跨越式发展中的铁路桥涵设计规范——兼谈《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)主要修订内容.pdf
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1、桥!梁收稿日期:!#$!%作者简介:王振华(&%&),男,高级工程师,&$%年毕业于同济大学桥梁工程专业。跨越式发展中的铁路桥涵设计规范 兼谈 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(()&!*%!$)主要修订内容王振华,刘建瑞(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京+&!)摘!要:回顾我国铁路桥涵设计规范的演变过程,并着重介绍!$版 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(()&!*%!$)的主要修改内容。重点是进行耐久性设计,提高混凝土梁的使用年限,以满足日益增长的铁路运输要求。关键词:铁路桥梁;混凝土结构;设计规范;修订中图分类号:,-!*$.&+文献标识码:/文章编号:&-!$
2、-(!#)0%&1!我国铁路桥涵设计规范的演变铁路桥涵设计规范是桥梁设计的重要规范之一,半个世纪以来该规范发生了很大变化,其变化历程简要回顾如下。建国以后,铁道部就着手铁路桥涵设计规范的制订,&$年#月&日铁道部以央设字第!号令颁发了 铁路桥涵设计规程 初稿。&$&年&!月&1 日铁道部以铁设桥($&)字第&1 号令公布了 铁路桥涵设计规程,同时,&$年的初稿版本随即作废。&$0 年,铁道部以铁基总技武($0)字第-!号令公布了 铁路桥涵设计规范,铁设桥($&)字第&1 号令公布的 铁路桥涵设计规程 和铁办设($1)字第!#号令公布的 铁路桥涵设计规范 第三章钢铁结构作废。建国前我国没有生产过
3、铁路预应力混凝土梁,&$年、&$&年及&$0 年版的规范都没有预应力混凝土结构设计部分。&$#年开始试制&!2 后张法预应力混凝土梁,&$0 年设计“大&%0”图时,依据的是前苏联的标准图及有关书籍,并就着手编制相应规范。&年&月!日铁道部以铁基技武(#&)字第!1-!号令公布 预应力钢筋混凝土铁路桥梁结构设计暂行规范。该设计规范系参考国内外预应力钢筋混凝土结构设计规范及技术资料,并根据几年来国内对预应力钢筋混凝土桥梁结构研究及制造经验而编制的。从&$年到&$0 年的两代规范相隔 0 年;由于政治形势关系,从&$0 年到&1$年两代规范相隔&1 年。&1-年铁道部以(&1-)交铁基字第!#
4、号公布的 铁路工程技术规范 第二篇 桥涵(简称 1$桥规),共&!章、!1 个 附 录(属 桥 梁 的 有 二 十 三 个附录)。该规范主要是吸收了英美等国规范及技术资料的内容,结合我国自己的经验教训制订的。特别是吸取了预应力混凝土梁由于下翼缘压应力太大,易产生纵向水平裂缝的教训,压低了压应力的允许值。&年以后,根据部分试验资料,比如温度应力、板式橡胶支座以及钢筋混凝土梁裂缝试验资料,对 1$桥规 进行了修改。&0$年 0 月!1 日铁道部以(0$)铁基字!$号文件发布了 铁路桥涵设计规范(简称 0$(桥规)。0$桥规 以后鉴于预应力混凝土梁的缺陷,诸如上拱度较大,下翼缘发生纵向水平裂缝等问题
5、,兴起了部分预应力混凝土的高潮。&年$月#日铁道部以铁建函&!号文批准了 铁路部分预应力混凝土梁设计及验收规定(()3&)。该规定包括%章,-个附录。该规定是在广泛调查研究基础上,吸取了近几年来国内已建成的%座铁路桥梁共&0-孔部分预应力混凝土梁的试验及设计经验,并参照中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会部分预应力混凝土委员会&0$年编写的 部分预应力混凝土结构设计建议 的主要内容,结合铁路梁的特点编制的。&0$年以后,钢材标准的变化比较大,预应力锚固体系发展比较快,因此,对 0$桥规 作了局部修改。年$月!0 日铁道部以铁建函!-号批准局部修订的条文,并命名为()3!#。主
6、要修订内容如下。(&)国家标准 钢筋混凝土用钢筋(5)&-0-)修 订 为 钢 筋 混 凝 土 用 热 轧 光 圆 钢 筋(5)&%&%&)和 钢筋用热轧带肋钢筋(5)&-&)!取消了/$钢筋;#铁道标准设计!#$%&()*+!+,(#-*./0(1)万方数据桥!梁王振华,刘建瑞跨越式发展中的铁路桥涵设计规范!级钢筋的外形由圆形改为月牙形;#取消!#$%&而代之以较高质量的热轧带肋钢筋,并根据疲劳试验确定用#$%&代替!#$%&,并规定化学成分()$%*+应小于或等于#,-.。该规范作了相应修改,但考虑习惯并与/012#34 一致,$级钢筋仍用 56 表示。()根 据 243 7 2442 年
7、 铁 科 院 对 近#根#$%&钢筋的母材及焊接接头的疲劳性能试验,确定了#$%&母材及焊接接头(含焊接后纵向打磨及不纵向打磨)的容许应力。(6)根据国内外对钢筋混凝土结构中锚固粘结问题的研究成果,修改了受拉构件中受拉钢筋的最小锚固长度;对受弯与偏心受压构件受拉钢筋的锚固长度作了补充。(8)取 消 了 钢 绞 线 正 式 使 用 前 应 进 行 预 拉 的规定。(-)增加了%级钢筋经冷拉可以用作先、后张预应力混凝土梁的主筋,并规定了冷拉工艺及容许应力。(+)由于“环销式锚头”已不用,故删去,增加了1$2-锚、9$锚及:;$锚的回缩量,增加了波纹管成孔的有关参数!及!值,对锚具的锚口摩阻值及喇叭
8、口摩阻作了原则性规定。244 年铁道部以铁建函 244*?,适应行车速度的提高必须提高横向刚度,并根据历史经验,重点提出了提高混凝土梁耐久性的措施。由于 44 桥规 不能适应我国铁路跨越式发展的需要,根据铁道部建设管理司#6 年 3 月的要求进行复审修编。经过 年多的修改及审查,#-年+月 28 日铁道部以铁建设(#-)2#3 号文批准了#-版的 铁路桥涵 钢 筋 混 凝 土 和 预 应 力 混 凝 土 结 构 设 计 规 范(!02#,6#-)。!#$年版 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范 主要修改内容!%&设计使用年限我国对铁路桥梁结构设计使用年限一直缺乏明确规 定,#-版 铁
9、 路 桥 涵 设 计 基 本 规 范(!02#,2#-)首次正式提出了设计使用年限的概念,这是促进我国铁路桥梁结构耐久性设计很重要的一步。建国以来有人根据每天列车次数,按疲劳次数#万次计算,估计铁路桥梁可用-#年。243-年以来准备用可靠度设计铁路桥梁,根据国外规范,如英国0&-8#规定重现期按 2#年计以及我国东北地区混凝土桥梁已正常使用 3#7 3-年的事实,铁路桥梁拟定设计基准期为 2#年。244-年实施的 铁路工程结构可靠度设计统一标准(/0-#2+48)第 2,#,8 条规定“铁路工程结构可靠度设计应结合预期使用寿命规定适当的设计基准期,设计基准期宜为-#年或 2#年。与列车运行直接
10、有关的工程结构设计基准期,可按列车通过总重确定”。设计基准期的定义为“在持久设计状况下,计算结构可靠度时,考虑各项基本变量与时间关系所取用的基准时间”。2446 年-月提出的“铁路桥跨结构设计规范”(初稿)第 2,#,-条提出铁路桥跨结构的设计基准期规定为 2#年这个规范后改为“铁路桥梁设计规范”(上册)(报批稿)(尚未批准)第 2,#,条规定“铁路桥涵结构设计基准期采用 2#年”。#-年 铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范,明确了“铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构按 2#年设计使用年限要求进行设计的规定”。设计使用年限的定义为:设计规定的结构或结构构件不需进行大修即可按其规定目
11、的使用的时期。可见,设计使用年限与设计基准期有所不同。设计使用年限就是铁路桥梁在正常设计、正常使用和维护下所应达到的使用年限,如达不到这一年限,则意味着在设计、施工、使用和维护的某一环节上出现了非正常情况,应查找原因。所谓“正常维护包括必要的检测、防护及维修”。这与&:648 结构可靠性总原则 中提出的设计工作寿命以及我国第*?,但桥规规定的旅客列车最高列#铁道标准设计!#$%&()*+!+,(#-*./0(1)万方数据王振华,刘建瑞跨越式发展中的铁路桥涵设计规范桥!梁车速度为!#$%&,!()年提速以来,旅客列车的运行速度逐步提高至!#*!+#$%&,(桥规当时就是按旅客列车最高行车速度!+
12、#$%&编制的,但考虑到提速!+#$%&时间不长,尚需总结经验,临时改为!,#$%&,经过多年运行考验及试验研究,已经具备了编制时速!+#$%铁路规范的经验,所以本规范定位为旅客列车最高行车速度!+#$%&。由于我国铁路都是客货共线,虽然线路规范对客车速度与货车速度的关系有所规定,但实际以往货车速度一般在,#*+#$%&,所以在桥梁规范里没有关于货车行车速度的规定。提速以来,发现部分桥梁通过转-.转向架的货车时,横向振幅超过检定规范的横向振幅要求,危及列车安全,不得不花巨资进行桥梁的加固。随着铁路跨越式发展的需要,旅客列车提速后,货物列车与旅客列车速度的差距将进一步加大,基于对铁路运输组织以及
13、线路轨道结构曲线地段超高所决定的合理通过速度的考虑,提高货物列车的速度,缩小客货共线铁路上客、货列车运行速度的差距势在必行。目前,时速!#$%的提速货车已经设计制造成功,在郑局、遂渝线、胶新线都进行了试验,并取得了成功,所以货车最高行车速度规定为!#$%&。但由于转-.货车受构造速度的限制及对桥梁引起的不良反映,故本规范对转-.货车行车速度限定在小于或等于-#$%&。!#$跨度范围我国铁路桥梁钢筋混凝土简支梁已做到,%,预应力混凝土简支梁做到+/%,预应力连续梁桥主桥达到!#,%,所以本规范把“跨度等于或小于#%的钢筋混凝土结构和跨度小于或等于(+%的预应力混凝土结构”作为跨度范围。钢筋混凝土
14、梁以前曾做过,%,但由于受梁重、梁高限制及预应力混凝土梁的出现,以后就没有继续发展,一直以#%为限,预应力混凝土连续刚构桥已做到!+-%,钢管混凝土拱桥跨度更大。所以大于!#%的预应力混凝土梁不是不能做,而是需要在结构细节、钢材以及施工工艺方面作精心选择,并不限制其发展。!%$混凝土桥梁的横向刚度!#年铁路提速的经验告诉我们,混凝土桥梁竖向刚度一般是足够的,但横向刚度有时不足,而这正是以往规范内容所缺乏的。本规范以前的规范对竖向刚度有明确的规定,但对横向刚度未作规定。铁路提速以来,特别是 0%及 001/%后张法预应力混凝土梁以及无横向连接的低高度钢筋混凝土梁及先(后)张预应力混凝土梁在转-.
15、货车作用下,横向振幅超过检规要求,危及行车安全特别在混编或空载下尤其突出。虽然 23!#1 0(中第,1!1 0 条规定“梁截面尺寸和构造应保证梁体具有合理的横向刚度”,但没有具体措施。本规范的,1!1 0 条是吸取时速#$%新建铁路设计暂行规定的经验制定的,它是在“八五”、“九五”国家重点攻关专题 高速铁路线桥结构与技术条件(标准)的研究 和广深准高速铁路试验研究等成果基础上编制而成的。其第()条规定:“在列车横向摇摆力、离心力、风力和温度力的作用下,梁体的水平挠度应不大于梁体计算跨度的!&,#”,形成了本规范的第,1!1 0 条。因此,根据铁三院、同济大学、原铁专院和大桥设计院课题组的科研
16、成果作出了有关规定。(!)为保证车辆以规定的速度安全地通过桥梁,铁路桥梁检定规范 提出预应力混凝土梁跨中横向振幅行车安全限值 !%45/6 为&(#(为跨度,%),这是对既有线桥梁(/6 的保证率下的限值,设计时也得满足此限值。()预应力混凝土梁适应不同车速条件下的桥跨结构横向自振频率列车速度横向自振频率#)+#$%&7,#-#)#$%&7/#-#)-#$%&7/-为跨度(%)。列入本规范时改成跨度,*,#%后张法预应力混凝土梁的横向自振频率宜大于/&8#1-。(0)在构造上增加了相应的规定,即第!1#1/条规定“桥梁上部结构应有足够的强度,竖向、横向刚度和抗扭刚度,采用 2
17、 形梁时,必须对横隔板施加预应力将梁片连为整体,必要时桥面应连接”。!&$车桥耦合动力响应分析根据铁道部铁建设#0)+号文发布的 新建客货共线铁路设计暂行规定 的要求,增订了“重点桥梁及代表 性 桥 梁 应 进 行 车 桥 耦 合 动 力 响 应 分 析”的规定。本规范以前的设计都属静力设计,没有涉及动力问题,但随着行车速度的提高,列车运行的安全性、旅客乘坐的舒适性以及机车的平稳性等都提到议事日程上来,因此必须特别重视“车桥耦合动力响应分析”问题。所谓车桥耦合动力响应就是列车通过桥梁时将引起桥梁的振动,而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动,这种相互作用、相互影响的问题就是车桥耦合振动问题。铁道标
18、准设计!#$%&()*+!+,(#-*./0(1)万方数据桥!梁王振华,刘建瑞跨越式发展中的铁路桥涵设计规范根据提速以来既有线桥梁的实测数据,货车过桥时的桥梁横向振幅最大值明显大于客车过桥时的桥梁跨中横向振幅最大值。因此,进行车桥耦合动力响应综合分析的重点是货车过桥,尤其是混编货车(或空车)通过时对其安全性指标(脱轨系数、轮重竖向减载率及轮轨横向水平力)进行评判,对不能满足要求的桥梁应进行修改设计。修改设计的有效措施就是加大桥梁的竖向刚度、横向刚度及抗扭刚度,加强桥梁的整体性,提高桥梁的动力性能,也就是说桥梁进行车桥耦合动力响应结合分析的目的,是让桥梁的动力特性去适应机车或车辆的快速运行,使之
19、能满足现行 铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范(!#$)和现行 铁道机车动力学性能试验鉴定方法及评定标准(%&%()*)的有关要求。凡标准设计桥梁都要经过车桥耦合动力响应分析,对重点桥梁及代表性桥梁也进行车桥耦合动力响应分析,这些标准这里不加介绍。以往试验结果表明,既有线桥梁振幅超限与转+,货车的频率与桥梁的自振频率接近造成共振有关,能否要求转+,货车修改设计,以满足既有线桥梁的振动要求,这是值得研究的问题。据称,铁道部也正在进行这项工作。!混凝土的耐久性设计混凝土结构的耐久性,牵涉面很广,有钢筋的锈蚀问题、钢筋的冷脆、应力腐蚀和疲劳等问题,混凝土的冻融破坏问题,化学物质的侵蚀问题,碱骨料反
20、应问题以及其他损伤问题,本规范仅考虑了铁路常见的碳化锈蚀问题、氯盐锈蚀问题、碱骨料反应问题。为解决这些问题,在材质、混凝土强度等级、结构细节等方面作了具体规定。!#$避免水的侵蚀大多数结构的耐久性问题都与水有关。在干燥环境中,即使保护层混凝土完全碳化,钢筋也不会锈蚀。解决水的问题的主要措施是减少水分与构件接触的构造措施和排水措施。比如:(-)本规范).#.-条规定“锚具与垫板接触处四周应采用防水涂料进行防水处理,对锚具应进行防锈处理,在封端及封锚范围内应采用防水涂料进行防水处理”。()).#.#条规定“桥面及梁端应加强防排水设施。泄水管直径不宜小于-#*/(以往为-*/),泄水管宜向下设置,梁
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