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三、主要设计原则
(一)、设计规范、标准
1、主要设计规范、规定
(1)、《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1-99)
(2)、《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-99)
(3)、《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5-99)
(4)、《铁路工程水文勘测设计规范》(TB10017-99)
(5)、《铁路工程抗震设计规范》(GBJ111-87)
(6)、《铁路桥梁抗震鉴定与加固技术规范》(TB10116-99)
(7)、《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2-99)
2、参考设计规范、规定
(1)、Eurocode1~4
(2)、《公路斜拉桥设计规范》(试行)(JTJ027-96)
(3)、《钢管混凝土结构设计与施工规程》(CECS28:
90)
(4)、《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)
(5)、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)
(6)、《铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定》
(二)、主要技术标准
1、正线主要技术标准
直达列车和跨线列车200km/h,站站停列车140km/h。
2、其他线路主要技术标准
(1)、联络线:
①、新广州站与本线的联络线按正线标准。
②、在小榄车站预留至广深(港)的联络线。
(2)、停车场走行线
运行速度按小于、等于100km/h的速度标准设计,初步设计按国铁—Ⅰ级办理,采用箱梁截面,并满足一次铺设无缝线路的有关技术要求。
(三)、桥面布置形式与构造
1、线间距:
桥面梁体总宽度采用11.6m。
2、挡碴墙高度为95cm。
3、直线有碴桥面布置形式如图6(仅示桥面宽度)。
图6有碴轨道直线
(1)、线间距4.4m时:
轨道荷载重量:
109.624KN/m(双线),桥面二期恒载重量:
155KN/m(双线)
(2)、线间距5.0m时(有到发线位置):
119.624KN/m(双线),桥面二期恒载重量:
165KN/m(双线)。
4、曲线有碴桥面布置形式如图(仅示桥面宽度)。
图7有碴轨道曲线(线间距4.4m,超高按150mm计)
(1)、曲线线间距为4.40m时:
2.4+106.584+11.24=120.224KN/m(双线),桥面二期恒载重量:
167KN/m(双线)
(2)、其余线间距:
轨道荷载重量由轨道专业提供,桥面二期恒载由桥梁专业计算。
5、区间的桥面布置如图8
(1)、电缆槽、声屏障及接触网立柱的构造
图8区间桥面布置
根据电力、通信、信号专业要求,桥上电缆槽的构造如图9,在简支梁部分按长度200cm(声屏障及栏杆的纵向柱距为200cm)的标准预制构件设计施工,特殊梁跨上则采用现浇,去除预制构造的横向联接板。
接触网立柱按接触网专业要求布置。
图9简支梁桥面细节布置(标准线间距4.4m时)(单位:
mm)
(2)、桥面排水构造
采用集中式排水,梁顶面设向内侧排水坡,坡度1.5%,如图10~12。
经梁顶纵向排水沟与横向截水槽集中排向预埋于桥墩内的排水管排出。
图12三箱单室截面(单位:
图11双箱单室截面(四箱与此同)(单位:
图10单箱双室截面(单位:
(四)、设计荷载
1、一般规定
(1)、桥梁结构设计,应根据结构设计的特性和检算内容按表8所列荷载,以其最不利组合情况进行设计。
其荷载组合方式见下面(3)的荷载组合。
(2)、根据各种结构的不同荷载组合,应将材料基本容许应力和地基容许承载力乘以不同的提高系数。
对预应力混凝土结构中的强度和抗裂性计算,应采用不同的安全系数。
(3)、荷载组合:
①、主力组合:
恒载+广珠城际活载
②、主力+附加力组合:
恒载+广珠城际活载+附加力
③、验算组合:
恒载+广珠城际验算活载
④、主力+特殊力
表8桥涵荷载
荷载分类
荷载名称
主
力
结构构件及附属设备自重
预加力
混凝土收缩和徐变的影响
土压力
静水压力及水浮力
基础变位不均匀沉降影响
广珠城际活载
公路活载(需要时考虑)
广珠城际活载竖向动力作用
长钢轨纵向水平力
离心力
横向摇摆力
活载土压力
人行道及栏杆的荷载
空气动力
广珠城际验算荷载
附
加
制动力或牵引力
风力
流水压力
温度变化的作用
特
殊
荷
载
列车脱轨荷载
船只或排筏的撞击力
汽车撞击力
施工临时荷载
地震力
长钢轨纵向水平断轨力
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,该附加力应按主力考虑;
(2)、长钢轨纵向力及其与制动力或牵引力等的组合,按《新建铁路桥上无缝线路设计暂行规定》办理;
(3)、流水压力不与制动力或牵引力组合;
(4)、列车脱轨荷载、船只或排筏的撞击力、汽车撞击力以及长钢轨断轨力,只计算其中的一种荷载与主力相组合,不与其它附加力组合;
(5)、地震力与其它荷载的组合见国家现行的《铁路工程抗震设计规范》(GBJ111)。
(4)、其余参照《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1-99)办理。
2、主力:
(1)、恒载:
①、结构自重
②、二期恒载:
双线桥面二期恒载重(包括钢轨、道碴、轨枕、防水层、保护层、垫层、隔声屏障、管线及其支承设备、栏杆等)。
③、预加应力:
按《铁路桥梁钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-99)办理。
④、计算预应力混凝土结构与部分预应力混凝土结构的预加力与有效预应力时,应按铁道部现行《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3)有关条文办理。
⑤、混凝土收缩的影响应按铁道部现行的《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1)第4.4.5条计算。
施工中与施工后结构体系发生变化的静不定结构应考虑混凝土徐变引起的静不定力。
⑥、土压力。
作用于墩台上的土压力,应按铁道部现行的《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1)第4.2.2条计算。
但台后填土的内摩擦角应根据台后过渡段填筑的实际情况确定。
⑦、水浮力应按铁道部现行的《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1)第4.2.4条计算。
⑧、基础变位的不均匀沉降影响力。
对超静定结构相邻墩基础不均匀沉降按1~2cm考虑。
对于跨径在40米以上的桥梁,不均匀沉降按2厘米考虑,其余均按1厘米。
门式墩根据跨度情况采用0.5cm。
(2)、活载:
采用广珠城际活载(如图2)及广珠城际验算活载(如图3)。
①、单线或双线的桥梁结构,各线均应计入广珠城际活载作用。
②、对于多于两线的桥梁结构,应按下列最不利情况考虑:
a)、按两条线路在最不利位置承受广珠城际活载,其余线路不承受列车活载。
b)、所有线路在最不利位置承受75%的广珠城际活载。
③、设计加载时,活载图式可任意截取。
对多符号影响线,活载图式可隔开,即在同符号影响线各区段进行加载,中间的异符号影响线区段不加载。
④、用空车检算桥梁各部分构件时,其竖向活载应采用每线路10KN/m计算。
⑤、桥跨结构或墩台尚应按广珠城际验算活载加以检算。
(3)、动力系数:
桥跨结构考虑列车活载动力作用时,应将静活载所产生的竖向效应(弯矩和剪力)乘以动力系数,动力系数应按下列公式计算:
广珠城际活载作用下:
式中Lφ—结构计算跨度。
表9动力系数计算值表
①、动力系数的取值与结构的自振频率有关,动力系数的计算取值必须在以下自振频率范围内:
Lφ(m)
计算跨度
≤3.61
2
4
1.930
6
1.690
8
1.552
10
1.459
12
1.392
16
1.298
20
1.236
24
1.190
32
1.126
40
1.083
48
1.051
56
1.027
64
1.007
≥67.24
1
A、频率上限:
B、频率下限:
其中自振频率的计算(如简支梁):
为在静载下的梁的跨中挠度L为梁跨(单位m)
②、涵洞及结构顶面有填土的承重结构的动力系数u按下式计算:
表10f离心力折减系数的取值表
φu=φ-0.1(HC-1.0)
V=140(km/h)
V=200(km/h)
≤2.88
1.0
3
0.995
0.99
0.98
0.93
5
0.965
0.89
0.96
0.86
7
0.95
0.83
0.945
0.81
9
0.94
0.80
0.935
0.78
0.76
15
0.925
0.74
0.915
0.71
30
0.905
0.68
0.90
0.66
50
0.895
0.65
60
0.64
70
0.63
80
0.62
90
0.885
100
0.61
≥150
0.88
0.60
式中φ——动力系数。
HC——为涵洞及结构顶至轨底的填料厚度(m)。
φu计算值小于1.0时取1.0。
③、计算实体墩台、基础和土压力时,不计动力系数。
④、支座动力系数的计算公式与相应的桥跨结构φ的计算公式相同。
(4)、桥梁在曲线上时,应考虑列车竖向静活载产生的离心力。
离心力应按下列公式计算:
①、对集中活载N:
②、对分布活载
:
式中N——广珠城际活载图式中的集中荷载(kN);
q——广珠城际活载图式中的分布荷载(kN/m);
V——设计速度(km/h);
R——曲线半径(m);
L——桥跨(m);
f——离心力折减系数。
f离心力折减系数的取值如表三(其中L为桥上曲线部分的荷载长度(m))
③、离心力按水平向外作用于轨顶以上1.8m处。
④、当计算速度应考虑以下两种情况:
a、按140km/h速度计算。
b、按设计速度V=200km/h计算。
⑤、当采用广珠城际验算活载时,f值在表二的基础上还须乘以系数0.8。
当L≤2.88m时,f值取1.0。
(5)、横向摇摆力
应取100kN,作为一个集中荷载取最不利位置,以水平方向垂直线路中线作用于钢轨顶面。
多线桥梁只计算任一线上的横向摇摆力。
空车时不考虑横向摇摆力。
(6)活载土压力:
活载在桥台后破坏棱体上引起的侧向土压力,应按活载换算为当量均布土层厚度计算。
活载换算当量均布土层厚度h0(m),可按下式计算:
h0=
式中q——轨底平面上活载竖向压力强度(kPa);
计算时横向分布宽度按3.0m计;
纵向分布宽度,当采用集中轴重时为轴距;
当采用每延米荷重时为1.0m。
——土的重度(kN/m3)。
每线台后活载计算宽度B0可取3.0m。
(7)、无缝线路长钢轨伸缩力、挠曲力,应按梁轨共同作用进行计算,并作用于墩台上的支座中心处。
简支结构按固定区计,固定区伸缩力与挠曲力不同时计算;
特殊跨度按伸缩区计,伸缩区只计伸缩力。
(8)、作业通道设计时竖向静活载应采用5kN/m2。
主梁设计时人行道的竖向静活载不应与列车活载同时计算。
在检算栏杆立柱及扶手时,水平推力应按0.75kN/m考虑。
对于立柱,水平推力作用于立柱顶面处。
立柱和扶手还应按1.0kN的集中荷载检算。
(9)、空气动力:
由驶过列车引起的气动压力和气动吸力,作用于轨道附近的所有结构上,应由一个5m长的移动面荷载+q及一个5m长的移动面荷载-q组成。
空气动力应分为水平空气动力qh和垂直空气动力qv。
水平空气动力作用在轨顶之上的最大高度为5m。
水平空气动力qh可由图八的曲线查取。
垂直空气动力qv可按下式计算:
=2
(kN/㎡)
式中
——水平空气动力(kN/㎡)
D——作用线至线路中心距离(m)
对顶盖下的建筑物或构件,qh与qv应乘以1.5的阻挡系数。
面荷载qh和qv必须与有车的风荷载叠加。
图13由驶过列车对建筑物或构件产生的空气动力
3、附加力
(1)、桥上列车制动力或牵引力
按竖向静活载的15%计算。
双线及多线桥梁采用一线制动力或牵引力。
制动力或牵引力不与本线无缝线路长轨作用力同时计算。
制动力或牵引力作用于钢轨顶面。
仅分布在纵向轨道影响长度L范围内。
(2)、风力:
按《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1-99)办理。
基本风压的取值:
广州、佛山按W0=800Pa计取;
中山、江门按W0=1000Pa计取;
珠海按W0=1200Pa计取。
桥上有声屏障时,受风面积均按实际情况计算,此时列车风力不重迭计算。
(3)、作用于桥梁上的流水压力,应按铁道部现行的《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1)第4.4.2条计算。
(4)、温度变化的作用,应按铁道部现行的《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1)第4.4.4条考虑。
结构构件截面的不同侧面或内外面温差很大时,必须考虑温度局部变化产生的内部应力。
图14寒潮与日照两种温度模式
4、特殊荷载
(1)、无缝线路长钢轨断轨力:
单线或多线桥仅计一根长轨的断轨力。
(2)、墩台承受船只或排筏的撞击力,可按铁道部现行的《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1)第4.4.6条计算。
(3)、汽车对桥墩撞击力:
对无防撞措施的桥墩结构,需按顺汽车行驶方向撞击力为1000kN;
垂直于汽车行驶方向撞击力为500kN;
作用于离路面高1.2m处计算。
(4)、地震力:
按《铁路工程抗震设计规范》(GBJ111-87)办理,地震基本烈度为七度。
(5)、施工临时荷载应按铁道部现行的《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1)第4.6.1条考虑。
(6)、脱轨活载:
脱轨活载不与活载组合,但应与检修道活载进行组合。
脱轨活载的纵向荷载值采用运营车辆荷载值如图15。
其脱轨方式有以下两种:
轴重P≤180KN
图15广珠运营车辆荷载图式(单位:
m)
长度大于15m的桥梁,应考虑列车脱轨荷载。
列车脱轨荷载不计动力系数,亦不考虑离心力。
多线桥上,只考虑一线脱轨荷载,且其它线路上不作用列车活载。
应按下列两种情况,计算列车脱轨荷载的影响。
①、列车脱轨后一侧轮子仍停留在桥面轨道范围内的情况:
两条平行于线路中线、相距为1.4m的线荷载,作用于线路中线两侧各2.2m范围以内的最不利位置上。
脱轨模式如图16,其值采用图15所示荷载。
图16列车脱轨荷载一(单位:
②、列车脱轨后已离开轨道范围,但没有坠落桥下,仍停留在桥面边缘的情况:
一条长度为20m,平行于线路中线,作用于挡碴墙内侧的线荷载,脱轨模式如图17,值采用图15所示荷载。
图17列车脱轨荷载二(单位:
(五)、结构变形、变位
1、梁体竖向挠度的限值应符合下列规定:
梁部结构在广珠城际活载乘以动力系数φ后的作用下,梁体的竖向挠度不应大于表11所列数值。
表11梁体的竖向挠度限值
跨度
15<L≤30
30<L≤50
50<L≤90
L>90
限值
L/1600
L/1700
L/1500
L/1400
2、梁部结构梁端竖向折角
在广珠城际活载乘以动力系数φ后的作用下,梁端竖向折角不应大于2‰rad。
在广珠城际荷载乘以动力系数φ和温度荷载的作用下,上部结构轨道中心的转角限值如下,角度代表的符号意义如图18所示。
单线桥梁
θ=6.5‰rad在桥台端
θ1+θ2=10.0‰rad在桥墩中心
双线桥梁
θ=3.5‰rad在桥台端
θ1+θ2=5.0‰rad在桥墩中心
图18角度符号意义示意图
3、预拱度的设置:
当由恒载及静活载引起的竖向挠度等于或小于10mm或跨度的1/3200时可不设预拱度,宜采用调整道碴厚度的办法解决;
大于上述数值时应设预拱度,其曲线与恒载及1/2静活载所产生的挠度曲线基本相同,但方向相反。
预应力混凝土梁,计算预拱度时尚应考虑预加应力的影响。
4、梁的水平变位与转角:
(1)、水平变位
在广珠城际活载列车横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下,梁体的水平挠度不应大于如下数值:
(m)
其中L—计算跨度,单位为m;
当L<
24m时按24m计算,当为不等跨时取相邻较小跨。
R—最小的横向弯曲半径;
单线加载时Rmin=6000(m),双线加载时Rmin=9500(m)。
(2)、梁端水平转角:
在广珠城际活载、横向摇摆力、离心力、风力和温度的作用下,桥跨结构横向水平变形引起的梁端水平折角不应大于2‰rad。
5、活载作用下梁体扭转引起的轨面不平顺限值
以一段3m长的线路为基准,广珠城际活载作用下,一线两根钢轨的竖向相对变形量不大于3mm。
6、脱轨系数、轮重减载率、旅客乘坐舒适度指标
桥梁结构,除进行静力分析应满足有关规定的要求外,尚应按实际运营客车通过桥梁的情况进行车桥耦合动力响应分析。
分析得出的脱轨系数、轮重减载率及旅客乘坐舒适度指标应满足如下规定:
脱轨系数:
Q/P≤0.8
轮对竖向减载率:
△P/P≤0.6
轮轨横向水平力:
Q≤80KN。
舒适性指标如表12:
表12舒适度评价与指标
舒适度评价
竖向加速度值(m/s2)
优良
良
1.3
一般
2.0
8、墩台基础的沉降量
应按恒载计算,其工后沉降量不应超过下列容许值:
墩台均匀沉降量:
对于有碴桥面桥梁:
20mm
外静定结构相邻墩台沉降量之差:
Δ=0.5L(mm),并不大于15mm
Δ—相邻墩台沉降量之差,单位mm。
L—相邻墩台间的梁跨长,单位m。
对于外静不定结构,其相邻墩台均匀沉降量之差的容许值,除要满足外静定结构相邻墩台沉降量之差的要求外,还应根据沉降时对结构产生的附加应力的影响而定。
9、涵洞的地基为软弱黏性土地层时,应计算涵洞的沉降,其工后沉降量不应大于20mm。
(六)、结构构造及计算
结构构造除满足铁路基本规范的要求外,对于预应力管道间距及钢筋的保护层厚度满足以下规定:
1、保护层厚度及钢筋间距
(1)、预应力结构
预应力管道之间的净距及保护层厚度的确定
①、净距:
不应小于0.6φ管,且不小于50mm,竖向不应小于40mm。
②、结构表面的距离:
顶、侧面不应小于0.6φ管,且不小于50mm;
底面≥60mm
(其中的管道直径按波纹管的内径进行取值)
(2)、钢筋混凝土结构
①、净距:
按《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-99)有关规定办理。
②、保护层厚度:
A、梁部:
保证普通钢筋的保护层厚度不小于箱的内表面不小于30mm,箱的外表面不小于35mm。
B、桥墩及承台:
水中墩钢筋净保护层50mm,其余桥墩35mm;
承台钢筋钢筋净保护层50mm。
C、桩基础:
桩基础钢筋净保护层70mm。
2、其他如强度安全值、抗裂安全值、应力等规定
采用现行铁路规范。
计算方法暂采用现行铁路规范所采用的方法。
普通钢筋的配置与裂缝宽度的计算等均按现行铁路规范执行。
3、疲劳强度验算
(1)、进行疲劳验算的动力系数φp
φp=1+0.5*(φ’+0.5*φ”)
K=V/160当L≤20m时
K=V/(47.16*L0.408)当L>20m时
V—运行速度m/s
L—影响线加载长度(m)
(2)、疲劳计算
疲劳计算应符合欧洲2号标准----混凝土结构设计规范(钢筋混凝土和预应力混凝土)、欧洲3号标准----钢结构设计规范、及欧洲4号标准----钢和混凝土组合结构设计规范
当满足下列条件时,则疲劳计算的安全性能够得到保证。
—疲劳荷载的局部安全系数,
—考虑桥上列车运
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