70+120+70高速铁路连续梁桥设计.docx

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70+120+70高速铁路连续梁桥设计

轨道交通学院

毕业设计（论文）

题目：

高速铁路70m+120m+70m连续梁桥设计

专业土木工程（轨道工程）

班级

学号

姓名

指导教师

2014年5月25日

高速铁路70m+120m+70m连续梁桥设计

摘要：

20世纪90年代以来，中国的高速铁路取得了长足进步，为经济建设作出了重要贡献。

桥梁作为高速铁路的重要组成部分，在铁路交通运输中起着不可替代的作用。

连续梁桥是常用的一种桥梁结构，预应力混凝土连续梁桥是其主要结构形式，它具有接缝少、可以减小梁高，节省材料，且刚度大，整体性好，超载能力大，安全度大，桥面伸缩缝大，行车舒适等优点。

本设计依据任务书要求，采用单箱单室截面形式，通过midas软件进行设计，根据桥梁的尺寸拟定建立桥梁基本模型，然后进行内力分析，计算配筋结果，进行截面验算。

本文详细介绍了70m+120m+70m连续梁桥设计的截面尺寸拟定、桥梁模型建立、荷载施加、截面配筋和桥梁截面验算等过程，经过分析验算表明该设计计算方法正确，内力分布合理，符合设计任务的要求。

关键词：

高速铁路；连续梁桥；结构分析；过程验算

Thedesignofahigh-speedrailwaycontinuousgirderbridgewiththemainspansof（70+120+70）m

Abstract:

Sincethe1990s,China'shigh-speedrailwayhasmadeconsiderableprogress,madeasignificantcontributiontoeconomicdevelopment.Asanimportantpartofhigh-speedrailway,bridgeplaysanirreplaceableroleintherailtransport.Continuousgirderbridgeisacommonbridgestructure，pre-stressedconcretecontinuousgirderbridgeisitsmainstructureform,ithasadvantagesoffewerseams,highbeamcanbereduced,savingmaterialandstiffness,goodintegrity,highoverloadcapacity,safetydegree,largedeckjoints,drivingcomfort,etc.Thedesignbasisrequirementsofthemissionstatement,usingcross-sectionintheformofsingle-chambersinglebox,designedbymidassoftware.Accordingtothesizeofthebridgeintendedtoestablishthebasicmodelofthebridge,andthentheinternalforceanalysis,calculationresultsofreinforcement,conductedacross-sectionalchecking.Thispaperdescribesthe70m+120m+70m-sectionaldimensionsoftheproposedcontinuousgirderbridgedesign,bridgemodel,theappliedload,andbridgereinforcementsectionsectionoftheprocessofchecking,etc.,throughtheanalysisofcheckingdesigncalculationsshowthatthemethodiscorrect,rationaldistributionofinternalforces,inlinewithrequirementsofthedesigntask.

Keywords:

high-speedrailway;continuousgirderbridge;structuralanalysis;checkingprocess

1绪论

1.1高速铁路简介

高速铁路是指通过改造原有线路（直线化、轨距标准化），使最高营运速率达到不小于每小时200公里的铁路系统，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到每小时至少250公里。

高速铁路除了在列车在营运达到一定速度标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。

世界上首条出现的高速铁路是日本的新干线，自1964年日本建成东京至大阪世界上第一条高速铁路40多年来，高速铁路从无到有经历了不同的阶段，归纳起来，高速铁路的发展可以划分为三个不同的阶段：

1.1964年至1990年是世界高速铁路发展的初级阶段

　　在这期间建设并投入运营的高速铁路有日本的东海道、山阳、东北和上越新干线；法国的东南TGV线、大西洋TGV；意大利的罗马至佛罗伦萨线以及德国的汉诺威至威尔茨堡高速新线。

这期间，日本建成了遍布全国的新干线网的主体结构。

除了北美外，世界上经济和技术最发达的日本、法国、意大利和德国推动了高速铁路的第一次建设高潮。

　　日本东海道新干线和法国TGV东南线的运营，在技术、商业、财政以及社会效益上都获得了极大的成功。

东海道新干线在财务收支上已经成为主要支柱，法国TGV东南线也有运营10年的期限里完全收入回了投资。

因此，高速铁路最初的建设成就极其显著。

随后，德国和意大利各国都先后修建了适合本国国情的高速铁路，并取得了较好的效益，成为当今世界上高速铁路技术的保有国。

2.1990年开始为高速铁路网建设的第二次高潮

　　高速铁路建设在日本和法国所取得的成就影响了很多国家，促进了各国对高速铁路的关注和研究。

1991年瑞典开通了X2000摆式列车，1992年西班牙引进法、德两国的技术建成了471km长的马德里至塞维利亚高速铁路。

1994年英吉利海峡隧道把法国与英国连接在一起，开创了第一条高速铁路国际联结线。

1997年，从巴黎开出的"欧洲之星"又将法国、比利时、荷兰和德国连接在一起。

在这一时期的日本，因早已完成了新干线路网骨干结构的建设，高速路网的建设开始向全国普及发展。

日本于1996年起开通了福岛、山形两条小型新干线，为既有线的提速改造走出了一条新路。

法国和德国则在修建高速铁路的同时，实施既有线的改造。

　　在这个时期内，日本、法国、德国以及意大利对发展高速铁路进行了全面规划。

日本于1971年通过了新干线建设法，并对全国的高速铁路网做出了规划，根据1987年的计划，日本将再修建5条新干线，总长达1440km。

1986年意大利政府批准了交通运输发展规划纲要，准备修建横连东西（都灵-米兰-威尼斯）、纵贯南北（米兰-佛罗伦萨-罗马-那不勒斯），长达1.230km的"T"形高速铁路网。

法国于1992年由政府公布了建设全国高速铁路网的规划。

根据规划，未来20年内高速铁路网将由4700km新线（其中1282km已于1997年开通投入运营）构成。

德国于1991年4月德国联邦政府批准了联邦铁路公司改建/新建铁路2000km计划，计划包括13个项目，其中涉及新建高速铁路的有4项。

　　1991年，欧洲议会批准了泛欧高速铁路网的规划中提出在各国边境地区实施15个关键项目将有助于各个国家独立高速线之间的联网。

在这些项目中选定了9个优先建设的工程项目。

它们是：

①高速铁路南北贯通线（德国-意大利之间）；②连接欧洲五国首都的高速铁路线；③高速铁路南方线（西班牙-法国之间）；④高速铁路东部连接线（法国-德国之间；⑤高速/普速铁路综合运输线（法国-意大利之间）；⑥既有铁路连接线（英伦三岛之间）；⑦丹麦-瑞典固定连接线；⑧北欧三角地带；⑨英国西海岸干线。

3.20世纪90年代中期形成高速铁路建设的第一次高潮

　　1998年10月在德国柏林召开的第三次世界高速铁路大会Eurailspeed98上，美国Calgary大学公共政策研究所的教授Anthony·Perl作了一篇题为《高速地面交通系统的全球化和普及》的发言，将当前高速铁路的发展定为世界高速铁路发展的第三次高潮。

这次高潮波及到亚洲、北美、澳洲以及整个欧洲，形成了交通领域中铁路的一场复兴运动。

自1992年以来，俄罗斯、韩国、我国台湾省、澳大利亚、英国、荷兰等国家和地区均先后开始了高速铁路新线的建设。

据不完全的统计，为了配合欧洲高速铁路网的建设，东部和中部欧洲的捷克、匈牙利、波兰、奥地利、希腊以及罗马尼亚等国家正对干线铁路进行改造，全面提速。

1.1.1中国高铁现状

铁路作为国民经济的大动脉、国家重要基础设施和大众化交通工具，在中国经济社会发展中具有重要作用。

改革开放以来，中国铁路取得了长足进步，为经济建设作出了重要贡献，然而“一票难求、一车难求”现象仍然十分突出。

加快高铁建设已成为解决此瓶颈的主要途径。

2010年底，中国铁路营运里程达到9.1万千米，居世界第二位；投入运营的高速铁路营运里程达到8358千米，居世界第一位。

2011年高铁预计将建成通车4715千米，合计13000千米以上。

截至2010年底中国动车组列车日均开行1200列左右，平均上座率达到120%以上，日均发送92.5万人次。

高铁列车随着中国高铁的发展，“四纵四横”铁路快客通道和六大城际快客系统的实现，高速铁路网预计将在2012年和2013年形成网络效应，这将对现有交通运输格局产生较大影响。

高速铁路客运专线的建设和投入运营，有利于从根本上缓解铁路运输紧张的状况，提高铁路运输能力和服务质量，为基本实现现代化提供可靠运力保证;有利于完善综合运输体系，提供质量更高、更丰富的客运服务，满足旅客不同层次的需求;有利于促进资源节约和环境保护，可以发挥节约土地、能源以及安全性等比较优势，降低全社会的运输成本，促进沿线经济社会协调发展;有利于加快铁路现代化进程，带动中国经济建设的迅速发展，提高自主创新能力，并进一步加快中国铁路客运高速化的进程。

《“十二五”综合交通运输体系发展规划》提出，到2015年中国快速铁路营业里程达4.5万公里，五年增长率达438.4%。

由此可见未来五年铁路建设仍将是中国交通运输体系建设的重头戏。

根据《规划》，“十二五”中国铁道建设要完成贯通北京至哈尔滨（大连）、北京至上海、上海至深圳、北京至深圳、青岛至太原、徐州至兰州、上海至成都、上海至昆明等“四纵四横”客运专线。

同时，建设北京至呼和浩特、张家口经西安至成都、成都经贵阳至广州、合肥至福州、南京至杭州、合肥至蚌埠、吉林至珲春、沈阳至丹东、哈尔滨至佳木斯等客运专线辅助线、延伸线和联络线，扩大快速客运覆盖范围、快速铁路营业里程达4.5万公里，连接全国省会城市、基本覆盖50万以上人口城市。

随着高铁建设的全面启动，高铁土建工程及高铁设备需求将大规模增长，高铁行业整个产业链将受益。

1.2预应力混凝土连续梁桥

连续梁是一种古老的结构体系，它具有变形小，结构刚度好、行车平顺舒适，伸缩缝少，养护简易，抗震能力强等优点。

而在50年代前，预应力混凝土连续梁虽是常被采用的一种体系，但跨径均在百米以下。

当时主要采用满堂支架施工，费工费时，限材了它的发展。

50年代后，预应力混凝土桥梁应用悬臂施工方法后，加速了它的发展步伐。

预应力锚具结构的悬臂体系和悬臂施工方法相结合产生了T型刚构，在60年代，跨径100-200m范围内，几乎是大跨预应力混凝土梁桥中的优胜方案。

对中跨预应力混凝土连续梁，在60年代初期，逐跨架设法与顶推法（F.Leonhardt所创建）的应用，对大跨预应力混凝土连续梁，各种更完善的悬针施工方法的应用，使连续梁废弃了昂贵的满堂的施工方法而代之以经济有效的高度机械化施工方法，从而使连续梁方案获得新的竞争力，逐步在40-200m范围内占主要地位。

如1962年在委内瑞拉的卡尼罗河上，用顶推法修建的6跨连续箱梁桥是顶推法的代表作，主跨为96m。

无论是城市桥梁、高架道路、山谷高架栈桥，还是跨越宽阔河流的大桥，预应力混凝土连续梁都发挥了它的优势，往往取代其它体系而成为中选的优胜方案。

预应力混凝土连续梁在中等跨径范围，它更是千姿百态。

无论在桥跨布置、梁、墩赴面形式，或是在体系上（吸取其它结构的优点）不断改进桥型布置，例如V形墩的连续梁体系、双薄壁墩连续梁体系。

值得一提的是法国的SetubedLogoon桥，主跨130m的五跨连续染，中间墩采用双薄壁结构，双壁相距10m，壁厚仅0.5m。

预应力混凝土连续梁在40-60m的范围，已可以说占绝对优势。

顶推法、移动模架法、逐孔架设法等施工方法经济快速，广泛应用也是关键因素。

如瑞士的Beckenried高架桥，总长3048m，标准跨径55m。

连续梁的横截面形式在小跨径的城市高架桥中，为求最小建筑高度，常选用板式或肋板式截面，而在中、大跨径主要采用箱式截面。

但总的发展趋势是尽可能加长悬臂桥面板而选用单箱截面，以达到快速施工的目的。

在这种单箱截面的锚具结构中，往往采用三向预应力工艺。

预应力混凝土连续梁用干城市桥梁，为充分利用空间，并改善交通的分道行驶，已建成不少双层桥面的型式。

在这方面的一个突出例子是1980年在维也纳市多瑙河上新建的帝国（NewRei-chs）桥。

该桥为10跨，主跨为169.61m，横截面为两个分离并列的单室箱梁，箱顶面为公路桥面，箱内通过地下铁道，箱外挑出人行道，地下铁的车站设在桥上，为方便乘客上下，箱壁在每跨上开有五个大洞。

这座桥另一特点是采用部分预应力混凝土设计理论的概念进行设计，在桥轴方向施加有限预应力，在顶板及底板的横向施加部分预应力。

1.2.1连续梁桥的分类

混凝土连续梁桥从立面布置来看，有多种形式。

按不同的立面布置和构造形式，有多种不同的分类

按照桥梁跨径的相互关系来分，有等跨连续梁和不等跨连续梁；

按照桥梁的梁高来分，有等高度连续梁和便高度连续梁；

按照下部支撑体系来分，有普通的单式桥墩、V形桥墩、双薄壁柱式桥墩；

按照受力钢筋来分，有预应力混凝土连续梁桥以及钢筋混凝土连续梁桥；

连续梁的跨径布置一般采取不等跨的形式，如果采用等跨布置，则边跨的内力（包括边支墩处梁截面的负弯矩）将控制全桥设计，这样是不经济的。

此外，边墩过长，削弱了边跨的刚度，将增大活载在中跨跨中截面处的弯矩变化幅度值，增加预应力筋数量。

等高连续梁主要是指梁高保持不变，大部分梁端采用相同截面，连续梁采用等高布置，具有构造、制造、和施工简便的特点。

但是当跨径增大时，连续梁桥的中点支点处将承受较大负弯矩，这时候，采用变截面梁高（支点处梁高增大，跨中处梁高减小，其间按照曲线或折线过渡）更能适应结构的内力分布规律。

另一方面，大跨度连续梁常采用悬臂施工，而变截面梁成桥时的横载受力状态又和悬臂施工时的内力状态基本吻合。

从统计资料来看我国跨度大于60m的铁路混凝土连续梁桥，基本上采用变截面形式。

1.2.2预应力混凝土结构特点

优点：

1、抗裂性好，刚度大。

由于对构件施加预应力，大大推迟了裂缝的出现，在使用荷载作用下，构件可不出现裂缝，或使裂缝推迟出现，所以提高了构件的刚度，增加了结构的耐久性。

2、节省材料，减小自重。

其结构由于必须采用高强度材料，因此可减少钢筋用量和构件截面尺寸，节省钢材和混凝土，降低结构自重，对大跨度和重荷载结构有着明显的优越性。

3、提高构件的抗剪能力。

试验表明，纵向预应力钢筋起着锚栓的作用，阻碍着构件斜裂缝的出现与开展，又由于预应力混凝土梁的曲线钢筋（束）合力的竖向分力将部分地抵消剪力。

4、提高受压构件的稳定性。

当受压构件长细比较大时，在受到一定的压力后便容易被压弯，以致丧失稳定而破坏。

如果对钢筋混凝土柱施加预应力，使纵向受力钢筋张拉得很紧，不但预应力钢筋本身不容易压弯，而且可以帮助周围的混凝土提高抵抗压弯的能力。

5、提高构件的耐疲劳性能。

因为具有强大预应力的钢筋，在使用阶段因加荷或卸荷所引起的应力变化幅度相对较小，故此可提高抗疲劳强度，这对承受动荷载的结构来说是很有利的。

缺点：

1、工艺较复杂，对质量要求高，因而需要配备一支技术较熟练的专业队伍。

2、需要有一定的专门设备，如张拉机具、灌浆设备等。

3、预应力混凝土结构的开工费用较大，对构件数量少的工程成本较高。

1.3施工方案

本设计采用的是悬臂浇筑施工，其特点如下：

不需要大量施工支架和大型临时设备；

不影响桥下通航、通车；

不受季节、洪水限制和跨数限制；

桥梁施工受力状态和运营受力状态基本相同；

不需要占用大量的预制场地；

逐段浇筑，易于调整和控制桥梁段的位置，整体性好，且各段施工属严密的重复作业，需要施工人员少，工作效率高。

但施工线和合拢技术要求较高。

悬臂浇筑施工咦移动式挂篮为主要施工设备，以桥墩为中心，从墩顶开始，对称向两边逐段浇筑混凝土，待混凝土达到要求的强度后，张拉预应力筋，再向前移动挂篮，进行下一个阶段的施工利用已浇筑梁端将梁体自重和施工荷载传递到桥墩和基础上。

挂篮悬臂施工的阶段划分，主要取决于施工工期和挂篮的起吊能力，一般长度为3-5m。

1.4Midas简介

Midas中文名迈达斯，是一种结构设计有限元分析软件,分为MIDAS/GTS,MIDAS/CIVIL,MIDAS/GEN,MIDAS/FX+,MIDAS/SDS,MIDASFEA。

MIDAS/Civil是针对土木结构，特别是分析象预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式，同时可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析。

为能够迅速、准确地完成类似结构的分析和设计，以填补目前土木结构分析、设计软件市场的空白，而开发的“土木结构专用的结构分析与优化设计软件”。

该软件里面包括了《铁路桥涵设计基本规范》、《钢结构设计规范》等12中规范，而且里面的单元类型包括梁单元、桁架单元、只受压或只受拉单元、索单元、平面应力单元、平面应变单元、非线性连接单元等，几乎涵盖了结构内力分析时所需要的各种类型单元；软件对于构建间的连接方式也提供了节点弹性支承。

特别是处理一些复杂的节点连接时，可以通过弹性连接、释放梁端约束等有效的方式进行模拟。

1.5小结

本章主要介绍了高速铁路的发展，我国的高铁现状，以及预应力混凝土连续梁桥的概念和结构特点。

本课题的主要内容就是通过midas软件对预应力混凝土连续梁桥进行建模、施加荷载、配筋以及后续分析，验算结果应符合《铁路桥涵基本规范》的要求。

2桥跨整体设计和细部尺寸拟定

2.1设计基本资料

2.1.1主要技术指标

（1）线路等级：

客运专线；

（2）设计荷载：

“ZK活载”；

（3）设计行车速度：

250km/h；

（4）桥上线路：

双线，直线，线间距4.6m；

（5）牵引类型：

电力；

（6）地震动峰值加速度为0.10g；

（7）轨道结构：

双块式无砟轨道；

（8）桥面坡度：

纵坡+0.0‰。

2.1.2材料规格

（1）混凝土：

梁体采用C55级混凝土，墩身采用C35级混凝土，桩采用C35级混凝土；

（2）预应力钢筋及锚具：

钢束采用f19―15.2或f17-15.2高强度低松弛钢绞线，抗拉强度标准值fpk＝1860MPa。

M15-19或M15-17群锚，YCW400B千斤顶张拉，采用真空辅助灌浆塑料波纹管成孔；

（3）横向：

采用4－15.2钢绞线，单端张拉，张拉端采用BM15-4扁形锚具锚固，固定端采用BM15P-4型锚具锚固；

（4）竖向：

采用公称直径32mm的PSB830预应力混凝土用螺纹钢筋，其抗拉强度标准值fpk＝830MPa，弹性模量为Ep=200GPa，YC60B型千斤顶张拉，JLM-32型锚具锚固，f45mm（d=0.5mm）金属波纹管成孔，在腹板内单排或双排布置；

（5）普通钢筋：

受力主钢筋用HRB335级钢筋；非受力钢筋用HPB235级钢筋。

2.1.3设计恒载

1）恒载

（1）梁体自重：

主梁混凝土自重按26.5kN/m3；

（2）二期恒载：

二期恒载包括钢轨、道碴、轨枕、防水层、保护层、人行道栏杆、遮板、挡碴墙、接触网支柱、电缆槽竖墙、盖板等重量，本设计按174.5kN/m计算；

（3）基础变位：

基础不均匀沉降按5cm计算。

2）活载

（1）列车活载：

双线“ZK活载”；

（2）竖向动力系数：

按《高速铁路设计规范（试行）》（TB10621-2009）计算。

3）附加力

温度：

按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）办理，体系温差为+20℃和-20℃，顶板日照温差10℃按指数函数分布考虑。

4）特殊荷载

施工荷载：

施工挂篮、机具、人群等按1100kN。

5）荷载组合：

分别以主力、主力+附加力进行组合，取最不利组合设计。

2.1.4结构构造

（1）上部构造为单箱单室的箱梁截面，梁底下缘及底板上缘均按抛物线规律变化，腹板、底板可按要求变厚；

（2）主墩墩高为106m，墩身截面采用矩形空心墩；边墩高为40m，墩身截面采用矩形空心墩。

（3）采用钻孔桩基础，桩径2.5m。

2.1.5设计依据

（1）《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）

（2）《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）

（3）《铁路工程抗震设计规范》（2009年版）（GB50111－2006）

（4）《客运专线无砟轨道铁路工程施工技术指南》（TZ216-2007）

2.2主梁结构设计

根据经验确定，铁路预应力混凝土连续梁桥的中支点主梁高度与其跨径之比通常在1/12-1/20之间，而跨中梁高与主跨之比为1/30-1/40之间。

连续梁在支点和跨中的梁高估算值：

中支点梁高：

中跨跨中梁高：

2.2.1细部结构尺寸

箱型截面的顶板和底板是结构承受正负弯矩的主要工作部位。

其尺寸要受到受力要求和构造两个方面的控制。

支座处底板还要承受更大的压应力，一般来讲：

变截面的底板厚度也随梁高变化，墩顶处底板为梁高的1/10-1/12，为主跨跨长的1/120–1/170，底板厚最小应有120mm。

腹板的功能是承受截面的剪应力和主拉应力。

在预应力梁中，因为碗弯束对外剪力的抵消作用，所以剪应力和主拉应力的值比较小，腹板不必设的太大；同时，腹板的最小厚度应考虑力筋的布置和混凝土浇筑要求，其设计经验为：

1）腹板内无预应力筋时，采用20cm；

2）腹板内有预应力筋管道时，采用25–30cm；

3）腹板内有预应力筋锚头时，采用35cm；

图2.1跨中截面尺寸图

图2.2跨中截面剖面图

图2.2桥墩处截面尺寸图

2.3小结

设计之前，仔细研读导师要求的条件，和已有的设计基本资料，明确自己的任务之后，进行桥梁设计。

在进行桥跨整体设计和局部尺寸之前，需要查找规范，确定细部尺寸的具体取值范围，范围缩小之后，在根据以往的经验，确定具体尺寸。

这就需要翻阅以往已建或在建桥梁的设计图纸，参照他们的取值，确定桥梁的细部尺寸。

3荷载内力计算

3.1单元划分

采用有限元法分析桥梁时，首先要构成一个与真实结构等价的计算模型，然后将结构模型划分为许多单元，利用计算机进行电算分析。

本次设计将全桥从左至右划分为92个单元，93个节点（不包括