4.1.2 高速铁路桥梁的设计要素
在设计高速铁路桥梁的过程中，应满足以下6点要求：桥梁应有足够的竖向、横向、纵向和抗扭刚度，使结构的各种变形很小；跨度40m及以下的简支梁应选择合适的自振频率，避免列车过桥时出现共振或过大振动；结构符合耐久性要求并便于检查；常用跨度桥梁应标准化并简化规格、品种；长桥应尽量避免设置钢轨伸缩调节器；桥梁应与环境相协调（美观、降噪、减振）。
高速铁路桥梁的设计要素包括：设计活载图式、结构刚度与变形控制限值、车-线-桥耦合振动响应分析、梁轨纵向力传递、耐久性措施、桥面布置、支座与墩台、无砟轨道桥梁设计等。
4.1.2.1 设计活载图式
设计活载图式直接影响桥梁的承载能力和建造费用，是重要的桥梁设计参数。图式的制定应满足运输能力和车辆的发展。我国普通铁路桥梁采用中-活载图式和相应的动力系数，如图4.2和表4.2所示。
图4.2 中-活载图式
表4.2 混凝土简支梁动力系数
我国高速铁路采用ZK活载图式（0.8UIC）以及与UIC一致的动力系数和结构自振频率范围，我国新建时速200千米客货共线铁路仍采用中-活载图式及相应的动力系数。具体如图4.3～图4.5所示。
图4.3 ZK活载图式（0.8UIC）
图4.4 活载图式静态效应对比
图4.5 活载图式动态效应对比
4.1.2.2 结构刚度和变形控制限值
我国对普通铁路桥梁和高速铁路桥梁的相关规定（v≥250km/h）如表4.3、表4.4所示。
表4.3 普通铁路桥梁的相关规定
表4.4 高速铁路桥梁的相关规定（v≥250km/h）
续表
4.1.2.3 车-线-桥耦合振动响应分析
高速铁路桥梁结构除进行静力分析外，还应按实际运营客车通过桥梁的情况进行车-线-桥耦合振动响应分析。分析得出的各项参数指标应满足有关规定要求。车-线-桥耦合振动响应分析是利用有限元方法建立车、线、桥结构动力模型与运动方程。在满足轮轨间几何相容和作用力平衡的条件下，求解行车过程中车、线、桥相应的动力参数指标，并判断其是否符合行车安全和乘坐舒适。车-线-桥耦合振动响应分析各项动力参数限值如表4.5所示。
表4.5 车-线-桥耦合振动响应分析各项动力参数限值
注：Q/P中，Q为爬轨侧车轮作用于钢轨上的横向力，P为爬轨侧车轮作用于钢轨上的垂直力。ΔP/P中，ΔP为轮重减载量，P为平均轮重。Pst为静轴重。
动力响应分析方法有3种：一是采用移动荷载列以不同速度通过桥梁，计算桥梁结构的动力特性；二是采用车、桥平面模型计算车桥动力特性；三是采用车、桥空间模型计算车桥动力特性。
4.1.2.4 梁轨纵向力传递
桥上无缝线路钢轨受力与路基上不同，桥梁自身的变形和位移会使桥上钢轨承受额外的附加力。为了保证桥上行车安全，设计应考虑梁轨共同作用引起的钢轨附加力，并采取措施将其限制在安全范围内。钢轨附加力有3种：一是制动力，列车制动使桥墩纵向位移产生的钢轨附加力；二是伸缩力，梁体随气温变化纵向伸缩产生的钢轨附加力；三是挠曲力，梁体因挠曲变形产生的钢轨附加力。
根据轨道的位移-阻力关系建立轨道-桥梁共同受力的力学计算模型，分析墩台纵向刚度、跨度、跨数、列车位置与钢轨附加力的关系。钢轨附加力与各参数的关系如表4.6所示。
表4.6 钢轨附加力与各参数的关系
为了保证桥上无缝线路（有砟）稳定和安全，要求：桥上无缝线路钢轨附加压应力不大于61 MPa；桥上无缝线路钢轨附加拉应力不大于81 MPa；制动时，梁轨相对快速位移不大于4mm。
高速铁路桥梁刚度大、钢轨挠曲力不大，且钢轨挠曲力最大值与制动力、伸缩力不在同一位置。最大制动力出现在停车前瞬间。桥梁墩台应有足够的纵向刚度以限制制动时钢轨出现较大的应力。当不设钢轨伸缩调节器时，简支梁下部结构最小纵向刚度应符合表4.7的要求。
表4.7 简支梁下部结构最小纵向刚度要求
此外，当温度跨度大于120m时，由于伸缩力过大，应设置钢轨伸缩调节器，释放钢轨附加应力。对于满足桥墩纵向最小刚度有困难的高墩谷架桥，应采用结构措施，限制钢轨附加力。
4.1.2.5 耐久性措施
改善结构耐久性是通过实践中吸取大量经验教训得来的，世界各国总结的经验是：结构物使用寿命75～100年只有在设计、施工以及使用中检查、养护十分精心的条件下才能实现。造成结构病害的主要原因是结构构造上的缺陷，以往的设计过分重视计算，忽视了构造细节的处理。桥梁的养护重点是及时检查。病害早发现、早整治，不仅费用少，而且能保证耐久性。桥梁的经济性应体现为一次建造费用和使用中养护维修费用之和最低。
改善高速铁路桥梁的耐久性时，应遵循以下原则：采用上承式结构和整体桥面；高质量的桥面防排水体系和梁端接缝防水，不让桥面污水流经梁体；结构构造简洁，常用跨度桥梁标准化、规格品种少；结构便于检查，可方便地到任何部位察看；足够的保护层厚度，普通钢筋最小保护层厚度不小于3cm，预应力管道最小保护层不小于管道直径；截面尺寸拟定首先应保证混凝土的灌筑质量，应力不宜用足；采用高品质混凝土。
我国高速铁路桥梁设计暂行规定以及设计图纸中比较充分地考虑了耐久性措施：采用整体、密闭的桥面；提高保护层厚度；预留检查通道；简化常用跨度标准梁的品种；采用高性能混凝土；优化构造细节。
4.1.2.6 桥面布置
桥面布置直接影响桥梁结构耐久性和桥梁使用方便性。除线路结构外，桥面主要设施有防、排水系统（防水层、保护层、泄水管、伸缩缝），电缆槽及盖板（检查通道），遮板、栏杆或声屏障，挡砟墙或防护墙，接触网支柱，长桥桥面每隔2～3km设置应急出口。用挡砟墙（防撞墙）替代护轨，便于线路维修养护。有砟轨道桥梁，挡砟墙内侧至线路中心线距离2.2m，便于大型养路机械养修线路。直曲线梁的桥面等宽，接触网支柱设在桥面，线路中心至立柱内侧净距不小于3.0m。桥面总宽按检查通道是否行走桥梁检查车而定。时速350km高速铁路桥梁（无砟）顶宽分别为13.4m和12.0m。采用优质防水层和伸缩缝，确保桥面污水不直接在梁体上流淌。
4.1.2.7 支座与墩台
高速铁路桥梁对支座具有以下要求：应明确区分固定支座和活动支座，保证桥上无缝线路的安全；支座应纵、横向均能转动，并能使结构在支点处可横向自由伸缩；支座应便于更换。
盆式橡胶支座能符合上述要求，被广泛应用于各国高速铁路桥梁。每孔简支箱梁的四个支座采用四种型号。有砟桥梁的坡道梁支座应垂直设置（无砟桥梁另作考虑）。采用架桥机架设箱形梁，要保证四支点在同一平面上。
墩台基础的纵向刚度应满足纵向力安全传递的要求，横向刚度应保证上部结构水平折角在规定的限值以内。
为保证桥墩具有足够的刚度，结构合理、经济，墩高20 m以下宜采用实体墩，大于20m宜采用空心墩，禁止使用轻型墩；为便于养护维修，同时注重外观简洁，取消了墩帽，并在墩顶设有0.5～1m深的凹槽；墩顶预留千斤顶顶梁位置。预制架设简支梁，墩顶支座纵向间距由普通铁路桥梁70cm放大至120cm；桥位制梁时，应考虑相邻孔梁端张拉空间，墩顶支座宜采用170cm；梁底进人孔设置在墩顶位置。
4.1.2.8 无砟轨道桥梁设计
桥上无砟轨道建成后可调整余量很小，扣件垫板在高程上调整量约为2cm，为了保证高速铁路线路的平顺和稳定，必须限制桥梁的各种变形。影响桥上无砟轨道平顺性的主要因素有：墩台基础工后沉降、预应力混凝土梁在运营期间的残余徐变上拱、梁端竖向转角、桥面高程施工误差、梁端接缝两侧钢轨支点的相对位移、日照引起的梁体挠曲和旁弯、相邻不等高桥墩台顶的横向位移差。
墩台基础工后沉降应满足以下要求（必要时可采用调高支座）：均匀沉降不大于20mm，相邻墩台不均匀沉降不大于5mm。
梁端竖向转角会引起钢轨的局部隆起，造成梁端接缝两侧钢轨支点承受附加拉力和压力。应限制转角使附加拉力小于扣件的扣压力、附加压力不超过垫板允许的疲劳压应力；轨道板上抬的稳定安全系数小于1.3。当梁端悬出长度过大时，宜采用平衡板构造措施。
无砟轨道铺设后，预应力混凝土梁残余徐变上拱应不大于1cm，大跨度桥梁应不大于2cm。控制徐变上拱的措施有：增大梁高，优化预应力筋布置，采用部分预应力结构，延长预施应力至铺设无砟轨道的时间间隔（一般不少于60天）。
桥面高程施工误差应控制在-30～0mm，以保证有足够的无砟轨道建筑高度。施工应根据梁高偏差、架梁时支座与垫石间灌浆层厚度确定支承垫石顶面的高程。
梁端接缝两侧钢轨支点在活载及横向力作用下的竖向和横向相对位移不大于1mm。应考虑支座弹性压缩变形、梁端转角、坡道梁伸缩、支座横向间隙等影响。日照引起梁体挠曲或桥墩横向位移应与其他因素组合满足竖向与水平折角的要求，必要时需进行动力检算。
4.1.2.9 高速铁路桥梁设计关键控制指标
高速铁路桥梁设计关键控制指标如表4.8所示。
表4.8 高速铁路桥梁设计关键控制指标
续表
