我國高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁研究與應(yīng)用胡所亭06上海

1、會計學(xué)1我國高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁研究與我國高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁研究與應(yīng)用胡所亭應(yīng)用胡所亭06上海上海2一前言二結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究三系統(tǒng)試驗研究四質(zhì)量控制體系五結(jié)語3 隨著京津城際、武廣、鄭西等350km/h級高速鐵路，合寧、合武、石太、甬臺溫、溫福等250km/h級高速鐵路相繼開通運營，我國高速鐵路運營總里程已躍居世界第一，標(biāo)志著我國鐵路已經(jīng)全面步入高速鐵路時代。 一. 前言l高速鐵路運營里程對比(截止2010年3月)45為保證高速列車運行的安全與舒適，高速鐵路線路應(yīng)具有高平順性、高穩(wěn)定性、高精度、小殘變及少維修等特點，同時出于節(jié)約土地、保護線路周邊環(huán)境等目的，我國高速鐵路建設(shè)

2、中大量采用了高架橋梁結(jié)構(gòu)，橋梁約占線路總長的50%左右。其中，京津城際鐵路和京滬高速鐵路橋梁比例分別高達88%、80%以上。常用跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)占橋梁總里程的95%以上。 一. 前言l我國既有普通鐵路橋梁僅占線路總長的4%。6我國高速鐵路橋梁建設(shè)中面臨兩個十分突出的問題：(1)橋梁工程數(shù)量巨大；據(jù)目前不完全統(tǒng)計，我國已建和在建高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁的數(shù)量已超過20萬孔，本輪大規(guī)模建設(shè)結(jié)束時預(yù)計將接近30萬孔。(2)建設(shè)周期相對較短，同時開工的線路多，在建橋梁工程十分集中。 一. 前言7一我國高速鐵路建設(shè)概況二結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究三系統(tǒng)試驗研究四質(zhì)量控制體系五結(jié)語8 二. 結(jié)

3、構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究2.1 高速鐵路橋梁主要設(shè)計原則3900/23900/2601800l普通鐵路雙片式T梁概貌(單線)l高速鐵路箱梁概貌(雙向)對于常用跨度橋梁，高速鐵路運營活載靜態(tài)效應(yīng)(動車組)約為普通客貨共線鐵路活載效應(yīng)的3555%。橋梁結(jié)構(gòu)已由既有強度控制設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)閯偠?變形)控制設(shè)計。9 剛度：橋梁應(yīng)有足夠的豎向、橫向、縱向和抗扭剛度，減小結(jié)構(gòu)的各種變形； 耐久：橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)進行耐久性設(shè)計，并應(yīng)便于檢查與維護； 環(huán)保：橋梁應(yīng)與環(huán)境相協(xié)調(diào)（美觀、減振降噪等方面）； 質(zhì)量保證：常用跨度橋梁力求標(biāo)準(zhǔn)化并簡化規(guī)格、品種，便于施工和質(zhì)量控制。 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究2.1 高速鐵路

4、橋梁主要設(shè)計原則10 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究2.2 主要設(shè)計參數(shù)研究-活載圖式及動力系數(shù)l我國普通鐵路橋梁采用中-活載圖式和相應(yīng)的動力系數(shù)。l日本高速鐵路采用接近運營列車實際活載圖式和實際動力系數(shù)。l歐洲統(tǒng)一采用UIC活載圖式，它涵蓋6種運營列車，包括高速列車和重載列車。11 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究2.2 主要設(shè)計參數(shù)研究-活載圖式及動力系數(shù)l根據(jù)高速鐵路實際運營車輛，通過開展大量靜動力分析確定橋梁設(shè)計活載效應(yīng)，并參考國際鐵路活載圖式研究成果，提出了ZK活載圖式和相應(yīng)的動力系數(shù)。l我國客運專線采用的 ZK 活載圖式(0.8UIC)12 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究2.2

5、 主要設(shè)計參數(shù)研究-梁部結(jié)構(gòu)豎向基頻和剛度限值列車以一定速度通過橋梁橋時，對橋梁的作用類似于頻率固定的激振源；對于簡支梁，其激振頻率簡化為速度(m/s)/車輛定長(m)。l京津城際24m簡支箱梁實測值l京津城際32m簡支箱梁實測值13通過開展仿真分析和實測驗證，系統(tǒng)研究了常用跨度橋梁動力響應(yīng)與運行速度、列車類型(軸重、軸距和車輛定長、編組)和橋梁剛度(基頻)的關(guān)系。限值標(biāo)準(zhǔn)確定的主要原則為：l基于結(jié)構(gòu)受力：動力系數(shù)；l基于軌道狀態(tài)：梁體豎向加速度；l基于乘坐舒適度：車體豎向加速度。 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究2.2 主要設(shè)計參數(shù)研究-梁部結(jié)構(gòu)豎向基頻和剛度限值14 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)

6、計參數(shù)研究2.2 主要設(shè)計參數(shù)研究-梁部結(jié)構(gòu)豎向基頻和剛度限值l京津城際實測值與仿真分析對比圖l限值選擇不當(dāng)將導(dǎo)致動力系數(shù)過大甚至發(fā)生共振現(xiàn)象152.2 主要設(shè)計參數(shù)研究-梁端轉(zhuǎn)角限值 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究為保證橋梁接縫部位有砟道床穩(wěn)定性或梁端無砟軌道扣件系統(tǒng)的受力要求，同時保證高速列車乘坐舒適和行車安全。高速鐵路橋梁設(shè)計時應(yīng)控制活載作用下梁端轉(zhuǎn)角在允許限值以內(nèi)。經(jīng)研究，在ZK靜活載作用下，有砟軌道橋梁梁端豎向折角不應(yīng)大于2。l梁端轉(zhuǎn)角示意圖162.2 主要設(shè)計參數(shù)研究-梁端轉(zhuǎn)角限值 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究對于采用無砟軌道的橋梁，梁端轉(zhuǎn)角將使得梁縫兩側(cè)的扣件分別產(chǎn)生上拔和

7、下壓。為滿足無砟軌道受力要求，根據(jù)其影響因素，分別規(guī)定了相應(yīng)的限值。l梁端扣件受力示意圖l影響因素：懸出長度、梁高、扣件布置172.2 主要設(shè)計參數(shù)研究-墩臺縱向線剛度限值 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究高速鐵路要求一次性鋪設(shè)無縫線路，因此橋梁設(shè)計時必須考慮梁軌縱向相互作用，設(shè)計時應(yīng)選擇適宜的墩臺縱向剛度、以盡量減小橋梁的位移與變形，限制橋上鋼軌的附加應(yīng)力，保證橋上無縫線路受力、穩(wěn)定和行車安全。182.2 主要設(shè)計參數(shù)研究-橋梁長期變形限值 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁部結(jié)構(gòu)徐變變形會導(dǎo)致橋上線路的附加不平順，影響行車安全和乘坐舒適。對于鋪設(shè)無砟軌道的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁：L5

8、0m的梁體豎向殘余徐變變形應(yīng)控制在10mm以內(nèi)，L50m的梁體殘余徐變變形應(yīng)滿足L/5000的限值。如對于主跨100m的連續(xù)梁，跨中殘余徐變變形應(yīng)控制在20mm以內(nèi)，實際監(jiān)測表明，可控制在10mm以內(nèi)。長期變形控制技術(shù)是鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的關(guān)鍵技術(shù)之一。19 綜合國外高速鐵路和我國既有鐵路設(shè)計、運營經(jīng)驗，確定常用跨度橋梁梁部結(jié)構(gòu)以采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)為主、墩臺基礎(chǔ)以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，梁部截面類型以箱梁為主。 根據(jù)大量車橋耦合動力仿真分析及試驗驗證結(jié)果，簡支和連續(xù)兩種結(jié)構(gòu)均能滿足高速列車運行安全和舒適要求，從結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)格簡潔及施工等因素考慮，40m及以下跨度以簡支結(jié)構(gòu)為主、40m以上跨度

9、多采用連續(xù)結(jié)構(gòu)。 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究2.3 常用跨度橋梁的結(jié)構(gòu)選型20 通過大量的理論和試驗研究，同時考慮施工能力等因素，常用簡支梁跨度采用32m，少量配跨采用24m、40m等；常用連續(xù)梁主跨跨度主要為48m、56m、64m、70m、80m、100m和128m等。 對于簡支梁結(jié)構(gòu)，大量采用現(xiàn)場預(yù)制、架橋機架設(shè)；少量采用造橋機、現(xiàn)場灌筑或預(yù)制節(jié)段法施工；對于連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，多采用現(xiàn)場懸臂灌筑，部分采用造橋機施工；等跨連續(xù)梁部分采用先簡支后連續(xù)或造橋機施工。 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究2.3 常用跨度橋梁的結(jié)構(gòu)選型21從快速施工和質(zhì)量保證等因素考慮，大量簡支梁結(jié)構(gòu)采用沿線梁場預(yù)制、

10、運梁車運輸和架橋機架設(shè)的施工模式。 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究2.3 常用跨度橋梁的結(jié)構(gòu)選型l高速鐵路箱梁預(yù)制、運輸和架設(shè)22 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究 通過針對高速鐵路橋梁設(shè)計的各項控制參數(shù)開展系統(tǒng)的研究，提出了相應(yīng)的限值，目前均已納入我國高速鐵路設(shè)計規(guī)范，用于指導(dǎo)設(shè)計。與此同時，根據(jù)上述原則考慮我國高速鐵路建設(shè)中的實際國情特點，確定了常用跨度橋梁結(jié)構(gòu)型式，并統(tǒng)一頒布了通用設(shè)計參考圖，從源頭上較好地控制了設(shè)計質(zhì)量，為后續(xù)整個質(zhì)量控制體系打下了基礎(chǔ)。23一我國高速鐵路建設(shè)概況二結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究三系統(tǒng)試驗研究四質(zhì)量控制體系五結(jié)語24三. 系統(tǒng)試驗研究為適應(yīng)我國高速鐵路建設(shè)

11、中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁廣泛應(yīng)用的實際情況，鐵科院自上世紀(jì)90年代起，針對預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁開展了系統(tǒng)的試驗研究，對簡支箱梁的設(shè)計參數(shù)、制造工藝、使用性能和長期變形等方面進行了全面分析和試驗研究。系列試驗研究達到驗證設(shè)計、檢驗工藝及形成并完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的目的，各項研究成果已廣泛應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁設(shè)計和施工中,并被納入相關(guān)規(guī)范中。25年代年代依托依托工工點點設(shè)計設(shè)計速度速度（km/h）設(shè)計設(shè)計跨度跨度軌道形式軌道形式附注附注活載活載1999秦沈線秦沈線200中中-活載活載24m有砟有砟無砟無砟先期開展先期開展1:2模型試驗?zāi)Ｐ驮囼?005合寧線合寧線250中中-活載活載24m32m有砟有砟跨度跨度

12、32m箱梁包括先張和箱梁包括先張和后張工藝兩種后張工藝兩種2006鄭西線鄭西線350ZK活載活載32m無砟無砟2007石太線石太線250中中-活載活載32m有砟有砟鄭西線鄭西線350ZK活載活載32m無砟無砟廣珠線廣珠線2000.6UIC32m無砟無砟含整體和多片式箱型梁含整體和多片式箱型梁2008海南東海南東環(huán)環(huán)250中中-活載活載32m有砟有砟成灌線成灌線2000.6UIC32m無砟無砟2009南廣線南廣線250中中-活載活載32m有砟有砟時速時速250公里通用圖公里通用圖合蚌線合蚌線350ZK活載活載32m無砟無砟單線箱梁試驗研究單線箱梁試驗研究高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁主要試驗研究項

13、目匯總高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁主要試驗研究項目匯總表表三. 系統(tǒng)試驗研究3.1 簡支箱梁靜動力性能試驗研究l鄭西客運專線（350km/h）l首孔設(shè)計時速350km后張箱梁試驗三. 系統(tǒng)試驗研究3.1 簡支箱梁靜動力性能試驗研究l合寧客運專線（250km/h）l折線配筋的先張預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁28三. 系統(tǒng)試驗研究3.1 簡支箱梁靜動力性能試驗研究高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在縱向采用全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計，并結(jié)構(gòu)抗裂安全系數(shù)1.2、強度安全系數(shù)2.0。通過對開展正常使用試驗、開裂試驗、重裂試驗及破壞性試驗四個階段研究，對全預(yù)應(yīng)力箱梁的剪力滯效應(yīng)、抗裂性和設(shè)計強度等參數(shù)進行了系統(tǒng)的研究。l試驗梁破壞狀態(tài)

14、裂縫擴展情況三. 系統(tǒng)試驗研究3.1 簡支箱梁靜動力性能試驗研究30三. 系統(tǒng)試驗研究3.1 簡支箱梁靜動力性能試驗研究研究結(jié)果表明，高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁剛度大，縱向按全預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計時，混凝土抗拉強度(RL)的作用高于普通鐵路常用預(yù)應(yīng)力梁，即施工階段必須避免梁體混凝土早期收縮開裂。高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁在橫向按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計，研究表明單線加載為活載橫向加載的控制工況。31通過在施工和運營兩個階段開展箱梁動力性能試驗研究，施工期間在考慮梁面不同二期恒載的條件下，確保梁體基頻滿足規(guī)范要求，并通過聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間的實車試驗進行驗證。三. 系統(tǒng)試驗研究3.1 簡支箱梁靜動力性能試驗研究32三.

15、 系統(tǒng)試驗研究3.2 簡支箱梁工藝試驗研究-混凝土水化熱控制研究成果表明，梁體在養(yǎng)護期間(特別是蒸汽養(yǎng)護)，早期溫度過高雖然可提高混凝土強度發(fā)展速度提高生產(chǎn)效率，但對混凝土的后期性能將產(chǎn)生不利影響。研究提出混凝土芯部最高溫度宜控制在60以下。為避免表面收縮裂縫的產(chǎn)生，研究提出拆模時混凝土芯部與表面、表面與環(huán)境溫差均應(yīng)控制在15以內(nèi)。33三. 系統(tǒng)試驗研究3.2 簡支箱梁工藝試驗研究-預(yù)施應(yīng)力工藝研究提出三階段預(yù)施應(yīng)力工藝：l預(yù)張拉：用于避免混凝土早期產(chǎn)生裂縫；l初張拉：初張拉用于克服梁體自重以進行移梁作業(yè)；l終張拉：完成預(yù)施應(yīng)力作業(yè)（并對已完成預(yù)、初張的鋼束進行補張） 。同時，預(yù)施應(yīng)力工藝試驗

16、研究表明，距梁端約為一個梁高的位置，預(yù)應(yīng)力在截面上的分布較好地符合線性規(guī)律。34三. 系統(tǒng)試驗研究3.2 簡支箱梁工藝試驗研究-箱梁移、運、架工藝35三. 系統(tǒng)試驗研究3.2 簡支箱梁工藝試驗研究-箱梁移、運、架工藝研究表明，支點存在不平整量時，梁端倒角部位(斜對角位置)將出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,當(dāng)支點不平整量超過3mm時，將可能導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。同時，支點不平整將引起四支點支反力的不平衡。h2h4ih = H - Hi11hhh33AAAA(i2)AAAAA0圖中：h = (h + h )/232A 點實際高差h h或支點不平整量或 H + H - H - H24313312244333H2H4HH3

17、3H3當(dāng)h h或332h時，A A A A 1234仍處于一個平面出現(xiàn)支點不平整3當(dāng)h h或3A A A A 122h時，432hh (h)3336三. 系統(tǒng)試驗研究3.2 簡支箱梁工藝試驗研究-箱梁移、運、架工藝研究提出，預(yù)制梁在制梁場內(nèi)運輸、起落梁和出場裝運、架設(shè)均應(yīng)采用聯(lián)動液壓裝置或三點平面支撐方式，運輸和存梁時均應(yīng)保證每支點實際反力與四個支點的反力平均值相差不超過10或四個支點不平整量不大于2mm。37三. 系統(tǒng)試驗研究3.2 箱梁工藝試驗研究-長期變形特征研究過程中，通過跟蹤監(jiān)測數(shù)百片箱梁的長期徐變變形，對預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁長期變形特征進行了驗證。實測箱梁變形綜合變異系數(shù)在30%左

18、右，與我國鐵路規(guī)范考慮值接近。l部分梁體觀測結(jié)果與理論值對比38三. 系統(tǒng)試驗研究3.2 箱梁工藝試驗研究-長期變形特征針對不同跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁長期變形特征的系列研究和實測結(jié)果均表明，在現(xiàn)有高速鐵路常用跨度連續(xù)箱梁剛度和預(yù)應(yīng)力配束條件下，按照現(xiàn)有設(shè)計二期恒載上橋時間（60天），其梁體長期殘余變形可以控制在10mm以內(nèi)。39三. 系統(tǒng)試驗研究通過針對高速鐵路常用跨度箱梁使用性能和承載能力等開展系統(tǒng)的試驗研究，在驗證整個設(shè)計體系的同時，進一步提出了箱梁制造、移運、架設(shè)等各個工藝過程中的關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)和控制指標(biāo)，并形成了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，為在高速鐵路橋梁建設(shè)過程中質(zhì)量控制打下了基礎(chǔ)。40一我國高速

19、鐵路建設(shè)概況二結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究三系統(tǒng)試驗研究四質(zhì)量控制體系五結(jié)語41高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的質(zhì)量控制體系由標(biāo)準(zhǔn)體系、質(zhì)量檢驗體系及產(chǎn)品認證體系組成。其中標(biāo)準(zhǔn)體系除包含預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的設(shè)計規(guī)范、施工規(guī)范、設(shè)計文件、技術(shù)條件、驗收規(guī)定外，還包括箱梁制造過程中各種原材料、配件的標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)條件。質(zhì)量檢驗除采用一般土建工程的監(jiān)理、質(zhì)檢制度外，對箱梁預(yù)制還采取了生產(chǎn)許可證、配套產(chǎn)品認證制度。同時，在質(zhì)量控制中特別強調(diào)了過程控制的理念。四. 質(zhì)量控制體系42梁場建設(shè)試生產(chǎn)局級鑒定(單位自檢)鐵道部鑒定(資格認證)1.管理及技術(shù)文件；2.施工工藝、設(shè)備；3.人員配備4. 現(xiàn)場梁體靜載檢驗頒發(fā)許可

20、證正式批量生產(chǎn)生產(chǎn)過程中工藝檢驗及靜載抽檢四. 質(zhì)量控制體系43l梁場過程控制(抗裂性檢驗)梁場正常生產(chǎn)后，每個檢驗批的預(yù)制箱梁均應(yīng)進行靜載檢驗，否則不允許上道。四. 質(zhì)量控制體系44鐵道部質(zhì)檢機構(gòu)還會根據(jù)建設(shè)的需要，定期與不定期進行各種原材料、產(chǎn)品的質(zhì)量抽檢，公布檢查結(jié)果，杜絕了劣質(zhì)產(chǎn)品流入鐵路市場，也對保證高速鐵路橋梁的工程質(zhì)量起到了關(guān)鍵作用。實踐證明，我國鐵路針對預(yù)應(yīng)力箱梁的質(zhì)量控制體系適應(yīng)了高速鐵路建設(shè)需求，較好地控制了質(zhì)量。四. 質(zhì)量控制體系45一我國高速鐵路建設(shè)概況二結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究三系統(tǒng)試驗研究四質(zhì)量控制體系五結(jié)語46高速鐵路與普通鐵路是兩個時代的產(chǎn)物，高速鐵路橋梁設(shè)計

21、、施工采用新理念，其建設(shè)促進了我國鐵路橋梁工程技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過多年艱苦努力，我國在高速鐵路常用跨度橋梁方面已經(jīng)逐步建立了較為完善的技術(shù)體系，后續(xù)工作中重點針對以下問題開展研究：l進一步研究高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁優(yōu)化的可能性；l高速鐵路橋梁的日常檢查與養(yǎng)護維修技術(shù)。結(jié) 語4748一我國高速鐵路建設(shè)概況二結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究三系統(tǒng)試驗研究四質(zhì)量控制體系五結(jié)語492.2 主要設(shè)計參數(shù)研究-梁端轉(zhuǎn)角限值 二. 結(jié)構(gòu)選型及關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)研究對于采用無砟軌道的橋梁，梁端轉(zhuǎn)角將使得梁縫兩側(cè)的扣件分別產(chǎn)生上拔和下壓。為滿足無砟軌道受力要求，根據(jù)其影響因素，分別規(guī)定了相應(yīng)的限值。l梁端扣件受力示意圖l影響因素：懸出長度、梁高、扣件布置502.2 主要設(shè)計參數(shù)研究-墩臺縱向線剛度限值 二. 結(jié)構(gòu)