桥梁概述与高速铁路桥梁

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西南交通大学,桥梁概论与高速铁路的桥梁,电话-,1,西南交通大学,一、 桥梁概述,二、高速铁路桥梁类型与特点,Pg.107-end,桥梁概论与高速铁路的桥梁,2,西南交通大学,1 桥梁概论,2 大跨度桥梁的类型与桥例,一、 桥梁概述,3,1.1 桥梁术语,基本概念,桥梁起源,桥梁组成,桥梁分类,桥梁发展,4,基本概念,桥梁,供车辆和行人跨越障碍物的建筑工程结构,线路跨越障碍的延伸部分或连接部分,桥梁工程,桥梁建筑的实体,建造桥梁所需的科技知识,意义,技术,经济,美学,5,桥梁起源,树桥：梁桥的雏形,6,桥梁起源（续）,原始木梁桥,天然石梁桥,早期石梁桥,7,桥梁起源（续）,世界上最长的天然石拱桥，跨度119.5米，位于美国犹他州国家公园,中国最长的天然石拱桥，跨度80米，位于重庆涪陵小溪,法国阿尔代什峡谷天然石拱桥,8,桥梁受力,9,桥梁组成,上部结构,（superstructure），包括,桥跨结构，也叫承重结构,桥面构造,（deck）,下部结构,（substructure），也叫支承结构，包括,桥墩与桥台,（abutment and pier）,墩台基础,（foundation） 多种结构形式,支座,（bearing）,附属结构物,10,西南交通大学,桥梁专业部分名词,专用名词、技术术语,主桥：,桥梁跨越主要障碍物（如通航河道）的结构部分。,引桥：,从桥台至正桥的结构部分，连接主桥和两端道路。,跨度/径：,表示桥梁的跨越能力，对于多跨桥，最大跨度称为,主跨。,计算跨径：,桥跨结构相邻两支点间的距离,l,1,；,净跨径：,设计洪水位线上相邻两桥墩（台）间的水平净距,L,0,，各孔净跨径之和称为,总跨径。,标准跨径的目的：,有利于桥梁制造和施工的机械化，也有利于桥梁养护维修和战备需要。,11,西南交通大学,1.1 桥梁术语及其分类,标准跨径： 公路常用10m、16m、20m、40m,铁路常用20m、24m、32m、48m,桥长：,两桥台侧墙或八字墙尾端之间的距离。,桥下净空高度：,设计洪水位（通航水位）与桥跨结构最下缘的高差H。,桥梁建筑高度：,桥面与桥跨结构最下缘的高差h 。,12,桥梁分类,13,桥梁分类（续）,14,结构体系详细分类,a悬臂梁桥,b连续梁桥,c拱桥,d悬索桥,e刚架桥,fT型刚构,g斜腿刚构,h连续刚构,i斜拉桥,j系杆拱,15,西南交通大学,桥梁按跨径的分类,桥梁分类,公路桥梁,铁路桥梁,多孔跨径总长,L,1,(m),单孔跨径,l,(m),桥长,L,1,(m),特大桥,L,1,1000,l,150,L,1,500,大 桥,100,L,1,1000,40,l,100,100 ,L,1,500,中 桥,30,L,1,100,20,l,40,20,L,1,1000,小 桥,8,L,1,30,5,l,20,L,1,20,16,梁桥,简支梁桥,悬臂梁桥,等截面连续梁桥,变截面连续梁桥,连续刚构,梁为承重结构，主要以其抗弯能力来承受荷载；在竖向荷载作用下，其支承反力也是竖直的；简支的梁部结构只受弯受剪，不承受轴向力,增加中间支承，可减少跨中弯矩，更合理地分配内力，加大跨越能力,梁式体系分,实腹式,和,空腹式,，前者的梁截面为,T,形,、,工字形,和,箱形,等，后者指,桁架,结构；梁的高度可等高或变高,17,刚构（架）桥,门式刚架,T形刚构,斜腿刚构,V形刚构,18,拱桥,三铰拱,两铰拱,无铰拱,系杆拱,结构特征,：主要承重结构具有曲线外形,受力特点,：在竖向荷载作用下，拱主要承受轴向压力，但也受弯受剪。支承反力不仅有竖向反力，也承受较大的水平推力,静力学分类,：单铰拱、双铰拱、三铰拱和无铰拱,常用材料,：石材、钢筋混凝土、钢材,施工方法,：有支架和无支架施工,系杆,吊杆,主拱圈,立柱,行车道系,19,悬索桥,组成,：主要由缆、塔、锚碇、加劲梁等组成,受力,：在竖向荷载作用下，索受拉，塔受压，锚碇受拉拔反力,材料,：缆通常用高强度钢丝制成圆形大缆，加劲梁多采用钢桁架或扁平箱梁，桥塔可采用钢筋混凝土或钢材,跨度,：因悬索的抗拉性能得以充分发挥且大缆尺寸基本上不受限制，故悬索桥的跨越能力一直在各种桥型中名列前茅,缆,塔,锚锭,加劲梁,20,斜拉桥,形式,：由梁、塔和斜索组成的组合体系，结构型式多样，造型优美壮观,受力,：在竖向荷载作用下，梁以受弯为主，塔以受压为主，斜索则承受拉力,材料,：斜索采用高强钢丝制成，塔多采用钢筋混凝土，梁采用预应力混凝土梁或钢箱梁,斜拉索,索塔,主梁,21,人行桥,（pedestrian bridge）,上：德国的两座人行桥；左下：伦敦的一座人行桥；右下：美国的一座人行桥,造型轻盈别致、线条流畅、与环境协调，是其特点,22,开启桥（活动桥）,左：伊拉克的一座平转开启桥；中：巴西的一座提升开启桥；右：竖转开启桥,右下：天津塘沽海门开启桥,（64m）,目的和特点：节省总造价，可保证水上交通；陆地交通受限制，维修管理费用较高,23,西南交通大学,桥梁的主要桥型：,梁桥、刚构桥,拱桥,斜拉桥,悬索桥,组合桥,1.2 桥梁的类型与桥例,24,宋代虹桥,虹桥（,1032,1033,年），见宋代画家张泽端的名画,清明上河图,构造奇特，采用两套木拱并配以横木，形成稳定的超静定结构 。,25,灞陵桥,位于在渭源县南城门外的清源河上，是一座古典纯木结构卧式悬壁拱桥，俗称“卧桥”，结构独特，工艺精巧，已成为渭水一大景观,始建于明洪武初年（1368年），1919年重建，跨度29.5m，高15.4m，宽4.8m；桥底部以十根粗壮圆木并列十一组，从两岸桥墩逐次递级，飞挑凌空，形成半圆状桥体，桥面有台阶通道三条，并配有扶手栏杆，桥顶为飞檐挑阁式廊房，共13间64柱,26,赵州桥,在隋大业元年（公元605年左右），李春在河北赵县修建了赵州石拱桥（又称安济桥）。,该桥净跨37.02m，宽9m，构思巧妙，造型美观，工艺精致，历1400年而无恙，举世闻名，被誉为“国际土木工程里程碑建筑”。,27,玉带桥 十七孔桥,北京颐和园内的十七孔桥建于清乾隆年间（1736,1795年）,拱洞从桥中间向两端逐渐收小,玉带桥建于清乾隆十五年（,1750,年）,两端有反弯曲线的玉石拱,28,湖州三桥,位于江苏湖州双林镇，主拱跨12.6m，宽3.5m,居中的拱桥大约建于800年前,中国南方地区拱桥特点,29,大渡河铁索桥,建于1706年，长约103m，宽约2.8m，由13条锚固于两岸的铁链组成,30,钱塘江桥,主跨16,65.84m，公铁两用，由我国桥梁先驱茅以升先生主持修建,1937年9月通车，同年12月侵华日军攻陷杭州，我国军队西撤后将桥炸毁，1947年3月修复,31,武汉长江大桥,中国第一座跨越长江的大桥，1957年完成,钢桁架连续梁桥，主跨128m，双层桥面，公铁两用,悬臂拼装法施工,32,南京长江大桥,1968年完成，其材料、设计、施工全部自己承担,钢桁架连续梁桥，主跨160m，双层桥面，公铁两用,悬臂拼装法施工，深水基础施工,33,南昆线清水河桥,铁路预应力混凝土连续刚构桥,主跨128m，墩高100m，1996年完成,34,南昆线板其二号桥,采用曲线连续,刚构体系，曲线半径,R,= 450m,我国铁路上的第一座弯梁桥,主跨布置为44,72,44m,35,最大跨径的混凝土连续梁（连续刚构）桥,36,大跨混凝土梁桥的长期挠度问题,近10多年来，我国相当多的大跨梁桥在通车25年后出现持续下挠和跨中底板开裂的现象。,预拱度法：传统设计方法，按总弯矩包络图配筋（对预应力及其附加力进行估算），在悬臂施工状态，占主体荷载的恒载弯矩大于预加力产生的反向弯矩，这就导致成桥后跨中挠度的持续发展。,零弯矩法：(建议的方法、有成功设计的例子），从施工顺序出发，先以悬臂梁为基本图式，通过预应力手段取得了力学上平衡，由此不设预拱度，使施工的立模安装标高与成桥标高能够保持一致。这样不但极大的简化了工程控制，而且实践证明它对控制长期挠度的效果也十分理想。,其他因素：材料，徐变系数难以准确考虑，各程序计算结果不准确,37,成昆铁路一线天桥,铁路石拱桥，跨度54m,有支架（钢拱架）施工，1966年建成,38,双曲拱,河南前河大桥,中国最大的公路双曲拱桥,跨度150m， 1970年建成,有支架施工,39,四川宜宾金沙江小南门大桥,中承式混凝土提篮拱桥，跨度240m， 1990年建成，时称“亚洲第一大中承式钢混拱桥”,劲性骨架法施工,2001年11月7日4：30分左右桥面突然垮塌,40,四川宜宾金沙江小南门大桥,41,重庆綦江新虹桥,原虹桥为钢管混凝土系杆拱，因质量事故于1999年1月4日整体垮塌，死40人，伤14人，震惊全国,新虹桥系X型钢筋混凝土人行拱桥，全长160米，净跨130米，宽7.5米，1999年9月28日开工，2000年12月峻工并投入使用，立碑纪念,四川省交通厅设计院设计，大桥局施工，“全国最老最大的建桥队正建造一座该队建桥史上最小但影响最大的桥”,42,四川旺苍东河大桥,我国第一座钢管混凝土系杆拱桥,跨度115m，1990年建成,43,三峡工程专用公路黄柏河桥,上承式钢管砼拱，桥长276.71m，跨度160m,转体施工，1996年竣工,44,桁架拱：贵州剑河桥,主跨150m，1985年建成,45,组合桁架拱：江界河桥,位于贵州瓮安,跨度330m，世界上跨度最大的桁架拱桥,悬臂拼装施工,1995年建成,46,重庆万州长江大桥,世界上跨度最大的钢筋混凝土拱桥，主跨420m,采用劲性骨架（含钢管混凝土）和缆索吊装方法施工,1997年建成,47,斜拉桥,19世纪出现雏形，20世纪中期出现现代意义上的斜拉桥，后期得到迅猛发展（全世界约有400余座，我国占大约1/4）。,斜拉桥发展的原因和条件,结构造型新颖（直线感和柔细感）,新材料的应用（高强钢丝，特别是斜拉索卷材）,设计理论和计算技术的进步,施工技术的进步,经济效益（在400800m跨度内具有很强竞争力）,总体趋势：稀索密索，混凝土斜拉桥，造型多样化,技术问题：斜拉索的防腐，抗风抗震,48,排序,桥名,主跨(m),桥址,年份,1,苏通大桥,1088,长江，江苏，中国,2007,2,昂船舟大桥,1018,香港，中国,2009,3,多多罗桥(Tatara),890,日本本州四国联络线,1998,4,诺曼第桥(Normandie),856,法国,1994,5,南京二桥,628,长江，中国,2000,6,武汉三桥,618,长江，中国,2000,7*,青州闽江大桥,605,福州，中国,2000,8,上海杨浦大桥,602,上海，中国,1993,9,中央名港大桥(Meiko-Chuo),590,日本,1996,10,上海徐浦大桥,590,上海，中国,1997,最大跨径,斜拉桥,49,中外斜拉桥跨度统计,苏通,昂船洲,南京三桥,仁川,50,上海南浦大桥,结合梁，主跨423m，1991年,51,南京长江二桥,钢箱梁，主跨628m，2000年,52,广西来宾红水河桥,混凝土梁，主跨96m，1981年,53,悬索桥,最早的大跨度桥型，依旧保持桥梁跨度记录,与其他桥型相比，悬索桥的优势：,材料用量、加劲梁截面，基本不发生变化,构件设计，承重结构在尺寸方面不受限制,大缆受力形式，受拉，可充分发挥材料能力,施工，大缆是现成的悬吊式脚手架,不足：刚度较小，容易振动,54,各国悬索桥的主要特点,美国：钢主塔；直吊索；非连续的桁架式加劲梁；钢筋混凝土桥面板；铸钢鞍座和眼杆锚拉杆；空中送丝法（AS法）,欧洲：混凝土主塔，全焊梭状扁平钢箱加劲梁；直吊索和斜吊索； AS法,日本：钢主塔；直吊索；桁式加劲梁（双层桥面）；预制平行丝股法（PS法）,中国：混凝土索塔；（倾向于采用）扁平钢箱梁；垂直吊索； PS法,55,汕头海湾大桥,混凝土加劲梁，主跨452m，1995年,56,西陵长江大桥,钢箱加劲梁，主跨900m，1996年,57,广东虎门大桥,钢箱加劲梁，主跨888m，1997年,58,香港青马大桥,钢箱加劲梁，主跨1 377m，1997年,59,江阴长江大桥,钢箱加劲梁，主跨1 385m，1999年,60,排序,桥名,主跨(m),桥址,年份,1,万县长江大桥,420,万县，中国,1997,2,克尔克1号桥(Krk-1),390,克尔克岛(Krk lsland)，南斯拉夫,1980,3,江界河大桥,330,黄河，中国,1995,4,邕江大桥,312,广西，中国,1997,5,格莱兹维尔桥(Gladesville),305,悉尼(Sydney)，澳大利亚,1964,6,艾米赞德桥(Ponte da Amizade),290,巴拉那河(Parana River)巴西-巴拉圭,1964,7,布洛克兰斯桥(Bolukrans),272,布洛克兰斯(Bloukrans)，南非,1983,8,阿拉比达桥(Arrabida),270,奥波托(Oporto)，葡萄牙,1963,9,山多桥(Sando),264,克拉姆福斯(Kramfors)，瑞典,1943,10,拉兰斯桥(La Rance),261,法国,1990,世界上最大跨径的混凝土拱桥,61,钢拱桥,在20世纪30年代，国外钢拱桥的跨度就超过500m,在90年代，兴起钢管混凝土拱桥,目前正热衷于钢拱桥,拱桥向大跨度发展，重点在,无支架施工,方法上,62,四川旺苍东河大桥，跨度115m，1990，第一座钢管混凝土系杆拱桥,钢管混凝土拱桥,柳州市文惠大桥，跨度3180m，1994，第一座中承式钢管混凝土拱桥,63,广州丫髻沙珠江大桥,，跨度360m，2000年,贵州水柏铁路北盘江铁路大桥,，,轨底到峡谷底深达280m，,跨度236m，转体，2001年,武汉江汉三桥,，跨度280m，2001年,钢管混凝土拱桥（续）,宜宾戎州大桥,，跨度260m，缆索，2004年,64,历史上著名的钢拱桥,世界上第一座钢拱桥，位于美国密西西比圣路易斯，建于1867-1874年，主跨158.80m,双层桥面，上层为公路，下层为双线铁路（使用至1974年,）,美国鬼门（Hell Gate）桥,四线铁路桥，主跨298m,1916年建成,65,历史上著名的钢拱桥,美国新河谷桥，1977，518.2m,澳大利亚悉尼港大桥，1932，503m,美国贝永桥，1931，503.6m,美国弗里芒特桥，1973，382.6m,66,67,Thatcher Ferry Bridge in Panama,Called “bridge ofthe Americas” by Panamanian people,Steel archedtruss arch with span of 344m, completed in 1962,Crossing Panama Canal,68,韩国傍花大桥，主跨 540m，2000年,美国罗斯福湖桥，主跨330m，1990年,日本Kishiwada桥，主跨255m，1993,日本,Shin-Hamadera,桥，主跨254m，1991,69,厦门钟宅湾大桥，主跨208m，2004,上海卢浦大桥，主跨550m，2003,中国近年来修建的钢拱桥中承式钢箱提篮拱桥,云南小湾大桥，主跨130m，2002,上海卢浦大桥，主跨550m，2003,70,新型的组合式,系杆钢拱桥,中承式钢桁系杆拱桥,独塔自锚式悬索桥,斜拉拱桥组合体系,其他的花式桥,组合桥等,71,新型的组合式系杆钢拱桥,重庆菜园坝大桥，主跨420m，2007,广州新光大桥，主跨428m，在建,美国,Alsea海湾钢拱桥,，主跨137.16m，1991,72,新型的组合式系杆钢拱桥,重庆菜园坝大桥，主跨420m，2007,广州新光大桥，主跨428m，2006,73,重庆朝天门大桥，2008，552m,宜万铁路万州长江大桥，主跨360m的单拱连续钢桁梁，02年12月开工，2005年6月合龙,190米+552米+190米，三跨连续中承式钢桁系杆拱桥,74,西,东,1936年建成,1989年地震中损伤,独塔自锚式悬索桥，替代东侧的桁架桥，2002年动工，由于经济原因，工程延误，预计2012年完工,signature span,广珠城际铁路小榄水道特大桥,主跨220m ，在建，施工控制进行中,75,旧金山奥克兰海湾桥,西,东,1936年建成,1989年地震中损伤,独塔自锚式悬索桥，替代东侧的桁架桥，2002年动工，由于经济原因，工程延误，预计2012年完工,signature span,76,韩国Yeo,ngjong大桥,空间缆自锚式悬索桥，分跨125-300-125m ，2000,77,独缆自锚式悬索桥，分跨120-300-120m ，1987,日本大阪,konohana（此花） 大桥,78,马来西亚Seri Saujana 桥,斜拉拱桥组合体系，主跨300m，2002,79,马来西亚Seri Wawasan桥,主跨168.5m，2003,80,81,Alameda 桥，主跨130m，1995,西班牙的两座城市道路钢拱桥,Bach de Roda-Felipe II桥，,主跨130m，1995,82,Juscelino Kubitschek Bridge in Brazil,2002,年,3240m,83,桥梁发展,桥跨结构继续向大跨发展,结构型式和构造呈多样化发展,桥梁设计理论更趋完善和合理,桥梁CAD技术应用更趋广泛,建桥材料向高强、轻质、新功能方向发展,84,Span increment and bridgetypes,85,桥梁建设的基本目标,基本目标是,适用、安全、经济、美观,。,围绕这一基本目标，桥梁技术的发展应表现在：,桥梁具有较大的跨越能力和承载能力；,车辆能安全运行于桥上并使旅客有舒适感；,讲求经济效益，力图降低造价；,考虑结构与环境的协调。,86,桥梁学科的研究及发展,墩台和基础：,总的说来，在桥梁墩台和基础技术水平方面，我国仅次于日本。日本因修建了较多的海湾、海峡桥及大跨悬索桥、斜拉桥，使其在施工机械、大体积混凝土施工、无人沉箱、设置沉井和地下连续墙等技术方面处于世界领先地位。,到了90年代，我国深基础的施工和技术水平仅次于日本，己进入世界先进水平。,87,材料：,桥梁的发展进程表明，新材料对其发展具有关键性作用。没有材料科学的发展，就不会有长大跨及新桥型的演进。从另一方面看，正是由于材料科学的发展还不满足桥梁科技进步的需要，一些目前己经可以构思、设计的大跨桥梁工程，但因没有理想的材料而难以实现。由此可见，新材料确实是桥梁的物质基础和重要依托。桥梁所用材料主要有两类，一为钢材，另一为混凝土，目前它们都是向高强、轻质、新功能方向发展。下面简介其发展动态。,88,高性能钢,桥梁用钢的历史,，表现出一条低碳钢低合金钢高强度钢高性能钢的发展轨迹。,高强度钢,（High Strength Steel, HSS）在材料韧性和可焊性等方面往往不尽人意,高性能钢,（High Performance Steel, HPS）是一种综合优化了材料力学性能、便于加工制造、适于低温和腐蚀环境、具备较高性价比的桥梁结构用钢。,进展,：美、日、欧洲从20世纪90年代起，开始研究和应用HPS。97年日本“超级钢材”项目，98年中国“新一代钢铁材料重大基础研究 ”,HPS材料特征,：,化学成分,碳、磷、硫含量有显著的减少，增加有利于防腐蚀和耐候稀有元素；,力学性能,对合金元素进行优化组合，并采用Q&T或热力控制处理（TMCP）技术，生产出同时保持高强度、高韧性和可焊性好的细晶粒结构钢；,抗腐蚀和耐候性能,通常无需油漆；,疲劳性能,有待更多试验,89,混凝土: 高强混凝土,高强混凝土是相对普通强度混凝土而言，其定义的确定并无统一的标准。我国一般把强度等级大于C60级的混凝土称为高强混凝土，大于Cl00级的混凝土称为超高强混凝土；美国ACI363委员会把强度超过4lMPa的混凝土定义为高强混凝土；而前苏联则把500号(相当于48MPa)以上的混凝土称为高强混凝土。高强混凝土具有抗压强度高、抗冲击性能好、耐久性强等优点。因用高强混凝土建造桥梁，不仅可减小梁高、又能减轻梁自重，从而使其跨度增大。据国外资料统计，预应力混凝土桥采用高强混凝土，结构截面尺寸可减小近一半，而构件自重与钢构件相当，可提高经济效益30%,40%。日本歧关大桥为7,48m后张T梁，采用60MP的高强混凝土后，T梁高度降低12.5%，截面积减小13.5%。,90,混凝土: 高强混凝土,目前，在实验室条件下，我国己能制成C100级凝土，罗马尼亚可制成C170级混凝土，美国己制成C200级混凝土。在铁路桥工程中，我国现浇混凝土等级已达C60,C70级，预制的达C80级，如衡广复线江村桥混凝土设计强度达80MPa。在结构工程领域已达C100。,91,轻质混凝土,凡用轻质骨料配制的混凝土，容重在16,20kN/m,3,(普通混凝土容重为23,24kN/m,3,)，强度等级在C30,C50者称为轻质混凝土。轻质混凝土的骨料主要是以页岩锻烧膨胀而得，其有陶粒型(破碎成粉后制成球锻烧)和非陶粒型(页岩破碎后原状锻烧)。1965年起，日本开始将轻质混凝土用于铁路桥梁制造，如东北本线金山架道桥和总武本线荒川桥，其容重为16,20kN/m,3,，强度等级为40级。,92,轻质混凝土,我国在南京长江大桥等一些铁路桥中，也采用过轻质混凝土，但使用并不普遍。这主要是轻质混凝土在使用中还存在着一些难以处理的问题。如轻质混凝土自重虽可减轻，但其弹性模量为同等级普通混凝土的50,60%、且徐变大，造成应力损失也大。所以也有人认为将混凝土等级提高来减小断面，其效果比轻质混凝土好。这样就出现一种趋向，认为轻质混凝土对中小跨径铁路桥减轻自重、提高抗震效能是有一定效果；但在大跨径铁路桥梁上要成为理想材料，还需作更多的研究。,93,絮凝混凝土,水下絮凝混凝土可在水中缓慢地自行流平和密实，能进行钢筋密集区、狭窄断面、水下大面积薄板及小体积结构等过去无法施工的水下混凝土工程的施工。其工艺简单，不受水位、季节等的限制。1974年德国首次研制成功专用外加剂，其主要成分是纤维素醚类有机水溶性高分子聚合物的抗分散外加剂。用它拌制的水下絮凝混凝土，在水中浇注时不易因周围水流冲洗而分离，混凝土始终能粘成一体，从而达到不离析的目的。1981年日本三井石油化学工业公司引进德国的技术，并开发了自己的水下不离析混凝土。目前，日本已有十余种抗分散外加剂投放市场，美国、法国等国也都在开发。,94,碳纤维强化复合材料,1930年代，美国旧金山金门大桥建成时，创下了桥梁史上跨长1280m的世界记录。几经改写，到20世纪末，日本明石海峡桥才将这一记录改成1990m。其中，结构理论的发展和材料强度的提高起了决定性作用。根据目前理论计算，钢悬索桥的极限跨长(指桥跨结构能支承自重的跨度)可达4000m，而到20世纪末，实际所建最大跨长只有其一半。分析表明，若改用碳纤维强化复合材料，悬索桥的极限跨长可比钢悬索桥提高一倍以上,。,95,碳纤维强化复合材料,可以预言，纤维强化复合材料是21世纪桥梁新材料的发展方向。正因如此，许多发达国家都在争相研究、开发。目前，因其成本太高，主要还只用于航天工业，桥梁工程中只是极少量使用。国内现已开展非金属纤维加劲塑料预应力筋的研究。其可作为我国桥梁工程中开展碳纤维强化复合材料研究的起步。纤维加劲材料的研究是21世纪一个重要的研究方向。,96,材料,总之，我国桥梁所用材料，不论是结构钢材、预应力钢材、混凝土材料，在强度方面都已接近国外先进水平；但在新型高强材料的品种、类型和使用上比国外少，今后要加强这方面的工作。,97,计算机辅助设计与结构分析系统,CAD技术，即计算机辅助设计技术，自1960年代出现以来，经历近40年的发展，在工程领域取得了长足进步，在桥梁设计中的应用也越来越广泛。现在，桥梁CAD技术的主要内容有如下五部分：,结构分析、图形绘制、结构优化、工程数据库、专家系统,。,98,高速铁路车桥耦合动力性能研究,随着铁路提速、高速铁路与城市轻轨的修建，桥梁在移动列车荷载下引起的振动问题往往成为桥梁结构设计时的控制因素，“车桥耦合动力学”便是针对上述问题而产生的一门新型交叉学科。,99,高速铁路车桥耦合动力性能研究,研究并建立车桥耦合动力学理论，是解决铁路提速、高速铁路与城市轻轨修建带来的一系列动力学问题的关键，随着京沪高速铁路建设，在一系列国家攻关项目的支撑下，开展了高速铁路车桥耦合动力性能的研究，完成了大量的理论分析和数值计算工作，并编制了京沪高速铁路桥梁动力特性分析及设计准则。,100,桥梁结构风工程,研究,随着大跨、超大跨桥梁的发展以及跨海桥梁的建设，桥梁抗风问题日益突出。近年来，针对大跨度悬索桥、斜拉桥的重大工程建设，开展了大量桥梁抗风性能研究，对于诸如虎门大桥、汕头海湾大桥以及上海卢浦大桥等开展风洞试验及理论分析研究，对这些桥梁的选型和设计、施工方法起到了指导作用。并在颤振、抖振、驰振理论研究领域取得了进展，此外，还开展了斜拉索雨振的研究。在此领域的成果推动了大跨桥梁的发展。,101,桥梁结构抗震性能,研究,研究桥梁在地震波作用下的动力响应规律已成为近年来桥梁抗震分析中的热门研究课题。,90年代以来，国内在此领域内分析了斜拉桥在纵向地震波入射下的动力响应，并讨论了行波效应、地震的竖向分量、桩土结构相互作用以及多点激振对大跨度桥梁地震响应的影响；对于连续刚构桥，采用平面杆系有限元模型对其地震动力响应进行分析，结果表明：竖向地震激励对结构的内力影响较小，行波效应及土桩结构相互作用对结构的位移、内力增长显著。,对于大跨、高墩连续梁桥空间地震响应进行了分析，结论是：地震波相位差对结构不利，梁的横向刚度变化对桥梁的横向地震响应影响不大。,102,桥梁结构施工力学及既有结构性能评估,研究,大跨、超大跨及新型桥梁结构由于工程规模大、过程漫长，施工期间的环境和结构边界条件和结构状态（几何形状和物理特性）经常变化，结构荷载和材料的性能是时变的。最近几年的许多工程事故大都发生在施工阶段，虽然其中有许多责任问题，但和对施工力学和时变力学研究与重视不够也有很大关系。,目前，许多大跨度桥梁施工开展了施工控制研究，但这只是对一般工程设计的补充和一般工程力学应用的扩展，实际上这方面设计到许多学科的交叉和综合发展。,103,桥梁结构施工力学及既有结构性能评估,研究,既有结构的评估、加固与合理利用是目前世界各国均十分关注的一个重大问题。内容包括：结构在经历了若干年的正常或非正常使用之后，其各项功能发生的不同程度退变以及评价其承载能力、损伤程度、使用性能、抵抗超载的能力、剩余寿命以及相应的可靠性的方法。,在正确评价的基础上，进一步研究了对既有结构的加固措施与方法，并在实际工程中采用了多种加固措施，解决了现代交通运输对既有桥梁的要求。该领域的研究正在不断深入。,104,桥梁学科科学研究,总之，紧跟世界潮流。半个世纪以来，我国在桥梁建设规模与水平、新材料的开发与应用、新技术的研究与推广、设计理论的研究、计算机技术的应用等各方面均开展了卓有成效的工作，取得了许多重大成果。,建成了一大批具有世界影响的桥梁工程，此处难以全面论及。随着大型跨江、跨海桥梁结构建设需要的日益突出，如桥梁结构抗风、快速交通运输条件下的桥梁动力学结构分析计算、桥梁结构设计分析与工程控制等，对桥梁结构行为理论研究和应用软件的开发与完善等都提出了更高的要求。,105,对桥梁工程的总体把握,106,西南交通大学,1 高速铁路桥梁的特点,2 高速铁路桥梁设计荷载,3 高速铁路桥梁刚度要求与变形限值,二、高速铁路桥梁类型与特点,107,1 高速铁路桥梁的特点,高速铁路的高速度、高舒适性、高安全性、高密度连续运营等特点对其土建工程提出严格的要求。,高速铁路的发展推动现代铁路技术的发展，采用设计，施工新理念。,桥梁设计突出人性化，满足适用、舒适、耐久、环保、便于维修等方面的要求，从而体现经济性。,108,1 高速铁路桥梁的特点,具体而言，高速铁路桥梁的特点体现为：,1,）桥梁所占的比例大，高架桥、长桥多；,2,）结构的动力效应较大；,3,）桥上无缝线路与桥梁及下部结构共同作用；,4,）刚度大，整体性能好；,5,）修养护的时间少；,6,）重视耐久性，便于检查，维修；,7,）强调结构与环境的协调。,109,1 高速铁路桥梁的特点,高速铁路的自身特性对设计也提出了新的要求：,1,）桥梁具有足够刚度,(,竖、向、转,),，结构变形小；,2,）避免结构出现共振和较大振动；,3,）结构耐久性的要求、便于检查；,4,）力求标准化并简化规格，品种；,5,）桥梁与环境协调，满足美观、降噪、减振的要求。,110,西南交通大学,2 高速铁路桥梁设计荷载,列车活载,欧洲,欧洲高速铁路采用,UIC,荷载作为设计活载，是考虑到了与其他欧洲铁路网相接，以及将来高速铁路上行走重型车辆的可能，,UIC,活载满足货车,80-120 km/h,的重型货车和高速轻型客车,250-300km/h,桥梁设计要求。,UIC活载,111,西南交通大学,日本,日本采用接近其高速运营列车的,P,（,N,）,荷载作为设计活载，,P,荷载仅为,UIC,活载的,40%,。,N标准活载重,0系列,100系列,200系列,300系列,WIN350,500系列,235,230,275,296,350,300,16.0,15.2,17.0,11.3,10.0,11.2,车 型,最高速度,最大轴重,2 高速铁路桥梁设计荷载,列车活载,112,西南交通大学,2 高速铁路桥梁设计荷载,中国客运专线,中国高速铁路采用,ZK,荷载作为设计活载，,ZK,活载为普通铁路桥梁设计的中,-,活载的,70%,，为欧洲铁路联盟,UIC,活载的,80%,。,ZK活载,113,西南交通大学,2 高速铁路桥梁设计荷载,中国客货混运,桥梁荷载按中,活载设计，,ZK,活载校核。,中活载,114,西南交通大学,2 高速铁路桥梁设计荷载,中国台湾,中国台湾高速铁路采用,UIC,修正荷载作为设计活载,各种荷载相互关系（以中,-,活载为基准作简单比较）,中-活载,UIC荷载,ZK荷载,台湾,P（N）荷载,100%,87.5%,70%,66%,35%,60,60,115,西南交通大学,3 高速铁路桥梁刚度要求与变形限值,桥梁刚度要求,对高速铁路线上单跨及多跨简支梁桥的刚度限值的计算方法可采用如下思路确定,:,1,）对高速铁路线上运行的车辆按车辆,共振速度和最高设计速度,用,整车模型,确定其最低刚度要求；,2,）结构设计时按满足最低刚度要求设计，并计算其结构自振频率；,116,西南交通大学,3 高速铁路桥梁刚度要求与变形限值,3）对于设计好的结构，根据其自振频率，计算桥梁及车辆的共振速度，设法避开车辆及桥梁同时发生共振的结构布置形式，即在可能出现车辆和桥梁同时共振的跨度范围，,不采用等跨度,的桥梁结构布置形式；,4）对于已设计好的结构，用车桥耦合振动计算模型检算车辆和桥梁各自共振速度时的列车,运动舒适性与安全性,，对不能满足要求的桥梁进行修改设计，直至满足舒适性与安全性的要求。,结构变形限值,-,竖向挠度限值,不同速度等级的铁路,，对竖向挠度的限值是不一样的。,详细列出如下。,117,西南交通大学,3 高速铁路桥梁刚度要求与变形限值,京沪暂规中的梁体的竖向挠度限值(ZK静载）,跨度m,L24,24 80,单跨,L/1300,L/1000,L/1000,多跨,L/1800,L/1500,L/1000,客专无碴轨道设计指南梁体的竖向挠度限值(ZK静载）,L50m，无碴轨道铺设后徐变上拱10mm,L50m，无碴轨道铺设后徐变上拱L/5000， 20mm,118,西南交通大学,3 高速铁路桥梁刚度要求与变形限值,200km/h,客货共线暂规梁体的竖向挠度限值(中活载）,铁路基本规范,梁体,的竖向挠度限值 (中活载）,简支混凝土梁：,L/800,跨度m,L20,20L 50,50 L 70,70 L 96,单跨,L/1000,L/1000,L/900,L/900,多跨,L/1400,L/1200,L/1000,L/900,跨度m,L24,24 L 40,40 L 96,单跨,L/1300,L/1000,L/1000,多跨,L/1800,L/1500,L/1200,200250,km/h,客专暂规梁体的竖向挠度限值 (ZK静载）,119,西南交通大学,3 高速铁路桥梁刚度要求与变形限值,德国,铺设无碴轨道的高速铁路桥梁，,对桥梁变形的要求，参照德国,无碴轨道的总体技术规范技术通告,（,2002.8.1 DB Netz NST,）和,DIN,技术报告,101,：,=,（,L,）,UIC,+,K+S,容许,=,（,L,）,804,L10.0m,时，,（,L,）,=0.4,以,32m,梁为例，,（,L,）,=0.4,容许,的垂直位移取决于跨度和速度,L=32m,、,v=350 km/h,时,120,西南交通大学,结构变形限值,-,竖向转角限值,墩台,梁体,扣件,钢轨,道床板,道床板,客专无碴轨道设计指南梁端的竖向转角(ZK静载）,京沪暂规中的梁端的竖向转角(ZK静载）,L,80m无规定,L80，,2,3 高速铁路桥梁刚度要求与变形限值,121,西南交通大学,3 高速铁路桥梁刚度要求与变形限值,200km/h,客货共线暂规梁端的竖向转角(中活载）,铁路基本规范中梁体的竖向转角 (中活载）,无规定,200250,km/h,客专暂规梁端的竖向转角 (ZK静载）,有碴轨道：,2,无,碴轨道：,路基与桥梁过渡段：3,10,-3,rad；,两梁之间： ,1,+,2,6,10,-3,rad,122,西南交通大学,3 高速铁路桥梁刚度要求与变形限值,德国,考虑冲击系数的UIC71活载和温度，,1）单线桥梁：桥梁端头 6.5,10,-3,rad；,中间支点处 ,1,+,2,10,10,-3,rad,2）双线桥梁：桥梁端头 3.5,10,-3,rad,中间支点处 1+25,10,-3,rad,123,西南交通大学,3 高速铁路桥梁刚度要求与变形限值,两梁竖向错位对扣件上拔力的影响,其他要求,两梁竖向错位,客专无碴轨道设计指南规定，梁缝钢轨支点相对位移不应大于1mm,德国无碴轨道技术规程规定，设有纵坡的桥梁，由于活动支座产生水平位移引起的梁缝两侧钢轨支点间的竖向相对位移不宜大于1mm,124,西南交通大学,3 高速铁路桥梁刚度要求与变形限值,结构变形限值-横向力挠度限值,在列车摇摆力、离心力、风力和温度的作用下，梁体的水平挠度应小于或等于梁体计算跨度的1/4000；,结构变形限值-,竖向自振频率限值,常用简支梁竖向自振频率限值,跨径（m）,16,20,24,32,40,48,56,自振频率限值（Hz）,7.5,6.0,5.0,3.75,3.0,2.38,2.18,125,西南交通大学,在高速铁路线上，列车对桥梁的动力作用增大，为满足行车安全、乘坐舒适以及适应高速铁路线路的构造要求，高速铁路桥梁必须具有足够的强度、更高的刚度及良好的稳定性，更大的抗扭能力和较高的减振降噪特性。,同时，采用无缝长钢轨的线路，其,桥梁体系,的构造应能很好地,传递列车纵向力,，使列车纵向力不能过多地分配给钢轨,。,三、世界各国高速铁路桥梁的结构形式,126,西南交通大学,为满足以上要求，国外一些规定或规范中对高速铁路桥梁的结构型式提出了,原则性,的建议或要求。,国际铁路联盟,UIC776-2,高速和超高速线路上的桥梁规程,规定，最适宜的桥型应是桥梁上部结构具有尽可能好的刚性，并建议,:,世界各国高速铁路桥梁的结构形式（续）,127,西南交通大学,小跨度桥（,L,20m,）的结构形式,带道碴的正交异性板,外包混凝土的钢梁,钢筋混凝土或预应力混凝土板或,T,梁,钢,混凝土组合结构,世界各国高速铁路桥梁的结构形式（续）,128,西南交通大学,对中等跨度桥（,20m,L,60m,）,钢筋混凝土或预应力混凝土箱形梁,钢,混凝土组合结构,对大跨度桥（,L,60m,）,上弦设有抗风联结系的双线桥格构梁桥,钢、钢筋或预应力混凝土拱桥,世界各国高速铁路桥梁的结构形式（续）,129,西南交通大学,随着建桥水平的提高及预应力混凝土结构的广泛应用，同时人类对环境的要求越来越高，国外近年修建的高速铁路新线，基本上全部采用钢筋混凝土及预应力混凝土结构,。,世界各国高速铁路桥梁的结构形式（续）,130,西南交通大学,在日本的铁路新干线上，除东海道新干线设计速度为,210 km/h,外，其余几条线的设计速度为,260 km/h,。在这些线上，桥梁总延长所占线路长度比重较大，下表为各条新干线上桥梁及高架桥所占比例。,日本新干线上的桥梁,131,西南交通大学,新干线上的桥梁及高架桥所占比重,日本新干线上的桥梁（续）,桥 型,东 海 道,山 阳 新 干 线,上 越,东北新干线,东京新大阪,新大阪冈山,冈山博多,大宫新泻,东京盛冈,延长,km,比率,%,延长,km,比率,%,延长,km,比率,%,延长,km,比率,%,延长,km,比率,%,桥 梁,57,11,20,12,31,7,30,11,75,15,高架桥,116,22,74,45,86,22,132,49,279,56,合 计,173,33,94,57,117,29,162,60,354,71,132,西南交通大学,由上表可见，日本新干线上高架桥的比率，在某些段几乎占了线路总长的一半。由于有这样多的高架桥，因此日本新干线上的高架桥多采用标准设计。,日本高架桥标准设计的基本情况如表,3.1,，标准设计中桥面宽度按表,3.2,确定。,日本新干线上的桥梁（续）,133,日本新干线上的桥梁（续）,高架桥标准设计的基本情况 表3-1,134,西南交通大学,日本新干线上的桥梁（续）,高架桥标准设计的基本情况 续表3-1,135,西南交通大学,新干线表彰高架桥桥宽（m） 表3-2,日本新干线上的桥梁（续）,136,西南交通大学,东海道高架桥的几种标准设计形式如下图所示,日本新干线上的桥梁（续）,图3.1 日本东海道标准设计框架式高架桥（单位:mm）,137,西南交通大学,续上图3.2 日本东海道标准设计框架式高架桥（单位:mm）,日本新干线上的桥梁（续）,138,西南交通大学,主要结构形式,除高架桥外，日本新干线上其它桥梁采用了上承钢板梁、结合梁、穿式桁架、钢筋混凝土及预应力混凝土梁，也有少量拱桥,。,下表列出了各条新干线上采用的混凝土桥与组合梁桥、钢桥等各自在除高架桥外所占的比例,。,日本新干线上的桥梁（续）,139,西南交通大学,各条新干线上混凝土桥与其他桥所占比例 表3-3,日本新干线上的桥梁（续）,140,西南交通大学,主要结构形式,上表中的数据说明: 除东海道新干线上采用了较多的组合梁桥和钢桥外，后来修建的新干线大量地采用了混凝土桥，只在万不得已的情况下才用组合梁桥和钢桥。,日本新干线上的桥梁（续）,141,西南交通大学,主要结构形式,东海道新干线建成运营十年后，发现桥梁存在许多问题，尤以钢梁更突出。,通过调查发现主要原因是设计处理不当及桥梁振动、疲劳等原因所致。,另外钢梁桥的噪音比混凝土桥也大得多。,因此，在后来修建的几条新干线上大量采用了混凝土桥梁， 这样可增大结构阻尼、减小桥梁振动和噪音、减小维修工作量。,日本新干线上的桥梁（续）,142,西南交通大学,在选择结构型式时，尽量采用有碴桥面梁。,(,德国,DS804,规范规定，铁路桥一般应采用上承式桥，在任何情况下都必须设置道碴道床。,),日本东海道新干线上，曾经采用过明桥面钢梁，但经过几年行车后，在,34,孔明桥面穿式板梁中，有,8,孔在纵梁、横梁端部腹板的断面变化处出现向上斜裂缝，后根据裂缝发展情况，予以更换或加强。东海道以后的新干线，只在万不得已的情况下才采用,。,日本新干线上的桥梁（续）,143,西南交通大学,主要结构形式,在日本新干线上，大量采用标准设计的预应力混凝土桥，截面形式有,T,梁和箱梁。,T,梁跨度在,15,45m,，双线主梁片数从,3,片到,8,片不等。,主梁截面形式以箱梁为主，在跨度较小、梁高较低的桥梁也使用少量的,T,梁,.,从施工方法上看，以支架施工、悬臂施工和顶推施工为主，预制拼装施工的极少。,日本新干线上的桥梁（续）,144,西南交通大学,噪声解决方式,高速行车噪音引起沿线居民强烈不满的问题，一直困扰着日本的新干线运输。,为减少新干线桥梁的噪音，现在的做法是在高架桥上设隔音板。,在钢梁上设隔音板，但是这种措施要使噪音降至,70 dB,以下，目前来说是难以达到的。,日本新干线上的桥梁（续）,145,西南交通大学,为从根本上解决这一问题，不采用或尽量少采用钢及钢,混凝土组合梁是一比较明智的决策。另外，无碴桥面梁的行车噪音也比有碴的大。,日本新干线上的桥梁（续）,146,西南交通大学,设计速度,250 km/h,、全长,327 km,的德国汉诺威,维尔茨堡和全长,104 km,的曼海姆,斯图加特两条新干线上，共有桥梁,359,座，总延长,37 km,。在,359,座桥中，,152,座跨越公路，,139,座跨越铁路，其余,68,座为大型山谷桥和高架桥。,从桥梁总长与线路总长之比来看，德国高速铁路上的桥梁数量远小于日本新干线和我国在建的京沪高速铁路线。,德国这两条新干线上的桥梁几乎全部是预应力混凝土和钢筋混凝土桥。其原因一方面是混凝土桥养护维修方便、造价也较低，另一更主要的的原因则是混凝土桥在高速行车条件下的噪音远比钢桥低。,德国高速铁路线上的桥梁结构型式,147,西南交通大学,在德国的这两条高速铁路上，大部分桥为预应力混凝土简支梁和连续梁。,简支梁的墩中心距基本上采用,44m,及,58m,两种，,25m,的只有少数几跨。墩中心距,44m,的梁跨度为,42m,，,58m,的梁跨度,55.75m,。,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,148,西南交通大学,为这两条高速铁路，德国联邦铁路管理中心组织力量制定了一套标准设计图（参考设计），标准设计均为单室单箱形截面预应力混凝土梁，桥面的横断面按,铁路新干线上桥梁的特殊规程,的,56,条办理，规定的横断面如图,3.3,所示。,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,149,西南交通大学,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,图3.3 时速超过200km/h线路上的铁路桥桥面,典型,横断面（单位：m）,150,西南交通大学,在标准设计中，箱梁底板宽,5.0m,，桥面板宽,14.3,（道床部分,9.1m,）。跨度,42m,的梁高,4.0m,，,55.75m,的梁高,5.0m,；腹板与铅垂方向成,15,，其正常厚度为,0.6m,，支座处,0.7m,；底板的一般厚度为,0.35m,，支座处,0.6m,；梁端还设有,0.8m,厚的横隔板,(,设检修洞）,图,3.4,所示为两座典型桥梁的横截面，其参数列于表,3-4,中。,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,151,西南交通大学,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,图3.4 德国高速铁路桥梁的上部结构典型截面图（单位：m）,152,西南交通大学,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,德国高速铁路桥梁的典型参数 表3-4,153,西南交通大学,由图,3.4,可见，在桥面的两侧设有略向外倾并沿全桥布置的挡板。挡板是一种装饰构件，它不仅在外观上加强了桥的纤细效果，而且也以明亮的形体掩盖其处在阴影下的箱梁主体。,设计规程规定，当梁高为,3.6,5m,时，挡板高度应为,1.1m,。这个比例是可以调整的。,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,154,西南交通大学,为了减小噪音影响，德国高速铁路桥梁上大多采用了防噪音墙，防噪音墙分内外两层，其高度一般要求高于檐板,1.35,2.5m,。下图,3.5,为德国高速铁路上隔音墙的设置情况。,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,155,西南交通大学,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,图3.5 德国隔音墙设置横断面及隔音墙局部外形图（单位：cm）,156,西南交通大学,在德国的高速铁路上，对桥梁与线路的共同作用问题非常重视，桥上尽可能地采用焊接无缝线路，要求上部结构跨度要短，下部结构要是非柔性的。为减小列车制动和牵引引起的钢轨内过大的附加应力，新干线铁路桥梁采用如下几种体系,:,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,157,西南交通大学,德国高速铁路线上的桥梁结构型式,简支梁体系（跨度,25,、,44,、,58m,）,带有辅助设施的简支梁体系（如串联简支梁）,连续梁体系,其它体系,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,158,西南交通大学,前三种体系的简图示于下图中。,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,图3.6 德国铁路新干线的桥梁结构体系,159,西南交通大学,在以上简支梁体系中，应遵守如下设计原则:,连续使用固定-活动支座，且一端固定于桥台的支座布置形式，适用于墩高小于20m，且基础较好的情况；,两端桥台均用固定支座，适用于墩高超过20m，且基础相对较差的情况；,用,纵向力连接器,将各跨简支梁连接起来，且一端固定于桥台；,德国高速铁路线上的桥梁结构型式（续）,160,西南交通大学,用液压传力的纵向,徐变连接器,将各跨简支梁连接起来，两端固定于桥台。该体系能承受,短时间作用的纵向力,，能很好地,将制动力和牵引力传递到桥台,。,德国高速铁路上的桥梁，大量采用了徐变连接器装置，其目的在于严格,限制,由于轨道参与传递纵向水平力所引起的