新型連續鋼便梁的設計與應用

董傳芹 閆利明 孫震 李丁立

（1.中鐵二院北方勘察設計有限責任公司，濟南 250012；2.中國鐵路濟南局集團有限公司，濟南 250000）

城市道路與既有鐵路立交工程日趨增多，當道路采用下穿鐵路方案時大多采用大跨徑頂進式框架橋。在鐵路橋涵頂進施工過程中，為了不中斷鐵路運輸需要對線路進行加固［1-2］。框架橋頂進施工線路加固方式主要有：D 型便梁法、縱橫抬梁法、連續工字梁加固法等［3-6］。D 型便梁受其跨度限制不能滿足大跨徑框架橋頂進施工過程中線路架空需求；縱橫抬梁法用鋼量大，施工難度大且施工工期長；連續工字梁受縱梁剛度較小的影響，其跨度一般不能太大，導致挖孔樁數量較多且不經濟［7-9］。

本文以濟南市機場路下穿膠濟鐵路立交橋工程為背景對連續鋼便梁進行設計，提出了一種可連續接長的多跨空間結構體系——連續鋼便梁加固體系，用于大跨徑框架橋頂進施工的線路加固，并建立有限元模型對不同工況下的連續鋼便梁加固體系進行檢算。

1 連續鋼便梁加固體系

1.1 設計原理

連續鋼便梁加固體系基本孔跨布置為（10.5＋9.0＋9.0＋9.0＋10.5）m，以橫抬梁作為中間支點，以鋼木支墩作為邊支點。其傳力路徑為：列車荷載→鋼軌→鋼枕梁→縱梁→橫抬梁→支點樁（鋼木支墩）。連續鋼便梁法線路加固平面見圖1。

圖1 連續鋼便梁法線路加固平面（單位：cm）

連續鋼便梁各構件按照就地組裝法施工的輕型化構件進行設計，盡量避免大型機械作業，減少天窗施工，做到施工不干擾行車，行車不影響施工。

1.2 技術條件

1）線路條件：連續鋼便梁適用于單線、雙線、直線或曲線線路，在曲線上加固時要求曲線半徑不小于800 m；在雙線上加固時要求線間距不小于4.53 m。

2）限界：滿足鐵路建筑基本限界要求，曲線上按平分中矢布置并考慮曲線加寬值［10］。

3）跨徑組合：本文連續鋼便梁加固體系基本孔跨僅用于設計和檢算，在實際使用中可靈活組合。在滿足限界要求的前提下，邊跨不大于10.5 m，中間跨不大于9.0 m，中間孔數不受限制。

4）設計荷載：ZKH活載。

5）列車行駛速度：最大行駛速度不大于60 km/h。

2 主要構件和連接方式

濟南市機場路下穿膠濟鐵路立交橋工程處于無縫線路的曲線段，曲線半徑2 200 m，線間距4.7 m。頂進框架橋采用（10＋12）＋（12＋10）m框架橋依次下穿膠濟鐵路上下行線，框架間距0.1 m，凈高6.6 m。線路加固方法采用連續鋼便梁加固體系，主要由縱梁、鋼枕梁、橫抬梁、扣件、連接件等構件組成。

2.1 主要構件

連續鋼便梁各構件截面見圖2。其中，縱梁采用焊接箱形截面，每節長19.99 m，結構整體高0.7 m，寬0.42 m。腹板兩側每隔0.6 m 設置1 道加勁肋，加勁肋高628 mm，寬80 mm，板厚10 mm。鋼枕梁采用焊接工字形截面，單根長4.96 m，高0.212 m，寬0.20 m，每隔0.6 m 布置1根。橫抬梁采用焊接箱形截面，每節長16.0 m，結構整體高0.6 m，寬0.3 m。橫抬梁腹板兩側每隔0.6 m設置1道加勁肋，加勁肋高540 mm，寬95 mm，板厚10 mm。

圖2 連續鋼便梁各構件截面（單位：mm）

2.2 連接方式

縱梁采用拼接板加M22 高強度螺栓進行拼接（圖 3），其中P1，P2 為頂板拼接板；P3，P4 為底板拼接板；P5為腹板拼接板。

圖3 縱梁拼接

鋼枕梁連接在主縱梁的下翼緣，每端采用4 組M22高強度螺栓連接（圖4）。

圖4 鋼枕梁與縱梁連接示意（單位：mm）

橫抬梁與縱梁采用M22 高強度螺栓進行連接（圖5）。為了限制連續鋼便梁的縱向和橫向移位，在A 排和B 排人工挖孔樁的樁頂預埋限位裝置。施工期間列車限速60 km/h。

圖5 橫抬梁與縱梁連接示意（單位：mm）

3 受力分析

3.1 計算荷載

1）恒載。恒載主要為結構自重和二期恒載。自重包括縱梁、鋼枕梁、拼接板等構件的自重。連續鋼便梁采用Q345qD級鋼，鋼材重度為78.5 kN/m3。二期恒載包括鋼軌及扣件，鋼軌規格為60 kg/m。

2）列車荷載。根據TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》第4.3.1條［11］，列車荷載采用ZKH活載。

3）動力系數。根據文獻［12］，當列車運行速度小于60 km/h時應對沖擊系數μ進行折減，折減系數為α1。動力系數1＋α1μ=1＋0.75×28/（40＋9）=1.43。

4）橫向搖擺力、風力、制動力和離心力。橫向搖擺力為100 kN，并作為集中荷載作用于連續鋼便梁跨中位置。風力、制動力和離心力均按TB 10002—2017加載。

3.2 荷載組合

根據文獻［11-13］，計算時考慮3 種荷載組合：①主力，即恒載＋活載＋橫向搖擺力＋離心力（曲線時）；②主力＋附加力，即主力＋制動力；③主力＋附加力，即主力＋風力。

3.3 計算模型及參數

在框架橋頂進過程中須要逐步拆除框架橋頂進路徑上的挖孔樁。當拆除挖孔樁時，橫抬梁一端支撐于未拆除的挖孔樁上，另一端支撐于框架橋頂，此時橫抬梁跨度陡然增加，為最不利工況。采用MIDAS/Civil 建立連續鋼便梁有限元模型，縱梁、鋼枕梁和橫抬梁均采用梁單元模擬，鋼枕梁與縱梁間的連接采用鉸接模擬，其余邊界條件采用一般彈性支承模擬。

3.4 工況分析

新型連續鋼便梁作為通用結構應盡可能多地適用于不同的線路條件，實現快速安拆、重復使用等功能，還應滿足規范中關于結構強度、剛度、穩定性等性能指標的要求。通過對4種線路條件下框架橋的頂進過程進行分析，總結出了其各自對應的最不利工況。

1）工況1：單線、曲線半徑800 m。連續鋼便梁按最大偏心布置。框架橋在頂進過程中須逐步拆除A 支點樁、B 支點樁。初步判斷拆除A 支點樁時為最不利狀態，此時框架橋上橫抬梁支點距最近縱梁按4.6 m考慮（圖6（a））。

2）工況2：雙線、曲線半徑800 m，拆除A 支點樁。當兩縱梁間距離小于等于3.0 m 時，兩線路間設1 排支點樁，框架橋在頂進過程中需逐步拆除A 支點樁、B 支點樁，初步判斷當拆除A 支點樁為最不利狀態（圖6（b））。

3）工況3：雙線、曲線半徑800 m，拆除B 支點樁。當兩縱梁間距離大于3.0 m 時設2 排支點樁。框架橋在頂進過程中需逐步拆除A 支點樁、B 支點樁，初步判斷當拆除B支點樁時為最不利狀態（圖6（c））。

4）工況4：直線、雙線線間距 4.53 m，拆除B 支點樁。框架橋在頂進過程中需逐步拆除A 支點樁、B 支點樁，初步判斷當拆除B 支點樁時為最不利狀態（圖6（d））。

圖6 4種工況下框架橋頂進過程（單位：mm）

3.5 各構件檢算分析

連續鋼便梁各構件均為焊接組合結構，須要對各構件的強度、剛度和穩定性進行檢算，并檢算構件間的連接強度。只有當連續鋼便梁的各項性能指標均能滿足規范要求才能保證框架橋頂進過程中鐵路運營的安全。

3.5.1 強度

Q345qD 級鋼的容許軸向應力［σ］=200 MPa，容許彎曲應力［σw］=210 MPa，容許剪應力［τ］=120 MPa［13］。TB 10091—2017 對各種外力組合容許應力的提高系數進行了修訂，其中主力＋附加力的容許應力提高系數為1.30。主力＋附加力作用下各構件的最大彎曲應力和最大剪應力分別見表1和表2。

表1 各構件最大彎曲應力 MPa

表2 各構件最大剪應力 MPa

由表1 和表2 可知：①連續鋼便梁加固體系各構件最大彎曲應力和剪應力均小于容許應力，滿足規范要求且有一定的安全儲備；②鋼枕梁的彎曲應力較大，其安全富余量約為28.2%，設計施工時應給予重視；③連續鋼便梁加固體系各構件的剪應力水平均較低，安全富裕量較大，一般不控制設計。

3.5.2 撓度

TG/GW 101—2014《普速鐵路工務安全規則》規定在靜活載作用下梁的撓度不得超過跨度的1/400。靜活載作用下4種工況連續鋼便梁加固體系縱梁撓度計算值分別為17.9，11.8，11.1，10.8 mm，均小于容許撓度22.5 mm，滿足規范要求，結構的整體剛度較大。

3.5.3 穩定性

結構構件穩定性計算公式［13］為

式中：M為構件最大計算彎矩；Wm為毛截面抵抗矩；φ2為容許應力折減系數。

縱梁和橫抬梁為箱形截面桿件時φ2取 1.0［13］，鋼枕梁為工字形截面，經計算φ2取0.9。各構件計算結果見表3。可知：連續鋼便梁中縱梁和橫抬梁的M/Wm計算結果遠小于容許值，有足夠的安全儲備；鋼枕梁的M/Wm計算結果最大值為192.1 MPa，與容許值210 MPa較接近。

表3 各構件M/Wm計算結果 MPa

綜合上述檢算結果：連續鋼便梁加固體系中縱梁、鋼枕梁、橫抬梁的強度、剛度和穩定性均滿足規范要求，具有較好的安全性。

3.6 連接驗算

3.6.1 縱梁拼接驗算

假設縱梁的拼接位置剛好位于彎矩最大處或剪力最大處。通過受力分析，主縱梁所受最大彎矩Mmax=1 189.8 kN·m，最大剪力Vmax=624.6 kN。

縱梁的拼接所用螺栓均為M22高強度螺栓，每個高強度螺栓的抗滑承載力P=105.9 kN。縱梁的靜截面慣性矩I=275 205 cm4，腹板的毛截面慣性矩I腹= 41 280 cm4。腹板所受彎矩M腹=MmaxI腹/I= 152.6 kN·m，翼緣板所受彎矩M翼=Mmax-M腹= 1 037.2 kN·m。翼板軸力N=M翼/0.7=1 481.7 kN。假設剪力全部由翼緣處16 個螺栓均勻承擔，則翼緣上的每個高強螺栓所受的水平剪力為92.6 kN，小于高強螺栓的抗滑承載力105.9 kN，滿足要求。

當縱梁拼接位置位于剪力最大處時，假設剪力全部由腹板承擔，則每個螺栓所受的垂直剪力為V1=V/n= 624.6/28 = 22.3 kN。由于在腹板拼接縫一側的螺栓群排列高而窄，近似認為在彎矩作用下各螺栓只承受水平向的作用，距螺栓群形心最遠的螺栓受力最大，其所受水平剪力T1=51.1 kN，則螺栓所受最大剪力滿足要求。

3.6.2 枕梁與縱梁連接驗算

將鋼枕梁與縱梁間的連接方式簡化為簡支鉸接，即不傳遞彎矩，僅豎向剪力對螺栓產生作用。假設4 個螺栓均勻受力，則每個螺栓所受的豎向拉力為20.4 kN，小于單個螺栓抗拉承載力設計值63.7 kN，滿足要求。

4 主要施工步驟及注意事項

4.1 主要施工步驟

①施工臨時鋼木支墩，架設4 孔12 m 連續鋼便梁縱梁，將既有枕木抽換成鋼枕梁并用高強度螺栓與縱梁連接。②分間隔施工φ1.25 m 人工挖孔樁，樁頂預埋限位裝置，并與橫抬梁連接牢固以限制其縱橫向移位。同時在線路一側預制框架橋主體。③待挖孔樁強度達到設計要求后，在樁頂穿入橫抬梁，將橫抬梁與縱梁采用高強度螺栓和U 形螺栓連接牢固。④拆除臨時鋼木支墩，連續便梁結構整體支承在挖孔樁上。⑤頂進框架橋，逐步拆除頂進路徑上的挖孔樁。拆除挖孔樁前應將橫抬梁支承在框架橋上，盡量減小橫抬梁的跨度。⑥框架橋頂進就位后拆除線路加固，恢復線路。

4.2 注意事項

連續鋼便梁使用時應根據具體情況組成多跨連續結構，但中間跨不能大于9 m，邊跨不能大于10.5 m。連續鋼便梁在曲線上使用時平面按平分中矢布置，防止侵限。在單孔框架內應盡量對稱布置橫抬梁，不宜放在跨中和縱梁拼接處，以避免對框架橋造成損害。支承樁的直徑不宜小于1.25 m，樁長和配筋應根據地質情況和受力情況確定。

5 結論

1）連續鋼便梁加固體系的強度、剛度、穩定性等性能指標均能滿足規范要求，且有一定的安全富余量，既保證了框架橋頂進施工過程中列車運行安全又大大縮短了列車慢行時間。

2）連續鋼便梁加固體系各構件自重較輕、組裝簡便快捷，具有快速安拆、重復使用的功能，可有效解決傳統線路加固方法施工難度大、工期長、行車干擾大等問題。

3）新型連續鋼便梁加固體系可以連續接長，使用范圍廣，特別適用于多孔大跨框架橋同時頂進施工，也適用于單線、雙線、多線或曲線鐵路上的線路加固。