鐵路鋼筋混凝土異型剛構橋加寬加固設計

高 策 李 昊 張夫健

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

鋼筋混凝土剛構橋可有效降低結構高度，橋墩角度及位置可以根據橋下被跨越物的具體情況靈活布置。和框架橋相比，剛構橋無底板，跨越市政道路時，道路下方可埋設管道，后期道路改造時亦不影響鐵路運營。處于咽喉區時，可以根據股道情況靈活布置成變寬形式[1-4，11]。某鐵路項目由于站場改造，調整了股道布置，抬高了縱斷面高程，需對咽喉區內既有剛構橋進行加寬加固設計。

1 設計資料及邊界條件

1.1 鐵路主要技術標準(既有/新建)

鐵路等級：國鐵Ⅰ級及站線/高速鐵路及站線；

設計速度：時速120 km/時速250 km，道岔通過時速不大于80 km；

設計活載：中-活載/ZK活載；

曲線半徑：R≥2 000 m；

線間距：7 m/4.4 m；

軌道類型：有砟軌道、無縫線路。

1.2 結構形式及參數

既有橋為(13+24+13) m剛構，分左右兩幅，左幅橋面等寬(13.2 m)，右幅橋為變寬(11.6～18.8 m)。兩幅橋間有2 cm斷縫。原設計左幅橋上有雙線鐵路，線間距為7 m，右幅橋有三線鐵路。該橋竣工于2008年，為鋼筋混凝土結構，主梁及剛構橋墩采用C40混凝土，主筋為HRB335鋼筋。兩側為U形橋臺，群樁基礎，橋臺處設置盆式橡膠支座。橋址處地層主要為細砂、中砂、細圓礫土，基礎均按摩擦樁設計。

原設計為中-活載標準，軌底至梁頂距離為0.65 m，梁高1.3 m，橋墩厚度為1.2 m。橋下為運營城市道路(見圖1)。

圖1 既有橋立面(單位：cm)

根據站場改造要求，原有股道全部拆除，新建線路左幅橋上為正線，線間距4.7～5 m，由直線及半徑2 000 m的圓曲線組成。右幅橋上三股道向外側偏移，其中最外側股道位于剛構橋外緣2.2 m處。受外部因素控制，線路縱斷面較原設計抬高60～70 cm(如圖2所示)。

圖2 既有橋及原設計股道布置平面(單位：cm)

2 設計方案

本橋建成時間較短，橋梁運營狀態良好，本著充分利用、減少浪費的原則，主要考慮利用既有橋。

最右側新建股道3位于原剛構橋范圍以外，股道2到既有橋右側邊緣不滿足到擋砟墻內側2.2 m的距離要求，且股道2部分位于既有懸臂板上方，無法承受列車及軌道荷載。因此，決定在右側新建一幅剛構橋(完全與既有橋對孔布置)，施工時需切除既有橋右側懸臂板，新建橋面與切除懸臂后的橋面間設2 cm縫隙。

車站附近剛構橋下方城市道路一般為“V”形縱斷面，且橋下凈高富余量有限，剛構橋橫橋向兩端梁底下緣處一般為道路凈空的控制點，設計時應充分核實加寬橋梁對橋下機動車道、非機動車道凈空的影響，保證通行需要。

本橋位于車站內，附近道岔較多。《鐵路無縫線路設計規范》[13]中要求“無縫道岔不應設在路橋過渡段上”，“正線道岔不應跨越梁縫，站線道岔不宜跨越梁縫；困難條件下跨越梁縫時應滿足道岔使用及橋梁安全要求”。

根據上述規范條文及相關專業意見，調整了站場布置，將正線道岔移出了過渡段。

站線股道2穿越加寬橋與既有右幅橋間的縫隙。經軌道專業調整，道岔導曲線、轉轍器及轍叉部分避開了梁縫。梁體為剛構梁，整個道岔與梁體之間保證了良好的整體性。經計算，快速制動位移滿足相關規范要求，橋梁墩臺縱向水平剛度、橋梁的剛度等可保證道岔轉換設備的正常使用；在路橋過渡段位置采取了加強措施，以確保道岔剛度、彈性均勻合理。本線為有砟軌道，工后沉降可通過道砟調整。因此，股道2可以穿越縫隙，滿足相關要求(如圖3)。

圖3 新建線路及橋梁平面布置

線路縱斷面較原設計抬高60～70 cm。如果直接通過填筑道砟達到設計軌面高度，軌下道砟厚度過大(1 m左右)，軌道結構不穩定。如直接采用實體混凝土結構，既有橋無法承受增加后的二期恒載。因此，采用了橋上設置鋼筋混凝土空心道砟槽板的方案，以達到提高軌道高度、減小二期恒載增量的目的。以正線所在左幅橋為例，空心道砟槽板較填筑道砟方案二期恒載減小5%，較實體混凝土道砟槽二期恒載減小20%。

3 新建加寬橋

加寬橋梁平行于既有橋右側邊緣，橋面寬度按線路中心至擋砟墻內側不小于2.2 m等寬設計(垂直寬度為8.1 m)，右側設置1.3 m寬懸臂，懸臂板上方設置混凝土電纜槽及蓋板。加寬橋梁頂面高程與既有橋基本一致，并順應既有橋設置橫向1%排水坡，向右側排水。橋面最低點位于懸臂板上方，并設置泄水管、集水管排水。由于既有橋右側懸臂已切除，可在既有橋頂板上方橋墩附近開孔，排出橋面雨水。

新建梁部按鋼筋混凝土受彎構件計算，結構自重采用26 kN/m3。二期恒載包括鋼軌、道砟、軌枕、防水層、保護層、人行道遮板、欄桿、擋砟墻、接觸網支柱、電纜槽豎墻及蓋板、空心道砟槽板等。基礎不均勻沉降按0.01 m計，采用midas civil軟件建立模型。本橋橫向尺寸較小，可按照梁單元計算梁部及橋墩內力，根據內力配置鋼筋(見表1)，主筋直徑為28 mm，頂底面采用雙肢布置，墩頂上緣彎矩較大處按雙層布置，橋墩按鋼筋混凝土偏心受壓構件計算[6-7，12]。

表1 新建加寬橋梁部縱向配筋主力計算

既有承臺橫向尺寸大于既有剛壁墩尺寸，而新建梁部緊鄰切除懸臂后的既有梁部，新建剛壁墩及基礎無法按照梁部中心居中布置。故將新建橋梁承臺緊鄰既有橋承臺布置，使樁基滿足最小樁間距(2.5倍樁徑)的要求。將剛壁墩內側與承臺內側對齊，外側與懸臂根部對齊(見圖4)。此時梁部橋墩相對于承臺有一定偏心(墩身橫向偏心為0.42 m)，考慮橫向偏心彎矩影響，采用了4根φ1.25 m樁基。新建橋梁基礎緊鄰既有橋，應適當增加鋼護筒長度，加強施工管理，以避免坍孔，影響既有橋結構安全。

圖4 新建加寬橋與既有橋橫向關系(單位：cm)

既有橋橋臺與公路橋臺類似，為空心U形臺(臺頂設置搭板，臺長4.5 m)。考慮到U形臺臺內填料不易壓實、臺高僅5 m的實際情況，加寬段采用實體一字臺(臺長3 m)，按照主動土壓力計算臺身受力并配置基礎。為與剛構梁部橋面順接，臺頂也設置了相同高度的道砟槽。

4 空心道砟槽板

4.1 空心道砟槽板設計

為了滿足軌道結構要求，減輕二期恒載，橋上設置了空心道砟槽板。道砟槽板采用矩形孔并設置倒角改善受力。全橋共設置3類道砟槽，正線左右線下方為A1型，寬9.9 m；股道2和股道3下方、既有橋右幅上方為A2型，寬7.6～10.5 m。A3型道砟槽板設于新建加寬橋上，寬6.7 m(見圖5)。

道砟槽板高度應能保證正線軌枕下方道砟厚度不小于35 cm，并在道砟槽橫向兩側設置擋砟墻。空心矩形孔橫向尺寸最大為1.12 m，高0.35 m，頂板厚20 cm。道砟槽按鋼筋混凝土受彎構件計算并配置鋼筋(見表2)。

為避免道砟槽與既有剛構橋縱向共同受力，道砟槽順橋向每2 m設置一道斷縫。

表2 道砟槽頂板主力配筋計算

圖5 橋上空心道砟槽板橫斷面(單位：cm)

4.2 既有橋頂面植筋

為保證道砟槽與既有橋有效連接，避免發生水平位移，施工前，應對既有橋頂面進行植筋。澆筑時，在新建加寬橋頂面預埋鋼筋。

植筋施工時應避開原梁體鋼筋，并將結構保護層鑿除，形成垂直操作面后再鉆孔植筋，其鉆孔深度應從操作面算起。施工時應結合具體植筋膠特性，對鋼筋的錨固性能進行確認。

在規定的初凝時間內進行植筋安裝，使得植筋膠均勻地附著在鋼筋的表面及縫隙中，固化后再進行焊接、綁筋等工作，在固化期內禁止擾動鋼筋[14]。

二次澆筑混凝土前，應對新舊混凝土接觸表面進行濕潤、鑿毛處理，涂刷界面劑。植筋采用16 mm直徑鋼筋，間距為30 cm(見圖6)。

圖6 現場橋面植筋后

5 既有橋檢算

既有橋梁較寬(橫向寬度接近或大于邊跨跨度)，為了反映橋梁實際受力特點，采用midas civil程序建立模型(見圖7)，按照板單元計算內力。選取各截面最不利內力進行配筋計算。采用板單元可以準確反映支座反力和支座附近的梁部橫向受力狀態[15]，但其內力計算較為復雜。

設計活載由中活載變為ZK活載，活載減小對于既有橋利用是一個有利因素。二期恒載主要包括軌道結構、道砟、空心道砟槽板、防水層保護層、電纜槽及電纜等重量。

圖7 右幅橋計算模型

結合竣工資料進行計算，縱向配筋均滿足要求，但右幅下緣橫向超限，主力下最大鋼筋應力為205 MPa，裂縫寬度為0.26 mm，因此，需對該幅橋梁下緣橫向部分進行加固。經檢算，橋墩配筋及基礎、剛度、梁端折角均滿足要求(見表3、表4)。

表3 變寬橋主力縱向配筋計算

表4 變寬橋下緣主力橫向配筋檢算

對各支座反力進行計算(見表5)，按照支座實際承載力最大容許超出5%設計承載力的標準，質量為2 600 kN、2 300 kN的三個支座承載力不滿足要求，需更換為質量2 900 kN的支座。

表5 主力下超限支座情況一覽

6 既有橋加固

為了滿足橫向受力需要(見表6)，于中跨下緣跨中附近順橋向10 m范圍內布置橫向鋼板(通長布置)，與右幅橋底同寬，順橋向間距為20 cm，每根鋼板寬10 cm。施工時采用粘鋼膠粘貼于梁底[5]。

表6 變寬橋加固后下緣主力橫向檢算

粘鋼膠必須采用專門配制的改性環氧樹脂膠粘劑，粘鋼膠的性能應符合國家標準要求[14]。

粘貼鋼板流程為：混凝土表面處理-鉆孔植埋螺栓-待粘貼鋼板打孔與表面處理-配制結構膠和粘貼鋼板-加壓固定-鋼板表面防腐處理。

植入螺栓應有配套螺母，粘貼鋼板后交替擰緊各螺母進行加壓，使多余的膠沿板邊擠出，以達到鋼板與結構密貼粘合的目的。

7 附屬結構及其他

本項目為電氣化鐵路，需設置接觸網立柱。一般而言，如剛構橋跨度較小，無其他控制因素時，盡量將接觸網立柱設于路基范圍內，避免增加橋上荷載。當橋上設有道岔時，接觸網立柱一般設于岔心附近，立柱形式為一般腕臂柱或硬橫跨。對于既有橋，需根據立柱位置植筋，設置立柱基礎。確定植筋位置時應注意立柱腕臂與受電股道基本垂直。立柱距臨近線路距離應滿足規范要求，距離過小會造成侵限，距離過大會超出供電范圍。

道岔前后一般設有轉轍機，轉轍機有一定的工作及維護空間要求，如線間距較大時，宜將轉轍機設置于線路內側。如只能設置在外側時，則應根據其空間要求，必要時增加結構懸臂，將電纜槽適當外繞(一般橫向加寬1 m即可滿足要求)。懸臂長度增大后，應根據計算增加配筋或增大截面高度。為便于電纜彎折順接，加寬段兩端一般宜設置1 m以上的寬度漸變段。

8 結束語

(1)橋上設置空心道砟槽板可滿足大幅抬道后軌道結構穩定的要求，有效減小二期恒載，為利用既有橋梁創造條件。

(2)經過計算并采取相應處理措施后，站線道岔可以穿越橋梁斷縫。

(3)根據檢算結果對既有橋粘貼鋼板進行加固并更換超限支座，實現了對既有橋的充分利用。

(4)設計應重視核實橋下凈空、橋上接觸網立柱設置及轉轍機加寬等內容。

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