝线路钢轨的受力状态不同于路基,结构的温度变化、列车制动、桥梁挠曲会使桥梁在纵向产生一定位移,引起桥上钢轨产生附加应力。过大的附加应力会造成桥上无缝线路失稳,影响行车安全。因此,墩台基础要有足够的纵向刚度,以尽量减少钢轨附加应力和梁轨间的相对位移。 
 
高速铁路的中断行车会造成很大的经济损失和社会影响,因此高速铁路桥梁一方面要尽量减少维修,另一方面要便于日常检查和维修。一些国家在设计高速铁路桥梁时,将改善结构物的耐久性作为主要设计原则,统一考虑合理的结构布局和结构细节,规定高速铁路桥梁在结构耐久性方面以50年不需维修为设计基准期,在日常检查、养护前提下,期待能达到100年的耐用期。 
 
世界范围内的高速铁路在建筑材料上90%以上的桥梁都选用混凝土结构,桥梁主体结构和附属设施的材料除满足相关规范要求外,对组成混凝土原材料的选择、外加剂的成分、后张法预应力的管道压浆材料都有具体规定,保证结构耐久。为减弱桥梁振动和减少噪声,以钢筋混凝土、预应力混凝土和部分预应力混凝土、型钢混凝土桥为宜。钢筋混凝土及部分预应力混凝土梁应比一般铁路桥梁更严格控制裂缝宽度,在不得已的情况下使用钢桥时,最好采用外包混凝土梁,桥面采用正交异性板桥面构造。在梁高、施工等受限的地方,可考虑组合梁方案。 
 
根据高速铁路对桥梁动力性能的结构体系要求和我国铁路桥梁建设的经验,结合桥梁工程造价和施工运营条件,一般都选用简支梁、连续梁、组合梁、刚架及拱等刚度大的桥型,跨度一般不超过 100米。小跨度刚架桥的截面形式以现浇板梁为宜;简支梁与连续梁桥的截面以单箱单室箱梁为宜;钢桁架桥的桥面系以采用正交异性板为宜;组合梁桥也以箱形截面为宜。中小跨度桥梁中,在地形、地质及桥位适合的地方,可采用拱桥、连续钢构、斜拉桥等桥式,一般采用下承式结构为宜。40米以上的中等跨度桥梁基本可采用箱形截面预应力混凝土连续梁形式,40米以下的小跨度桥梁则主要采用预应力混凝土或部分预应力混凝土简支梁。 
 
高速铁路桥梁桥面结构形式布置是否合理将直接影响桥梁的耐久性和运营期间的维修作业。我国高速铁路桥梁采用双线整体桥面,设置了防排水体系、防护墙、电缆槽、接触网支柱、检查通道人行道板、栏杆或声屏障,可以有效防止列车颠覆、便于线路养护等。
 
高速铁路桥梁上部结构,在双线并列的情况下,梁部结构可采用两单线桥的分离结构,也可采用双线整体式结构。对于中等跨度混凝土连续梁结构,以采用双线整体结构较为合理;对于小跨度桥,则需要从制造、运输、假设、运营、养护及动力性能等方面进行考虑。 
 
高速铁路桥梁下部结构而言,中小跨度桥梁宜采用轻型墩台,特别是对于多跨联孔的高架桥。除高地震区外,宜优先采用轻型的耳墙式桥台,轻型桥墩优先采用双柱式墩。基础形式的选择主要取决于桥址处的水文地质情况,除深水河流外,一般用明挖扩大基础和桩基础。 
 
此外,高速铁路桥梁对支座的要求也很严格,除了减振性能外,主要在于更严格的横向位移限制。

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