鄭焦客運專線跨京廣線防護棚施工設計

【摘 要】 針對連續梁跨越既有鐵路施工的復雜環境，結合鄭焦客運專線現場實際需要，對防護棚進行合理化設計，本設計重點闡述了依照現行規范進行防護棚的設計荷載取值、設計工況分析、施工要求及列車運營要求，確保施工及既有線營運安全，對既有線防護設施設計具有較好的指導意義。

【關鍵詞】 既有線 防護棚 荷載 工況分析 施工要求 運營要求

1、工程概況

鄭焦城際鐵路黃河特大橋為鄭焦客運專線鐵路暨改建京廣鐵路跨越黃河的共用橋梁，為四線鐵路特大橋梁。其正線北岸引橋在鄭焦線DK30+492.06～D1K30+637.06及京廣改線GDK30+520.79～GDK30+664.79處以三跨（40m＋64m＋40m）混凝土連續梁并行跨越京廣鐵路，兩幅橋梁中心線與京廣鐵路的夾角均約為38°。

在施工上部橋梁時，為了確證既有京廣客貨運線的正常運營，及上部橋梁施工的安全，經研究決定在既有線頂設防護棚隔離。依據鐵路界限要求、上部橋梁的施工界限、并綜合現場施工的實際狀況確定防護棚總長64.5m，寬20m，鋼軌頂面以上高8.6m，防護棚縱向布置與既有線基本平行，棚頂與既有線夾角60°。

2、設計依據

2.1、《鐵路行車線上施工技術安全規則》（TBJ412-87）

2.2、《鐵路營運線施工及安全管理辦法》（鐵辦[2007]186號）

2.3、《鐵路運輸安全保護條例》 （中華人民共和國國務院令第430號）

2.4、《鋼結構設計規范》（GB50017-2003）

2.5、《京滬高速鐵路設計暫行規定》

2.6、《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）

2.7、《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）

2.8、《新建鄭州至焦作鐵路工程鄭州黃河大橋施工圖》

2.9、其他相關規范規程。

3、結構組成

防護棚結構自上而下由棚頂、立柱頂分配梁、立柱、聯結系、斜撐、基礎等部分組成。

3.1、頂棚：棚頂由H型鋼及其頂鋪設的鋼板組成。為方便安裝拆除，整個棚頂共分為29組，每組含3根型鋼及其頂鋼板，單組重9962 kg。

3.2、立柱頂分配梁：立柱頂分配梁為型鋼梁，由普通螺栓分別與其上頂棚、其下鋼管立柱相連；為便于施工，每根分配梁分為五節，最大節段重1970 kg。

3.3、立柱、聯結系：防護棚立柱為鋼管柱，分為兩節。下節為調整節，重74kg，由人工搬運安裝，并精確調位。立柱上下設置法蘭與分配梁及基礎預埋件相連。立柱間設置聯結系，聯結系與立柱間通過銷軸相連。

3.4、斜撐：斜撐為可調撐桿。上部鉸座焊于立柱上，下部鉸座焊于斜撐基礎預埋件頂上。

3.5、基礎：立柱下為鋼筋混凝土條形基礎，斜撐下為素混凝土基礎。要求基底容許承載力均不小于150kpa。

4、設計荷載選取

4.1、人群荷載

依《建筑結構荷載規范》不上人的屋面活荷載標準值取0.5kN/m2。不與雪荷載同時組合。

4.2、風荷載

依《建筑結構荷載規范》計算圍護結構風荷載：

4.2.1 棚頂結構風壓：

1）迎風面；

2）背風面

4.2.2 柱頂分配梁風壓：

。

4.2.3 立柱風壓：

。

4.2.4 立柱間連接系風壓：

。

4.3、列車通過產生風壓

依《京滬高速鐵路設計暫行規定》，計算圍護結構在動車經過時所受的風壓，列車時速為250km/h。防護棚立柱安裝狀態時水平氣動力qh=0.18（KN/m2），qv=0；防護棚工作狀態時水平氣動力qh=0.27（KN/m2），qv=0。

4.4、墜落物

由于0＃塊施工及掛籃施工時，在防護棚上方，施工墜落物按50kg考慮；假設墜落物落于棚頂跨中位置，變形為Δx，根據動能守恒定律可得：

墜落物的勢能為：U=mg（h+Δx），h為墜落高度，取10 m；

棚頂結構跨中的剛度系數為k=9.3721×105N/m，

棚頂結構的應變能為：E=（k/2）Δx2

U= E

mg（h+Δx）= （k/2）Δx2

Δx={1+[1+2h/（mg/k）]0.5} （mg/k）

可得Δx=0.10383m

墜落物的最大沖擊力：F=kΔx=97311N，

按集中力作用于防護棚頂，由一根橫梁承擔，整個棚頂假設有兩處墜落物沖擊。

4.5、雪荷載

Sk= =0.4KN/m2由于活荷載與雪荷載不同時組合，所以取兩者大值進行計算。

4.6、防護棚頂自重及棚頂滑動摩擦力：

每組棚頂9962kg，在安裝（或拆除）時一次吊裝情況下與其下分配梁間產生的滑動摩擦力為：99620N/2×0.25=12453N

5、主要設計工況及驗算結果：

5.1、工況一：立柱、分配梁安裝工況

此工況按照可變荷載效應控制的組合：荷載組合1=1.0×自重+0.9×1.4×風荷載+0.9×1.4×列車通過產生風壓

經檢算：

5.1.1 立柱安裝狀態：立柱錨固端所受的最大彎矩為：12.16kN.m；斜撐軸力為：9.03kN；連接系與立柱接觸處的最大彎矩為：1.08kN.m、最大剪力0.79KN.

5.1.2 分配梁安裝狀態：立柱錨固端所受的最大彎矩為：14.2kN.m；連接系與立柱接觸處的最大彎矩為：0.52kN.m。

5.2、工況二：棚頂安裝工況

此工況按照可變荷載效應控制的組合計算：荷載組合2=1.0×自重+0.9×1.4×風荷載（或風荷載+人群荷載）+0.9×1.4×棚頂滑移摩阻力

經檢算，本工況下各構件最大應力σmax＝42.21MPa＜[σ]＝215MPa，受力滿足。

5.3、工況三：防護棚工作工況

此工況按照偶然荷載效應控制的組合計算：荷載組合3=自重+落物荷載+1.4×0.6×風荷載（立柱、連接系、分配梁）+列車通過產生風壓（立柱、連接系）+1.4×0.7×人群荷載，經檢算各構件應力如下：

棚頂豎向變形：fmax=-76mm 撓跨比：f/L=1/320

5.4、工況四：防護棚基礎計算：

5.4.1 柱下條形地基計算：柱下條形基礎為柔性基礎，采用彈性地基梁法進行計算。鄭州地區為黃土，取基床系數k=4x104（kN/m3）， 立柱下條形基礎基底承載力計算最大支承反力：45.65KN，彈性支點每0.96米設置一個，經檢算：地基基底壓力為：P=55.38KN/（0.8x0.8）m2=86.53KPa，地基容許承載力為150 KPa，條形基礎可滿足強度需要。

5.4.2 斜撐下基礎計算：斜撐最大反力：85.62KN。經檢算：地基基底壓力為：P=85.62KN/（0.8x0.8）m2=133.78KPa ，斜撐基礎可滿足強度需要。

5.5 結論：

經過檢算，設計防護棚在強度剛度穩定性上都滿足設計規范要求。

6、施工及營運要求：

6.1、施工要求：

6.1.1 加工前，請認真查看防護棚設計圖紙，對于圖中的加工制作要求，安裝使用要求及使用注意事項均應嚴格執行，同時加工制作應嚴格按照規范要求辦理。

6.1.2 構件在運輸吊裝時，應采取加固措施防止變形和損壞。

6.1.3 立柱加工要求在加工車間預拼裝；立柱安裝應保證定位準確、垂直度良好、柱頂標高符合設計要求。立柱安裝完畢后，必須及時把柱腳與預埋件處螺栓上緊。立柱安裝的允許偏差如下：

6.1.4 安裝防護棚各部件時，現場施工應遵守鐵路有關規定，保證安全。

6.1.5 拆除時，新澆筑梁底的棚頂結構需由現場設置轉向滑輪及3t卷揚機，滑移到吊裝區域，然后用履帶吊吊下。

6.1.6 為了安全起見，防護棚設置有接地裝置，現場測試電阻不大于30Ω。

6.1.7 防護棚絕緣采用在帶電導線正上方的頂棚結構下部2m范圍套絕緣橡膠，絕緣橡膠在棚頂吊裝前安裝到位；其余部位采取用空氣絕緣，離最近帶電體距離超過50cm。

6.2、運營要求：

6.2.1 列車經過本施工區域時的速度不能超過200公里/小時。

6.2.2 要經常派人對防護棚進行檢查，尤其是各構件的螺栓是否有松動，基礎是否有異常，定期進行基礎沉降與立柱頂偏位觀測。

6.2.3 嚴禁在防護棚頂隨意擺放雜物；在棚頂拼裝掛籃時，要求盡量做到起吊物體平穩輕放，不對防護棚造成大的沖擊；人在橋面施工時，嚴禁向下亂扔雜物。

7、結束語

依照現行規范，并結合現場實際，對防護棚進行了設計、檢算及施工指導，通過合理化設計確保營運線路設備與行車安全和施工安全。該設計對對既有線防護設施設計具有較好的指導意義。