連續工字鋼便梁在既有線防護設計中的應用

龔愛軍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東濟南　250022)

1　工程概況

淄博市淄川區將軍路西延工程需在張博線K22+302.5處增設鐵路框架橋一座，橋上線路單股、直線，道路與線路法向夾角2°，無電氣化。根據道路情況及地方要求，設置8.0 m-11.15 m-11.15 m-8.0 m四孔連體框架，框架總高8.05 m，總長42.0 m，單側頂進施工。經各種經濟、技術比較，采用連續工字鋼便梁對既有線架空防護(如圖1、圖2)。

圖1　連續工字鋼便梁線路加固立面(單位：cm)

圖2　連續工字鋼便梁線路加固平面(單位：cm)

2　地質情況

橋位位于平原區，地表以下依次分布有第四系全新統人工填筑(Q4ml)素填土，第四系全新統沖洪積(Q4al+pl)粉質黏土、細砂、粗圓礫土，下伏石炭系上統(C3)泥巖等；橋址處地下水位埋深3.1～4.0 m左右、變化幅度約1.5～2.0 m，地下水對混凝土無任何侵蝕性；該區抗震設防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.10g，特征周期分區為二區，地震動反應譜特征周期為0.55 s；箱體基底置于粉質黏土層上，箱體基底設計應力σ=136 kPa，地基容許承載力[σ]=140 kPa，地基土滿足承載力要求，無不良地質。

3　主要技術標準

3.1　鐵路

線路等級：國鐵Ⅱ級；

荷載：中-活載[1]。

3.2　橋下道路

橋下道路按城市主干路Ⅲ級標準[2]，設計荷載為城-A級；機動車道設計速度v=40 km/h；橋下通行凈高機動車道通行凈高H≥5.0 m，非機動車道通行凈高H≥3.5 m。

4　線路加固

既有線鋼軌為43型鋼軌。根據鐵路運營單位要求，施工期間不得中斷行車，限速45 km/h。

4.1　組成部分

連續工字鋼便梁架空線路分線上部分和線下部分[3]。

線上部分由兩根對稱的主縱梁、與主縱梁下翼緣用高強螺栓連接的鋼枕梁(間距40 cm均勻布置)、支撐樁處兩根一束橫抬梁及各種配件組成；線下部分由橫抬梁下支撐樁、線路抗滑移樁以及主縱梁端部下的鋼木支墩組成。

4.2　傳力過程

列車荷載→線路鋼軌→鋼枕梁→主縱梁→橫抬梁→支撐樁(框架橋)。

4.3　線路加固檢算

檢算時構件自重均由程序自動加載，活載由中-活載自動加載至建立的車道上完成，檢算時均以每片梁為受力對象檢算，鋼材為Q345qD。根據文獻[4]，容許彎曲應力[σw]為210 MPa，容許剪應力[τ]為120 MPa。根據文獻[5]，行車速度等于30～45 km/h時，梁部由列車豎向靜活載所引起的撓度容許值[f]為Lp/400。

(1)鋼枕梁強度和剛度檢算

荷載計算：

鋼軌荷載N1=44.653[6]×0.4×0.01=0.18 kN；活載N2=250×3÷(3÷0.4)×0.5=50 kN；沖擊系數(1+μ)=1+28/(40+7.0)×45/60=1.45；橫梁不均勻工作系數1.3[7]；計算結構強度時作用在鋼枕梁上荷載P1=N1+N2(1+μ)×1.3=94.25 kN；計算撓度作用在鋼枕梁上的荷載采用值為N2×1.3=65 kN。

受力分析：

首先確定鋼枕梁結構分析模型(如圖3)，再利用有限元軟件MIDAS Cival進行結構分析。計算結果最大拉應力σmax=169.21 MPa≤[σw]；最大撓度fmax=10.38 mm≤[f]；支反力最大為96.4 kN，面積矩S=(200×1062)/2-((200-18)×(106-20)2)/2=450564 mm3，截面屬性中查得I=81 627 340 mm4；最大剪應力τmax=(N×S)/(I×b)=(96.4×1 000×450 564)/(81 627 340×18)=29.56 MPa≤[τ]，均滿足要求。

圖3　鋼枕梁結構分析模型(單位：cm)

(2)橫抬梁強度和剛度檢算

為簡化橫抬梁活載受力，計算按鋼縱梁的最大跨度7.0 m簡支受力計列。線路、設備按每延米10 kN計列。

荷載計算：

活載N1=220×5×(1+μ)=1 595 kN；靜荷載(鋼枕木、線路、設備)N2=(0.87×4.94/0.4+10)×7.0=145.21 kN；鋼縱梁荷載N3=2×185×7.0/100=25.9 kN；螺栓、連接板等附屬構件按10 kN計算；計算結構強度時每根橫梁每端總荷載P2=(N1/2+N2/2+N3/2+10/2)/2=444.03 kN；計算撓度時每根橫梁每端總荷載P2=(220×5/2)/2=275 kN。

橫抬梁受力分析：

A排樁拆除前，橫抬梁支撐于A、B排樁頂，不是最不利工況，故不做檢算；A排樁拆除時，橫抬梁一側支撐于樁頂，另一側支撐于框架頂，最大跨度為7.0 m，為最不利工況，做受力檢算。結構分析模型如圖4。利用有限元軟件MIDAS Cival進行結構分析，計算結果最大拉應力σmax=109.94 MPa≤[σw]；最大撓度fmax=5.77 mm≤[f]；最大支反力為732.2 kN，面積矩S=(300×3502)/2-((300-13)×(350-24)2)/2=3 124 394 mm3，最大剪應力τmax=(N×S)/(I×b)=(732.2×1 000×3 124 394)/(1 936 220 000×13)=90.89 MPa≤[τ]，均滿足要求。

圖4橫抬梁結構分析模型(單位：cm)

(3)主縱梁強度和剛度檢算

荷載計算：

靜荷載(鋼枕木、線路、設備)Q1=(0.87×4.94/0.4+10)/2=10.37 kN/m；

受力分析：

鋼縱梁結構分析模型如圖5。利用有限元軟件MIDAS Cival進行結構分析，計算結果最大拉應力σmax=28.55 MPa≤[σw]；最大撓度fmax=0.9 mm≤[f]；最大支反力為879.6 kN，面積矩S=(380×5752)/2-((380-20)×(575-36)2)/2=10 524 970 mm3，最大剪應力τmax=(N×S)/(I×b)=(879.6×1 000×10 524 970)/(10 691 170 000×20)=43.30 MPa≤[τ]，均滿足要求。

圖5主縱梁結構分析模型(單位：cm)

5　施工組織

(1)為盡量減少工字鋼便梁線路加固范圍，框架兩側路基開挖邊坡可采用噴射混凝土防護。

(2)框架橋總高8.05 m，橋范圍內設置橫抬梁距離縱梁邊緣較大，在框架邊緣的橫抬梁與縱梁端鋼木支墩間鋼枕梁底設置1排挖孔樁，以優化縱梁受力。

(3)框架頂進懸臂前端至A排樁時，線路暫時封閉，橫抬梁上橋并拆除A排樁至框架底板底以下，線路整修后箱體繼續頂進施工。橫抬梁設于框架頂的支點應避開截面較小配筋較弱的懸臂部分。頂進施工時，考慮橫抬梁與箱頂摩擦力的作用，為避免縱梁縱梁橫向變形，在箱子頂接觸面橫抬梁處搭設枕木垛，上面放置鋼板、滾軸、滑車等，以減少摩擦力，保證縱梁及線路方向，確保行車安全[8]。

(4)橫抬梁采用兩根一束型鋼，長度16 m。兩型鋼通過直徑22 mm U形螺栓、角鋼及硬木牢固連接，間隔1.5 m設一道[9]。

(5)為保證頂進施工時不帶動線路橫向移動，確保行車安全，在橫抬梁的前端設置抗滑移樁。

(6)施工前先將既有枕木間隔抽換成鋼枕梁，梁端與主縱梁用高強螺栓連接完整后，作為挖孔樁施工時的防護之用。為盡量減少施工時挖孔樁間的干擾，應采取間隔開挖施工方法。挖孔樁施工完成以后，架設橫抬梁與挖孔樁頂，樁頂預留鐵件與橫梁或鋼枕梁牢固連結。

(7)鋼枕梁每隔30 cm設置加勁肋一道，鋼縱梁每隔2.0 m設置加勁肋一道，保證鋼枕梁和鋼縱梁的整體和局部穩定。

(8)線路加固的主要步驟：抽換枕木并架設主縱梁→線下挖孔樁施工→在框架范圍內挖孔樁頂架設橫抬梁→頂進預制框架→拆除線路加固→恢復線路。

[1]中華人民共和國鐵道部.TB10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005，22

[2]中華人民共和國建設部.CJJ 37—90城市道路設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，1991

[3]高雪瑞.縱橫梁架空線路施工方法在鐵路運營線防護設計中的應用[J].鐵道標準設計，2010(2):84

[4]中華人民共和國鐵道部.TB10002.2—2005鐵路橋梁鋼結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[5]中華人民共和國鐵道部.鐵計[2002]100號鐵路橋梁搶修(建)技術規程(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2003

[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.G2585—2007鐵路用熱軋鋼軌[S].北京：中國標準出版社，2008

[7]鐵道部第四勘測設計院.橋涵頂進設計與施工[M].北京：中國鐵道出版社，1993

[8]李龍，李維瑞，李巖松.鐵路既有線線路加固施工技術[J].遼寧師專學報，2009，11(2)

[9]鐵道部第三工程局.鐵路工程施工技術手冊:橋涵(中冊)[M].北京：中國鐵道出版社，1999