第四章第二节高速客专桥梁的检测与维修

高速铁路桥梁—标准、设计、施工及维护1讲座内容一.前言二.客运专线桥梁特点三.主要设计原则及相关限值四.我国高速铁路桥梁结构型式五.预应力混凝土梁施工质量控制要点六.桥梁动力性能试验七.高速列车作用下桥振动分析八.高速铁路桥梁的维修养护2一、前言31.桥梁是客运专线土建工程中重要组成部分，比例大、高架桥及长桥多。42.客运专线桥梁的主要功能是为高速列车提供稳定、平顺的桥上线路。桥上线路与路基上、隧道中的线路不同，由于桥梁结构在列车活载通过时产生变形和振动，并在风力、温度变化、日照、制动、混凝土徐变等因素作用下产生各种变形，桥上线路平顺性也随之发生变化。因此，每座桥梁都是对线路平顺的干扰点。尤其是大跨度桥梁。为了保证高速列车的行车安全和乘坐舒适，高速铁路桥梁除了具备一般桥梁的功能外，首先要为列车高速通过提供高平顺、稳定的桥上线路。53.客运专线桥梁可分为高架桥、谷架桥和跨越河流的一般桥梁。混凝土和预应力混凝土结构具有刚度大、噪音小、温度变化引起结构变形对线路影响少、养护工作量小、造价低等优势，在客运专线桥梁设计中广泛采用。6京津城际铁路高架桥概貌4.全面采用无砟轨道是高速铁路发展趋势，桥上无砟轨道对桥梁的变形控制提出更为严格的要求。无砟轨道的优点

弹性均匀、轨道稳定、乘坐舒适度进一步改善

养护维修工作量减少

线路平、纵断面参数限制放宽，曲线半径减小，坡度增大无砟轨道基本类型

轨道板工厂预制、现场铺设—日本板式轨道、德国博格型无砟轨道

现场就地灌筑—德国雷达型无砟轨道（长枕埋入式、双块式）7普通铁路桥梁概貌客运专线桥梁概貌85.客运专线与普通铁路是两个时代的产物，客运专线设计、施工采用新理念，其建设促进了我国铁路桥梁工程技术的发展。二、高速铁路桥梁特点9客运专线铁路桥梁的主要特点：结构动力效应大桥上无缝线路与桥梁共同作用满足乘坐舒适度100年使用寿命维修养护时间少101.结构动力效应大桥梁在列车通过时的受力要比列车静置时大，其比值（1+μ）称为动力系数（冲击系数）。产生动力效应的主要因素：移动荷载列的速度效应轨道不平顺造成车辆晃动α—速度参数v—车速（m/s）

i—轨道不平顺的影响（常数项）n—结构自振动频率（Hz）

k—系数L—跨度（m）vμ=k·α+i=k+i2n·L11客运专线速度效应大于普通铁路，桥梁的动力效应相应较大，对常用刚度的混凝土梁、车速为130、160、300km/h时，α-L的关系如下图：速度参数α的最大值跨度L（m）高速铁路荷载电车、内燃动车荷载机车荷载1213修建客运专线要求一次铺设跨区间无缝线路，以保证轨道的平顺和稳定。桥上无缝线路可看作为不能移动的线上结构，而桥梁在列车荷载、列车制动作用下和温度变化时要产生位移。当梁、轨体系产生相对位移时，桥上钢轨会产生附加应力。客运专线桥梁必须考虑梁轨共同作用。尽量减小桥梁的位移与变形，以限制桥上钢轨的附加应力，保证桥上无缝线路的稳定和行车安全。2.桥上无缝线路与桥梁共同作用14与普通铁路不同，客运专线要求高速运行列车过桥时有很好的乘坐舒适度，舒适度的评价指标为车厢内的垂直振动加速度。影响乘坐舒适度的主要因素有列车车辆的动力性能、车速、桥跨结构的自振频率和桥上轨道的平顺性。桥梁应具有较大的刚度、合适的自振频率，保证列车在设计速度范围内不产生较大振动。3.满足乘坐舒适度乘坐舒适度评定标准乘坐舒适度垂直加速度（m/s2）很好1.0好1.3可接受2.015对客运专线桥梁首次提出在预定作用和预定的维修和使用条件下，主要承力结构要有100年使用年限的耐久性要求。设计者应据此进行耐久性设计。客运专线采用全封闭行车模式行车密度大桥梁比例大、数量多4.100年使用寿命5.维修养护时间少三、主要设计原则及相关限值1617设计活载图式结构刚度与变形控制限值车桥动力响应梁轨纵向力传递耐久性措施桥面布置支座与墩台无砟轨道桥梁设计

设计原则18我国客运专线采用ZK活载图式（0.8UIC），我国新建时速200公里客货共线铁路仍采用中-活载及相应的动力系数。1.设计活载图式我国客运专线采用的ZK活载图式(0.8UIC)192.刚度和变形控制限值项目混凝土梁，简支钢板梁钢桁梁说明梁式桥跨梁体竖向挠度≤L/800≤L/900L—跨度墩台顶纵、横向弹性水平位移≤5L（mm）L—跨度，单位以米计当L＜24m时，按24m计静定结构墩台均匀沉降量≤20L（mm）静定结构相邻墩台均匀沉降量差≤10L（mm）我国普通铁路桥梁的规定20序号项目限值说明1桥面竖向加速度≤0.35g（0.5g）有砟(无砟)(f≤20Hz)2上部结构扭转变形≤1.5mm/3mZK活载作用下3梁端竖向转角变化≤2‰≤4‰≤1.5‰（梁端悬出长度≤0.55m）≤1.0‰（0.55＜长度≤0.75m）≤3.0‰（梁端悬出长度≤0.55m）≤2.0‰（0.55＜长度≤0.75m）有砟，梁与桥台之间有砟，梁与梁之间无砟，梁与桥台之间无砟，梁与桥台之间无砟，梁与梁之间无砟，梁与梁之间4梁端水平转角变化≤1‰5梁体水平挠度≤L/40006墩台基础工后均匀沉降≤30mm（20mm）有砟（无砟）7相邻墩台基础工后沉降差≤15mm（5mm）有砟（无砟）8铺轨后梁体残余徐变上拱≤20mm（10mm）有砟（无砟）2.刚度和变形控制限值21序号项目限值说明9简支梁竖向自振频率≥100/L（Hz）(L=12、16、20、24m）≥120/L（Hz）(L=32m）≥120/L（Hz）(L=12、16、20m）≥140/L（Hz）(L=24m）≥150/L（Hz）(L=32m）200~250km/h线路350km/h线路10上部结构挠度L/1400（L≤40m）L/1400（40m＜L≤80m）L/1000（L＞80m）L/1600（L≤40m）L/1900（40m＜L≤80m）L/1500（L＞80m）ZK静活载作用下200~250km/h线路ZK静活载作用下350km/h线路2.刚度和变形控制限值223.车线桥耦合振动响应分析客运专线桥梁结构除进行静力分析满足有关规定外，尚应按实际运营客车通过桥梁的情况进行车桥耦合动力响应分析。分析得出的各项参数指标应满足有关规定要求。车桥耦合动力响应分析是利用有限元方法建立车辆及线--桥结构动力模型、运动方程。在满足轮轨间几何相容和作用力平衡的条件下，求解行车过程中车、线、桥相应的动力参数指标，并判断其是否符合行车安全和乘坐舒适。23参数限值说明1脱轨系数Q/P≤0.8行车安全性要求2轮重竖向减载率△P/P≤0.6（＜350km/h）≤0.8（350~420km/h）行车安全性要求3桥面竖向加速度az有砟≤0.35g无砟≤0.5g行车安全性要求4轮对横向水平力Q′≤0.85（10+Pst/3）（kN）行车安全性要求5车体竖向振动加速度az≤0.13g（半峰值）舒适度要求6车体横向振动加速度ay≤0.10g（半峰值）舒适度要求7平稳性指标W＜2.5（优）2.5~275（良）2.75~3.0（合格）舒适度要求车线桥耦合振动响应分析各项动力参数限值3.车线桥耦合振动响应分析244.梁轨纵向力传递桥上无缝线路钢轨受力与路基上不同，由于桥梁自身的变形和位移会使桥上钢轨承受额外的附加应力。为了保证桥上行车安全，设计应考虑梁轨共同作用引起的钢轨附加力，并采取措施将其限制在安全范围内。钢轨附加应力的分类：制动力列车制动使桥墩纵向位移产生的钢轨附加力伸缩力梁体随气温变化纵向伸缩产生的钢轨附加力挠曲力梁体受荷挠曲变形产生的钢轨附加力254.梁轨纵向力传递为了保证桥上无缝线路（有砟）稳定和安全，要求：桥上无缝线路钢轨附加压应力不大于61MPa

桥上无缝线路钢轨附加拉应力不大于81MPa

制动时，梁轨相对快速位移不大于4mm当温度跨大于120m时，由于伸缩力过大，应设置钢轨伸缩调节器，释放钢轨附加应力。对于满足桥墩纵向最小刚度有困难的高墩谷架桥，应采用结构措施，限制钢轨附加力。26改善耐久性的原则采用上承式结构和整体桥面高质量的桥面防排水体系和梁端接缝防水，不让桥面污水流经梁体结构构造简洁，常用跨度桥梁标准化、规格品种少结构便于检查，可方便地到任何部位察看足够的保护层厚度，普通钢筋最小保护层厚度≥3cm，预应力管道最小保护层≥管道直径截面尺寸拟定首先应保证混凝土的灌筑质量，应力不宜用足采用高品质混凝土5.耐久性措施275.耐久性措施-德国高速铁路桥梁构造措施实例44m预应力混凝土简支梁截面人行道示意285.耐久性措施-德国高速铁路桥梁构造措施实例桥面泄水孔构造支座示意295.耐久性措施-德国高速铁路桥梁构造措施实例箱梁检查通道305.耐久性措施-德国高速铁路桥梁构造措施实例梁体和墩柱辅助检查设施315.耐久性措施我国客运专线桥梁设计暂规以及设计图纸中比较充分地考虑了耐久性措施：采用整体、密闭的桥面提高了保护层厚度预留检查通道简化常用跨度标准梁的品种采用高性能混凝土优化构造细节326.桥面布置桥面布置优劣直接影响结构耐久性和桥梁使用方便。特点除线路结构外，桥面主要设施有：防、排水系统（防水层、保护层、泄水管、伸缩缝）电缆槽及盖板（检查通道）遮板、栏杆或声屏障挡砟墙或防护墙接触网支柱长桥桥面每隔2~3km设置应急出口336.桥面布置用挡砟墙（防撞墙）替代护轨，便于线路维修养护。有砟轨道桥梁，挡砟墙内侧至线路中心线距离2.2m，便于大型养路机械养修线路。直曲线梁的桥面等宽，接触网支柱设在桥面，线路中心至立柱内侧净距不小于3.0m。桥面总宽按检查通道是否行走桥梁检查车而定。时速350km客运专线桥梁（无砟）顶宽分别为13.4m和12.0m。采用优质防水层和伸缩缝，确保桥面污水不直接在梁体上流淌。346.桥面布置-检查通过行走桥梁检查车有砟桥面无砟桥面356.桥面布置-伸缩缝构造伸缩缝构造367.支座与墩台支座客运专线桥梁对支座的要求应明确区分固定和活动支座，保证桥上无缝线路的安全支座应纵、横向均能转动，并能使结构在支点处可横向自由伸缩支座应便于更换盆式橡胶支座能符合上述要求，被广泛应用于各国高速铁路桥梁每孔简支箱梁的四个支座采用四种型号有砟桥梁的坡道梁支座应垂直设置（无砟桥梁另作考虑）采用架桥机架设箱形梁，要保证四支点在同一平面上采用架桥机架设箱形梁，要保证四支点在同一平面上377.支座与墩台墩台墩台基础的纵向刚度应满足纵向力安全传递的要求，横向刚度应保证上部结构水平折角在规定的限值以内。为保证桥墩具有足够的刚度，结构合理、经济，墩高20m以下宜采用实体墩，大于20m宜采用空心墩，禁止使用轻型墩；为便于养护维修、同时注重外观简洁，取消了墩帽、并在墩顶设有0.5~1m深的凹槽；同时墩顶预留千斤顶顶梁位置。预制架设简支梁，墩顶支座纵向间距由普通铁路桥梁70cm放大至120cm；桥位制梁时，应考虑相邻孔梁端张拉空间，墩顶支座宜采用170cm；梁底进人孔设置在墩顶位置。387.支座与墩台简支箱梁支座布置图397.支座与墩台矩形实体墩效果图矩形实体墩设计图407.支座与墩台圆端形空心墩效果图圆端形空心墩设计图418.无砟轨道桥梁设计桥上无砟轨道建成后可调整余量很小，扣件垫板在高程上调整量约为2cm，为了保证客运专线线路的平顺和稳定，必须限值桥梁的各种变形。轨距块轨距挡板弹条螺旋道钉轨下垫板平垫圈预埋套管铁垫板下调高垫板轨下微调垫板铁垫板铁垫板下弹性垫板428.无砟轨道桥梁设计德国桥上雷达2000无砟轨道438.无砟轨道桥梁设计京津-北京环线特大桥CRTS-II型板式无砟轨道桥梁双线整孔箱梁CRTS-II型板式无砟轨道特殊构造448.无砟轨道桥梁设计影响桥上无砟轨道平顺性的主要因素：墩台基础工后沉降预应力混凝土梁在运营期间的残余徐变上拱梁端竖向转角桥面高程施工误差梁端接缝两侧钢轨支点的相对位移日照引起的梁体挠曲和旁弯相邻不等高桥墩台顶的横向位移差差458.无砟轨道桥梁设计墩台基础工后沉降应满足以下要求（必要时可采用调高支座）：均匀沉降≤20mm相邻墩台不均匀沉降≤5mm梁端竖向转角会引起钢轨的局部隆起，造成梁端接缝两侧钢轨支点承受附加拉力和压力。应限制转角使附加拉力小于扣件的扣压力、附加压力不超过垫板允许的疲劳压应力；轨道板上抬的稳定安全系数小于1.3。当梁端悬出长度过大时，宜采用平衡板构造措施。468.无砟轨道桥梁设计平衡板示意及国外施工照片梁端竖向转角的影响478.无砟轨道桥梁设计无砟轨道铺设后，预应力混凝土梁残余徐变上拱应不大于1cm，大跨度桥梁应不大于2cm。控制徐变上拱的措施有：增大梁高优化预应力筋布置采用部分预应力结构延长预施应力至铺设无砟轨道的时间间隔，一般不少于60天桥面高程施工误差应控制在+0/-30mm。以保证有足够的无砟轨道建筑高度。施工应根据梁高偏差、架梁时支座与垫石间灌浆层厚度确定支承垫石顶面的高程。488.无砟轨道桥梁设计梁端接缝两侧钢轨支点在活载及横向力作用下的竖向和横向相对位移不大于1mm。应考虑支座弹性压缩变形、梁端转角、坡道梁伸缩、支座横向间隙等影响。日照引起梁体挠曲或桥墩横向位移应与其它因素组合满足竖向与水平折角的要求，必要时需进行动力检算。四、我国高速铁路桥梁结构型式49501.我国客运专线桥梁特点高速铁路采用全封闭的行车模式，线路平纵面参数限制严格以及要求轨道高平顺性，导致桥梁在线路中所占比例明显增大。尤其是在人口稠密地区和地质不良地段，为了跨越既有交通网，节省农田，避免高路基的不均匀沉降等，亚洲各国家和地区高速铁路建设中大量采用高架线路。51国家或地区线路名称线路起止点线路里程（km）桥梁里程（km）桥梁所占线路比例西班牙马德里-塞维利亚马德里-塞维利亚471153.2%意大利罗马-佛罗伦萨罗马-佛罗伦萨2543212.6%罗马-那不勒斯罗马-那不勒斯19437.919.5%德国汉诺威-维尔茨堡汉诺威-维尔茨堡3274112.5%贝海姆-斯图加特贝海姆-斯图加特9966.1%科隆-法兰克福科隆-法兰克福1774.82.7%法国TGV东南线巴黎-里昂417256.0%TGV大西洋线巴黎-勒芒/图尔2823612.8%TGV北方线北部省-欧洲3307021.8%东南延伸线里昂-瓦朗斯1213932.2%环巴黎联络线环巴黎1282015.6%TGV地中海线瓦朗斯-马赛295144.7%TGV东方线-4505.91.3%日本东海道新干线东京-大阪51517333.6%山阳新干线大阪-博多55421138.1%上越新干线-27016661.5%东北新干线东京-八户593344.458.1%北陆新干线高崎-长野1173933.3%中国台湾省台北-高雄台北-高雄34525774.5%韩国首尔-釜山首尔-釜山412111.827.1%各国高速铁路桥梁占线路比例统计表52新建线路名称正线长度（km）桥梁总延长（km）桥梁所占线路比例石太客专189.9339.220.6京津城际115.2100.287.7合宁铁路187.0731.2516.7郑西客专486.9283.558.0武广客专968.2465.2448.1京沪高速13181060.980.5甬台温铁路282.491.432.4温福铁路298.477.125.8合武客专359.4115.932.2福厦铁路274.984.830.8广深港104.459.256.7广珠城际142.3134.194.2厦深客专502.4204.1640.6胶济四线169.9130.9340.6哈大客专903.9663.373.7海南东环308.11102.9533.4长吉城际96.2630.331.5昌九城际91.5831.9634.9合计6801360753.0我国客运专线桥梁占线路比例统计表531.我国客运专线桥梁特点我国客运专线桥梁具有以下特点：桥梁比例大，高架*、长桥、大跨度桥梁多；设计时速300km、350km的客运专线及城际铁路全部采用无砟轨道；桥梁必须预制架设，以实现一次铺设无缝线路；传统的铺轨、架梁施工方法与施工组织不再适用；国情要求建设速度快。*我国既有普通铁路线路总长约74000km，桥梁总延长约为2500km，占线路总长的3.4%。542.客运专线桥梁结构型式与施工方法的选择常用跨度桥梁选择的考虑因素：刚度大、变形小，能够满足各种使用要求；标准化，品种、规格简洁；便于快速施工和质量保证；力求经济与美观的统一。552.客运专线桥梁结构型式与施工方法的选择预应力混凝土简支箱梁桥：常用跨度桥梁以等跨布置的32m双线整孔预应力混凝土简支箱梁*为主型结构，少量配跨采用24m简支箱梁。施工方法主要采用沿线设置预制梁厂进行箱梁预制，运梁车、架桥机运输架设。部分采用移动模架、膺架法桥位灌筑。*我国新建高速铁路桥梁中90%以上为32m预应力混凝土简支箱梁结构。562.客运专线桥梁结构型式与施工方法的选择预应力混凝土连续箱梁桥跨越公路、站场、河流等跨度较大的桥梁主要采用预应力混凝土连续箱梁，根据结构跨度布置、类型和工期要求，多采用悬臂、膺架法施工。预应力混凝土连续箱梁32+48+3240+56+4040+60+4040+64+4048+80+4860+100+6080+128+801.多采用现场灌筑，部分造桥机2.等跨连续梁部分采用先简支后连续或造桥机施工预应力混凝土连续箱梁类型572.客运专线桥梁结构型式与施工方法的选择其它大跨度及特殊桥梁结构：预应力混凝土连续刚构、各种拱结构、斜拉桥及梁-拱组合结构等。为保证列车的安全和乘坐舒适，对大跨度桥梁的竖向刚度提出了严格的限制。京沪高速铁路南京大胜关长江大桥武广客运专线武汉天兴洲长江大桥583.客运专线桥梁实例-京津城际铁路桥梁数量多、比例大，全线桥梁共计100.3km，约占正线全长的87%。其中特大桥5座，长99.56km。大量采用双线整孔箱梁结构，以32m简支箱梁为主，跨越主要河流、道路采用连续梁，最大跨度为跨北京四环（60+128+60m）加劲拱连续梁、五环桥跨（80+128+80m）连续梁。基础采用桩基，桩径1m，桩长50m左右，大跨桥桩径1.5m，桩长70m。建设周期短，22个月完成101km桥梁工程。五、预应力箱梁质量控制措施59六、高速铁路桥梁动力性能试验601、高速桥梁动力试验的特点（1）桥上列车运行的安全性和平稳性与车辆、轨道、桥梁的状态和三方面的参数及相应的诸多因素相关。随着列车速度的提高，桥梁和轨道状态及其动力性能对列车运行性能的影响更加突出。从系统动力学角度出发，对车辆、轨道和桥梁三部分进行测试。（2）对桥梁的结构特点和变形性能、桥上轨道进行调研和系统的分析，有针对性的选择测试参数、测试范围和布置测点。（3）试验数据的分析和评判既要从桥梁、轨道和列车的动力响应和评价标准出发，对各子系统的动力性能进行分析评价，还要从系统观点研究，系统分析桥梁、轨道和列车动力响应，最终从列车运行的安全性和平稳性、桥梁和轨道的正常运营等进行综合评价。2、试验工点的选取原则（1）新设计或修改设计的标准梁；（2）新型桥梁结构或采用新型轨道结构的桥梁；（3）大跨度特殊结构桥梁；（4）连续等跨布置的长大桥梁引起竖向周期性不平顺效应。基于以上原则，按照如下步骤确定检测桥梁工点：（1）根据设计资料，分析典型桥梁的分布状况；（2）现场踏勘；（3）根据设计单位、建设单位、运营管理单位意见。

试验桥梁:对合宁线、京津城际铁路、合武线、武广线综合试验段、石太线的35座桥梁（合宁5座、京津8座、合武8座、武广8座、石太6座）。进行动力性能检测，共66孔梁，共21种梁型，分别为：

1、16mT梁

2、32m单线T梁

3、24m、32m、40m双线箱梁

4、32m单线箱梁

5、24m、32m组合箱梁

6、（40+56+40）m结合梁

7、64m下承式钢桁结合梁

8、(32+48+48+32)m连续梁、6-32m连续梁、(32+48+32)m连续梁、（80+128+80）m连续梁、（45+70+70+45）m连续梁、(40+56+40)m连续梁(17.2+4×20+17.2)m刚构连续梁、(19.7+8×20+14.7)m刚构连续梁、（18+3-24+18）m刚构连续梁

9、(42.5+60+42.5)m斜腿连续刚构

10、（60+128+60）m系杆拱连续梁

表2试验桥梁汇总试验桥梁汇总序号检测工点梁型图号直、曲线枕底道砟厚度（cm）坡度（‰）选择目的1合宁线高速公路立交中桥64m下承式钢桁结合梁专桥（2006）9727直线430特殊结构2合宁线滁河大桥16m预应力混凝土T梁通桥（2006）2203-Ⅱ直线350特殊结构3合宁线滁河大桥（40+56+40）m结合梁通桥（2005）0243直线350特殊结构4合宁线襄滁河特大桥32m双线简支箱梁（2006）2221-Ⅶ直线370常用跨度5合宁线襄滁河特大桥24m双线简支箱梁通桥（2006）2221-Ⅵ直线360常用跨度6合武线倒水特大桥32m双线组合箱梁通桥（2005）2227-Ⅱ直线441.1常用跨度7合武线滠水特大桥(32+48+48+32)m连续梁合武施图（桥）参Ⅱ-02直线460.8特殊结构8合武线跨黄孝公路特大桥(17.2+4×20+17.2)m双线连续刚构合武武枢施图（桥）-5左线：圆曲线右线：缓和曲线505.8特殊结构9合武线跨黄孝公路特大桥32m单线简支箱梁通桥（2005）2211圆曲线505.8新型结构10合武线响洪甸特大桥6-32m连续梁合武施图（桥）参Ⅱ-01直线450特殊结构桥上岔区续上表2试验桥梁汇总序号检测工点梁型图号直、曲线枕底道砟厚度（cm）坡度（‰）选择目的11合武线响洪甸特大桥32m组合箱梁（2005）2227-Ⅱ直线450常用跨度12合武线正线响洪甸大桥(19.7+8×20+14.7)m刚构连续梁/直线460特殊结构13合武线祝家冲特大桥24m组合箱梁通专桥（2005）2227-Ⅱ直线455.7新型结构14石太线古驿道大桥32m单线T梁通桥（2005）2101-IR=1600m曲线4513.5常用跨度15石太线冶河特大桥(32+48+32)m连续梁通桥（2005）2261-V直线550特殊结构16石太线冶河特大桥24m双线简支箱梁石太桥通-11-03直线550常用跨度17石太线冶河特大桥32m双线简支箱梁石太桥通-11-01直线550检验连续等跨布置的长大桥梁的竖向周期性不平顺效应18石太线冶河特大桥32m双线简支箱梁石太桥通-11-01直线54-3特殊结构19

石太线孤山大桥(42.5+60+42.5)m斜腿连续刚构石太施变桥-02-II直线板式无砟轨道13.4

特殊结构续上表试验桥梁汇总序号检测工点梁型图号直、曲线枕底道砟厚度（cm）坡度（‰）选择目的20京津城际跨北京环线特大桥（60+128+60）m系杆拱连续梁京津桥通40直线CRTSⅡ板式无砟轨道0.5

特殊结构21京津城际跨北京环线特大桥（80+128+80）m连续梁京津桥通41曲线CRTSⅡ板式无砟轨道4

特殊结构22京津城际漷小路大桥（18+3-24+18）m刚构连续梁/直线CRTSⅡ板式无砟轨道-5

特殊结构23京津城际杨村特大桥（45+70+70+45）m连续梁京津桥通14直线CRTSⅡ板式无砟轨道3.5

特殊结构24京津城际永定新河特大桥32m双线简支箱梁

通桥(2005）2322-Ⅱ曲线CRTSⅡ板式无砟轨道3.5

检验连续等跨布置的长大桥梁的竖向周期性不平顺效应序号检测工点梁型图号直、曲线枕底道砟厚度（cm）坡度（‰）选择目的25京津城际永定新河特大桥24、32m双线简支箱梁通桥（2005）2322-Ⅱ曲线CRTSⅡ板式无砟轨道4

连续等跨布置的长大桥梁的竖向周期性不平顺效应、24m梁竖向刚度合理性26京津城际永定新河特大桥（32+48+32）m连续梁京津桥通16曲线CRTSⅡ板式无砟轨道4特殊结构27京津城际永定新河特大桥40m双线简支箱梁通专桥（2005）2322z-Ⅲ直线CRTSⅡ板式无砟轨道0特殊结构28武广线五一水库特大桥(40+56+40)m连续梁武广客专乌花施图Ⅰ（桥）-09直线CRTSI双块式无砟轨道11特殊结构29武广线车程家大桥32m双线简支箱梁专桥武广（2006）2322-Ⅱ直线Rheda2000双块式无砟轨道5.61

Rheda2000双块式30武广线孙家特大桥32m双线简支箱梁专桥武广（2006）2322-Ⅱ直线CRTSI双块式无砟轨道0

检验连续等跨布置的长大桥梁的竖向周期性不平顺效应31武广线孙家特大桥32m双线简支箱梁专桥武广（2006）2322-Ⅱ直线CRTSI双块式无砟轨道0

检验连续等跨布置的长大桥梁的竖向周期性不平顺效应续上表

试验桥梁汇总序号检测工点梁型图号直、曲线枕底道砟厚度（cm）坡度（‰）选择目的32武广线光星特大桥32m双线简支箱梁专桥武广（2006）2322-Ⅱ曲线CRTSI板式无砟轨道0.9

与铺设减振型无砟轨道的桥梁对比33武广线瓦屋特大桥32m双线简支箱梁专桥武广（2006）2322-Ⅱ直线CRTSI板式减振型无砟轨道2

铺设减振型无砟轨道的桥梁34武广线东安街特大桥24m双线简支箱梁专桥武广（2006）2322-Ⅱ直线CRTSI板式无砟轨道024m梁竖向刚度合理性35武广线东安街特大桥(32+48+32)m连续梁武广客专乌花施图Ⅰ（桥）-09直线CRTSI板式无砟轨道0特殊结构续上表

试验桥梁汇总3、测试项目（1）梁体控制截面的动应变及动力系数

测试列车以5km/h和其他速度通过桥梁时梁体控制截面的动应变，一方面分析动应力的大小，另一方面以5km/h的实测结果为准静态值分析应变动力系数，以评定桥梁的动力效应是否满足要求。（2）梁体控制截面动挠度及动力系数测试列车以5km/h速度通过桥梁时的梁体控制截面准静态竖向挠度，换算至中—活载和ZK活载，得到竖向挠跨比，以评定桥跨竖向刚度。通过测试列车以其他速度通过桥梁时测试得到的动挠度，分析挠度动力系数。

（3）梁体竖向振动（含振幅、强振频率、自振频率、阻尼比）测试列车通过桥梁时梁体竖向振动（含强振频率、振幅），分析竖向激励特征和梁体是否产生竖向共振现象；

通过用环境微振动法或余振法测试梁体竖向固有特性（含自振频率、阻尼比），以评定梁体动力性能。（4）梁体横向振动（含振幅、强振频率、自振频率、阻尼比）测试列车通过桥梁时梁体横向振动（含强振频率、振幅），以分析横向激励特征和评定梁体横向刚度；

通过用环境微振动法或余振法测试梁体横向固有特性（含自振频率、阻尼比），以评定梁体横向动力性能。

（5）桥面竖向振动加速度测试列车通过桥梁时桥面竖向振动加速度，以评定桥梁的振动强度是否满足桥上轨道状态稳定要求；（6）桥墩横向振动（含振幅、强振频率、自振频率）测试列车通过桥梁时墩顶横向振动（含强振频率、振幅），以分析横向激励特征和评定桥墩横向刚度；通过用环境微振动法或余振法测试桥墩横向自振频率，以评定桥墩动力性能。（7）支座的横向和竖向位移测试列车通过桥梁时支座的横向和竖向位移，以评定支座的竖向和横向位移是否满足要求。（8）列车速度和位置测试列车速度和位置，以分析在某些测试参数超标时列车在桥上的排列，找出产生异常激励的车辆。（1）自振频率

客运专线桥梁采用整孔箱梁和整体桥面T梁，桥墩不用柔性结构，桥梁的横向自振频率大大提高，基本不存在横向振动问题。因此一般重点关注高速移动列车作用下的竖向振动问题。

研究表明，当桥梁竖向自振频率小于某一定值时，动力系数急剧增大。当速度参数α>0.33时，桥梁可能产生共振，将引起较大冲击。日本1992版的铁路桥梁设计规范《铁道构造物设计标准—混凝土结构》对于频率和冲击系数的规定是根据速度效应参数α

<0.33制定的。724、测试结果及评价

简支梁竖向自振频率与跨度关系图从实测结果可以推算出梁体实际竖向自振频率为：200~250客专：160/L300~350客专：200/L

这样一来，速度参数α为：200~250客专：0.217300~350客专：0.243

均明显小于日本建议的α=0.33。所以客运专线的标准梁频率较高，不会发生明显共振，冲击较小。图2梁体横向阻尼比与跨度关系图

（2）竖向振动加速度和竖向振动幅值

客运专线相关规范均规定：道砟桥面强振频率不大于20Hz的竖向振动加速度a≤3.5m/s2

；无砟桥面强振频率不大于20Hz的竖向振动加速度a≤5.0m/s2。主要是为了保证轨道的稳定性、防止道砟粉化。

从实测结果看，由于梁体刚度大，频率高，高速列车通过时梁体的竖向加速均较小，250km/h线路的桥梁在0.05g以下；350km/h线路的桥梁在0.15g以下。梁体跨中竖向加速度与跨度关系图（250km/h动车组）梁体跨中竖向加速度与跨度关系图（350km/h动车组）

实测梁体跨中最大竖向振幅，从整体趋势来看，120km/h货车重车作用下梁体跨中竖向振幅最大，120km/h货车空车居中，动车组最小；在试验车速范围内，均未发生竖向共振现象。跨中竖向振幅梁体跨中竖向振幅与跨度关系图（120km/h货车）梁体跨中竖向振幅与跨度关系图（160km/h客车）梁体跨中竖向振幅与跨度关系图（250km/h动车组）梁体跨中竖向振幅与跨度关系图（350km/h动车组）

（3）动力系数动力系数评价可分为运营动力系数和设计动力系数。运营动力系数评价实际运营列车的动力系数与列车速度、梁体的跨度和竖向自振频率以及实际的轨道状态有关，国内外的大量理论和试验研究表明，在不出现共振条件下，运营列车的动力系数可引用欧洲标准1：承重结构的设计原理及对桥梁的作用—第3部分：桥上的移动荷载（DINVENV1991-3：1996-08；德文版ENV1991-3：1995），用下式表示：

设计动力系数

设计动力系数是在制定设计荷载图式时考虑各种运营的机车车辆的轴重和速度，根据实际列车的动力作用大小，按设计动力作用与实际动力作用等效的原则确定的动力系数。因此动力系数可以根据下式的原则予以评价，实测的运营动力系数乘以列车轴重得出的实际动力作用不超过设计考虑的动力作用。

桥梁动力系数出现峰值，就意味着共振的发生，意味着激烈的振动，这就会造成道床松散，钢轨损伤，影响轨道结构的正常工作，也会引起混凝土开裂，结构疲劳，承载力降低，甚至危及桥梁的安全。随着预应力混凝土结构的应用，在满足强度要求的前提下梁体可具有较低的刚度，速度参数α超过0.33的情况也逐渐增加。为适应近年来的新干线高速化的发展现状，日本于2004年编制了新版《铁道构造物设计标准—混凝土结构》，并于2006年制定了《铁道构造物设计标准—变形限制》。新标准较1992版标准有很大的变化，主要是不再规定桥梁频率的下限，提供了设计冲击系数μ根据速度参数α、桥梁跨度与车辆长度之比的查询曲线。

梁体动力系数查询表按我国《200~250暂规》和《300~350暂规》竖向自振频率限值和实测频率依据日本规范计算冲击系数μ对比表跨度（m）冲击系数μ（250设计）冲击系数μ

（250实际）冲击系数μ

（350设计）冲击系数μ（350实际）5.01.08/1.08/6.01.05/1.05/8.01.28/1.20/10.02.40/2.00/12.00.78/0.70/16.00.900.1860.84/20.00.80/0.60/24.00.810.086~0.3280.810.34832.00.890.292~0.3102.180.31040.00.68/0.680.225

梁体挠度动力作用与跨度关系图（换算至ZK活载）

梁体挠度动力作用与跨度关系图（换算至ZK活载）

（4）竖向挠跨比

120km/h货车、250km/h或350km/h动车组准静态通过桥梁时推算双线加载时跨中最大挠度（扣除盆式橡胶支座竖向位移），换算至中—活载和ZK活载的跨中竖向挠跨比。换算至中—活载的跨中竖向挠跨比，均满足《200客货共线暂规》限值和设计值要求；换算至ZK活载的跨中竖向挠跨比，均满足《200~250暂规》的限值要求，且均有较大裕量。

实测京津城际、武广线综合试验段桥梁换算至ZK活载的跨中竖向挠跨比，均满足《300~350暂规》的限值和设计值要求，且均有很大裕量。

梁体挠跨比与跨度关系图(换算至中-活载)

梁体挠跨比与跨度关系图（换算至ZK活载）

（5）梁体横向振动参数评价标准①横向振幅

《桥检规》规定不同类型梁体及列车在不同速度级别的横向振幅的通常值，如预应力混凝土梁，跨中横向振幅L/14.7B（mm）（客车，160<v≤200km/h）、L/7.0B（货列重车，v<80km/h）。②横向加速度

《桥检规》规定梁体横向振动加速度不大于1.4m/s2。③横向自振频率

《既有线提速200km/h技术条件（试行）》规定L≤64m简支的混凝土梁、下承式钢桁梁、钢板梁的横向自振频率不应小于60/L0.8

（Hz）。④桥墩横向参数

墩顶横向振幅和桥墩横向自振频率通常值注：H为墩全高（自基底或桩承台底至墩顶）（m）；H1为墩高（自基顶或桩承台顶至墩顶）（m）；B为墩身横向平均宽度（m）。

实测梁体跨中最大横向振幅均远小于《桥检规》通常值，在试验车速范围内，均未发生横向共振现象。从整体趋势来看，120km/h货车重车作用下梁体跨中横向振幅最大，120km/h货车空车居中，动车组最小。

实测分析结果表明，采用整孔箱梁和整体桥面T梁后，梁体刚度大大提高，实测横向振幅比既有线的标准还要低得多。

如果以实测的横向振幅与轨道方向不平顺标准（3～5mm）相比，梁体的横向振动对轨道和行车基本没有影响。

跨中横向振幅：梁体跨中横向振幅与跨度关系图（120km/h货车）梁体跨中横向振幅与跨度关系图（160km/h客车）梁体跨中横向振幅与跨度关系图（250km/h动车组）梁体跨中横向振幅与跨度关系图（350km/h动车组）

200~250km/h客专墩（台）顶横向振幅汇总(mm)120km/h货车160km/h客车CRH2动车组《桥检规》通常值0.01~0.120.01~0.030.001~0.110.40~1.94

300~350km/h客专墩（台）顶横向振幅汇总(mm)CRH2空车CRH2重车CRH3空车CRH3重车《桥检规》通常值0.005~0.0870.005~0.100.01~0.1180.005~0.0490.56~1.19墩顶横向振幅均远小于《桥检规》通常值。桥墩横向自振频率与120km/h货车、CRH2或CRH3动车组车辆蛇行运动的频率相差较远，不会产生横向共振现象，实测桥墩横向振幅很小。

（6）位移参数评价日本《铁路结构物设计标准及解说（钢桥、结合梁桥）》端横梁的拼接纵梁位置处的挠度限度值2mm（新干线）、3mm（既有铁路130km/h<v≤160km/h）。

日本《铁路结构物设计标准及其解释—变位限制标准》(2006年）规定，保证列车运行安全性的错位标准为：2.0mm(260km/h)；1.5mm(300km/h)；1.0mm（360km/h)

《200客货共线暂规》规定纵向活动支座的横向位移不大于±1mm。

《300~350暂规》和《客运专线无砟轨道铁路设计指南》规定无砟轨道梁缝两侧的钢轨支点横向和竖向相对位移不应大于1mm。梁缝两侧钢轨支点的横竖向相对位移汇总表测试孔跨横向实测值(mm)竖向实测值(mm)限值(mm)孤山大桥边跨梁缝CRH2空车：0.07CRH2空车：0.671东安街特大桥跨2、3孔CRH2空车：0.12CRH2空车：0.171永定新河特大桥122、123孔CRH2空车：0.39CRH2重车：0.16CRH3空车：0.26CRH2空车：0.24CRH2重车：0.23CRH3空车：0.171永定新河特大桥198、199孔CRH2空车：0.39CRH2重车：0.29CRH3空车：0.28CRH3重车：0.10CRH2空车：0.47CRH2重车：0.08CRH3空车：0.41CRH3重车：0.091永定新河特大桥484、485孔CRH2空车：0.05CRH3空车：0.04CRH2空车：0.18CRH3空车：0.26CRH3重车：0.041梁缝两侧的钢轨支点横竖向相对位移均满足1mm要求。支座横向位移也满足1mm限值要求。从目前实测结果看，大跨度钢桥、拱桥桥面端横梁的竖向位移满足日本规范要求。七、高速列车作用下桥梁振动分析105

1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率由移动荷载引起的车桥系统竖向共振的因素有移动荷载列效应、车轮扁疤、钢轨凹陷、轨道不平顺。这里分析移动荷载列效应，即车辆重力荷载通过规则排列的轮轴对桥梁的周期性加载。当列车以速度V通过桥梁时，作为一系列重力组成的移动荷载列，每一个力都会引起结构的瞬态响应，连续形成一种周期性的激励，结构反应的幅值会随通过轴数N的增加而被放大，使结构出现共振。松浦章夫Mastsuura（1976）年指出，铁路桥梁发生共振是由于桥梁自振频率与列车对桥梁的加载频率的特有关系引起的。对于车桥系统来说，其荷载是运动的列车，当列车的速度改变时，加载频率就会发生变化。列车速度达到某一特定的值，加载频率就会接近桥跨结构自振频率，从而引起共振。

铁路车辆存在4个特征距离（轴距、转向架中心距、相邻两车的相邻转向架中心距、车长）对应4种竖向加载频率（移动荷载频率）。1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率

松浦章夫（1976）在研究铁路桥梁竖向共振机理时指出，移动荷载列对桥梁的竖向加载频率fl主要取决于车速v（m/s）和车长Lv(m)，而轴距、定距、两车相邻转向架的中心距由于重复作用不连续，相对处于次要地位。即：

1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率CRH2和CRH3动车组对桥梁的竖向加载频率竖向加载频率(Hz)速度(km/h)CRH2(车长25.0m)CRH3(车长24.175m)1601.781.842002.222.302502.782.872753.063.163003.333.453253.613.733503.884.023754.164.311、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率

动车组作用下32m梁竖向强振频率与行车速度关系图120km/h货车作用下梁体竖向强振频率与行车速度关系图

动车组作用下竖向强振频率与行车速度关系图，从图上可以看出，竖向强振频率与速度呈线性关系，梁体强振频率与速度的拟合直线的斜率接近车长的倒数/3.6=0.011，可见引起桥梁竖向振动的主要激振源是移动荷载效应，证明了移动荷载列对桥梁的竖向加载频率主要取决于车速和车长。

1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率

对于跨度16m梁、24m梁、32m梁、40m梁、64m梁、(32+48+48+32)m连续梁、6-32m连续梁、(32+48+32)m连续梁、(40+56+40)m连续梁、6-32m连续梁、(42.5+60+42.5)m斜腿连续刚构）、(17.2+4×20+17.2)m刚构连续梁、(19.7+8×20+14.7)m刚构连续梁、（18+3×24+18）m刚构连续梁的梁体竖向自振频率与120km/h货车、动车组竖向加载频率相差较远，不会产生竖向共振现象。对于较大跨度桥梁（80+128+80）m连续梁、（45+70+70+45）m连续梁竖向自振频率在动车组竖向加载频率的范围内，但由于动车组质量较小、编组较短，激励能量有限，因此实测桥梁竖向振幅仍然很小，未发生明显共振现象。对于（60+128+60）m预应力混凝土系杆拱连续梁在动车组速度160~170km/h时对桥梁的竖向加载频率与梁体的竖向自振频率2.03Hz接近，实测中跨128m梁体跨中竖向振幅和应变动力系数也有较明显增大，但由于动车组质量较小、编组较短，激励能量有限，因此实测桥梁竖向振幅和应变动力系数仍然很小，实测中跨128m梁最大竖向振幅在动车组速度160~170km/h时竖向振幅仅为0.156mm，相比其跨度来说非常小。

前面说过列车对桥梁的竖向激励主要取决于速度和车长，车辆的其他特征距离由于重复性间断，不占主要地位，但是不是说没有作用呢？下面以祝家冲特大桥24m组合箱梁为例，说明相邻两节车辆相邻转向架距离起的作用，这种现象在2004年京秦线提速试验中16m梁中也出现过。下面从竖向振幅、挠度动力系数、应变动力系数三个指标来综合分析这种现象。从三个图中可以看出，这三个指标均与行车速度的关系不明显，但CRH2动车组车速达到230km/h左右时，三个指标均出现明显峰值，而当车速增大到250km/h左右时，三个指标又减小。发生这种现象的主要原因是，当CRH2动车组的车速为230~240km/h时，由相邻两节车辆相邻转向架距离（7.5m）引起的竖向加载频率为8.52~8.89Hz，接近该梁的竖向自振频率8.59Hz，导致梁体动力响应明显增大。24m组合箱梁跨中竖向振幅与行车速度关系图24m组合箱梁挠度动力系数实测与行车速度关系图24m组合箱梁应变动力系数实测与行车速度关系图

共振的工程概念：激励频率与结构固有频率之比0.75~1.25之间。共振并不是十分可怕，其危害程度需要看以下三方面：（1）共振激励的持续时间（2）激励的大小

双线简支梁换算ZK活载系数（静力，双线加载）跨度CRH2-300空车/ZK活载CRH2-300定员/ZK活载CRH3空车/ZK活载CRH3定员/ZK活载24m0.28710.32490.38700.432632m0.25750.29150.34240.383040m0.23820.26970.31560.35291、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率（3）阻尼的作用桥梁结构的阻尼由两部分组成：一部分为内阻尼，与结构材料的性质有关，可假定为粘滞阻尼；另一部分为外阻尼，是由于结构、构件、支点及支座的外摩擦引起的，属非线性阻尼。在计算和试验测试中，通常都不加以区分，按照粘滞阻尼假定，综合叠加在一起。1、梁体竖向激励与梁体竖向自振频率

<1>桥梁结构的阻尼比一般在0.3%~6%之间。

<2>按照材料分类，上部结构阻尼比

<3>按照结构类型分类，上部结构阻尼比由小到大的顺序为：①悬索桥、斜拉桥，②拱桥