高速鐵路設(shè)備系列介紹之五——話說(shuō)鐵路橋梁

1、高速鐵路設(shè)備系列介紹之五話說(shuō)鐵路橋梁：要修建一條鐵路，常常會(huì)碰到江河、山谷、公路或者與另外一條鐵路交叉，為了讓鐵路跨越這些地形上的障礙，就需要修建各種各樣的鐵路橋梁。鐵路橋梁，貌望簡(jiǎn)單，實(shí)看鐵路 橋梁卻是相當(dāng)了不起的工程，它能把原本隔斷、分開的并無(wú)法或難以改變、更動(dòng)的山谷， 海洋及河流等地形、地貌各區(qū)域得到有效、很好的連接，能讓火車巨龍飛馳奔向遠(yuǎn)方。有 人比喻說(shuō)，鐵路橋梁似多色彩虹；有人比喻說(shuō)鐵路橋梁似巨龍飛翔。但有一點(diǎn)可相同，人 們的比喻想象力是從鐵路橋梁的結(jié)構(gòu)形狀出發(fā)的。所以，還是順其自然，從鐵路橋梁的結(jié) 構(gòu)出發(fā)點(diǎn)開始話說(shuō)鐵路橋梁。鐵路橋梁結(jié)構(gòu)，它由上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)組成。上部結(jié)構(gòu)是跨越部

2、分，又稱跨越結(jié)構(gòu)或橋跨結(jié)構(gòu)。由橋面結(jié)構(gòu)、橋梁跨越部分的承載結(jié)構(gòu) 和橋梁支座組成。橋面構(gòu)造包括行車道人行道、欄桿等。下部結(jié)構(gòu)為橋墩、橋臺(tái)和橋梁基礎(chǔ)。下部結(jié)構(gòu)是支承部分，又稱支承結(jié)構(gòu)。它指橋梁結(jié)構(gòu) 中設(shè)置在地基上用以支承橋跨結(jié)構(gòu)，將其荷載傳遞至地基的結(jié)構(gòu)部分。橋墩位于相鄰橋跨 之間，橋臺(tái)位于橋梁兩端。橋臺(tái)后端伸入路基，兼有擋住橋頭路基填土以及連接路基和橋 跨的作用。兩個(gè)墩臺(tái)之間的空間就是橋孔。每個(gè)橋孔在設(shè)計(jì)水位處的距離為孔徑。從設(shè)計(jì) 水位到橋跨之間的高度，叫做凈空。橋梁的孔徑和凈空應(yīng)能滿足排洪水、流水、泥石流和 船舶通航等的要求。每個(gè)橋跨在兩個(gè)支點(diǎn)之間的距離，叫做跨度，整個(gè)橋梁包括墩臺(tái)在內(nèi) 的總長(zhǎng)

3、，就是橋梁的全長(zhǎng)。橋墩主要由頂帽、墩身組成。橋臺(tái)主要由頂帽、臺(tái)身組成。頂帽的作用是把橋跨支座傳來(lái) 的較大而集中的力，分散而勻稱地傳給墩身和臺(tái)身。因此頂帽應(yīng)采用強(qiáng)度較高的材料建筑， 一般用不低于 200級(jí)鋼筋混凝土建筑，且厚度不小于 40 厘米。此外，頂帽還須有較大的平 面尺寸，為施工架梁及養(yǎng)護(hù)維修提供必要的工作面。墩身和臺(tái)身是支承橋跨的主體結(jié)構(gòu)， 不僅承受橋跨結(jié)構(gòu)傳來(lái)的全部荷載，而且還直接承受土壓力、水流沖擊力、冰壓力、船舶 撞擊力等多種荷載，所以墩身和臺(tái)身都具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。鐵路橋梁墩臺(tái)有 重力式墩臺(tái)和輕型墩臺(tái)兩類。 重力式墩臺(tái)主要依靠自身較大的重量和較大的截面尺寸，以及建筑材料

4、的抗壓性能，來(lái)承 受豎直方向和水平方向荷載的墩臺(tái)。一般采用抗壓性能較好，抗拉性能較差的石料或混凝 土由泥水工筑建。輕型墩臺(tái)采用鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，也有用鋼結(jié)構(gòu)的墩臺(tái)。這種墩臺(tái)同重力式 墩臺(tái)比較具有造型輕巧美觀和工程量少，以及可減輕地基負(fù)荷、節(jié)省基礎(chǔ)工程和便于采用 拼裝結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。因此，應(yīng)用較廣泛。隨著高速鐵路的飛速發(fā)展，鐵路橋梁在高速鐵路中，更顯示突出地位。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，由此高速列車對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力作用 也就更大。但從經(jīng)濟(jì)合理理念出發(fā)，高速鐵路的橋梁必須按不同情況而定。其中，高架橋 通常墩身不高，跨度較小，橋梁往往長(zhǎng)達(dá)十余公里，用以穿

5、越既有交通路網(wǎng)、人口稠密地 區(qū)及地質(zhì)不良地段。谷架橋用以跨越山谷，跨度較大，墩身較高；一般橋梁垮越大江長(zhǎng)河。 為節(jié)省土地資源，以橋代路的高速鐵路設(shè)計(jì)大增，使橋梁比例、高架長(zhǎng)橋增大增多。加之 高速鐵路設(shè)計(jì)參數(shù)限制嚴(yán)格，曲線半徑大、坡度小，并需要全封閉行車，因而橋梁建筑物、 高架長(zhǎng)橋的數(shù)量大大多于普通鐵路。日本近 2000 公里的高速鐵路中，橋梁占線路總長(zhǎng)的 47%。我國(guó)武廣客運(yùn)專線橋梁占線路總長(zhǎng)的42.14%，而京滬高速鐵路橋梁占線路總長(zhǎng)的86.5%。高速鐵路橋梁必須具有足夠大的剛度和良好的整體性，以防止橋梁出現(xiàn)較大撓度和振幅。 同時(shí)，必須限制橋梁的預(yù)應(yīng)力徐變上拱和不均勻溫差引起的結(jié)構(gòu)變形，以保

6、證軌道的高平 順行。一般來(lái)說(shuō)，高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)主要由剛度控制，強(qiáng)度基本上不控制其設(shè)計(jì)。盡管高 速鐵路載重小于普通鐵路，但實(shí)際應(yīng)用的高速鐵路橋梁在梁高、梁重上均超過(guò)普通鐵路。由于高速鐵路對(duì)線路、橋梁、隧道等土建工程的剛度要求嚴(yán)格，因此，高速鐵路橋梁跨度 以中小跨度為主。以京滬高速鐵路上的橋梁為例，絕大多數(shù)為中小跨度，常用橋式為等跨 布置的雙線整孔簡(jiǎn)支梁，跨度有 24米、 32米、 40米幾種，以 32 米梁居多，其中 20米以 下跨度的橋梁由4至5片T梁組成。 高速鐵路要求依次鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路，而橋上無(wú)縫線路鋼軌的受力狀態(tài)不同于路基，結(jié) 構(gòu)的溫度變化、列車制動(dòng)、橋梁撓曲會(huì)使橋梁在縱向產(chǎn)生一定位

7、移，引起橋上鋼軌產(chǎn)生附 加應(yīng)力。過(guò)大的附加應(yīng)力會(huì)造成橋上無(wú)縫線路失穩(wěn)，影響行車安全。因此，墩臺(tái)基礎(chǔ)要有 足夠的縱向剛度，以盡量減少鋼軌附加應(yīng)力和梁軌間的相對(duì)位移。高速鐵路的中斷行車會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響，因此高速鐵路橋梁一方面要盡量 減少維修，另一方面要便于日常檢查和維修。一些國(guó)家在設(shè)計(jì)高速鐵路橋梁時(shí)，將改善結(jié) 構(gòu)物的耐久性作為主要設(shè)計(jì)原則，統(tǒng)一考慮合理的結(jié)構(gòu)布局和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，規(guī)定高速鐵路橋 梁在結(jié)構(gòu)耐久性方面以 50 年不需維修為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，在日常檢查、養(yǎng)護(hù)前提下，期待能達(dá) 到 100 年的耐用期。世界范圍內(nèi)的高速鐵路在建筑材料上 90%以上的橋梁都選用混凝土結(jié)構(gòu)，橋梁主體結(jié)構(gòu)和 附屬

8、設(shè)施的材料除滿足相關(guān)規(guī)范要求外，對(duì)組成混凝土原材料的選擇、外加劑的成分、后 張法預(yù)應(yīng)力的管道壓漿材料都有具體規(guī)定，保證結(jié)構(gòu)耐久。為減弱橋梁振動(dòng)和減少噪聲， 以鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土和部分預(yù)應(yīng)力混凝土、型鋼混凝土橋?yàn)橐?。鋼筋混凝土及?分預(yù)應(yīng)力混凝土梁應(yīng)比一般鐵路橋梁更嚴(yán)格控制裂縫寬度，在不得已的情況下使用鋼橋時(shí)， 最好采用外包混凝土梁，橋面采用正交異性板橋面構(gòu)造。在梁高、施工等受限的地方，可 考慮組合梁方案。根據(jù)高速鐵路對(duì)橋梁動(dòng)力性能的結(jié)構(gòu)體系要求和我國(guó)鐵路橋梁建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合橋梁工程 造價(jià)和施工運(yùn)營(yíng)條件，一般都選用簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁、組合梁、剛架及拱等剛度大的橋型， 跨度一般不超過(guò) 100 米

9、。小跨度剛架橋的截面形式以現(xiàn)澆板梁為宜；簡(jiǎn)支梁與連續(xù)梁橋的 截面以單箱單室箱梁為宜；鋼桁架橋的橋面系以采用正交異性板為宜；組合梁橋也以箱形 截面為宜。中小跨度橋梁中，在地形、地質(zhì)及橋位適合的地方，可采用拱橋、連續(xù)鋼構(gòu)、 斜拉橋等橋式，一般采用下承式結(jié)構(gòu)為宜。 40 米以上的中等跨度橋梁基本可采用箱形截面 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁形式， 40 米以下的小跨度橋梁則主要采用預(yù)應(yīng)力混凝土或部分預(yù)應(yīng)力 混凝土簡(jiǎn)支梁。高速鐵路橋梁橋面結(jié)構(gòu)形式布置是否合理將直接影響橋梁的耐久性和運(yùn)營(yíng)期間的維修作業(yè)。 我國(guó)高速鐵路橋梁采用雙線整體橋面，設(shè)置了防排水體系、防護(hù)墻、電纜槽、接觸網(wǎng)支柱、 檢查通道人行道板、欄桿或聲屏障，可以有效防止列車顛覆、便于線路養(yǎng)護(hù)等。高速鐵路橋梁上部結(jié)構(gòu)，在雙線并列的情況下，梁部結(jié)構(gòu)可采用兩單線橋的分離結(jié)構(gòu)，也 可采用雙線整體式結(jié)構(gòu)。對(duì)于中等跨度混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，以采用雙線整體結(jié)構(gòu)較為合理; 對(duì)于小跨度橋，則需要從制造、運(yùn)輸、假設(shè)、運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)及動(dòng)力性能等方面進(jìn)行考慮。高速鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)而言，中小跨