鋼便梁錯位架設施工方法在軌道交通中的應用

劉 謙

（新疆鐵道勘察設計院有限公司，830011，烏魯木齊∥工程師）

采用D型鋼便梁加固線路，施工簡便，對列車運行干擾少，安全度高，是目前國內運營鐵路線上進行線路加固的常用方法［1－8］。但D型便梁最大跨度為24.12m，若梁下修建工程與便梁斜交角度過大，將減低便梁跨越能力。為爭取其最大跨越空間，可將兩片縱梁錯位布置。然而，縱梁錯位架設，僅為構造考慮，能否滿足結構在列車荷載作用下正常安全地工作，是必須要考慮的問題。現以烏魯木齊市市郊鐵路新建1－6.0m框架橋方案設計為例，進行分析、計算。

1 工程概況

本工程位于新疆烏魯木齊市北郊，在北疆鐵路支線K20＋764.48處。該線路為單線，屬于烏魯木齊市近郊鐵路，途經市區，沿線多有管線、道路穿越。本工程為規劃支路下穿市郊鐵路而增建框架橋，采用D24鋼便梁加固既有市郊鐵路線。便梁下框架橋軸線與鐵路中心線交叉角度為47°57′10″，為爭取最大跨越空間，將D24型鋼便梁兩片縱梁錯位，以最接近47°57′10″的角度架設。D24型鋼便梁相鄰橫梁間距67cm，為滿足橫梁與縱梁聯結對應，錯位6根橫梁，即兩片縱梁錯位距離為6×67cm＝402 cm。此時，兩片縱梁構成斜交角度為47°58″13″。其平面示意如圖1所示。

2 鋼便梁錯位架設結構分析

該工程所使用的D24型鋼便梁，其縱梁材質為Q345qD，橫梁材質為Q345B，材料彈性模量約為206GPa，基本容許應力為240MPa，容許剪應力為145MPa，縱梁截面慣性矩為2 440 555cm4。

根據實際工況，鋼便梁承受荷載為中－活載及恒載兩部分。荷載傳遞方式為：由鋼軌、橫梁及連接構件，傳至兩側縱梁，縱梁兩端簡支于開挖斷面頂部。為簡化計算，每單片縱梁視為承受1／2（“中－活載”＋恒載）的簡支梁體系［9］。

圖1 既有線路防護平面圖

2.1 強度分析

2.2 剛度分析

縱梁錯位布置后，垂直線路中線的對應截面，距支點的距離不相等。在列車荷載的作用下，對應截面撓度不相等。其差值影響列車運行的平穩性。如偏差過大，將增加脫軌的可能性。為便于區分，以面向九道灣方向分為右梁、左梁（見圖1）；以縱梁整體錯位距離402cm為單元，將每片梁劃分為7個截面。圖2給出了左、右梁截面的對應關系，梁上布置“中－活載”［10］。

圖2 縱梁錯位架設示意圖

便梁的剛度檢算僅與靜活載撓度有關。梁上靜活載采用中華人民共和國鐵路標準活載［10］，每單片縱梁承受靜活載應為“中－活載“標準計算圖式的50%。

2.2.1 建立計算模型

縱梁為等截面簡支直梁，且梁的跨度遠大于橫截面高度，故剪力對梁位移的影響很小，可忽略不計。梁的彎曲程度同截面彎矩成正比，根據等截面直梁中性層曲率ρ的公式，1／ρ＝M／EI，在彈性模量E、截面慣性矩I一定的情況下，彎矩M越大，梁體彎曲變形越大，即約束條件一定時，位移越大。

根據上述分析，鋼便梁縱梁任一截面最大撓度，發生在該截面產生最大彎矩時，即此時活載應處于該截面彎矩最不利的荷載位置。以右梁為基準梁，按列車上、下行兩個方向運行，分別布置截面1、2、3、4、5的最不利荷載位置，左梁按照右梁上的“中－活載”圖式對應布置。各截面布載詳見表1。

2.2.2 縱梁撓度計算

將鋼便梁承受靜活載分為兩部分（如圖3所示），分別計算不同荷載作用下的撓度。

圖3 縱梁荷載示意圖

以積分法求解出簡支梁撓曲線近似微分方程，并推導出撓曲線方程式如下［11］。

與全樣本一致，管理層能力對研發投入影響在國有組和民營組均表現為1%顯著性水平的抑制作用。二者相關系數分別為-0.0755和-0.0518，這說明，雖然我們不能忽視高技術企業中國有經濟占據較高比重的合理性，但國營企業繁冗的決策機制與治理架構，加之經營目標的多元性，可能使高能力管理者進行高風險創新活動的意愿更低，驗證了假設1b。

表1 縱梁撓度計算表

對集中荷載：

對部分均布荷載：

式中：

P——集中力，kN；

q——均布荷載，kN／m；

L——計算跨度，m；

a、b——標注距離，m；

X——計算截面的位置，m；

Y——計算截面所求撓度值，mm。

由式（1）至式（4）的撓曲線方程，可計算出各截面分別在兩類荷載單獨作用下產生的撓度。再利用疊加法原理，即可求得截面在列車靜活載作用下的撓度值總和。右梁、左梁各截面計算撓度值以及撓度差見表1。

根據計算結果，右梁、左梁最大撓度差值23.4mm。將其同《鐵路線路修理規則》［12］中線路軌道動態質量容許偏差管理值作比較，低于以2.4 m基長度量的軌面三角坑變形值，故軌道不平順指標小于規定限制。另查閱文獻［13］：2003年6月，上海市真華路下穿鐵路立交工程，成功采用D24型鋼便梁錯位架設施工，兩片縱梁錯位距離多達8m，最大撓度差達39.7mm，現場使用的效果良好。因此，本文的撓度計算結果表明，能保證列車運行安全。

2.3 控制撓度差可采取的措施

雖然D24型鋼便梁錯位架設在國內已有不少工程先例，且本工程的計算撓度差值也較低，但因撓度差的存在，橫梁截面必然會產生正常架設所沒有的多余內力，且使橫梁與縱梁的聯結部分剪應力加大，應考慮螺栓的加強。所以，縱梁錯位架設時，還可以采取一定的加固措施，使撓度差得以減小。

2.3.1 增大梁的抗彎剛度

對于鋼梁來說，各種鋼材的彈性模量E相差很小。故選用高強度的優質鋼材并不能有效地提高梁的抗彎剛度，而應設法增大截面的慣性矩I。

以本工程為例，可在縱梁頂部及底部分別增設2 412cm×400cm×2cm的鋼板一塊，以高強螺栓同縱梁聯結為一體。將此加強后的橫截面尺寸導入有限元軟件Midas Civil進行計算，截面慣性矩可提高至3 224 695cm4，截面最大撓度差為19.9mm，抗彎剛度有了一定的提高，對軌面不平順及行車安全有著良好的改善。

2.3.2 鋼便梁底部增設支撐

由于梁的撓度與梁跨L成正比，因此減少梁的跨度將能顯著減小其位移值。在本應用工程中，可在鋼便梁跨中底部，增設工字鋼橫向支撐，工字鋼一端搭設于線路外側框架橋頂部，另一端搭設于線路另一側預先設置的臨時支座上。此方法使鋼便梁簡支體系增加了一個約束條件，使梁的計算跨度減少50%，對應撓度顯著減少。

另外，鋼便梁支承點的沉降，尤其是沉降差對便梁結構的受力及列車運營安全也有較大的影響。結合本工程實際，查閱相關規定，將便梁支承點的沉降差控制在15mm以內，便梁支承點采用邊長1.5m矩形挖井灌注樁，同側兩個挖井頂部做鋼筋混凝土橫向聯系，底部采用擴底墩，以減少基底壓應力、控制沉降值，保證列車運營安全。

3 結語

將錯位布置縱梁的方式應用于市郊軌道交通工程中，是一種較為成熟的工藝。它避免了因跨越空間不足不得不修建投資較大的臨時便線，或采用工藝復雜的橫抬、盾構等措施，在節約投資、加快工程進度等方面具有一定的實際意義。

［1］朱雷.大跨度框架鐵路橋頂進法施工技術［J］.建筑施工，2012（4）：12.

［2］王兵，王德華.大跨度下穿頂進框架橋線路加固設計［J］.鐵道標準設計，2010（7）：21.

［3］高俊青.大跨度頂進橋中24m鋼便梁對接施工技術［J］.鐵道建筑，2009（4）：23.

［4］李強軍.淺談做好鋼便梁施工安全防護的方法［J］.科技風，2009（4）：31.

［5］申雪松.鐵路既有線頂進施工線路加固總結［J］.山西建筑，2008，26：15.

［6］范榮剛.改制鐵路便梁在下穿既有線施工中的應用試驗研究［J］.鐵道標準設計，2008（3）：27.

［7］徐志勝，黃偉利，徐彧.便梁施工時鐵路軌道安全性試驗研究［J］.中國安全科學學報，2005（5）：23.

［8］靳銳勇.在既有線上頂進立交橋采用D型鋼便梁進行線路加固的施工方法［J］.鐵道標準設計，2003（12）：12.

［9］李廉錕.結構力學［M］.北京：高等教育出版社，1994.

［10］TB 10002.1—2005鐵路橋涵設計基本規范［S］.

［11］孫訓方，方孝淑，關來泰，等.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，1994.

［12］鐵運［2006］146號部令.鐵路線路修理規則［S］.北京：中國鐵道出版社.2008.

［13］朱建身.城市地道橋頂進施工技術及工程實例［M］.北京：中國建筑工業出版社，2006.