土木工程概论第十五章铁路工程

第十五章铁路工程§15-1概述铁路是一种以钢轨引导列车运行的运输方式。由于机车在光滑的钢轨上运行，行车阻力小，运输速度高，运载能力大，成本较低是其主要特点。铁路运输是运输系统中的主干力量，是大动脉。在国民经济建设中起着重要作用。铁路的固定设施费用高，基础投资大；运输的组织要求十分严密，必须有很强的时间性。铁路按轨距不同分为：标准轨距、窄轨距和宽轨距。目前，世界各国都主要采用标准轨距。窄轨和宽轨仅在少数地区或特殊情况下采用。标准轨距：1435mm(+6、-2),1441mm,1433mm。变更率不大于千分之二。窄轨轨距：1000mm、1067mm。铁路按运输功能分有：一般铁路、高速铁路和地下铁路（城市地铁）。铁路等级划分为三级：Ⅰ级铁路、Ⅱ级铁路、Ⅲ级铁路。铁路工程勘测设计工作内容包括：选线设计和铁路工程建筑物设计。铁路选线设计是整个铁路设计中一项关系全局的总体性工作。主要内容是：（1）根据国家政治、经济、国防的需要，结合线路经过地区的自然条件、资源分布、工农业发展等情况，规划线路的基本走向；（2）根据沿线的地形、地质、水文等自然条件和村镇、交通、农田、水利设施等具体情况，设计线路的空间位置；（3）研究布置线路上的各种建筑物，如车站、桥梁、隧道、涵洞、路基等，并确定其类型和大小，使其总体上互助配合，全局上经济合理。铁路工程建筑物设计包括轨道设计、路基设计和桥涵隧道设计。§15-2线路的平面和纵断面设计线路平面和纵断面设计就是线路空间位置的设计。一、铁路平面铁路中心线在水平面上的投影称为铁路线路平面，它是由直线段和曲线段组成。二、铁路纵断面铁路中心线在立面上的投影称为铁路纵断面。它是由坡段（直线部分）及连接相邻坡段的竖曲线组成。（一）坡段的限制坡度与限制长度为保证列车的行驶安全，坡段的长度和坡度必须加以限制。因为坡段的长度，对运营和工程都有很大的影响。考虑因素：铁路等级、地形条件、牵引种类和运输要求。（二）竖曲线半径Ⅰ、Ⅱ级铁路为10000m，Ⅲ级铁路为5000m。（三）纵断面设计线标高的选择纵断面设计线应尽量接近地面线，使填挖高度减小，力求减少工程量。（四）桥涵路段的线路纵断面涵洞和道碴桥面可设于任何纵断面的坡道上。明桥面的桥应尽设在平道上，明桥面的桥上不应设置竖曲线。§15-3铁路定线定线要考虑的因素：主要技术标准，线路行经地区的自然条件，线路的工程与运营条件以及政治、经济、国防上的要求等。§15-4路基一、概述铁路路基是以土、石材料为主建成的一种条形构筑物。它与桥梁、隧道、轨道等组成铁路线路的整体。它要承受其上部建筑物的重力和列车的动荷载，同时还要受到各种自然因素的破坏。因而要求路基必须是一种坚实、稳固和耐久的构筑物。二、路基横断面（一）路基横断面的形式接照路基所处的地形条件与横断面的形状，路基断面形式有：路堤、路堑、半堤半堑、半路堤、半路堑及不填不挖等六种形式。（二）路基的组成路基是由路基本体（或路基体）和附属设施（排水、防护、加固）两部分组成。1、路基体它由路基面、路肩和路基边坡构成。

路基面(路基顶面)是路基顶部，是铺设轨道的工作面。路基面的形状分为有路拱和无路拱两种形式。通常非渗水性质路基，为迅速排除地表水，一般都设置路拱。路拱断面又有梯形和三角形两种，单线铁路采用梯形路拱，双线铁路采用三角形路拱。路基顶面宽度是指路基一侧的路肩边缘到另一侧路肩边缘之间的距离。路肩是指路基面两侧无道床覆盖部分。它的功用是：抵抗路基核心土在列车荷载作用下发生侧向变形或侧向挤动，加强路基的稳定性；防止道碴滚落于路基坡面；用于设置线路和信号标志；供人行走、避车、存放机具材料、进行维修工作等。我国现在规定：新建一级、二级铁路路堤的路肩宽度不得小于0.6m，路堑的路肩宽度不得小于0.4m。三级铁路路堤、路堑的路肩宽度不得小于0.4m。2.路基附属设施为了保证路基的强度和稳定而设置的排水设施、防护与加固工程等统称为路基附属设施。（三）路基标准设计横断面路基标准设计横断面是按路基规范规定，通过对路基边坡、排水设施、基底处理等各因素仔细分析研究，进行一般设计而确定的断面。适用于工程地质条件良好、在一定边坡和高度下，采用一般施工方法的路基工程。第十六章桥梁工程桥梁工程是土木工程中属于结构工程的一个分支学科。它与房屋工程一样，也是用石、砖、木、混凝土、钢筋混凝土和各种金属材料建造的结构工程。§16-1桥梁的组成和分类一、桥梁的组成部分和主要尺寸桥梁可以分为上部结构和下部结构。桥跨结构（桥梁的上部结构）：是在线路中断时跨越障碍的主要承重结构。其中包括桥面、主梁、支座等。是桥梁设计的重点。下部结构：包括桥墩、桥台、基础。其中桥墩和桥台是支承桥跨结构并将恒载和车辆等活载传至地基的构筑物。设置在桥两端的称为桥台，它除了上述作用外，还与路堤相衔接，以抵抗路堤土压力（水平作用力），防止路堤的产生滑坡和坍塌。桥墩和桥台的底部是桥梁的基础。基础往往深埋于地层中，并且需要在水下施工，所以是桥梁工程中施工比较困难的一个部分。桥跨结构与桥梁墩台的支承处所设置的传力装置称为支座。支座不仅要能传递很大的荷载，并且要保证桥跨结构能按设计假定条件产生一定的位移或转角。主要尺寸和术语名称：桥梁净跨径、桥梁总跨径、计算跨径、桥梁全长、桥梁高度、桥下净空高度、桥梁建筑高度二、桥梁的分类（1）按桥梁的用途分（2）按桥梁全长或单孔跨径分（3）按主要承重结构所用材料分（4）按越障碍的性质分（5）按上部结构的行车道位置分（6）按结构型式分§16-2桥梁工程的总体规划和设计要点一、桥梁总体规划的任务和重点一般采用两个设计阶段：初步设计阶段和施工图阶段。初步设计阶段主要解决桥梁总体规划问题，并初步拟定桥梁结构的主要尺寸，估算出工程数量、主要材料用量和桥梁工程的概算。施工图阶段是根据批准的初步设计中所核定的修建原则、技术方案和概算，完成施工详图、施工组织设计和施工预算。

桥梁总体规划的基本内容：桥位选定；桥梁总跨径及分孔方案的确定；选定桥型；确定桥梁的纵、横断面布置等。

桥梁工程总体规划的原则是：根据其使用任务、性质和将来发展的需要，全面贯彻安全、经济、适用和美观的方针。一般要考虑的要求：

（1）使用上的要求；（2）经济上的要求；（3）结构上的要求；（4）美观上的要求。二、设计前的资料准备工作

了解桥梁的使用任务；测量桥位附近的地形；调查和测量河流的水文情况；桥位附近的工程地质资料；收集有关的气象资料；上、下游原有桥梁的使用情况等。

三、桥梁工程设计要点

（一）选择桥位

桥位应选在河道顺直、河床稳定、水面较窄、水流平稳的河段。中小桥的桥位要服从路线要求，而路线的选择要服从大桥桥位。

（二）确定桥梁总跨径与分孔数

总跨径的长度应保证桥下有足够的过水断面，可以顺利地泄洪，通过流冰。

桥梁的分孔数目及跨径的大小要考虑桥下通航的要求，工程地质条件，工程总造价等因素（三）桥梁的纵横断面布置

桥梁的纵断面布置是在桥梁的总跨径和桥道标高确定之后，来考虑路与桥的连接线型与连接的纵向坡度。连接的线型应根据两端桥头的地形和线路要求而定。对于小桥，一般做成平坡桥；对于大、中桥，一般做成中间高，两头低的双向纵坡桥。坡度是为了桥面排水，一般控制在3-5%的范围。

桥梁横断面包括桥面宽度、横向坡度、桥跨结构的横断面布置等。

（四）桥型选择

在选定了桥位、确定了桥梁总跨径与分孔数以及桥道标高后，进行桥型选择。§16-3桥跨结构

一、梁式桥

（一）梁式桥的承重结构体系及其经济跨径

1、梁式桥的承重结构体系

梁式桥是在竖向外力作用下，支座无水平反力的结构。梁式桥同样跨径的其它结构型式的桥身相比，梁内产生的弯矩最大。所以梁要采用抗弯能力强的截面形式。

梁式桥的结构体系通常有简支梁桥、悬臂梁桥和桁架式连续梁桥三种形式。

简支梁桥是静定结构，能适应地基的差异沉降，可用于工程地质条件较差的地基。桥身可用钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土制作，施工方便。

悬臂梁也是静定结构，也能适应地基的差异沉降。桥身多用预应钢筋混凝土制作。悬臂梁桥的施工技术较复杂，整体刚度较差。

桁架式连续梁桥是超静定结构，适用于工程地质条件良好的坚硬地基。桥身多用钢材制作，整体刚度大，设计、施工复杂。

2、梁式桥的经济跨径

经济跨径是指能使一种桥型取得最佳技术经济指标的跨径。一般要经过对比分析或通过优化设计得到。一般认为，对于公路桥，钢筋混凝土简支梁桥的经济跨径在25m以内；预应力钢筋混凝土简支梁桥的经济跨径在40m以内；预应力钢筋混凝土悬臂梁桥的经济跨径也是在40m以内。钢桁架连续梁桥适用于铁路线上的大、中型桥梁，跨径常在100m以上。

（二）梁式桥的截面形式

梁式桥是受弯结构，对于相同的材料，抗弯刚度的大小决定于受弯构件的截面对中性轴惯性矩的大小。因此，对于钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土的梁式桥，为了减轻桥梁自重、减少材料用量，常常采用惯性矩大的截面形式。但是复杂截面的桥身，施工很不方便，对小型桥梁，有时为了施工方便就采用一些较简单的截面形式。通常用的截面形式有板梁、肋板梁和箱梁。

板梁桥跨径一般不超过10m；肋板梁桥跨径一般可在10m以上；箱梁主要用于大跨径的连续梁桥。二、刚架桥

刚架桥的主要承重结构是梁（板）和立柱或竖墙整体结合在一起的刚架结构。梁和柱的结合处具有很大的刚性。梁部主要受弯，柱脚处具有水平反力，其受力状态介于梁式桥和拱桥之间。因此，对于同样的跨径，在相同的外力作用下，刚架桥的跨中正弯矩要比一般梁式桥小。对刚架桥，一般是采用预应力钢筋混凝土结构。

三、拱式桥

（一）拱式桥的特点

拱式桥的主要承重结构是拱圈或拱肋。这种结构在竖向荷载作用下，桥墩或桥台将承受水平推力。同时，这种水平推力将显著抵消外力在拱圈内所引起的弯矩作用。由于拱式桥的承重结构以受压为主，通常可用抗压强度高的材料建造。

由于拱式桥的拱脚水平推力大，所以对地基条件要求较高。

（二）拱式桥的主要组成

拱式桥也是分为桥跨结构和下部结构两部分。其桥跨结构是指拱圈及其以上直到桥面系在内的拱上建筑的总体。在拱圈与桥面系之间，要有支撑或者用土石料填实。凡用支撑构件把桥面系承托在拱圈之上的拱桥，称之为空腹拱桥，；凡用碎石土回填拱圈以上部分直到桥面系的，称为实腹拱桥。

拱桥的下部结构是指桥墩、桥台和基础。基础应设置在基岩或者是密实的碎石土层上。四、预应力钢筋混凝土斜拉桥

(一)预应力钢筋混凝土斜拉桥的结构体系

斜拉桥是一种高次超静定的组合结构，其桥跨由主梁、塔柱及拉索（斜缆）三部分组成。系在塔柱上的张紧的斜缆将主梁吊位，使主梁就象跨度显著缩小的多跨弹性支承连续梁那样工作。这样拉索可以充分利用高强钢材的抗拉性能，又可以显著减小主梁的截面，使结构自重大为减轻，从而可建造大跨度的桥梁。

斜拉桥的主梁和塔柱可以采用钢筋混凝土或型钢建造。为了节省钢材用量，一般采用钢筋混凝土结构。为了减小梁的截面和自重，通常采用预应力钢筋混凝土结构。研究表明，在跨越200m以上的障碍时，预应力钢筋混凝土一般是最有竞争力的桥型。

斜拉桥根据跨越宽度的大小，从经济和技术合理考虑，可以建成单塔式的、双塔式的或多塔式的。

（二）预应力钢筋混凝土斜拉桥的构造特点

1、拉索

拉索对斜拉桥的影响很大，它承受很大的拉力，通常要选用平行高强钢丝束、平行钢绞线、封闭式钢索等高强度、且抗疲劳性能好的材料做成。

拉索的立面布置有辐射式、竖琴式、扇式和星式等几种形式。辐射式是将全部拉索汇集到塔顶，使每根拉索都具有可能的最大倾角。由于索力主要由垂直力的需要而定，因此倾角较大将减少拉索的用钢量。这种布置的缺点是：有较多数量的拉索汇集塔顶，这将使锚头处理比较困难，而且塔身从顶到底部都受到最大压力，自由长度较大，必须使塔身刚度保证压曲稳定的要求。

竖琴式是各拉索彼此平行，这样使得连接构造易于处理。同时塔柱受力也比较有利，且在外形上也比较简洁美观。缺点是：斜缆倾角较小，钢的用量大。

扇式是介于辐射式和平行式之间的形式，一般在塔上和梁上分别等按间距布置，兼顾上两种形式的优点，因此大跨径斜拉桥多采用这种形式。星式外形美观，但由于拉索集中在梁的一点上，不仅使构造复杂，且不符合尽量将连接点沿梁纵向分开以减少跨径的原则，故实际上较少采用。

2、主梁

主梁结构一般是预应力钢筋混凝土制作的。它的纵向力学图式有连续梁、单悬臂梁和刚构等形式。连续梁整体性好，对抗风、抗震有利，且挠曲线平顺，对行车也较好，是一般优先考虑的形式。单悬臂梁式主要优点是施工方便。刚构式则是指主梁与墩柱及塔柱互相固定连接，在跨度内形成刚构体系。这种体系刚度大，主梁和塔柱的挠度较小。主梁应在塔墩附近处另大截面高度的尺寸，使之成为加腋梁的形式。斜拉桥主梁的横截面要求有较好的抗扭刚度，并便于拉索与主梁的连接。

拉索与主梁的连接是指主梁上锚固拉索的部位。这是一个重要部分，要保证连接的可靠性，承担集中应力并将其分散到全截面。还应具备操作条件，并有再张拉和换索的可能性。一般有两种构造形式：一是梁外侧伸出悬臂横梁用以锚固拉索；另外可在箱梁内设横隔板锚固或在梁底锚固。

3、塔柱

塔柱主要用来承受巨大的轴力，有的还要承受弯矩，它的上端要与拉索连接，下端要与桥墩或主梁连接。因此是一个很重要的组成部分。塔柱的型式从桥梁立面看，有单柱式、A形和倒Y形三种。单柱式构造最简单，也是用的较多的一种。A形和倒Y形可以更好的抵抗索塔所承受的弯矩，增强了抗振能力。

塔柱脚与桥墩的连接多采用固结方式，有时也采用铰结方式。固结方式能增加整个结构的刚度，并便于施工，在桥梁地基不会发生较大的不均匀沉降时，是一种合理的形式。铰结方式是在塔脚与桥墩之间设置容许纵向转动的铰，将能消除塔脚弯矩，并减少超静定次数，对在软土地基上建桥有利，但结构总刚度有所降低，并且铰的构造复杂，施工比较困难。§16-3桥墩与桥台

桥墩是多跨桥梁的中间支承结构。桥台是桥梁两端桥头的支承结构，它是道路与桥梁的连接点。桥墩与桥台都是由三部分组成，即：台（墩）帽、台（墩）身和基础。

一、桥墩的类型

桥墩的作用是支承在它左右两跨的上部结构通过支座传来的竖向力和水平力。由于桥墩修筑在河流当中，所以还要承受水压力，水面以上的风力以及可能出现的冰压力，船只、漂浮物等的冲击力。因此，要求桥墩在结构上应具有足够的强度和稳定性。在布设上要考虑桥墩与河流的的互相影响，即水流冲刷桥墩，和桥墩壅水问题，并应满足桥下通航或通车的要求。目前，公路桥梁常采用的桥墩类型根据墩身的结构型式可分为实体式桥墩、空腹式桥墩和桩（柱）式桥墩。

桥墩的类型应根据地质、地形及水文条件，墩高、桥跨结构要求及荷载的性质、大小，通航和漂浮物情况以及施工条件等因素综合考虑来确定。但在同一座桥内，宜尽量减少桥墩的类型。

二、桥台的类型

桥台是两端桥头的支承结构物，它又是连接两岸道路的路桥衔接构造物。

我国公路桥梁的桥台有实体式桥台埋置式桥台。梁桥墩台总体上分为两类：

重力式墩（台）——靠自身重量来平衡外力而保持稳定材料：天然石材或片石混凝土适用性：地基良好的大、中型桥梁，流冰、漂浮物较多的河流中，石料方便的小桥。轻型墩（台）——刚度小，受力后允许在一定范围内发生弹性变形材料：钢筋砼或少筋砼梁桥桥墩按构造：重力式（实体桥墩）、桩（柱）式、柔性排架柱式、钢筋混凝土薄壁和空心薄壁式及轻型桥墩等。

1、重力式桥墩（实体桥墩）

特点：主要靠自身的重力（包括桥跨结构的重力）来平衡外力，从而保证桥墩的强度和稳定。适用：荷载较大的大、中型桥梁或流冰、漂浮物较多的河流中。在砂石料方便的地区、小桥也往往采用重力式桥墩。缺点：圬工数量大、自重大，要求地基的承载力较高，阻水面积也较大材料：天然石材或片石混凝土，宜配用钢筋混凝土悬臂式墩帽以减小墩身长、宽，

2.空心墩

——桥墩向轻型化、机械化方向发展的途径之