【52监测网】第137期 高速铁路桥梁创新实践
 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。 |
2019-12-05
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