我国高速铁路预应力混凝土箱梁研究与应用胡所亭06上海

我国高速铁路预应力混凝土箱梁研究与应用胡所亭06上海第1页/共48页2前言结构选型及关键设计参数研究系统试验研究质量控制体系结语第2页/共48页3

随着京津城际、武广、郑西等350km/h级高速铁路，合宁、合武、石太、甬台温、温福等250km/h级高速铁路相继开通运营，我国高速铁路运营总里程已跃居世界第一，标志着我国铁路已经全面步入高速铁路时代。一.前言高速铁路运营里程对比(截止2010年3月)第3页/共48页

根据国务院、国家发改委最新批准的“中长期铁路网发展规划”。高速铁路建设在“四纵四横”骨架基础上，进一步加大繁忙干线客货分线力度，延伸并扩大高速铁路覆盖面，加强高速铁路之间相互连通和衔接，发挥整体优势。我国高速铁路建设目标在1.6万公里以上。哈大高速铁路京沪高速铁路京广高速铁路沿海高速铁路太青高速铁路陇海高速铁路沪汉蓉高速铁路沪昆高速铁路4第4页/共48页5为保证高速列车运行的安全与舒适，高速铁路线路应具有高平顺性、高稳定性、高精度、小残变及少维修等特点，同时出于节约土地、保护线路周边环境等目的，我国高速铁路建设中大量采用了高架桥梁结构，桥梁约占线路总长的50%左右。其中，京津城际铁路和京沪高速铁路桥梁比例分别高达88%、80%以上。常用跨度预应力混凝土桥梁结构占桥梁总里程的95%以上。一.前言我国既有普通铁路桥梁仅占线路总长的4%。第5页/共48页6我国高速铁路桥梁建设中面临两个十分突出的问题：(1)桥梁工程数量巨大；据目前不完全统计，我国已建和在建高速铁路预应力混凝土简支箱梁的数量已超过20万孔，本轮大规模建设结束时预计将接近30万孔。(2)建设周期相对较短，同时开工的线路多，在建桥梁工程十分集中。一.前言第6页/共48页7我国高速铁路建设概况结构选型及关键设计参数研究系统试验研究质量控制体系结语第7页/共48页8二.结构选型及关键设计参数研究2.1高速铁路桥梁主要设计原则普通铁路双片式T梁概貌(单线)高速铁路箱梁概貌(双向)对于常用跨度桥梁，高速铁路运营活载静态效应(动车组)约为普通客货共线铁路活载效应的35~55%。桥梁结构已由既有强度控制设计转变为刚度(变形)控制设计。第8页/共48页9刚度：桥梁应有足够的竖向、横向、纵向和抗扭刚度，减小结构的各种变形；耐久：桥梁结构应进行耐久性设计，并应便于检查与维护；环保：桥梁应与环境相协调（美观、减振降噪等方面）；质量保证：常用跨度桥梁力求标准化并简化规格、品种，便于施工和质量控制。二.结构选型及关键设计参数研究2.1高速铁路桥梁主要设计原则第9页/共48页10二.结构选型及关键设计参数研究2.2主要设计参数研究-活载图式及动力系数我国普通铁路桥梁采用中-活载图式和相应的动力系数。日本高速铁路采用接近运营列车实际活载图式和实际动力系数。欧洲统一采用UIC活载图式，它涵盖6种运营列车，包括高速列车和重载列车。第10页/共48页11二.结构选型及关键设计参数研究2.2主要设计参数研究-活载图式及动力系数根据高速铁路实际运营车辆，通过开展大量静动力分析确定桥梁设计活载效应，并参考国际铁路活载图式研究成果，提出了ZK活载图式和相应的动力系数。我国客运专线采用的ZK活载图式(0.8UIC)第11页/共48页12二.结构选型及关键设计参数研究2.2主要设计参数研究-梁部结构竖向基频和刚度限值列车以一定速度通过桥梁桥时，对桥梁的作用类似于频率固定的激振源；对于简支梁，其激振频率简化为速度(m/s)/车辆定长(m)。京津城际24m简支箱梁实测值京津城际32m简支箱梁实测值第12页/共48页13通过开展仿真分析和实测验证，系统研究了常用跨度桥梁动力响应与运行速度、列车类型(轴重、轴距和车辆定长、编组)和桥梁刚度(基频)的关系。限值标准确定的主要原则为：基于结构受力：动力系数；基于轨道状态：梁体竖向加速度；基于乘坐舒适度：车体竖向加速度。二.结构选型及关键设计参数研究2.2主要设计参数研究-梁部结构竖向基频和刚度限值第13页/共48页14二.结构选型及关键设计参数研究2.2主要设计参数研究-梁部结构竖向基频和刚度限值京津城际实测值与仿真分析对比图限值选择不当将导致动力系数过大甚至发生共振现象第14页/共48页152.2主要设计参数研究-梁端转角限值二.结构选型及关键设计参数研究为保证桥梁接缝部位有砟道床稳定性或梁端无砟轨道扣件系统的受力要求，同时保证高速列车乘坐舒适和行车安全。高速铁路桥梁设计时应控制活载作用下梁端转角在允许限值以内。经研究，在ZK静活载作用下，有砟轨道桥梁梁端竖向折角不应大于2‰。梁端转角示意图第15页/共48页162.2主要设计参数研究-梁端转角限值二.结构选型及关键设计参数研究对于采用无砟轨道的桥梁，梁端转角将使得梁缝两侧的扣件分别产生上拔和下压。为满足无砟轨道受力要求，根据其影响因素，分别规定了相应的限值。梁端扣件受力示意图影响因素：悬出长度、梁高、扣件布置第16页/共48页172.2主要设计参数研究-墩台纵向线刚度限值二.结构选型及关键设计参数研究高速铁路要求一次性铺设无缝线路，因此桥梁设计时必须考虑梁轨纵向相互作用，设计时应选择适宜的墩台纵向刚度、以尽量减小桥梁的位移与变形，限制桥上钢轨的附加应力，保证桥上无缝线路受力、稳定和行车安全。第17页/共48页182.2主要设计参数研究-桥梁长期变形限值二.结构选型及关键设计参数研究预应力混凝土梁部结构徐变变形会导致桥上线路的附加不平顺，影响行车安全和乘坐舒适。对于铺设无砟轨道的预应力混凝土箱梁：L≤50m的梁体竖向残余徐变变形应控制在10mm以内，L>50m的梁体残余徐变变形应满足L/5000的限值。如对于主跨100m的连续梁，跨中残余徐变变形应控制在20mm以内，实际监测表明，可控制在10mm以内。长期变形控制技术是铁路预应力混凝土箱梁的关键技术之一。第18页/共48页19综合国外高速铁路和我国既有铁路设计、运营经验，确定常用跨度桥梁梁部结构以采用预应力混凝土结构为主、墩台基础以钢筋混凝土结构为主，梁部截面类型以箱梁为主。根据大量车桥耦合动力仿真分析及试验验证结果，简支和连续两种结构均能满足高速列车运行安全和舒适要求，从结构标准化，规格简洁及施工等因素考虑，40m及以下跨度以简支结构为主、40m以上跨度多采用连续结构。二.结构选型及关键设计参数研究2.3常用跨度桥梁的结构选型第19页/共48页20通过大量的理论和试验研究，同时考虑施工能力等因素，常用简支梁跨度采用32m，少量配跨采用24m、40m等；常用连续梁主跨跨度主要为48m、56m、64m、70m、80m、100m和128m等。对于简支梁结构，大量采用现场预制、架桥机架设；少量采用造桥机、现场灌筑或预制节段法施工；对于连续梁结构，多采用现场悬臂灌筑，部分采用造桥机施工；等跨连续梁部分采用先简支后连续或造桥机施工。二.结构选型及关键设计参数研究2.3常用跨度桥梁的结构选型第20页/共48页21从快速施工和质量保证等因素考虑，大量简支梁结构采用沿线梁场预制、运梁车运输和架桥机架设的施工模式。二.结构选型及关键设计参数研究2.3常用跨度桥梁的结构选型高速铁路箱梁预制、运输和架设第21页/共48页22二.结构选型及关键设计参数研究

通过针对高速铁路桥梁设计的各项控制参数开展系统的研究，提出了相应的限值，目前均已纳入我国《高速铁路设计规范》，用于指导设计。与此同时，根据上述原则考虑我国高速铁路建设中的实际国情特点，确定了常用跨度桥梁结构型式，并统一颁布了通用设计参考图，从源头上较好地控制了设计质量，为后续整个质量控制体系打下了基础。第22页/共48页23我国高速铁路建设概况结构选型及关键设计参数研究系统试验研究质量控制体系结语第23页/共48页24三.系统试验研究为适应我国高速铁路建设中预应力混凝土箱梁广泛应用的实际情况，铁科院自上世纪90年代起，针对预应力混凝土简支箱梁开展了系统的试验研究，对简支箱梁的设计参数、制造工艺、使用性能和长期变形等方面进行了全面分析和试验研究。系列试验研究达到验证设计、检验工艺及形成并完善技术标准的目的，各项研究成果已广泛应用于预应力混凝土箱梁设计和施工中,并被纳入相关规范中。第24页/共48页25年代依托工点设计速度（km/h）设计跨度轨道形式附注活载1999秦沈线200中-活载24m有砟无砟先期开展1:2模型试验2005合宁线250中-活载24m32m有砟跨度32m箱梁包括先张和后张工艺两种2006郑西线350ZK活载32m无砟2007石太线250中-活载32m有砟郑西线350ZK活载32m无砟广珠线2000.6UIC32m无砟含整体和多片式箱型梁2008海南东环250中-活载32m有砟成灌线2000.6UIC32m无砟2009南广线250中-活载32m有砟时速250公里通用图合蚌线350ZK活载32m无砟单线箱梁试验研究高速铁路预应力混凝土简支箱梁主要试验研究项目汇总表第25页/共48页三.系统试验研究3.1简支箱梁静动力性能试验研究郑西客运专线（350km/h）首孔设计时速350km后张箱梁试验第26页/共48页三.系统试验研究3.1简支箱梁静动力性能试验研究合宁客运专线（250km/h）折线配筋的先张预应力混凝土箱梁第27页/共48页28三.系统试验研究3.1简支箱梁静动力性能试验研究高速铁路预应力混凝土箱梁在纵向采用全预应力结构设计，并结构抗裂安全系数≥1.2、强度安全系数≥2.0。通过对开展正常使用试验、开裂试验、重裂试验及破坏性试验四个阶段研究，对全预应力箱梁的剪力滞效应、抗裂性和设计强度等参数进行了系统的研究。第28页/共48页试验梁破坏状态裂缝扩展情况三.系统试验研究3.1简支箱梁静动力性能试验研究第29页/共48页30三.系统试验研究3.1简支箱梁静动力性能试验研究研究结果表明，高速铁路预应力混凝土箱梁刚度大，纵向按全预应力结构设计时，混凝土抗拉强度(γRL)的作用高于普通铁路常用预应力梁，即施工阶段必须避免梁体混凝土早期收缩开裂。高速铁路预应力混凝土箱梁在横向按钢筋混凝土结构设计，研究表明单线加载为活载横向加载的控制工况。第30页/共48页31通过在施工和运营两个阶段开展箱梁动力性能试验研究，施工期间在考虑梁面不同二期恒载的条件下，确保梁体基频满足规范要求，并通过联调联试期间的实车试验进行验证。三.系统试验研究3.1简支箱梁静动力性能试验研究第31页/共48页32三.系统试验研究3.2简支箱梁工艺试验研究-混凝土水化热控制研究成果表明，梁体在养护期间(特别是蒸汽养护)，早期温度过高虽然可提高混凝土强度发展速度提高生产效率，但对混凝土的后期性能将产生不利影响。研究提出混凝土芯部最高温度宜控制在60℃以下。为避免表面收缩裂缝的产生，研究提出拆模时混凝土芯部与表面、表面与环境温差均应控制在15℃以内。第32页/共48页33三.系统试验研究3.2简支箱梁工艺试验研究-预施应力工艺研究提出三阶段预施应力工艺：预张拉：用于避免混凝土早期产生裂缝；初张拉：初张拉用于克服梁体自重以进行移梁作业；终张拉：完成预施应力作业（并对已完成预、初张的钢束进行补张）。同时，预施应力工艺试验研究表明，距梁端约为一个梁高的位置，预应力在截面上的分布较好地符合线性规律。第33页/共48页34三.系统试验研究3.2简支箱梁工艺试验研究-箱梁移、运、架工艺第34页/共48页35三.系统试验研究3.2简支箱梁工艺试验研究-箱梁移、运、架工艺研究表明，支点存在不平整量时，梁端倒角部位(斜对角位置)将出现较大的拉应力,当支点不平整量超过3mm时，将可能导致裂缝产生。同时，支点不平整将引起四支点支反力的不平衡。第35页/共48页36三.系统试验研究3.2简支箱梁工艺试验研究-箱梁移、运、架工艺研究提出，预制梁在制梁场内运输、起落梁和出场装运、架设均应采用联动液压装置或三点平面支撑方式，运输和存梁时均应保证每支点实际反力与四个支点的反力平均值相差不超过±10％或四个支点不平整量不大于2mm。第36页/共48页37三.系统试验研究3.2箱梁工艺试验研究-长期变形特征研究过程中，通过跟踪监测数百片箱梁的长期徐变变形，对预应力混凝土简支箱梁长期变形特征进行了验证。实测箱梁变形综合变异系数在30%左右，与我国铁路规范考虑值接近。部分梁体观测结果与理论值对比第37页/共48页38三.系统试验研究3.2箱梁工艺试验研究-长期变形特征针对不同跨度的预应力混凝土连续箱梁长期变形特征的系列研究和实测结果均表明，在现有高速铁路常用跨度连续箱梁刚度和预应力配束条件下，按照现有设计二期恒载上桥时间（60天），其梁体长期残余变形可以控制在±10mm以内。第38页/共48页39三.系统试验研究通过针对高速铁路常用跨度箱梁使用性能和承载能力等开展系统的试验研究，在验证整个设计体系的同时，进一步提出了箱梁制造、移运、架设等各个工艺过程中的关键控制环节和控制指标，并形成了相应的标准，为在高速铁路桥梁建设过程中质量控制打下了基础。第39页/共48页40我国高速铁路建设概况结构选型及关键设计参数研究系统试验研究质量控制体系结语第40页/共48页41高速铁路预应力混凝土箱梁的质量控制体系由标准体系、质量检验体系及产品认证体系组成。其中标准体系除包含预应力混凝土箱梁的设计规范、施工规范、设计文件、技术条件、验收规定外，还包括箱梁制造过程中各种原材料、配件的标准及技术条件。质量检验除采用一般土建工程的监理、质检制度外，对箱梁预制还采取了生产许可证、配套产品认证制度。同时，在质量控制中特别强调了过程控制的理念。四.质量控制体系第41页/共48页42