城市轨道交通桥隧维修与养护 课件 1.1桥梁设施基础知识

城市轨道交通桥隧维修与养护桥梁设施基础知识GeneralknowledgeofbridgeinfrastructureCONTENTS目录桥梁的组成与分类Componentsandclassificationofbridge桥梁的荷载Loadsonbridges支座桥梁下部结构桥梁上部结构SuperstructureofbridgeSubstructureofbridgeBasicauxiliaryfacilitiesofbridge桥梁基本附属设施bearing1桥梁的组成与分类桥梁的组成桥梁的分类1.桥梁的组成桥梁由四个基本部分组成,即上部结构、下部结构、支座和附属设施,如图1-5所示。上部结构是在线路中断时跨越障碍的主要承重结构,是桥梁支座以上(无铰拱起拱线或刚架主梁底线以上)跨越桥孔的总称;当跨越幅度越大时,上部结构的构造也就越复杂,施工难度也相应增加。下部结构包括桥墩、桥台和基础。支座是设在墩(台)顶,用于支承上部结构的传力装置,它不仅要传递很大的荷载,并且要保证上部结构按设计要求能产生一定的变位。基本附属设施包括桥面系、伸缩缝、桥梁与路堤衔接处的桥头搭板和锥形护坡等。桥梁的组成和分类地下结构的荷载图152.桥梁的分类(1)按桥梁长度分类：①特大桥:多孔跨径总长≥500m,单孔跨径>100m。②大桥:多孔跨径总长>100m,单孔跨径>40m。③中桥:30m<多孔跨径总长<100m,20m≤单孔跨径<40m。④小桥:8m≤多孔跨径总长<30m,5m<单孔跨径<20m。⑤涵洞:多孔跨径总长<8m,单孔跨<5m。桥梁的组成和分类(2)按桥跨材质分类：①钢桥:梁拱材料为钢。②圬工桥:梁拱材料为石、砖、混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土。③混合桥:一座桥上有两种以上不同的材质。一般指同时使用钢材与钢筋混凝土。④木桥:梁拱材料为木。(3)按桥面位置分类：①上承式桥:桥面位于桥跨的顶部。②下承式桥:桥面位于两主梁(桁梁或板梁)或两拱肋之间。③中承式桥:桥面设置在桥跨主要承重结构(桁架、拱肋、主梁等)中部。桥梁的组成和分类(4)按桥梁受力体系分类：①梁桥。梁桥的主要结构部件是在两端支撑的水平梁。当梁只跨越单个跨度时,它们被两点支撑;当梁跨越两个或多个跨度时,它们多点连续支撑。按照主梁的静力体系,梁桥分为简支梁桥、连续梁桥和悬臂梁桥,如图1-6所示。悬臂梁和连续梁都是利用支座上的卸载弯矩去减少跨中弯矩,使梁跨内力分配更合理,以同等抗弯能力的构件断面就可建成更大跨径的桥梁。桥梁的组成和分类

桥梁的组成和分类②拱桥。拱式体系的主要承重结构是拱肋(或拱箱),以承压为主,采用抗压能力强的圬工材料(石、混凝土与钢筋混凝土)来修建,如图1-7所示。拱承受的荷载传递到基础上,对地基产生较大的水平推力,因此,拱桥对地基要求较高,一般常建于地基良好的地区。桥梁的组成和分类③刚构桥。刚构桥是由受弯的上部梁(或板)与承压的下部柱(或墩)整体结合在一起的结构,如图1-8所示。由于梁与柱的刚性连接,梁因柱的抗弯刚度而得到卸载。桥梁的组成和分类桥梁的组成和分类④悬索桥。悬索桥指以悬索为主要承重结构的桥,由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成,如图1-9所示。主缆悬挂在塔架之间,最终连接到桥梁两端的锚碇上,垂直吊杆承受桥面系的自重和上面的交通荷载。主要承载构件是主缆,主缆是由高强度钢制成的受拉构件。主缆有良好的承载能力,且不存在屈曲问题。因此,桥梁结构的自重大大减轻,可以实现更大的跨径。此外,与其他类型的桥梁相比,悬索桥的美学外观是另一个优势。⑤组合体系。a.梁、拱组合体系:这类体系中有系杆拱、桁架拱、多跨拱梁结构等,如图1-10所示。它们利用梁的受弯与拱的承压特点组成联合结构。桥梁的组成和分类⑤组合体系。b.斜拉桥:在塔之间的每个跨度中有几个点用斜拉索向上支撑的结构,由索塔、拉索和主梁组成,如图1-11所示。桥面重量由多条张力接近直线的斜拉索支撑,斜拉索直接延伸至一个或多个索塔,塔架通过垂直压缩将索力传递至基础,缆绳中的张力也使桥面受到水平压缩。斜拉桥外形优美,跨越能力强。桥梁的组成和分类2桥梁的荷载桥梁荷载是指桥梁结构设计所应考虑的各种可能出现的荷载统称。按照《地铁设计规范》(GB50157——2013)的规定：桥梁荷载可以分为主力、附加力和特殊荷载。1.主力主力是正常的、经常发生的或时常重复出现的，又可分为恒载和活载。恒载一般指结构自重、土压力、静水压力及浮力、预加应力等，其大小和作用点一般是固定不变的，故称恒载。活载主要指列车重量以及列车运动引起的荷载，一般指列车竖向静活载、列车离心力、无缝线路纵向力、人群荷载等。桥梁的荷载2.附加力附加力是偶然作用的荷载，其最大值并不经常出现，而各种附加力同时出现最大值的机会就更少。3.特殊荷载特殊荷载是在特殊情况下作用的荷载，往往是暂时的或灾害性的，如船只或汽车的撞击力等。桥梁的荷载桥梁结构设计，应根据结构的特性，按表1-1所列的荷载，就其可能出现的最不利组合情况进行计算。桥梁的荷载注：①如杆件的主要用途为承受某种附加力，则在计算此杆件时，该附加力应按主力计。②

无缝线路纵向力不与本线制动力或牵引力组合。③

无缝线路断轨力及船只或汽车撞击力，只计算其中一种荷载与主力相组合，不与其他附加力组合。④流水压力不与制动力或牵引力组合。⑤

地震力与其他荷载的组合应按现行国家标准《铁路工程抗震设计规范》办理。⑥计算中要求考虑的其它荷载，可根据其性质，分别列入上述三类荷载中。3桥梁上部结构1.桥跨结构桥跨结构按材质主要分为钢结构和圬工结构。从桥梁养护角度出发，对钢结构梁最重要的要求是防止钢材锈蚀、防治构件裂纹及保持钉栓连接的紧密完好；对圬工梁拱的主要要求是坛工质量密实，排水设备有效完好、防止钢筋锈蚀、防治裂纹病害。挠度是检验桥跨结构综合技术状态的一个重要指标，检修部门应切实掌握和了解管辖范围内桥梁梁跨挠度的现状及变化。桥梁上部结构设计规范规定在列车静活载作用下，桥跨结构梁体竖向挠度不应大于表1-2的规定值。表1-2梁体竖向挠度的限制跨度L竖向挠度容许值L≤30mL/2000m30<L≤60mL/1500m60<L=80mL/1200mL>80mL/1000m桥梁上部结构2.轨道梁的截面型式目前，轨道梁主要采用的截面主要有T形截面、箱形截面和U形截面。(1)T形截面T梁是我国最广泛采用的梁式。T梁材料几何分布与结构受力配合得最好。混凝土面积集中在受压区，受拉区仅仅是为设置预应力束的马蹄块，跨中剪力小、腹板很薄，到支座附近随着剪力增加而加厚，如图1-12所示。T梁一般在工厂预制，用架桥机吊装就位，施工快捷方便。它的缺点是横向刚度和抗扭刚度比较差，横向整体性也差，必须加强横隔板以及梁间现浇湿接头以期改善；对平面线型的适应性差，在曲线上一般采用折线平分中矢布置。桥梁上部结构桥梁上部结构(2)箱形截面箱梁是目前国内轨道交通高架采用最多的梁式之一。它的特点是建筑高度适中，力学性能好(竖向刚度、横向刚度和抗扭刚度都好)，整体性好，特别适用于曲线梁桥。它既可用于标准区段，也可用于变宽、道岔区段，平面上适应性比较强；既适宜做简支梁，也可做连续梁。箱梁外观线形比较流畅、美观，设计和施工经验比较成熟。它的缺点是建筑高度较大，断面空间利用不佳。在箱形截面中，我们把由顶板、底板和边腹板围成的每一个闭环，称作一个“箱”；每一个“箱”内再由中腹板分成若干“室”，如图1-13所示。桥梁上部结构(3)U形截面U型梁属于一种下承式的开口薄壁结构，梁体由底板，两侧的腹板和腹板顶部的翼缘板连成U字形横截面的通道，多应用于城市轨道交通高架线路中，如图1-14所示。车辆荷载作用在桥面板上，荷载通过桥面板传给横梁，再由横梁传给主梁。主梁实际承受下端受拉荷载，对混凝土结构而言，这是不利的受力状态。荷载除引起主梁的弯曲外，还会引起主梁的扭转，存在弯扭效应。随着环保要求的提高、人性化设计的提倡，在槽型梁的主梁翼缘下可以安装管线；轨道交通车辆行驶于槽型梁两腹板中间，轮轨走行系统的噪声受到两侧主梁上翼缘及腹板阻隔，在一定程度上减少了车辆噪声对周围环境的影响；两侧主梁能防止出轨列车倾覆下落，给行车安全提供了可靠的保证；顶板还可以作为紧急逃生通道，使乘客的生命安全更有保障。桥梁上部结构桥梁上部结构4桥梁下部结构桥梁下部结构是指支承桥跨结构并将其荷载传递至地基的构造物，由桥墩、桥台和基础等组成。桥墩是一种延伸到地下或水中的结构，用于支撑桥梁上部结构并将荷载传递至基础，如图1-15所示。桥墩应具有足够的强度，以承受垂直和水平荷载。如果桥梁跨越水面，桥墩不应阻碍水流或潮汐。桥墩根据其结构分为重力式桥墩和轻型桥墩。桥梁下部结构桥台常设置在全桥两端，除了支承边跨上部结构之外，还与路堤相衔接，以抵御路堤土压力，防止填土滑坡和坍落。对于跨河桥，桥台还保护路堤免受水流冲刷。桥台通常包括道碴墙、台身、翼墙和基础，如图1-16所示。桥台具有多种形式，主要分为重力式桥台、U形重力式桥台、悬臂式桥台、扶壁式桥台、柱式桥台等。桥台的形式取决于路堤填土高度、上部结构、水文、地质、地形地貌等因素。桥梁下部结构桥梁基础是桥梁结构物直接与地基接触的最下部分，是桥梁下部结构的重要组成部分。它将荷载从下部结构(桥台、桥墩、挡土墙等)传递到地层中，而不会发生任何破坏或受到冲刷的影响。为了保证桥梁的正常使用和安全，地基和基础必须具有足够的强度和稳定性，变形也应在容许范围之内。按构造和施工方法不同，桥梁基础类型可分为：明挖基础、桩基础、沉井基础、沉箱基础和管柱基础，如图1-17所示。桥梁下部结构5支座桥梁支座是连接桥梁上部结构和下部结构的重要结构部件，设置在桥梁的上部结构与墩台之间。它能将桥梁上部结构承受的荷载和变形(位移和转角)可靠地传递给桥梁下部结构，并能适应上部结构由于荷载、温度变化、混凝土收缩等产生的变形(位移及转角)。桥梁支座还为上部结构和下部结构之间的相对运动留出了空间，例如水平和横向的旋转运动和平移运动。桥梁支座按其变形性能分为固定支座、单向活动支座和多向活动支座；按其材料分为简易支座、钢支座、橡胶支座、钢筋混凝土支座和特种支座等。桥梁支座主要根据桥梁的结构形式及宽度进行布置，并应有利于传递纵向水平力至墩台。支座1.钢支座钢支座靠钢部件的滚动、摇动和滑动来完成支座的位移和转动。它承载能力强，适应桥梁的位移和转动需要，广泛应用于城市轨道交通桥梁。钢支座常用的有铸钢支座和特种钢支座。视跨度和荷载的大小，钢支座有平板支座、弧形支座、摇轴支座和辊轴支座等。支座2.板式橡胶支座板式橡胶支座通常由多层橡胶与薄钢板镶嵌、黏合、硫化而成。支座在竖直荷载作用下，嵌入橡胶片之间的钢板将约束橡胶的侧向膨胀，使垂直变形相应减小，从而提高了支座的竖向刚度，而支座的水平位移仅与支座橡胶的净厚有关。为防止薄钢板的锈蚀，在板式橡胶支座的上、下面及四周均有橡胶保护层。板式橡胶支座具有构造简单、安全方便、节省钢材、价格低廉、养护简便、易于更换等特点。板式橡胶支座有足够的竖向刚度以承受垂直荷载，且能将上部结构的压力可靠地传递给墩台；有良好的弹性以适应梁端的转动；有较大的剪切变形以满足上部构造的水平位移；有良好的防震作用，可减少动载对桥跨结构与墩台的冲击作用。板式橡胶支座按其形状可分为矩形板式橡胶支座、圆形板式橡胶支座和球形板式橡胶轴承。设计规范规定，跨度不大于20m的梁可采用板式橡胶支座，并应设横向限位装置。支座支座板式橡胶支座3.盆式橡胶支座盆式橡胶支座是由钢构件与橡胶、聚四氟乙烯板等材料组合而成的新型桥梁支座。它具有承载能力大、水平位移量大、转动灵活等特点，广泛应用于大型公路、铁路桥梁建设。设计规范规定，跨度大于等于20m的梁宜采用盆式橡胶支座。盆式橡胶支座一般可分为固定支座、单向活动支座和双向(多向)活动支座，如图1-18所示。固定支座在所有方向上不得移动。在负载下，弹性支座垫像一种不可压缩的受限流体，可以在任一轴上旋转。带有钢导边的单向活动支座只能在一个方向上移动。不锈钢滑动件和PTFE滑动件进一步降低了摩擦系数，当水平载荷相对较小(小于垂直载荷的20%)时，最好使用单向活动支座。双向(多向)活动支座可以在所有方向上移动。活塞和底板之间增加的PTFE和不锈钢滑动表面形成了一个支座组件，允许在任何方向上水平移动。支座支座4.特种支座对于处于地震带上的桥梁，为减小地震灾害，现多选用抗震支座或减隔震支座产品。对于上部结构存在向上的反力的桥梁，一般选用拉压支座。对于悬索桥、斜拉桥等存在漂浮结构的桥梁，在梁体横向一般需要选用抗风支座产品。对于沿海及跨海桥梁，为保证支座使用寿命，则多选用耐蚀支座产品(一般为耐蚀球型支座)。对于跨铁路、高山和跨峡谷的桥梁，为了不干扰铁路运行和减小施工难度，多选用转体法施工，因此多选用转体球铰产品。对于在高纬度地区低温环境，为保证钢材应力，多选用低温用支座。支座6桥梁基本附属设施桥面铺装桥面系统伸缩缝与沉降缝锥体填土及护坡台后填土检查设备桥梁基本附属设施1.桥面铺装桥面铺装包括：铺装层、钢轨、轨枕、道砟、挡砟墙、泄水管、人行道、栏杆和钢轨伸缩调节器等。铺设道碴的桥面为道砟桥面，钢桥面一般不铺道砟，而将轨枕直接铺在纵梁上，成为明桥面。桥面构造与路基上的轨道结构基本相同，但还需要按规定铺设护轨、人行道、避车台等，如图1-19所示。(1)铺装层铺装层，亦称桥面保护层。其主要功能是保护主梁免受雨水侵蚀，防止车辆轮胎或履带直接磨耗桥面板和分布车轮的集中荷载。桥面铺装常采用水泥混凝土或沥青混凝土。随着科学技术的发展，最近几年也出现了钢纤维混凝土铺装和改性沥青与SMA铺装。水泥混凝土铺装层从上至下主要由水泥混凝土(厚6~8cm)、钢筋网、防水层(总厚1~2cm)、混凝土整平层等几部分组成。沥青铺装层从上至下主要由沥青混凝土(厚5-8cm)、带钢筋网的混凝土保护层(厚3-5cm)、防水层(总厚1-2cm)、混凝土找平层等组成。钢纤维混凝土铺装层从上至下主要由钢纤维混凝土、钢筋网、防桥梁基本附属设施水层、混凝土找平层等组成。常用的改性沥青可分为两类：合成橡胶类和塑性体类。SMA是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充于间断级配的粗集料骨架间隙而组成的沥青混合料。以钢桥面铺装为例，改性沥青与SMA铺装从上至下主要由铺装层上面层、黏层油、铺装层下面层、黏层油、防水层、粘结层、钢板防锈层等几部分组成。其中，最重要的是铺装层、防水层和防锈层。粘层油和粘结层不是独立的层次。桥梁基本附属设施桥面铺装一般不作受力计算。为使铺装层具有足够的强度和良好的整体性(能起联系各主梁共同受力的作用)，一般宜在混凝土中设置直径为4-6mm的钢筋网，受力钢筋的保护层厚度为3~5cm。(2)护轨护轨位于基本轨内侧，当机车车辆在桥头或桥上脱轨时，护轨可将脱轨车轮引导并限制于护轨与基本轨之间的轮缘槽内继续顺桥滚出，以免机车车辆向旁偏离撞击桥梁或自桥上坠下，造成严重事故。桥面护轨两端应伸出桥台挡碴墙以外，直轨部分长度应不少于5m；在直线上大于50m，曲线上大于30m的桥梁则为10m，然后弯曲交汇于线路中心，并将轨端切成斜面联结。轨端超出台尾的长度不应少于2m，弯轨部分的长度不应少于1.9m，如图1-20所示。自动闭塞区间在护轨交汇处应安装绝缘衬垫。桥梁基本附属设施桥梁基本附属设施铺设护轨时，护轨顶面不应高出线路钢轨顶面5mm，也不应低于线路钢轨面25mm。不采用机械化养护的桥梁，护轨与基本轨头部间净距应为(200±10)mm。当铺设60kg/m以上基本轨时，其净距为(220±10)mm。采用机械化养护的桥梁，其护轨与基本轨头部间净距应符合有关规定。桥梁基本附属设施(3)钢轨伸缩调节器在荷载与温度变化影响下，桥梁上的钢轨会随同桥梁一起伸长或缩短。桥梁上部结构的连续长度越长，伸缩量就越大。钢轨接头的间距越大，车轮经过该处时产生的冲击力就越大，甚至影响行车安全。因此，连续长度大于100m的桥梁必须在梁端伸缩缝处设置钢轨伸缩调节器，以保证车轮是在连续的而不是断开的轨道上滚动，如图1-21所示。(4)人行道、避车台桥梁人行道主要用于养护人员工作及翻修道床时堆放道砟、枕木、钢轨等，通过预埋U型螺栓将预制支架连接固定到桥面板上，预制步板则铺设在支架上，如图1-22所示。个别情况下，当桥上允许非养护人员通过时，线路中心至人行道栏杆内侧的净距应根据具体需要考虑，并在人行道和线路之间采取可靠的安全分隔措施。桥梁基本附属设施(4)人行道、避车台避车台是供检修养护工作人员避车的场所，其支架构件与梁体的预埋螺栓栓接。在两桥台台尾之间，沿桥梁全长每隔30m左右，在人行道栏杆外侧各设置避车台一座。单线桥在两侧人行道上按间隔30m左右交错设置避车台；双线及多线桥在每一侧各相距30m左右设置避车台。线路中心至避车台内侧的净距不小于4.25m，避车台应尽量设在桥墩处。桥梁基本附属设施(5)防排水系统为了迅速排除桥面上的雨水，防止雨水渗入梁体引起锈蚀而影响桥梁的耐久性、稳固性，确保桥梁的正常运营，除了在桥面铺装内设置防水层外，还应设置排水设施。桥梁基本附属设施桥面排水设施主要包括桥面纵横坡和一定数量的泄水管。通常当桥面纵坡大于2%而桥长小于50m时，一般能保证雨水从桥头引道上排水，桥上就可以不设泄水管。此时可在引道两侧设置流水槽，以免雨水冲刷引道路基。当桥面纵坡大于2%而桥长大于50m时，为防止雨水积滞桥面，每隔桥长12-15m设置一个泄水管。当桥面纵坡小于2%时，泄水管就需要设置更密一些，一般每隔桥长6-8m设置一个。桥面一般应保持1.5%~3%的横坡，以利于桥面排水。泄水管的过水面积通常按每平方米桥面上不小于2~3cm。泄水管可沿车行道两侧左右对称排列，也可交错排列。泄水管离路缘石的距离为10~50cm。泄水管下端应露出上部结构底面5-10cm。轨道交通高架桥梁的泄水管管径一般不小于110cm，为防止杂物堵塞排水管道，泄水管口均设置了管篦或管盖。桥梁基本附属设施桥梁上常用的泄水管有竖向泄水管道、横向泄水管道和封闭式泄水管道等形式。泄水管道一般由铸铁、钢、钢筋混凝土以及塑料等制成。当桥长较短时，纵向排水管道的出水口，可以设在桥梁两端的桥台处；对于长大桥，除了在桥台处设置出水口外，还需在某些桥墩处布置出水口，并利用竖向管道将水引到地面。纵向排水管道一般可设在箱梁中或梁肋内侧；竖向排水管道应尽可能布置在墩台壁的预留槽中或布置在桥台内部预留孔道中。桥梁基本附属设施桥面排水系统可分为开放式排水和封闭式排水。桥面开放式排水系统是通过桥缘石或路缘处桥面的垂直或水平排水系统，如图1-23所示。水平排水槽通常作为桥梁护栏路缘石施工的一部分，并根据水槽尺寸布置在近距离处。该系统可能会发生杂物堵塞，并导致混凝土劣化，如腐蚀和剥落，故需要长期维护。而垂直泄水管穿过并延伸至桥面以下。在不考虑对桥下径流造成的环境影响或潜在洪水的情况下，采用开放式排水系统。桥梁基本附属设施桥梁基本附属设施与开放式排水系统相比，封闭式排水系统通常由排水孔或进水口收集桥面汇水，再经封闭管道将排水口的径流向下传输至地面的排水入口点，如图1-24所示。封闭排水系统预留适当的位置用于后期维护。它适用于存在环境相关问题的地方，如侵蚀、洪水。2.桥面系统桥面系统指的是直接承受车辆、人群等荷载并将其传递至主要承重构件的桥面构造系统，由桥面板、加筋肋、纵梁、横梁等构件组成。承重结