中国短跨高速铁路桥梁设计和施工的新发展外文翻译资料

 2022-08-08 20:37:00

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中国短跨高速铁路桥梁设计和施工的新发展

摘要

高速铁路(HSR)已经成为中国国家交通网络的重要组成部分。大量标准的短跨桥梁作为与HSR开发相关的基础设施的一部分而建造。这篇简短评论的主要焦点是展示中国在过去十年中如何通过使用典型的简支梁桥和连续梁桥实现快速HSR建设。本文简要回顾了HSR在中国的发展以及新出现的设计问题。讨论了两个典型桥跨的设计概念和结构尺寸，包括上部结构、下部结构和桥面辅助设施。还讨论了不同的施工方法。

关键词：高速铁路 桥梁 短跨度 设计 建造

目录

  1. 导言.......................................................................................................................707
  2. 简史.......................................................................................................................708
  3. 普遍设计问题.......................................................................................................710
    1. 活载.............................................................................................................710
    2. 正常使用极限.............................................................................................711
    3. 其他问题.....................................................................................................711
  4. 典型上部结构.......................................................................................................712

4.1. 简支梁.........................................................................................................712

4.2. 连续梁.........................................................................................................713

4.3. 桥面系.........................................................................................................715

  1. 典型下部结构.......................................................................................................715
  2. 典型施工方法.......................................................................................................716
  3. 总结.......................................................................................................................716

致谢......................................................................................................................716

参考文献..............................................................................................................716

  1. 导言

高速铁路(HSR)提供了一个快速和强大的出行选择，提高生活质量和支持经济增长。日本是第一个建造高速客运专线(PDL)的国家，也被称为新干线。第一条新干线于1964年在东京和大阪之间为东京奥运会开通。欧洲的HSR首先在几个国家发展起来，然后扩展成一个区域性的服务网络。在过去的几十年里，共有13个国家发展了HSR网络，主要集中在在欧洲和东亚。这些国家的国际例子已经证明，高速列车在PDL上的运行速度能够超过250公里/小时，这可以大大减少旅行时间。Taniguchi [1], Bouley [2], 欧洲委员会 [3], Gourvish [4], Zuber [5], 以及 Harrison等人[6]的论文对这些国家的HSR发展进行了详细的历史回顾。

世界范围内的HSR建设仍然是一个持续的过程，许多国家已经提出了发展HSR网络的未来计划，例如美国和澳大利亚[7-10]。国际铁路联盟(UIC)收集的调查数据表明，中国目前是HSR建设的领先国家，如图1所示。中国HSR由平均设计速度为250公里/小时的升级现有线路和平均设计速度为350公里/小时的新线路组成，具体包括新建线路9356公里和升级线路3209公里。到2020年，中国HSR线路的总长度将达到20，000多公里，一个完整的网络将连接主要省会城市和人口超过500万的大城市[11]。在过去十年中，HSR网络在中国的快速扩张依赖于政

图1.不同国家HSR里程数[11]

图2.三种出行方式的可持续性问题的无量纲比较[16]

图3.中国主要HSR线路基础设施中桥梁的百分比

府政策的支持、财政投资的增加和专业知识的增长。中国HSR网络的规划和建设旨在解决常规铁路系统过度拥挤的问题。从图2的比较中可以看出，HSR提供了额外的优势，例如相比其他出行方式，HSR减少了温室气体的排放。因此，HSR通过为中国的个人和企业提供直接、高速的高效交通工具，彻底改变了旅行体验和当地的经济增长。

桥梁是HSR基础设施的主要部分，覆盖了中国HSR总里程的50%以上，因为桥梁的使用可以避免现有线路的中断和占用土地[12]。图3列出了中国主要HSR线路中桥梁相对于总长度的比例[13]。快速施工通常需要使用典型的结构设计，以及施工细节和程序。表1比较了六个国家的典型短HSR桥的几个关键设计特征。中国典型的PDL通常包括一大部分简支梁桥、几座连续梁桥和几座跨越现有线路或河流的中/长跨桥梁(通常单跨超过100米)。例如，京沪PDL包括90%的简支梁和5%的连续梁，只有5%是中/长跨桥梁[14]。在中国HSR桥梁设计规范中，短跨被定义为单跨小于30 m的桥梁。从表1中可以看出，中国HSR线的两种典型结构类型是简支梁和连续梁。这两种结构类型的设计和施工经过多年的改进，最终被认为是一种成熟的工业产品。因此，通过使用一套完整的施工图、建造步骤和维护计划，可以实现快速的设计-建造过程。

本文的目的是介绍中国HSR桥梁的最新设计和施工技术，特别是短跨桥梁(包括标准简支梁和连续梁)。另一篇相关论文[15]发表在较早一期的《工程结构》(Engineering Structures)杂志上，该论文主要关注中、大跨径高铁桥梁。这篇综述将展示典型设计的使用如何有助于促进HSR大桥成为高度工业化的产品。本文简要介绍了中国HSR的历史，接着介绍了HSR大桥设计中出现的一些特殊问题。讨论了HSR典型短跨桥梁设计和施工中的技术问题，包括上部结构、下部结构和桥面系统。本篇综述的信息部分来自中国的设计公司，部分来自文献。

  1. 简史

HSR在中国的发展可分为五个主要阶段[16]: (1)从20世纪80年代初到1993年，这是中国前铁道部决策者长达十年的可行性研究期；(2)从1994年至1997年，前铁道部下属的主要大学和研究机构进行了为期三年的广泛技术研究；(3)从1998年到2002年，在几条HSR试验线上进行了一系列试验研究。第一条HSR

线秦沈段建于1999年，平均时速200公里；(4)从2003年到2007年，基于从全国范围的经验和世界范围的咨询中吸取的教训，发布了一系列设计规范；(5)从2008年至今，里程碑线已经完成，大规模建设仍在进行中。例如，一条113.5

表1.六个国家高速铁路梁桥的主要特征比较

图4.到2020年，中国将建成高铁网格系统

公里长的连接北京和天津的PDL为2008年奥运会开放，平均速度为300公里/小时。一个12，000公里的网格系统预计在2020年完成。该网格系统由四条南北走廊和四条东西走廊组成，以满足这些地区日益增长的需求，如图4所示。

  1. 普遍设计问题

与常规铁路桥相比，由于对轨道平滑度和列车稳定性的需要，HSR桥梁的设计要求更高的服务极限。鉴于HSR桥梁的活载比普通铁路轻45-65%，相比于承载能力[12，17]，控制位移成为主要的设计问题。此外，人们期望桥梁具有高耐久性、低维护性和令人愉快的外观。

    1. 活载

HSR桥梁设计中活载模型的使用因国家而异。国际铁路联盟(UIC)提出的活载模型被欧洲国家广泛采用，而日本采用的是考虑动态冲击的单轨活载，这与列车的实际负荷分布较为接近。图5a显示了中国使用的高速列车的主要类型。根据对不同活载模型下HSR大桥实际响应的数值和试验研究，选择设计活载。图5b展示了中国采用的所谓“ZK”活载模型。该荷载模式包括标准活载(UIC活载的80%)和特殊活载[18]。然后，通过在静力载荷上乘以一个动力系数(1 mu;)，动力

(b) ZK live load

图5.中国采用的HSR列车和设计活载模型

效应被简化为准静态载荷。系数mu;可以通过mu;=1.44/(Lphi;0.5-0.2)-0.18来估算，其中Lphi;对于简支梁桥为支座之间的跨径，对于连续梁桥为平均跨径。然而，Dai

等人[20]提到，当前ZK荷载下的结构响应被高估，建议仅考虑荷载的60%。进一步的调查仍在进行中，以便为未来的HSR线确定适当的荷载。

    1. 正常使用极限

中国前铁道部发布了一系列设计规范，这些规范基于从国际铁路联盟(UIC)和德国标准化研究所(DIN)吸取的经验教训，以及中国主要大学的大量实验研究([21-23)。表2给出了HSR桥梁设计的正常使用极限。由于无砟轨道桥面的平稳性难以调节，因此无砟轨道桥面的阈值比有轨道床桥面的阈值要高。

四个主要设计参数包括(1)梁的垂直挠度，它可能导致HSR列车较大的振动[24,25],(2)梁端转动，它可能导致轨道的不稳定[26,27]，(3)长期挠度，它可能导致轨道表面不平坦并威胁HSR列车[28,29]运行，以及(4)下部结构的纵向偏离，它用于控制连续轨道和桥梁上部结构之间的非线性行为，从而确保轨道的稳定性 [30-32]。

表3列出了简支梁桥桥墩所需的最小纵向刚度[21,23]。设计规范建立了一系列动态标准，以确保列车的安全性，如表4所示。如果结构的基频小于容许值，则

表2.HSR桥梁的正常使用标准

表3.HSR简支梁桥支撑结构纵向刚度最低要求(kN/m)

必须进行列车-结构耦合数值分析，以检查表4中的其他参数，从而确保高速下列车的安全性[23]。脱轨系数是衡量列车车轮稳定性的另一个通用参数。车轮减载率用于检查高速列车各侧车轮上的不均匀力。Sperling行驶指数用于评估机械振动的影响。所有这些因素都用来评价铁路车辆的乘坐质量和舒适性。总体而言，HSR大桥设计中最重要的三个限制是垂直刚度、梁端转动和桥墩的纵向刚度。

    1. 其他问题

由于与传统铁路桥梁设计相比，正常使用极限更高，与HSR桥梁动力响应相关的其他技术问

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