鐵路站場跨線橋耐候鋼箱梁設計與施工

李偉

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043）

上跨鐵路站場的跨線橋等市政通道一般狹窄且數量少，隨著交通流量急劇增加，汽車、非機動車和行人通行能力嚴重不足，站場區(qū)域跨線橋梁往往成為交通瓶頸，不能滿足路網規(guī)劃和通行需求。解決這一問題的方法主要有2種：新建通道和加寬改建既有橋梁。由于前期規(guī)劃滯后，在站場區(qū)域新建通道受控因素繁多，對運營鐵路影響大，與市政路網規(guī)劃銜接不易，且往往要求一跨跨越，施工難度大，投資費用高。因此，結合場地條件，在既有橋梁兩側已經形成的空間范圍內適當加寬改建可滿足通行需求，成為解決鐵路站場區(qū)域該類交通問題的優(yōu)選方案。

鐵路站場跨線橋空間及地下邊界條件復雜，控制因素多，受鐵路運營影響，施工時間短，安全要求高，后期維修養(yǎng)護困難，合理的結構設計和施工方法至關重要［1］。本文結合銀川市賀蘭山路跨銀川車站加寬改建工程，對站場區(qū)域既有橋兩側新建加寬鋼箱梁輔橋的邊界條件、靜動力計算、材料選型、免涂裝耐候鋼設計要點和施工方法進行介紹，可供今后類似跨鐵路線項目借鑒參考。

1 工程概況

1.1 項目簡介

銀川市賀蘭山路跨銀川車站加寬改建工程位于銀川市火車站北側約1 km 處。既有橋梁全長503.8 m，包括主橋和引橋。主橋為51.2 m 鋼管混凝土系桿拱橋，總寬35.9 m。引橋根據地形限制條件配孔20.0，27.4，28.0 和30.0 m 的預應力空心板梁，標準寬度為32.5 m。為滿足市政交通需求，將既有橋按照雙向八車道、5 m非機動車道和5 m人行道（雙側布置）進行拓寬。工程平面和斷面布置如圖1所示。

圖1 工程平面和斷面布置（單位：cm）

主要設計內容為：

1）既有橋梁改造工程。拆除既有橋梁主橋外側1～2 塊行車道板和引橋空心板邊梁，按防護要求原位新建行車道板和空心板邊梁，同時設置交通安全設施、排水設施、欄桿、鐵路安全防護（異物侵限和防護網）、管線通道等相關附屬結構，以滿足高速鐵路跨線橋防護等要求。

2）新建輔橋工程。在既有橋兩側新建輔橋，供非機動車及行人通行，單幅橋寬11 m，兩側設置欄桿、防撞欄桿和防護網。

1.2 控制因素

既有橋梁跨鐵路站場區(qū)域加寬改建工程涉及已有主體景觀橋梁、鐵路現狀及規(guī)劃、橋下接觸網、地下管線等多個邊界條件，控制因素繁多，主要包括：

1）新建輔橋與既有橋凈距僅1.4 m，應充分考慮景觀效果、主梁施工條件和基礎開挖防護措施。

2）橋梁從東到西分別跨越2條預留工區(qū)線、3條動走線、2 條普走線、包蘭左右線和銀西高速鐵路雙線。既有站場改造和新建銀西鐵路正處于施工階段。設計須滿足鐵路規(guī)劃限界及高速鐵路跨線橋橋面防護的相關要求。

3）跨線橋橫向總寬度達61 m，橋下接觸網立柱和硬橫跨密布。硬橫跨高度基本與既有梁底齊平，且接觸網改移不超出橋梁寬度范圍。新建輔橋設計須對接觸網進行改造，采用小型硬橫跨，降低橋下凈空要求，同時采用梁高較小的結構形式。

4）橋址范圍內主要有鐵路站場排水渠、電纜槽、通信信號等地下管線。橋墩基礎設置應盡量減小對其的影響，避免線路遷改。

5）由于橋下運營鐵路繁忙，天窗時間短，必須采用合理、安全、快速的施工方案，且應在全壽命周期內最大限度地減小后期養(yǎng)護維修內容和次數。

2 結構設計

2.1 設計標準

道路等級：城市主干道。

道路功能：供非機動車及行人通行。

荷載等級：按照CJJ 11—2011《城市橋梁設計規(guī)范》考慮上跨鐵路荷載1.3倍放大系數。

縱坡：最大縱坡3%，人字坡。

橋面橫坡：1%單面坡。

橫向布置：與兩側道路設計斷面對應，橋面結構寬11 m，橋面凈寬10 m。

2.2 總體設計

綜合考慮凈空要求、施工方法和景觀要求，本橋設計采用三跨等高連續(xù)鋼箱梁，頂推法施工。根據控制因素不同，南北側新建輔橋孔跨布置分別為（28+52+28）m 和（31+52+31）m，52 m 主跨與既有系桿拱橋對孔布置，一跨跨越6線站區(qū)。

兩聯鋼梁均采用相同的截面尺寸，單箱雙室結構，箱梁頂寬11.0 m，底寬5.9 m，梁高1.8 m，挑臂1.95 m。沿縱橋向每隔2 m 設置1 道空腹隔板，每隔6 m 設置1 道實腹隔板。為平衡邊支座負反力，梁端1.46 m范圍內填充C30微膨脹混凝土。

箱梁頂板在距中支點7 m、梁端1.8 m范圍內板厚18 mm，其余范圍內板厚14 mm；箱梁底板在距中支點5 m范圍內板厚28 mm，距中支點2.5～6.5 m板厚20 mm，距梁端1.8 m范圍內板厚18 mm，中跨底板板厚16 mm，邊跨底板板厚14 mm；腹板在距中支點約12 m 范圍內板厚16 mm，其余范圍為14 mm。頂底板及腹板加勁均采用板式加勁肋，有14×160 mm，16×190 mm兩種類型。

2.3 靜力計算

采用MIDAS/Civil 軟件建立全橋模型（圖2）對結構進行靜力分析，計算內容主要包括成橋及運營狀態(tài)下結構的內力、應力和變位。

圖2 計算模型

在承載能力極限狀態(tài)基本組合作用下考慮剪力滯和局部受壓穩(wěn)定折減后截面最大正應力約200 MPa，剪應力70 MPa，均滿足規(guī)范要求。抗傾覆安全系數為4.9（大于2.5）。按結構力學的方法并采用不計沖擊力的汽車車道荷載頻遇值計算豎向撓度，邊跨跨中為16 mm，中跨跨中為44 mm，均滿足限值L/600（L為計算跨度）的要求。

2.4 舒適性分析

人行專用橋為避免共振，減少行人不安全感，特別是對于采用鋼結構剛度小的橋梁，動力舒適性設計已成為突出問題［2-3］。CJJ 69—95《城市人行天橋與人行地道技術規(guī)范》［4］規(guī)定天橋上部結構豎向自振頻率不應小于3 Hz，但該規(guī)定在較多采用大跨度輕質高強材料的人行橋很難滿足，且其評價標準過于單一，對不能滿足頻率調整要求的人行橋振動適用性評價沒有提供建議和方法，未考慮嚴重的橫向振動穩(wěn)定問題。

對于行人舒適性控制，目前各國規(guī)范和研究主要采用頻率調整法和限制動力響應值法，對英國、歐洲、法國、德國等多國規(guī)范從荷載模型、舒適度指標等方面進行綜合分析，認為德國規(guī)范考慮全面，指標適中，可操作性強［5-7］。結合德國規(guī)范的敏感頻率評價準則，豎向（縱向）1 階和2 階敏感頻率范圍分別為1.25～2.30 Hz 和2.5～4.6 Hz，橫向自振的敏感頻率范圍為0.50～1.20 Hz，如橋梁頻率位于敏感頻率范圍應進行人致振動分析和舒適度評價［8］。

本橋縱向和橫向自振頻率分別為0.76，1.36 Hz，均在敏感范圍之外，豎向1 階、2 階自振頻率分別為2.44，4.03 Hz，2 階頻率位于上述敏感頻率范圍內。利用MIDAS/Civil建立跨線橋有限元模型，將按TC5級行人密度1.5 人/m2計算的人群諧波荷載施加到模型中并進行時程分析，得到豎向2 階模態(tài)下加速度時程曲線，見圖3。可知，峰值加速度最大值為0.096 m/s2（小于0.5 m/s2），屬于CL1 最佳舒服度，滿足舒適性使用要求。

圖3 豎向2階模態(tài)下加速度時程曲線

3 耐候鋼設計

3.1 材料選擇

目前鋼結構現有的防護方法尚不能做到一次處理即達到設計使用壽命，長效防腐體系基本可維持15～20 年，設計年限內最少需要 4～5 次涂裝，成本高，危害健康，污染環(huán)境。跨線橋鋼結構的防腐涂裝、維護和修理需要花費大量的時間、人力和物力，甚至可能中斷鐵路運輸。因此，跨鐵路橋梁采用免涂裝耐候鋼材是解決鋼結構全壽命周期防腐問題的重要途徑。

耐候鋼是介于普通鋼材和不銹鋼材之間的低合金鋼，在鋼中加入合金元素，如Cu，P，Cr，Ni等，其在一定環(huán)境條件下表面銹蝕后會形成一層致密的非晶態(tài)銹層組織，可以防止鋼材進一步銹蝕，對基層起到了持久保護作用［9］。國外已大量使用耐候鋼，尤其是美國、日本和加拿大［10-11］。我國高性能耐候鋼近些年才在橋梁上大規(guī)模使用，尚無設計規(guī)范和施工標準，但根據外國規(guī)范和國內相關試驗研究結果，已經在部分橋梁使用［12］。國內部分耐候鋼橋使用情況見表1。

表1 國內部分耐候鋼橋使用情況

由于耐候鋼在國內生產和使用已趨于成熟，且本橋橋址無嚴重大氣污染，屬于非潮濕的地區(qū)，使用耐候鋼環(huán)境適宜。為減小鐵路站場上方跨線橋養(yǎng)護工作量，節(jié)約全壽命周期成本，保護生態(tài)環(huán)境，本橋主體鋼材及焊接鋼材均采用免涂裝Q345qENH耐候鋼。

3.2 材料性能

國內關于耐候鋼材料的規(guī)范主要有GB/T 4171—2008《耐候結構鋼》，GB/T 714—2015《橋梁結構用鋼》。耐候鋼一般采用耐大氣腐蝕性指數確定性能，要求其值在6.0及以上。本橋Q345qENH鋼化學成分和耐候指數見表2。交貨狀態(tài)為TMCP（thermomechanical processed），其耐腐蝕指數達到6.2，按6.0控制；最小焊材耐腐蝕指數為6.51，按6.5控制。根據設計文件涵蓋的焊接接頭形式對接接頭、全熔透T形接頭、T形接頭（無坡口）共11組焊接工藝進行評定，均滿足相關要求。

表2 本橋Q345qENH耐候鋼化學成分及指標

3.3 涂裝體系

根據橋址環(huán)境耐候鋼涂裝情況基本分為涂裝使用、半涂裝使用和免涂裝使用。耐候鋼最為常用且經濟的使用方式是裸露使用。本橋地處西北，氣候干燥，采用了鋼箱梁外表面免涂裝、內部涂裝的體系。伸縮縫處考慮雨水影響，梁端外表面采用長效型涂裝的整體涂裝體系。

鋼箱梁外表面采用噴砂清理，清理等級sa2.0。首先將鋼箱梁表面氧化鐵皮、油污、塵土等雜物清理干凈，然后采用噴淋表面處理液使之形成統一銹層。耐候鋼出廠時在其表面噴涂加速穩(wěn)定液，與鋼基體反應形成一層均勻、致密的保護性銹層，可縮短施工周期，使出廠時外觀顏色一致，服役期顏色均勻，防止初期銹液污染環(huán)境。鋼結構表面形貌如圖4所示。

圖4 鋼結構表面形貌

3.4 經濟性能

耐候鋼被推廣使用的一個重要原因是其全壽命周期的經濟性。它不僅減少了工廠和現場涂裝，加快建造速度，而且降低了維修養(yǎng)護的要求，節(jié)約了費用。日本建設省土木研究所推算，耐候鋼橋與普通鋼橋的費用指數相比，使用100 年后的普通鋼橋費用為耐候鋼橋的 2 倍以上［9］。本橋涂裝總面積約 15 700 m2，其中外表面4 838 m2免涂裝。由于耐候鋼價格較普通鋼貴約1 000 元/t，建設初期采用耐候鋼成本較普通鋼貴約11%，但普通鋼全壽命周期成本約為耐候鋼的1.8倍，該指標還尚未考慮采用普通鋼環(huán)保所增加的成本、中斷或干擾鐵路交通運營帶來的附加成本，以及耐候鋼銹蝕小、重建回收價值利用率高等因素。可見采用耐候鋼在鐵路跨線橋的應用經濟效益十分顯著。

3.5 后期管理養(yǎng)護

耐候鋼橋后期管理養(yǎng)護的重點是對鋼表面進行灰塵和垃圾清理，保證排水系統順暢，檢查和維護連接部位，對銹層形成情況進行評定［13］。需注意3方面：

1）箱梁外觀塵土、贓污和垃圾的積聚會促進腐蝕，應采用低壓水清除，但不可破壞銹層。

2）避免在鋼橋上及周圍使用除冰鹽、融雪劑等，防止其對鋼材的腐蝕。

3）在相同部位設置測點，采用目測評價法測量銹層厚度和銹層電化學特性、穩(wěn)定相檢測法定期檢測銹層形成情況和耐腐蝕性能，綜合評價銹層是否達到穩(wěn)定狀態(tài)。建議每1～2 年目測檢查銹層的表面狀況、伸縮縫處排水及箱梁內部情況，每6 年檢測關鍵部位鋼腐蝕率，第18年綜合評定銹層形成情況。

4 頂推施工

跨線橋梁施工常采用吊裝法、轉體法、頂推法［14］。本橋主跨上跨包蘭線、站區(qū)普走線等6條運營鐵路，且與既有橋梁距離過近，吊裝和轉體施工均不便實施，因此采用安全系數高、施工便捷的多點同步步履式頂推法施工［15］。

4.1 施工方案

以南側新建輔橋為例，頂推立面布置如圖5所示。鋼箱梁采用工廠預制、節(jié)段支架拼裝，節(jié)段長度為10～14 m。在鐵路限界外布設臨時支墩以減小頂推跨徑，頂推最大懸臂42.5 m，導梁長25 m。3#，5#，7#，8#支架上墩頂橫向各布設2 個豎向400 t、縱橫向60 t 可三向協同調位的步履式千斤頂。4#，6#支架為組拼支架，9#支架為滑移支撐支架。總體施工步驟為：鐵路防護→支架搭設→節(jié)段拼裝→導梁安裝→（步履式頂推→節(jié)段拼裝，循環(huán)此步驟）→梁端就位→導梁拆除→整體落梁（落梁高度1.5 m）。

圖5 頂推立面布置（單位：m）

4.2 頂推分析

對頂推全過程進行數值分析，最大懸臂狀態(tài)時鋼箱梁最大應力約為65 MPa，滿足要求。當鋼箱梁端到達8#支架時為最大支反力狀態(tài)。為避免頂推時箱梁腹板局部失穩(wěn)，在箱梁2 個斜腹板內側間隔50 cm 設置1塊厚12 mm的梯形加勁板。采用歐洲規(guī)范EN 1993-1-5和GB 50017—2017《鋼結構設計規(guī)范》對腹板進行檢算，考慮短加勁影響，其局部穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

采用MIDAS FEA 有限元軟件建立施工階段局部板殼模型進行屈曲模態(tài)分析，得出斜腹板局部1 階屈曲模態(tài)為沿腹板上下部縱向加勁肋面外反對稱彎曲，穩(wěn)定系數為4.82，滿足安全要求。

本橋已于2018年底順利完成全橋施工，為我國首個采用免涂裝耐候鋼的跨鐵路線橋梁（圖6）。

圖6 橋梁竣工圖

5 結論

本文介紹了銀川市賀蘭山路跨鐵路站場人行和非機動車跨線橋耐候鋼箱梁的設計和施工關鍵點，得到以下結論：

1）大跨度鋼結構人行專用橋剛度小，自振頻率很難滿足國內現行規(guī)范要求，須結合國外規(guī)范進行人致振動舒適性分析。

2）跨線橋受后期維修養(yǎng)護限制，考慮養(yǎng)護便利、環(huán)保、全壽命周期成本等因素，建議在橋址環(huán)境允許的情況下采用免涂裝耐候鋼，同時注意耐候鋼設計、施工和管理養(yǎng)護的相關要點。

3）跨線橋頂推施工要充分考慮施工條件，綜合分析板件的局部受力情況，避免失穩(wěn)，應加強高位落梁的線形和安全性控制。