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第137期 高速铁路桥梁创新实践

2021-8-25 15:12

【52监测网】第137期 高速铁路桥梁创新实践

第114期 低空遥感技术在城市轨道交通勘测设计中的应用

52监测网专家报告分享-第137期

《高速铁路桥梁创新实践》
严爱国 中铁第四勘察设计院集团有限公司

目录
一、高速铁路桥梁概况
二、无支座整体式刚构桥
三、混凝土梁—拱组合结构
四、高速铁路无砟轨道组合梁斜拉桥
五、刚构连续体系多塔斜拉桥

内容介绍

一、高速铁路桥梁概况


◇ 建设规模

• 截至2019年底,全国高速铁路运营里程达3.5万公里,其中桥梁长度超过1.6万公里;
• 技术标准涵盖时速350公里客运专线,以及时速200~250公里城际铁路、客货共线铁路;
• 我国是铁路桥梁运营里程最长,在建规模最大的国家,其中设计、施工、制造等成套技术、运营速度均处于世界先进水平。

◇ 主要特点

① 桥梁在高速铁路线路中占比高
• 我国幅员辽阔,地形、地质条件复杂,公路、水运等交通网密集,因此高铁建设中,需要设置较多的桥梁;
• 桥梁用地省,能节约宝贵的土地资源;
• 与路基相比较,桥梁的后期沉降更易于控制;

例:京沪高铁丹昆特大桥,长165公里,为世界最长桥梁,经镇江、常州、无锡、苏州等经济发达地区,跨越的道路、河流多达300余处,在桥上设了4个高架车站,全桥共有连续梁、梁拱组合桥等特殊结构139处。


② 大量使用32m整孔预应力砼简支箱梁
总长度的85%采用了32m预应力混凝土简支箱梁桥,预制架设施工。这项技术政策很好的解决了我国高速铁路高质量、快速建设要求:

• 整孔箱梁,横、竖向刚度大,动力性能好;
• 梁重850吨,研发了提、运、架全套大型施工设备,一套设备每天可运架2~4孔,施工速度快;
• 梁场集中预制,工程质量更有保证。


③ 100m以上大跨桥梁多,且以混凝土桥型为主
• 高速铁路技术标准高,平面曲线半径大(时速350公里铁路,最小曲线半径7000m),与既有道路、河道小角度斜交非常普遍,导致主跨100m以上的桥梁非常多;
• 混凝土结构刚度大、噪音小、成本低、维修养护方便,针对我国的国情,混凝土桥是优先考虑的桥型。

例:在建的福州至厦门高铁,设计时速350公里,线路全长278公里,桥梁长度181公里,非标准的特殊结构桥梁长37.7公里,全线超过100m以上大跨桥梁多达51处。


◇ 主要技术要求

① 刚度要求高
《高速铁路设计规范》7.3.2条第1点规定:梁部结构在ZK竖向静活载作用下,梁体的竖向挠度不应大于下表限值。


在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下,梁体水平桡度不大于计算跨度的1/4000。

② 变形控制严
墩台基础沉降:均匀沉降不超过20mm,相邻墩台沉降差需控制在5mm以内。
铺轨后残余徐变变形:跨度≤50m的无砟桥面竖向变形不应大于10mm;跨度>50m的无砟桥面竖向变形不应大于L/5000且不应大于20mm。
相邻梁端横向变形差:在列车横向摇摆力、离心力和温度的作用下,无砟轨道桥梁相邻梁端两侧的钢轨支点处横向相对位移不应大于1mm。
桥面扭转变形:ZK静活载作用下梁体扭转引起的轨面不平顺限值,以一段3m长的线路为基准,一线两根钢轨的竖向相对变形量不应大于1.5mm。
梁端转角限值:


③ 动力性能要求高
结构频率:

简支梁竖向自振频率限值

• 桥面板频率:桥面板在20Hz及以下强振频率作用下竖向振动加速度限值,有砟桥面≤3.5m/s2,无砟桥面≤5.0m/s2。

车—桥耦合动力响应控制指标

为满足高速列车安全、平稳运行,针对众多的高墩、大跨桥梁,重点需要解决结构刚度问题(包含纵、横、竖三个方向),以及工后徐变变形控制问题。在高速铁路工程实践中,创新性的提出了一系列新型结构。


二、无支座整体式刚构桥

◇ 无支座整体式刚构桥工程应用

福厦高铁泉州湾跨海大桥


• 在建的福州至厦门高铁,设计时速350km,泉州湾特大桥全长20.3km,跨海段长8.9km,与既有的泉州环城高速公路大桥并行跨越跨越泉州湾(两桥轴心距离85m)。
• 公路桥主桥为400m跨斜拉桥,两侧深水区引桥为70m预应力砼梁。
• 铁路桥与公路桥并行对孔布置,主桥两侧的深水区引桥,高墩达50m,采用了3×70m(2×70m)整体式刚构桥,共21联,长度4.3km 。


• 因墩高、且淤泥层厚,下部结构刚度控制设计;
• 50m墩高的3×70m刚构,边、中墩按单墩计算纵向抗推刚度分别只有50、180KN/cm;形成整联刚构体系后纵向抗推刚度达1800KN/cm;
• 方案研究阶段,比选了同跨度的简支梁、T构等不同桥式,因整体刚构桥式下部结构工程量减少,每延米节省造价约4万,总造价节省约1.7亿。
• 3×70m无支座整体式刚构,各墩均与梁固结,相邻联边墩之间设置断缝、共基础;
• 梁部采用预应力混凝土箱梁,顶宽12.6m,底宽7m;跨中梁高4.1m,墩顶梁高6.6m。
• 边墩采用矩形实体墩,顺桥向×横桥向尺寸为1.6×10m;中墩采用空心墩,顺桥向×横桥向尺寸为4.0×10m。


为限制相邻联梁端横向变形差,设置了横向限位装置

推广应用


珠机城际铁路上:采用了多联66.5m整体刚构(海中、深水、高墩引桥)


宜昌到兴山高铁上:采用了多联64m整体刚构(山区、U型宽谷、50~80m高墩)


三、混凝土梁——拱组合结构

◇ 结构形式丰富

技术允许条件下,优先选用混凝土桥型,一直是我国铁路桥梁的设计技术原则。但受结构体量、以及严格的后期徐变变形控制要求,铁路混凝土连续梁跨度基本控制在140m以内,连续刚构跨度基本控制在200m以内。


为拓展混凝土结构使用范围,我国铁路桥梁工程师创造性的提出了混凝土梁—拱组合结构,形式涵盖简支系杆拱、连续系杆拱、连续梁拱、连续刚构拱,V构拱等。

当前工程建设中,连续梁拱桥最大跨度达224m,连续刚构拱桥最大跨度达300m。

◇ 连续梁拱组合结构合理参数

• 通过长期的研究和工程实践,得出了连续梁(刚构)拱桥的设计参数建议值,梁高为同跨度梁式桥的0.7~0.8。


• 连续梁(刚构)拱组合结构边中跨比采用0.45~0.5。
• 拱肋矢跨比宜取1/5~1/6。
• 拱梁抗弯刚度比宜取1/15~1/25。

◇ 连续梁拱组合结构受力特点

梁拱共同受力,对于梁与拱的内力分配,恒载可通过施加的吊杆力主动调整,活载则是按梁、拱的各自刚度大小分配。

梁拱组合结构效应分析:通过对相同跨度的连续梁 与 连续梁拱,中跨施加相同的均布荷载,考察两种结构主梁中支点截面的剪力、弯矩,以及跨中截面的弯矩变化。


◇ 连续梁(刚构)拱施工
• 先梁后拱;
• 连续梁(刚构)采用常规悬灌施工;
• 拱肋利用混凝土梁桥面为施工作业面,可采用支架拼装、先卧拼后竖转、顶推、吊装等方案;


◇ 部分大跨梁拱组合桥刚度及工后徐变


梁拱组合桥高铁建设中得到了广泛的应用,达数百处;该项技术被中国铁道学会评价为铁路桥梁20年来五大技术成就之一。

◇ 工程实例

连续梁拱桥-京沪高铁京杭运河特大桥

京沪高铁京杭运河特大桥

• 2011年建成通车,为主跨180m连续梁拱,设计时速350km,为当时铺设无砟轨道最大跨度桥梁;
• 建成后至今,桥面线形稳定;

连续刚构拱桥-汉十高铁崔家营汉江特大桥

汉十高铁崔家营汉江特大桥

• (130+2x300+130)m连续刚构拱组合桥;
• 2019年建成通车;
• 国内外最大跨度连续刚构柔性拱组合桥;
• 在高速铁路桥梁上首次采用了四联拱组合结构。

四、高速铁路无砟轨道组合梁斜拉桥

◇ 高速铁路轨道类型

无砟轨道


优点:列车运行时速可达350公里;稳定性、平顺性好;后期养护工作量少。
缺点:刚性,后期线形调整量小。

有砟轨道


优点:弹性,后期线形可调整量大。
缺点:列车最高运行时速250公里;稳定差;后期养护工作量大。

◇ 铺设无砟轨道——对高铁大跨桥梁的技术要求


(1)良好的横、竖向刚度:确保高速列车行驶时保持着良好的轨道线形;
(2)良好的动力性能:满足高速铁路行车安全性、舒适性的要求;
(3)长期稳定的线形:工后徐变变形、温度变形要小;
(4)梁轨受力协调性、变形跟随性要好。


基于这些技术要求,长期以来铺设无砟轨道的高速铁路桥梁跨度都在200m以内,且均是以刚度大、恒活比大的混凝土梁为主。近10年,没有取得相关技术突破。

◇ 大跨度桥上铺设无砟轨道必要性

大跨度桥上铺设有砟轨道导致两大问题:
有砟轨道最高速度250km/h,在时速350公里线路上形成限速点;
在整段无砟线路中间插入小段有砟轨道,造成后期的运营、养护不便。

为突破在大跨桥梁上铺设无砟轨的技术瓶颈,依托昌赣客专赣州赣江特大桥,国铁集团组织多家单位,进行了一系列技术攻关:
• 高速铁路无砟轨道斜拉桥关键技术;
• 高速铁路无砟轨道大跨度桥梁变形控制技术标准;
• 桥梁-轨道受力及变形协调性研究;
• 大跨桥梁无砟轨道线形高精度控制技术
• 大跨度桥上无砟轨道验收及养修标准;


◇ 昌赣客专赣州赣江桥

南昌至赣州客运专线,设计时速350公里,赣州赣江特大桥于赣州市跨越赣江,为主跨300m的斜拉桥。


总体布置:
• 主桥孔跨布置:(35+40+60+300+60+40+35)m,半漂浮体系;
• 中跨主梁采用箱形钢-混凝土组合梁,边跨及辅助跨梁部采用混凝土箱梁;
• 铺设无砟轨道。

主要技术措施:组合梁为箱形截面,单箱三室,由槽型钢梁与混凝土桥面板相组合,梁高4.5m。


为提高桥梁静、动力性能,设计上采取了一系列技术措施:
中跨采用组合梁,相比纯钢梁,即增加了恒载重量、提高了结构整体高度;
边跨及辅助跨采用混凝土梁,增强了对主跨的锚固作用,也提高了结构刚度;
• 跨度布置上,边跨设置多辅助墩,减小梁端横、竖向转角及横向“摆尾”变形效应;


组合梁混凝土桥面板提前预制,降低结构后期收缩、徐变变形;
对应线路中心处,箱梁设腹板,提高索间桥面刚度。

运营情况:大桥于2019年12月通车运营。
• 联调联试速度达到380km/h;
• 线路平顺性TQI指标2.5≤5;
• 开通运营速度350km/h。


取得了高铁大跨桥上铺设无砟轨道技术突破。

创新成果
(1)提出了高速铁路无砟轨道大跨度桥梁变形控制技术标准,填补了技术标准上的空白。
曲线半径R≥0.4V2 、300~500m桥梁竖向挠跨比1/800~1/700;
徐变变形限值≤1/5000。
(2)在高速铁路斜拉桥上采用钢-混凝土组合梁,优化了CRTSⅢ型板式无砟轨道结构和布置,解决了桥-轨受力与变形协调性。
(3)提出了大跨桥上无砟轨道线形静态验收技术标准,为大跨无砟桥梁静态验收及后期养护提供了理论依据。轨道高低控制建议值7mm/60m,轨向控制建议值6mm/60m。
(4)无砟轨道铺设期间,考虑环境因素影响、建立了CPⅢ实时改正模型;并利用无砟轨道多层分级调控,逐级修正施工误差,实现了大跨桥上无砟轨道毫米级精度铺设。

五、刚构连续体系多塔斜拉桥

◇ 珠机城际金海大桥

概况


• 珠海站至机场城际铁路跨越西江磨刀门水道和白藤河水道出海口,水域宽约6km;
• 为充分利用桥位通道资源、节省工程投资,城际铁路在该段范围与金海高速公路合建;
• 受铁路设站、公路接线控制,采用公铁同层合建方式;
• 技术标准:双线城际铁路+6车道高速公路。


桥式
通航要求:主通航孔跨径为3个340m;主桥采用了(58.5+116+3×340+116+58.5) m,四塔三主跨斜拉桥,公铁同层合建,中间通行双线城际列车,两侧布置高速公路。


多塔斜拉桥结构体系


刚构连续体系既提高了结构刚度,又释放了长联温度力对边塔的不利影响。

比选了两种结构体系:
① 常规半漂浮体系
② 刚构连续体系:两个中塔塔梁墩固结,边塔塔梁固结、塔墩分离,纵向设双排支座。


常规半漂浮体系—桥塔外包型式:


• 需要通过增大桥塔的刚度来提高体系刚度,特别是中塔规模比较大;
• 温度变化对边塔形成 “拖拽”,对边塔及其基础受力不利;
• 桥塔高宽比不协调,景观效果差。

刚构连续体系—桥塔中置型式:
• 中墩固结,边墩设双排支座形成“准固结”,有效提高了结构刚度;
• 基础规模小;
• 布局紧凑,景观效果好。


采用刚构连续体系!

主梁及主塔


• 中间钢箱+两侧大挑臂的断面形式:桥面总宽度49.6m,两侧挑臂各长16m;
• 挑臂为6.0m大间距斜支撑,相比密斜撑,景观更好;
• 正交异性板上组合10cm的钢筋混凝土,改善桥面板受力。

抗风
桥位处设计基准风速38.5m/S,开展了主梁节段模型及全桥气弹模型风洞试验。


成桥状态和施工阶段的颤振、涡振和驰振都满足桥梁抗风设计规范的要求。


珠机城际金海大桥介绍:主梁截面顶宽49.6m,底宽17.6m,挑臂宽16.0m,梁高4.675m,利用大桥海鸥3600吨浮吊分12次吊装完成。

宽14m、高17.6m、重2514t的钢主塔,主塔整体滚装下河,运至墩位,采用大桥海鸥3600吨浮吊与1000t浮吊配合,将水平放置的钢塔起品空中翻转至铅垂状态,再利用大桥海鸥3600吨浮吊整体提升110m高,与钢箱梁顶面T0节殿精确对位,实现钢主塔一次吊装完成。

其余主跨26-27#、28-29#钢箱梁,采用800t桥面架梁吊机,依次悬臂架设节段长度24m的2节间钢箱梁,并同步在施工监控指导下安装相应节间的斜拉索,其桥宽49.6m,是目前世界上最宽公铁两用斜拉桥。

《高速铁路桥梁创新实践》
严爱国 中铁第四勘察设计院集团有限公司

注:内容源自严爱国先生在IBTC桥隧大会上的报告内容分享,转载自城市地下空间,本文仅供个人研学交流,版权归原作者所有。

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