京沪高速铁路桥梁设计的若干技术问题

京沪高速铁路桥梁设计的若干技术问题

1工艺及地层条件京沪高速公路经过河北、山东、安徽、江苏、北京、天津和上海。其中，徐上海段穿过中国北方和华东地区，主要位于平原和山区。沿线经过黄河、淮河、长江三大水系,位于各水系流域的中下游,地势平坦,河谷交错。丹阳以东为太湖河网地区,河沟纵横交错,互相沟通,形成整个太湖涝区。徐州至池河段线路通过黄淮冲积平原及淮河一、二级阶地,主要出露上更新统粉土、粉细砂、粉质黏土、黏土,下伏灰岩、泥灰岩、泥岩等。池河至丹阳段线路通过剥蚀低山丘陵区及长江河谷阶地,地层岩性主要为粉细砂岩、泥岩、千枚岩、灰岩及侵入岩等。丹阳至上海段线路通过长江三角洲平原区,均为第四系地层覆盖,系江河、湖泊、海相沉积形成,为黏土、粉质黏土夹粉细砂层。徐州至上海段正线桥梁共135座总桥长521.9km,占正线长度642.522km的81.23%。其中超过10km长度的桥梁共8座总桥长405km,占桥梁总长度的78%,丹阳至昆山特大桥全长164.85km,为京沪高速铁路最长的桥梁。2梁占桥梁临床地位的统计高速铁路桥梁总长占线路比例很大,而40m以下跨度的桥梁占桥梁总长的比例见表1(2005年统计)。合理地选择这些桥梁的结构形式和跨度,对桥梁景观、工程投资均有很大影响,其关键技术在于确定桥面的宽度、截面形式以及跨度的大小。2.1接触网立柱离线路中心的距离根据调研,桥上道砟采用机械清筛时,防护墙距线路中心最小距离为2.2m;结合列车建筑限界的要求,桥上无砟轨道的防护墙距线路中心最小距离为1.9m。根据国外咨询及国内研究成果,接触网立柱离线路中心的最小距离为3.0m。如桥面不设人行道走行式检查车,高速列车通过时,桥上不允许人员停留;无砟轨道满足建筑限界要求;电缆槽在线路两侧对称设置,每侧两槽,通信信号合槽,净宽350mm,电力槽最小净宽200mm。考虑到人行栏杆、声屏障等基础,桥面最小净宽,无砟桥面为12.0m,有砟桥面为12.6m。桥面布置见图1、图2。2.2横向刚度对比双线箱梁因为截面整体性强,抗扭刚度大,我国既有铁路线上的混凝土连续梁都是采用箱形截面构造。用于高速铁路上,其动力特性更显得优越。考虑梁体的运输、架设等问题,我国既有铁路除个别工点外基本上是采用T形截面构造。这种截面形式的混凝土梁,分片预制、分片架设后将横隔板桥面联成整体。若T梁用于客运专线铁路上,为保证桥跨的整体性,架设后须通过现浇混凝土将桥面、隔板联成整体并施加横向预应力,增加了施工工序。图3给出跨度32m整体箱梁和分片T梁两种截面形式及在梁高相同条件下的截面刚度,两者的竖向刚度相差不大,而横向刚度和抗扭刚度箱梁有明显优势。箱梁的刚度大,整体性好,具有较好的动力特性,架设可一次到位,无工地联接工作,工期较短,应为常用跨度混凝土梁的首选形式。但其自重大,桥面宽,预制架设需要重型设备。双线单箱单室整体箱形截面具有腹板少,圬工省,较厚的腹板有利于布置钢筋和提高耐久性等优点。单线单箱单室箱梁结构尺寸较小,重量较轻,便于运输和架设,施工设备动力要求较小,但其圬工用量较多,且列车运行平稳指标比双线整体结构要差一些。北方交通大学在研究中曾比较24m的混凝土简支箱梁的舒适度指标,单线梁为2.229,而双线整孔箱梁为1.8。这说明双线整孔箱梁结构横向刚度大,改善了旅客乘坐舒适度。对于一般简支梁结构,需要从制造、运输、架设和运营、养护、结构动力性能等诸方面进行分析比较,从保证高速列车运行乘坐舒适度的角度来看,双线整孔箱梁比单线梁优越,宜优先采用。配合32m整孔箱梁的设计,国内多家生产厂家研制了10余种高速铁路900t运架设备供施工使用,彻底解决了900t箱梁的运输、架设问题。目前高速铁路简支箱梁绝大部分都采用了双线单箱单室箱梁。2.3在比较合理桥梁和桥梁类型的技术经济方面为了合理确定高速铁路一般桥梁的合理桥跨、桥式,京沪高速铁路施工人员对常用跨度的桥梁进行了大量计算分析和技术经济比较等工作。2.3.1比较技术经济的原则(1)预应力筋和连续梁的施工方法跨度采用我国铁路标准跨,即10m、16m、24m、32m。其中10m跨度的桥梁结构采用(3×10m+8)m的连续刚构,16m跨度的桥梁才用T梁,24m、32m跨度的桥梁采用整孔箱梁,且分简支箱梁、连续梁两种。结合以前的研究成果,确定24m、32m跨度的连续梁每联不超过3孔。连续梁施工方法采用先简支后连续和桥位现浇两种,简支梁采用预制架设,连续刚构采用桥位现浇施工,T梁采用预制架设。32m梁采用900t级架桥机架设,24m梁采用700t级架桥机架设,T梁采用普通铁路130t级架桥机。(2)要符合研究方向由于高速铁路长桥较多且很长,比较时选择500m左右长桥梁进行技术经济比较。计算比较主要原则如下。①比选工点桥上线路按实际情况考虑。②简支梁、连续梁设计遵循《暂规》、《桥规》,支反力采用通用图提供值。③桥墩采用钢筋混凝土矩形空心墩。④简支梁桥墩水平线刚度按《暂规》、连续梁桥墩水平线刚度按《京沪高速铁路常用跨度连续梁桥设计研究》成果(见表2)执行。⑤简支梁、连续梁梁部主要工程数量按照通用图提供的数量办理。2.3.2比较设计内容和桥梁的设计(1)更新统3ga、低统3a冲积岩桥址位于黄淮河冲积平原,地势平坦开阔,区内地层上部为第四系全新统(Q4al)、更新统(Q3al)冲积形成的黏性土及砂类土,下伏基岩为奥陶系白云岩。平均墩高4.5m,设计桩长36~40m(32m简支梁方案),桩底进入硬塑黏土层。(2)qal、更新统冲积形成的下伏基岩桥址位于黄淮河冲积平原,地形开阔,区内地层上部为第四系全新统(Q4al)、更新统(Q3al)冲积形成的黏性土及砂类土,下伏基岩为燕山期混合花岗岩。平均墩高7.5m。设计桩长28~36m(32m简支梁方案),桩底进入混合花岗岩弱风化层。(3)下伏地层土控水土桥址位于冲湖积平原区,地势开阔,区内地层上部为第四系全新统(al+lQ4)冲湖积形成的黏性土及砂类土,岩性层理规律性较强,下伏地层为第四系上更新统(alQ3)冲积形成的黏性土及砂类土。平均墩高11.75m。设计桩长54.5~58.0m(32m梁简支方案),桩底进入粉砂、粉土夹粉质黏土层或粉质黏土夹粉砂层。2.3.3桥型选型的适用性从图4~图6可以看出,预制架设32m简支箱梁最为经济,其次是预制架设24m简支箱梁。对于(3×10m+8m)连续钢架,其经济指标从图6中可知,具有较强的经济优势。但考虑到其施工、适用条件等的特殊性,没有把它作为常用跨度桥梁推荐。下面为2005年高速铁路常用跨度桥梁技术经济比较论证会结论意见。(1)常用跨度简支箱梁、连续箱梁、整体式多片T梁、小跨度刚架(刚构)等桥型的静力及车桥动力响应分析表明,均能满足高速及货运列车运行安全性、平稳性及舒适性的要求,动力性能基本相近,作为客运专线常用跨度的桥型都是可行的。(2)简支箱梁整体性能好、受力明确、技术成熟,对基础沉降适应性好,养护维修较方便,采用梁场预制,质量容易控制,预制运架可缩短工期,造价相对较低。鉴于桥梁比例大,地质条件一般较差等特点,采用简支箱梁为主梁型是适宜的。(3)跨度32m及以下的连续箱梁整体性好,结构高度相对低,但其对桥墩的纵向水平线刚度要求高,基础沉降造成的风险较大,造价较高,可在适宜的条件下选用。(4)跨度16m整体多片式T梁便于预制架设,施工快捷,可在地质条件较好、桥高不大的中小桥中选用。(5)小跨度刚架(刚构)桥结构高度低,便于就地浇筑,宜在桥高不大或结构高度受控制及车站高架等地段选用。(6)技术经济比较分析表明,一般情况下跨度32m简支箱梁最为经济,以32m孔跨为主是合理的。基于技术经济比较结果,京沪高速铁路主要采用了32m预制简支箱梁,并适当地结合工点要求,少量地采用了部分32m现浇简支箱梁。3模拟软土地桩基、静载试验研究高速铁路由于行车速度高,对桥梁桩基础的激振较普通铁路严重,桩基础在高速铁路车辆的激振下,其相关设计参数较常规取值有何差异直接关系到行车安全。鉴于软土地基桩基反应更为敏感,研究是从深厚软弱地基桩基础开展的。1997年进行了“高速铁路深厚软弱地基上桥梁基础合理形式及设计研究”,采集了苏锡常地区软土地质钻孔土样,在试验室内进行模拟软土桩基动、静载试验。室内动力激振试验研究认为位于软土地基的桥梁桩基础其动承载力将下降,动静比值为0.8左右。室内模拟软土桩基动、静载试验存在的主要问题是“模拟土”是经过人工按含水量ω、容重γ等指标控制配置的;试验桩采用直径较小的尼龙棒,且全部位于模拟的软土中,与实际桩的边界条件稍有差别。为了更充分地了解软土地基桥梁桩基长期在高速列车动荷载作用下的工作性状,在昆山京沪高速铁路线位上现场进行了软土地基桥梁桩基础单桩竖向动静载试验研究工作。结合现场试验条件,选择2种桩径共6根桥梁工程桩为试验桩,分两组进行了试验加载,两种试桩的参数见表3。3.1桩荷载作用下桩顶累积位移ϕ0.55m试验桩在动载作用下桩顶沉降与动载循环次数的关系曲线见图7。从图7可看出,三桩的试验结果表明,振动次数达到25万次左右时桩顶累积位移不再变化,即动荷载作用下不再产生下沉;动载100万次,三桩桩顶平均沉降0.344mm。因此可认为对于类似预应力混凝土管桩基础,不会在列车运行的反复荷载作用下产生工后沉降。3.2线线ϕ0.55m试验桩顶动位移幅值Sd与动载次数N的关系曲线见图8。从图8可看出,在动荷载作用下,桩顶振幅逐渐减小,当振动次数达到20~30万次时桩顶动位移不再发生变化,即动位移趋于稳定,可认为基桩的动力特性基本呈现弹性性质。3.3动应变的变化与影响深度ϕ0.55m试验桩动载试验过程中试验管桩桩身动应变的变化与影响深度见表4。实测数据说明,从距桩顶12m左右开始往下,几乎测试不到动应变数值,说明基桩在动荷载作用下其深层没有动力响应。3.4桩身侧摩阻力变化规律ϕ0.55m试验桩动载作用下桩侧摩阻力随动载振动次数的关系曲线见图9、图10。分析图中的侧摩阻力数据随动载振动次数的变化情况可知,试验比较一致地反映:在动载作用下桩的上部软土层(桩身6.5m以上)在动载开始阶段侧摩阻力随动载次数的增加逐渐减小,即桩周软土层侧摩阻力的呈现弱化现象,软土层侧摩阻力减小的最大幅度在16%左右;同时,桩的下部粉质黏土与粉砂层侧摩阻力均有所增加,两种土层中,粉砂层侧摩阻力增加的数值要大一些,增长的幅度最大为20%。但这种上部软土层侧摩阻力减小、下部土层侧摩阻力增加的现象在动载循环次数达30万次时达到稳定。ϕ1.0m钻孔桩动载试验与ϕ0.55m管桩呈现类似的特性。在静载和固定频率及振幅的动荷载的共同作用下,在动荷载循环作用100万次后3根ϕ1.0m试验钻孔桩由于动载影响而产生的桩顶平均沉降为0.34mm,量值较小。在动载循环作用过程中,桩身轴力(桩侧摩阻力)发生了局部调整,调整主要集中在桩顶以下1/3桩长范围内,调整最大幅度约为10%,基本规律是桩身侧摩阻力桩顶以下0~6.2m呈现弱化现象,6.2~23m呈现增强现象,23m以下几乎没变化。动荷载循环作用达70万次后,桩顶动位移、桩身轴力(桩侧摩阻力)调整等均已经达到稳定。3.5桩顶动位移幅值较小,桩身轴力较弱通过昆山试验段桥梁桩基采用激振设备对两组共6根试验桩进行动静载试验,得出以下结论:①由动荷载引起的桩顶沉降量值较小;②动荷载循环作用下桩顶动位移幅值较小,且很快能达到稳定;③动荷载作用初期,试验桩桩身上部软土层桩侧摩阻力呈现弱化现象,桩身下部呈现强化现象,弱化的幅值小于强化幅值,动载作用过程中桩身轴力出现重分布现象。在桩端持力层较好的情况下,软土地基桥梁桩基础设计时可以忽略由高密度、高速度列车反复作用下对桩基工后沉降和竖向承载力的影响。基于试验研究成果,认为受高速铁路较高激振频率影响的桥梁桩基,其极限摩阻力可以按常规铁路桥梁取值。4桥式结构的桥式设计我国既有铁路在进行无缝线路改造时,长钢轨力的大小受到限制,所以桥上均采用了小阻力扣件,把长钢轨力传到路基或更多的桥跨上,以减小每个墩台的长钢轨力,起到了保护既有桥梁的作用。高速铁路是一次铺设无缝线路的新建铁路,在研究桥上无缝线路时,结合国外的先进理念,在国内提出了桥墩线刚度概念,目的在于增加桥梁抵抗长钢轨力的能力,取消或减少小阻力扣件,确保无缝线路的稳定性。对于常用跨度简支梁桥墩线刚度,《新建铁路桥上无缝线路暂行规定》有很明确的规定,这些规定对于墩高较小的桥梁是比较合适的。当墩较大时,要满足桥墩线刚度的规定很困难,表5为墩高45m、基础为柱桩的墩身工程量。从表中知,不同的线刚度,高墩的工程数量相差很大。在保证无缝线路的稳定和安全的条件下,合理的桥墩线刚度限值对工程投资影响较大。双线简支梁桥墩线刚度的规定是基于制动力和牵引力同时达到最大为前提的,而在“京沪高速铁路常用跨度连续梁设计研究”中,双线连续梁桥墩线刚度的规定仅以制动力或牵引力达到最大为前提,由此可以认为简支梁桥墩的线刚度偏大。如何合理地选择高墩纵向水平线刚度,节约工程投资,值得深入研究。目前墩高小于30m时,桥墩满足400kN/m线刚度时墩身尺寸还是可以容忍的。为保证无缝线路的稳定,减少维修养护的工作量,应尽量减少设置无缝线路温度调节器,这是无缝线路桥梁桥式方案选择的重要技术条件。目前初步考虑设置温度调节器的条件,一般是预应力混凝土梁温度跨超过160m。基于这样的条件,大跨度桥梁选择简支结构(如系杆拱、钢桁梁等)、连续刚构等是一种比较理想的桥式。5预应力混凝土梁的徐变无砟轨道由于维修工作量小、寿命周期内造价低,越来越受到各国铁路部门的重视。随着无砟轨道的大量采用,不可避免地需要在一些大跨度桥梁上设置无砟轨道。预应力混凝土桥梁采用无砟轨道时,其梁部徐变上拱值应符合《客运专线无砟轨道铁路设计指南》规定,桥跨小于等于50m时,无砟轨道铺设后徐变上拱值不应大于10mm;桥跨大于50m时,无砟轨道铺设后徐变上拱值不应大于L/5000,且不得大于20mm。预应力混凝土梁的徐变受很多因素影响,有设计、施工、环境等诸多因素。在预应力混凝土连续梁施工时,应严格控制施加预应力和铺设无砟轨道的时间,同时须控制混凝土浇筑时的水灰比及水泥用量等。必要时,大跨度桥式方案可以选择钢结构或者徐变变形比较小的预应力混凝土系杆拱结构等。根据德国有关规范,无砟轨道桥梁徐变变形需控制在L/5000范围内。该限值对于大跨度桥梁要求是比较宽松的,如120m跨度的容许徐变量为24mm,大跨度桥梁徐变变形按该技术条件控制是值得考虑的,在德国是有成功实例的。为发展大跨度无砟预应力混凝土桥梁,建议把一部份徐变变形量计入轨道的不平顺谱中进行车-桥动力仿真分析,以确定合理的徐变变形控制值。6桩基沉降的控制方法普通铁路24m、32m简支梁墩台允许均匀沉降量分别为98mm、113mm,并且比路基的沉降量一般小很多,所以桥梁的沉降一直未受到重视。高速铁路轨道的平顺性要求远高于普通铁路,高速铁路桥梁墩台的均匀沉降量要求很严,有碴轨道要求控制在30mm以内,无砟轨道要求控制在20mm以内。对于普通铁路按强度设计基础的方法在高速铁路已经行不通,地质条件较差时,必须按桩基沉降量、桩基承载力双控进行基础设计。从桩基沉降计算方法分析,控制沉降的最有效方法是让桩基的持力层放在压缩模量Es值较高的地层内。经初步计算分析,如果桩基持力层位于Es<10MPa的土层内,控制沉降量在30mm以内将是很困难的。控制沉降的最有效方法是选择持力层,要求持力层有较高的压缩模量和承载力,或者能保证沉降在较短的时间内完成(如粉砂、细砂层)。根据计算分析,浅基础比深基础的沉降量大,所以一般条件下,高速铁路桥梁基础多采用深桩基础。由于受地质钻孔取样、化验等条件的限制,有关计算沉降的参数难以得到准确值,同时由于沉降计算理论的粗糙,难于将沉降量计算准确,所以计算的沉降量只能作为一个预估值,设计中需充分考虑这些因素。为防止超预估的沉降发生,在工程上应积极采取恢复轨面高程的预备措施,如设调高支座。沉降是一个缓慢的过程,特别是在架梁、铺轨、调试至运营时有一个较长的时间段,一般桥梁的沉降大部分已在这一段时间内完成。随着时间的推移,沉降的速度是逐近变缓的。实际工作中,根据沉降的缓慢特性,可以很好地监测和比较准确预报沉降。基于这些认识,只要加强观测,有理由认为墩台基础的沉降不至于影响列车运行的安全。目前,在计算工后沉降量时,往往根据所有恒载计算总沉降量后,根据经验系数折减总沉降量得出工后沉降,如此计算容易把工后沉降估算小,偏于不安全。工后沉降是指铺轨以后产生的沉降量,那么铺轨时及铺轨后增加的恒载产生的沉降应为工后沉降,不应折减,这应引起设计者的注意。7高架车站结构与无缝道岔的适应条件京沪高速铁路共有5个包括咽喉区在内的车站设置在桥梁上。由于道岔、无缝线路对桥梁有很特殊的要求,同时又传递很大的水平力到墩台结构上。京沪高速铁路最早涉及设计高架车站结构桥梁,建设人员经过持续不断的研究,提出了高架车站结构与无缝道岔的适应条件(见图11),指导了其他客运专线高架车站桥梁设计。通过设计研究,道岔区桥梁宜采用连续梁和多个并置的单孔框架结构。采用框架结构时,框架孔径一般不宜超过12m,以尽量减小结构与轨道纵向相对位移,保护道岔。采用连续梁结构时,对于正线上18号渡线道岔,设计采用6×32m的连续箱梁;对于两线变四线的正线到到发线18号道岔,设计采用4×32m连续箱梁;其余18号道岔采用2×32m或3×32m连续箱梁;区间42号道岔则采用7×32m连续箱梁。两连续箱梁之间设置简支箱梁以减小无缝线路钢轨内力和桥墩承受的无缝线路纵向水平力。8京沪高速铁路特殊结构桥8.1拱设计为提篮式系杆拱桥是一种自平衡的简支结构,它克服了拱桥需要抵抗拱座处较大水平力的缺点,对地基承载能力要求不高;同时具备较大的跨越能力,梁高较低,能有效降低线路标高。为满足高速铁路桥梁对结构竖向要求高的特点,经过深入研究、分析比较,系杆拱结构采用了不常见的刚性梁、刚性拱方案。同时为确保桥梁的横向刚度,在桥跨大于100m时,拱设计为提篮式。京沪高速铁路沿线地势较为平坦,桥跨在100m左右、跨越公路及航道时,桥下净空不高,采用系杆拱可以克服预应力混凝土连续梁梁高较大,影响桥下景观的不足;同时,系杆拱后期徐变小、温度跨小、结构刚度大,特别适合高速铁路桥梁的一些特殊要求。京沪速铁路徐沪段共采用了96m、112m、128m三种跨度共23处系杆拱桥。其中128m系杆拱采用“先梁后拱”的施工方案;96m、112m系杆拱采用了“先梁后拱”和“先拱后梁”两种施工方案。拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面,由厚18mm的钢板卷制而成,每根拱肋的两钢管之间用δ=16mm的腹板连接。系梁按整体箱形梁布置,采用单箱三室预应力混凝土箱形截面,梁高2.5m。底板厚度为30cm,顶板厚度为30cm,边腹板厚度为35cm,中腹板厚度为30cm。吊杆采用尼尔森体系,在吊杆平面内吊杆的水平夹角在52.10°~68.67°之间,吊杆间距为8m。吊杆采用127根ϕ7高强低松弛镀锌平行钢丝束,外包不锈钢防护。8.2预应力混凝土连续梁为保证高速铁路桥梁的竖向刚度、梁端转角等满足高速行车的要求,采用连续梁时,中墩支点处梁高一般采用1/12~1/14的高跨比,在桥跨超过130m时,梁高均较高,影响景观。为降低梁高,同时满足高速铁路行车要求,经桥式比较,在桥跨为130~200m之间时,选择预应力混凝土连续梁拱不失为一种好的选择。徐沪段采用了(70+136+70)m、(90+180+90)m两联连续梁拱桥,上部结构采用“先梁后拱”施工方案。(90+180+90)m连续梁拱桥主梁采用单箱双室变高度箱形截面,中支点处梁高10.0m,较一般连续梁结构梁高低4m左右。箱梁顶板厚0.42m,局部顶板厚1.02m;底板厚度0.40~1.049m,局部底板厚1.50m。箱梁采用直腹板,腹板厚分0.40m、0.55m、0.70m三种。吊杆顺桥向间距9m,全桥共设18组双吊杆。拱肋矢高f=36.0m,矢跨比f/L=1∶5,拱轴线采用二次抛物线。拱肋为钢管混凝土结构,采用等高度哑铃形截面,拱肋弦管直径ϕ1.1m,由δ=20mm、24mm厚的钢板卷制而成;弦管之间用δ=16mm厚钢板连接。8.3铁路桥梁施工方案设计V型墩连续刚构,主要目的是解决跨越公(道)路时,以V型墩结构形式减小中间主跨的跨度,有效地降低线路标高,以节约工程造价。同时,采用在公(道)路两侧支架施工V型墩及大部分梁段、转体至桥位后合龙中跨和边跨的施工方案,极大地减小了铁路桥梁施工对既有公路行车的干扰,确保了施工期间行车的安全,是结构与施工方案较为完美结合的一个案例。京沪高速铁路采用了1处(48+80+48)m的V型墩连续刚构桥。梁体采用单箱单室等高度预应力混凝土梁,梁高3.65m,与两侧简支箱梁(梁高3.05m)比较协调。箱内顶板厚度0.4m;底板底缘宽度5.2m,底板厚度V墩顶处为0.8m,跨中为0.4m;腹板厚度V墩顶处为0.9m,跨中处为0.5m。刚构长度2m的合龙段在吊架上浇筑,其余梁段在支架上浇筑。墩身与水平线夹角为49.31°。V墩身基座分两层布置,布置有转动体系。刚构采用平面转盘体系,转动面由ϕ2.2m的不锈钢板和四氟板组成。转体重量为3793t,转动力矩为1402kN/m,转动角度为35°。8.4竖向相对变形量t高速铁路规范规定,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,实际运营列车