高速鐵路中等跨度搶修鋼梁結構型式及架設方法研究

謝愛華

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

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高速鐵路中等跨度搶修鋼梁結構型式及架設方法研究

謝愛華

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

摘要：隨著高速鐵路的大發展，既有搶修鋼梁難以滿足高速鐵路橋梁的搶修要求，因此提出了3種高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材的結構方案，分別為板梁結合梁、U型結合梁與鋼箱梁。通過技術參數比較，推薦鋼箱梁為優選方案，該方案更加整體化、模塊化，避免了橋面以及其它瑣碎零件，在結構受力和快速拼架上更有優勢。同時對架設方法進行了研究，提出了一種下承式導梁架橋機設想方案，這種專用(新式)架橋機有簡單的搬運拼裝功能，結構輕便小巧，能夠適用于多跨連續架設工況。所提出的結構型式及架設方法是對采用大節段拼裝，利用大型機具及專用設備拼裝架設的新型搶修理念的一次深入探索。

關鍵詞：高速鐵路；搶修鋼梁；結構型式；架設方法

我國鐵路客運專線及高速鐵路、客貨共線快速鐵路已經逐漸形成平時鐵路運輸的主體網絡，也是戰時交通的重要通道，應該有適合這些鐵路應急搶修和短期使用的橋梁搶修器材。既有搶修鋼梁因為通車速度太低、橫向剛度較弱并不適于高速鐵路中等跨度橋梁的搶修。本文依托中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目《高速鐵路中等跨度橋梁防災救援技術深化研究》成果，針對高速鐵路中等跨度搶修鋼梁的結構型式及架設方案進行研究分析。

1 高速鐵路中等跨度搶修鋼梁結構擬定

1.1 搶修梁布線形式擬定

由于該搶修器材主要用于客運專線及高速鐵路中等跨度橋梁的搶修，因此對時速250/350 km、跨度23.5 m/31.5 m雙線混凝土箱梁尺寸表進行了匯總，見圖1、表1，其中無砟軌道的梁高按CRTS I型板選取。

從以上對客運專線及高速鐵路中等跨度橋梁的分析可以看出，上承式的雙線箱梁橋面較寬，列車時速越快、線間距越大，時速 250 km的線間距為4.6 m，時速350 km的線間距為5.0 m。從應急搶修角度，搶修梁以分線為宜，可以先搶通一線，恢復通車，縮短搶修時間。而客運專線及高速鐵路線間距較大，兩個單線搶修梁可依照原線路中心線進行布置，為先搶修一線提供了可能。

圖1 時速250/350 km、跨度23.5/31.5 m雙線混凝土箱梁主要尺寸圖示

1.2 搶修梁梁高、梁寬、支座寬度擬定

梁高：根據表1混凝土箱梁軌頂至梁底的距離，24 m無砟軌道箱梁的最小高度為3.092 m，32 m無砟軌道箱梁的最小高度3.692 m；高鐵所用鋼軌為75 kg/m鋼軌，軌高0.192 m，再考慮到橋面板的高度以及經濟性原因，則高速鐵路中等跨度搶修梁的高度宜為2.3～2.5 m。

梁寬：從運輸的角度來看，梁體總寬度控制在2.5 m以內，采用公路鐵路運輸均不超限。

支座寬度：支座寬度關系到搶修梁的梁寬，且與既有高鐵橋墩墩帽尺寸有關。高鐵橋墩多為圓端形橋墩，中部有一U型槽，兩塊墊石布于U型槽兩側，相鄰兩跨共用。因為墩頂墩帽尺寸的限制，單側搶修梁支座的橫向間距擬定為2 m。

1.3 搶修梁梁型及橋面擬定

既有中等跨度搶修鋼梁，如六四梁、拆裝梁；大跨鋼梁，如八七梁，均采用鋼枕或木枕的明橋面，梁型為桁架式結構。本次研究主要針對高速鐵路防災救援使用，因此搶修梁的橋面擬采用混凝土橋面板或整體鋼面板的型式，考慮到剛度、運輸及拼裝方便等因素，梁型擬采用板梁、U型梁與箱型梁結構。

表1 時速250/350 km、跨度23.5/31.5 m雙線混凝土箱梁尺寸表 m

時速跨度橋面梁寬梁高軌頂至梁底線間距支座間距250km23.5有砟12.22.6863.31(軌底至梁底)4.64.431.5有砟12.22.89(跨中),3.09(支點)3.7(軌底至梁底)4.64.7350km23.5/31.5無砟12.62.6353.3074.64.423.5無砟12.62.4353.0925.04.831.5無砟12.63.0353.6925.04.5

1.4 高速鐵路中等跨度搶修鋼梁主要技術指標

搶修鋼梁作為臨時結構，有其特殊性，難以達到高速鐵路橋梁標準要求，因此其主要設計標準參照《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005)規定進行，其主要設計指標為：設計時速，貨列80 km/h、客車120 km/h；材質/彎曲應力/疲勞應力，Q345qE/240 MPa/190 MPa；豎向剛度，L/900(L為跨度)；橫向剛度，主梁中心距>L/20；橫向力作用下水平撓度≤L/4 000；橫向自振頻率>60/L0.8(Hz)。

2 結構方案

2.1 板梁結合梁方案

板梁結合梁由鋼板梁與鋼筋混凝土橋面板構成。基本部件15種(見圖2、表2)，其中主梁節3種，拼接板3種，聯結系4種，橋面系4種，支座1種。

圖2 板梁結合梁斷面圖(單位：mm)

主梁為2片工字型梁，高2.5 m，橫向間距2.0 m。主梁分段，基本梁節用于跨中，長度12 m，跨端段長6.3 m和10.3 m兩種，可拼成總長度為20.6 m、24.6 m、28.6 m和32.6 m的橋梁。基本梁節與端梁節主要是翼緣厚度不同。豎向加勁肋基本為2m一道，用以連接斷面聯結系桿件；豎向加勁肋下端與腹板間設有下平聯節點板，連接下平縱聯桿件。鋼筋混凝土橋面板3種，寬度均為3 200 mm，厚度140 mm。其上設置雙塊式短枕，厚100 mm。4.3 m橋面板用于主梁端部；接頭橋面板和基本橋面板長4 m，分別用于主梁接頭位置處和主梁中部位置。橋面板的端部設置為斜面，以鋼板封邊，兩塊橋面板之間形成上寬下窄的縫隙，采用楔形鋼板插入頂緊，使其沿橋軸線方向上可傳遞壓力。橋面板與主梁采用套管螺栓連接，以達到可反復拆裝的目的[1]。

表2 板梁結合梁基本部件表

2.2 U型結合梁方案

U型結合梁方案由U型梁與鋼筋混凝土橋面板組成。基本部件13種(見圖3、表3)，其中主梁節3種，拼接板5種，橋面系4種，支座1種。

主梁為U型梁，主梁高2.3 m，上翼緣寬480 mm，厚20 mm，底板寬2 480 mm，厚24 mm，兩腹板的橫向間距2.0 m。豎向加勁肋基本為2 m一道，腹板內側為U型橫向聯結板，厚度10 mm，端部支座處厚20 mm，每隔6 m在U型隔板上加焊交叉角鋼∠100 mm×100 mm×10 mm。主梁分段以及橋面板型式與板梁結合梁相同。

圖3 U型結合梁斷面圖(單位：mm)

分類部件名稱鋼號單元質量/kg使用部位主梁12m基本梁節Q345qE14194.0主梁中段6.3m端梁節Q345qE8240.724m主梁端部10.3m端梁節Q345qE12724.632m主梁端部拼接板翼緣外拼接板Q345qE73.7翼板拼接翼緣內拼接板Q345qE32.0翼板拼接底板內拼接板Q345qE184.9底板拼接底板外拼接板Q345qE239.5底板拼接腹板拼接板Q345qE56.4腹板拼接橋面系基本橋面板C505030.0主梁中間,鋼筋混凝土材料接頭橋面板C505031.0主梁接頭處,鋼筋混凝土材料4.3m橋面板C505345.0主梁梁端,鋼筋混凝土材料鋼楔板Q345qE206.0橋面板接頭頂緊支座弧形支座鑄鋼181.3

2.3 箱型梁方案

鋼箱梁方案，基本部件12種(見圖4、表4)，其中主梁節3種，拼接板8種，支座1種。

圖4 鋼箱梁斷面圖(單位：mm)

主梁為箱型梁，兩個腹板為斜腹板呈八字型，腹板底部最外側的橫向間距為2.0 m，腹板頂部最外側間距為1.52 m。主梁分段與前兩個方案相同。主梁高2 500 mm，頂板寬2 050 mm，厚24 mm；底板寬2 450 mm，厚20 mm；在接頭位置處翼板有10 mm的補強板。豎向加勁肋基本為2 m一道，腹板內側設橫向聯結板，其中端部支座處厚20 mm，其余位置為10 mm，且每隔6 m在橫隔板上加焊交叉角鋼∠100 mm×100 mm×10 mm。該方案橋面板即鋼箱梁的頂板，分開式扣件及鋼軌直接安裝在頂板上，兩者之間采用螺栓連接。

表4 箱型梁基本部件表

圖5、圖6分別為24 m和32 m鋼箱梁方案的立面和平面布置總圖。

圖5 24 m鋼箱梁方案的立面和平面布置總圖(單位：mm)

圖6 32 m鋼箱梁方案的立面和平面布置總圖(單位：mm)

2.4 方案比選

近年來鋼混結合梁的應用越來越多，板梁結合梁與U型結合梁的橫豎向剛度較好，混凝土橋面板上軌道的行車性能也比較好，而且結構不復雜，部件種類不多，其中U型結合梁較板梁結合梁的零部件更少，整體性也更強一些。這兩種結合梁方案相比，U型結合梁的優勢要更大一些。鋼箱梁方案的橋面板即為鋼箱梁的頂板，鋼軌及扣件直接安裝在頂板上，無橋面板的安裝時間。箱形梁整體剛度好，拼裝簡單，配合大型機械吊裝拼裝，是非常有競爭力的方案，該方案為高速鐵路中等跨度搶修鋼梁的推薦方案。三種方案主要技術參數共性方面有：

(1)都適用于客運專線、高速鐵路、客貨共線快速鐵路戰時和平時突發事件中鐵路中等跨度橋梁的應急搶修(建)和短期使用。

(2)線路條件，標準軌距，單線，直線，大半徑曲線。

(3)適用于20 m、24 m、28 m、32 m跨度。

(4)設計基本活載，ZK活載。

(5)疲勞次數均為30萬次。

(6)鋼板梁中心距2.0 m。

(7)支座均為弧形鋼支座。

(8)鋼梁的拼接均用螺栓、螺母、墊圈連接；鋼梁與混凝土板用螺栓、鋼套管、螺母、墊圈連接。

三種方案其他方面的比較見表5～表8。

表5 高速鐵路中等跨度搶修梁各設計方案技術參數比較

表6 高速鐵路中等跨度搶修梁各設計方案技術的基本部件

表7　高速鐵路中等跨度搶修梁各設計方案動力學參數

表8 高速鐵路中等跨度搶修梁各設計方案梁體質量　t

3 架設方案

結合梁可以首先架設鋼梁，再安裝混凝土橋面板。客運專線及高速鐵路上大量的中等跨度橋梁是墩高不大、橋下無水的架空結構，利用大型起重機械，現場分片分段組裝后整體吊裝最方便。在橋下有水或墩身很高的情況下，既有的900 t鐵路架橋機及鐵路救援起重機不適用于搶修鋼梁架設，建議以橋頭預拼、縱向拖拉或頂推架設作為通用方法，采用專用架橋機架設為推薦方案。

在此提出一種下承式導梁架橋機設想方案，該方案可進行單跨和多跨連續架設，主要由運架車和下承式導梁組成。運架車寬4 m、高5 m，單軸軸重控制在35 t以內，具有搬運、輔助安裝、架設等功能；導梁共設4個支腿，以便連續架梁時使用，見圖7和圖8，圖9以多跨架設為例。鋼梁在橋頭拼裝后，由運架車搬運至橋跨前端，進行導梁的前行就位工作，當導梁其中3個支腿落地后，運架車沿導梁行進至待架橋跨的上方，剎車鎖緊后，導梁向前推進一跨，運架車下放搶修梁至設計位置。若需連續架設，運架車回退搬運下孔搶修梁至橋位，此時導梁進行支腿更換后繼續向前推進一跨，運架車下放搶修梁完成第2孔架設，第3孔、第4孔等架設以此類推。該設想方案能夠實現搶修梁的快速架設。

圖7 運架車

圖8 下承式導梁

圖9 架梁主要過程圖

4 結束語

隨著高速鐵路的大發展，以及高技術戰爭條件下的列車快速通行、快速修復的需求，搶修技術及搶修器材也應根據時代的需要不斷完善和更新，與時俱進。整體箱型梁方案更加單元化、模塊化，避免了橋面以及其它瑣碎零件，配合專用(新式)架橋機架設方案，為高速鐵路應急搶修和短期使用的橋梁研制提供了一種新思路，同時也對采用大節段拼裝、利用大型機具及專用設備拼裝架設的新型搶修理念進行了一次深入的探索。

參考文獻

[1]高占軍.快速鐵路橋梁搶修器材研制關鍵技術探討[J].國防交通工程與技術，2013(5):25-27

On the Structural Types of and the Erection Methods for the Rush-Repairing Steel Beams for Medium-Span Bridges of High-Speed Railways

Xie Aihua

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd.，Beijing 102600，China)

Abstract:With the rapid development of high-speed railways,the existing rush-repair can hardly meet the requirements for rush-repairing steel beams of high-speed railway bridges in which case put forward in the paper are three structural schemes of the medium-span bridge-rush-repairing equipment for high-speed railway bridges,respectively the plate-girder-combined beam,the U-type combined beam and the steel box beam.Through comparing their technical parameters,the steel box girder is recommended as the optimal choice because this scheme is more integrated and modular,and avoids the provision of the deck as well as other trivial parts, thus enjoying more advantages in the structure of forces and quick erection. Meanwhile,the erection method for the steel box beam is also studied,with the scheme of a through-type guide beam bridge erector suggested in the paper.Being simple and quick in moving and assembling,and light,convenient and smart in structure, this new and special type of bridge erector is applicable to continuously erecting multi-span bridges.The structural type and the erection method for it mentioned above will be assembled with large sections.The trial in this aspect is a deep exploration into the new-type rush-repair notion— rush-repairing or assembling and erecting bridges with large-type equipment and machines as well as special equipment.

Key words:high-speed railway;rush-repairing steel beams;structural type;erection method

中圖分類號：U455.75；U448.36

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3953(2016)02-0008-05

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.003

作者簡介：謝愛華(1981—)，女，高級工程師，主要從事交通戰備研究工作

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2014G008-B)

收稿日期：2015-12-08