桥梁一般为线路跨越水流、山谷的建筑物。但当需要铁路线跨越其他建筑物、站场、公路(道路)或铁路时,也采用桥梁结构,称为跨线桥或立交桥。在高速铁路和城市轨道线路设计中,有时为了实现全封闭或达到一定的设计标高,并有利于城市道路交通和景观,会以高架桥代替线路的路基(高路堤)。
(一)桥梁基本结构
一般情况下,跨河桥由上部结构、下部结构及导流工程组成,如图4-10所示。上部结构主要为桥跨。下部结构主要有桥墩、桥台、墩台基础及桥头锥体等。桥跨为跨越结构,桥墩、桥台是支承桥跨的结构。墩台基础是埋置于地面以下的部分,它将墩台所承受的全部荷载传递给地基。桥台两侧施以填土或填石锥体并加以铺砌防护,称为桥头锥体,用以保证桥台与路堤很好地衔接,并保证桥头路堤的稳定。有些桥梁为免遭水害,还需修建导流堤,引导水流顺畅地从桥下宣泄。通过修建护岸等防护工程,保护桥头路堤及河岸稳定。
桥梁的桥跨要承受竖向、横向、纵向三个方向的荷载作用。竖向荷载包括恒载(如桥梁自重、土压力、静压力)和活载(如列车和行人);横向荷载包括风力、列车摇摆力等;纵向荷载主要指列车制动力或加速力。
图4-10 跨河桥梁示意图
(二)桥梁分类
1.按桥梁长度分类
为了反映桥梁的建筑规模,按桥长L(指两桥台挡砟墙前缘间的距离)分为特大桥(L≥500 m)、大桥(500 m>L≥100 m)、中桥(100 m>L≥20 m)和小桥(L<20 m)。
2.按桥面所在位置分类
根据桥面所在位置不同,有上承桥(桥面在桥跨顶面)、中承桥(桥面在桥跨高度的中间部分)和下承桥(桥面在桥跨下缘),如图4-11所示。
图4-11 桁梁桥示意图
图4-11中,上承桥的桥跨结构可以做得较窄,构造简单,桥上视线不受阻,但桥下净空受影响;下承式的桥跨结构为满足行车和限界的要求,做得较上承式桥跨更宽一些,构造也较复杂,但轨顶至梁底的尺寸较小,且桥下净空相对较大。
3.按桥跨结构受力分类(www.xing528.com)
按桥跨结构受力不同,可分为梁桥、拱桥、刚架桥、斜拉桥、悬索桥等(图4-12)。
(1)梁桥常在铁路设计中使用,其中简支梁因可在工厂成批生产,受力及结构与邻孔相互影响不大,对墩台要求不高,又能适应多种地基条件,比较常见。当跨度较大时,梁桥也可个别设计为连续梁,既可节省材料,加强结构强度,又可使桥上线路顺畅,在铁路(包括客运专线)和城市轨道交通上得到较广泛的应用。
(2)拱桥由于可就地取材,节省钢材和水泥,一般因地制宜使用。
(3)刚架桥是把桥跨结构和刚性墩台连成一个完整的结构,常见的有门形和箱形(梁跨、墩台和底板连成一体)。其中,箱形刚架桥顶推施工法,因在铁路立体交汇、城市交通穿越铁路等建设中,对既有铁路线影响最小,应用日益广泛。
(4)悬索桥和斜拉桥,在铁路上的应用没有上述几种广泛。
图4-12 桥梁类型示意图
设计跨河桥梁时,第一要确定最佳的桥位;第二要确定桥梁必要的长度和高度;第三要确定经济合理的桥梁结构形式;第四要确定桥梁各部分的合理尺寸,保证桥梁具有一定的强度、刚度和稳定性。
(三)桥位选择
理想的桥位一般为河床顺直、地质稳定、河床较窄、与河槽河谷尽量正交的位置,要通过综合经济比选确定。在桥位选择中应考虑的主要因素有以下几个方面:
(1)桥孔。两个墩台之间的空间是桥孔。每个桥孔在设计水位处的距离叫作孔径。桥梁的孔径应根据排洪要求来确定。孔径确定后,再根据设计条件和通航要求选择梁的跨度。桥可以设计为单跨或多跨,并对建桥材料、桥梁类型、桥跨及墩台尺寸进行拟定。对于同一桥址,根据技术、用料、投资、施工条件、运营养护以及通航和国防上的要求,对所拟定的方案进行全面评比,选取最有利的方案。
(2)桥高。桥梁的建筑高度是指轨底至梁底的高度。在建筑高度不受限制的情况下,宜考虑用上承梁,以减小墩台高度和宽度。
(3)净空。桥梁净空包括桥上净空和桥下净空。桥上净空要保证车辆、行人能安全通过桥梁,它必须满足桥梁净空限界要求。桥下净空指从设计水位(设计流量相对应的水位)到桥跨底部之间的高度。它要满足通航、通行排筏、流木、流冰等所必需的净跨和净高要求。
跨河桥的孔径、桥高、基础埋藏深度等主要尺寸,必须保证在宣泄洪峰设计流量时,桥梁能正常使用。通过数理统计方法推算一定频率的洪水流量作为设计流量标准。我国铁路规定:对于设计桥梁的洪水频率,Ⅰ,Ⅱ级铁路为1/100,Ⅲ级铁路为1/50,但对技术复杂、修建困难的特大桥,Ⅰ,Ⅱ级铁路应以1/300的洪水频率进行检算。
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