基于鐵路工程的新型鋼構臺車設計與應用

趙 攀

（中鐵十一局集團漢江重工有限公司，湖北襄陽 441046）

0 引言

2020年8月，國鐵集團出臺了《新時代交通強國鐵路先行規劃綱要》，規劃至2035年，全國鐵路網20萬km左右，其中高速鐵路7萬km左右。隨著國家“交通強國，鐵路先行”戰略的大力推進，我國將迎來新一輪的高速鐵路建設高潮。在新建鐵路項目中，由于既有公路、鐵路、橋梁、河流等諸多影響施工因素的存在，使修建新線鐵路有著諸多困難。同時，隨著鐵路跨越式發展加快，高密、快速、重載列車對線路設備的破壞隨之加重，在既有線上進行大中修施工項目也日益增多，運輸與施工的矛盾愈加突出。如何優質、高效、安全地完成施工任務，實現運輸與施工的最佳結合是當前的突出問題。

由于鐵路既有線施工屬于一項難度很大的工程，在工程施工過程中，需要使用更多的新技術、新設備、新工藝以及新方法，以減少對鐵路行車的干擾和營業線施工的安全風險。在息高速公路跨京九鐵路分離式立交橋跨鐵路架梁及橋面系施工中，陳鋒[1]采用滑動式防護棚，大大縮減了棚架的整體尺寸，在節約了型鋼用量的同時，也給整體吊裝及拆除棚架提供了條件，縮短了施工工期，施工難度及現場安全卡控的安全風險也得到了降低；嚴仁才[2]和楊桂林等根據多年從事工程項目的實踐經驗，著重對現有的既有線施工常遇到的一些安全風險管理問題進行總結，并提出相關風險的應對措施；李清立、王宏坤、姜潔[3]根據安全系統工程以及風險管理理論依據，著重從PDCA循環的理念入手，對現有的鐵路既有線電氣化建設提出了具體的安全措施。

本文基于蒙華鐵路鄧皓下行線跨焦柳線特大橋施工技術要求，研究類似工程施工經驗及襯砌臺車[4-5]、鋼模臺車[6]設計經驗，研究設計了新型鋼構臺車。新型鋼構臺車成功應用，解決了既有線施工帶來的諸多問題，全面提升鐵路既有線施工現場風險管理水平，對保障施工順利實施有著非常重要的現實意義。

1 技術方案

1.1 工程技術要求

蒙華鐵路鄧皓下行線跨焦柳線特大橋，位于蒙西至華中地區煤運鐵路第三測段內，主要為跨越G207、規劃216、焦柳鐵路而設。橋址于DGXDK-515.6～DGXDK-584處跨越焦柳鐵路。技術要求主要包括：（1）保證既有線正常通行；（2）臺車通行空間滿足：凈高×凈寬＞8.41 m×9.75 m；（3）滿足曲線半徑1 990 m的剛構橋施工；（4）考慮風載及列車高速通過造成的影響等。

1.2 鋼構臺車方案及組成

根據工程技術要求，設計鋼構臺車由走行機構、門架、內側模脫模機構、橫移起升機構、模板、支撐絲杠、底梁千斤頂、附屬機構組成。技術方案如圖1所示。

圖1 鋼構臺車方案

技術方案中走行機構設置12組（6組主動、6組從動），行走電機自帶制動器，在坡道上保證整機在坡道上安全制動。采用寬大行走輪，配7316E軸承、32A鏈條以保證臺車使用安全，避免了跳軌、變形、斷鏈打滑等對襯砌施工的影響。

門架主要由橫梁、立柱及底梁通過螺栓聯接而成，各橫梁與立柱之間通過連接梁及斜拉桿聯接，是整個臺車的主要受力部件。門架的橫梁、立柱由鋼板焊接成工字型截面，底梁由鋼板焊接成箱形截面，保證門架有足夠的剛度、強度及穩定性。

模板系統為空間鋼構的成型關鍵，分為內模和外模、通風窗模板、端頭模板組成，其中，內模主要包括頂模、拐角模及側模3個部分，是承載混凝土澆筑時產生的自重和振搗力，保證下側通行列車的安全等功能；外模系統（平模）主要是通過拉桿配合內模完成混凝土橋的形狀成型；通風窗模板主要用于剛構橋側墻通風，由于各個施工節段通風窗口位置不同，故通風窗口設計施工時布置于內模和外模之間，根據現場實際位置進行定位及加固；端模主要用于剛構橋施工各節段端部封堵。

內側模板脫模機構采用平移滑動結構進行脫模，由于內側模與門架立柱之間距離較近，且側模長度比較長，無法采用翻轉脫模。

臺車共設置12組橫移起升機構，分別位于門架底梁下側，主要用于臺車標高及中心線調整。

1.3 安全防護方案

由于跨既有線施工，為保證下部列車通行安全，臺車門架下部空間要進行封閉。在門架橫梁之間采用50 mm×25 mm×3 mm矩形方管做背勁，間距按500 mm布置，用1.5 mm板做防護面板，防護面板與矩形管采用自攻絲連接。

鋼構臺車下部結構距離接觸網距離較近（0.55 m），為保證施工安全，在臺車橫梁下部靠近接觸網區域內安裝絕緣板進行防護。

目前國內鐵路上接觸網帶點最高電壓為2.75萬V，防電板選材時，應該能滿足抗高壓3.3萬V（1.2倍安全系數）的要求，其次應具備耐高溫、不易燃燒的特性。3 240環氧酚醛層壓玻璃布板質地較硬，且具有較高的機械和介電性能，5 mm厚防電板經擊穿試驗，最高可抗5萬V高壓。

在臺車橫梁下部接觸網周邊安裝防電板，相鄰防電板密貼，為預防兩塊防電板之間間隙，用20 cm寬條形防電板將兩塊防電板接縫處覆蓋，用8#螺栓連接；另外用5 cm×5 cm的防電板塊（防電板塊厚15 mm，內鉆一直徑18 mm、深10 mm的圓）將螺帽防護起來，防電板塊與防電板用環氧樹脂膠粘貼。

由于臺車迎風面積較大，同時列車在高速通過臺車時對臺車造成的沖擊載荷較大。基于上述載荷考慮，在臺車走行基礎上預埋張拉筋，將臺車底梁通過扁擔梁錨固在地面上，以保證大風天氣及列車高速通過臺車時，臺車能夠安全施工。

2 工況分析及仿真計算

2.1 工況分析

根據鋼構臺車應用工況及設計規范等，根據主結構受力，可分為以下3種工況。

工況一：澆筑側墻對側模產生的壓力，主要為側壓力。

工況二：為頂模澆筑時的受力狀況，頂模澆筑時側模部分混凝土已凝固，此時臺車受到1.2 m混凝土的重力和新澆筑混凝土對模板的側壓力。

工況三：單元結構吊裝時，吊裝單元值承受自身機構重力。

2.2 仿真計算

分析上述3種工況，以最不利工況為例（工況二）進行模擬仿真驗算。

（1）受力計算

工況二受力包括側壓力、頂部混凝土重力和頂部澆筑壓力等。

側壓力：

式中：γ為混凝土的表觀密度，γ=25 kN/m3；H1為有效壓頭高度因素，H1=2 m。

混凝土重力：

式中：H2為頂部混凝土厚度，H2=1.2 m。

人工、機具等載荷：G2=4 kN/m2。

澆筑混凝土壓力：F2=1.2G1+1.4G2=41.6 kN/m2。

（2）有限元模型

鋼構臺車采用大型通用有限元軟件[7-10]建立模型，并根據金屬結構及工況進行了簡化，門架和模板部分采用Shell63單元模擬，絲杠和支撐采用beam188單元模擬，鋼構臺車有限元模型如圖2所示。底梁通過假單元與地面連接來模擬實際情況，并通過將接地點全約束實現對底梁的約束，內模板和外模板約束豎直方向的移動。模型長度單位為mm；力單位為N；應力單位為MPa；位移單位為mm。

圖2 有限元模型

（3）結果分析

鋼構臺車材料采用Q235B，屈服極限235 MPa，按照《鋼結構設計規范》[11]、《建筑施工模板安全技術規范》[12]，安全系數取1.34時，許用應力為175 MPa。

圖3 臺車應力

圖4 臺車剛度

根據有限元分析結果圖3可以看出，工況二最大單元應力位于底梁，應力值為168.8 MPa，小于許用應力175 MPa；根據圖4可以看出，鋼構臺車結構最大變形為6.8 mm，滿足施工要求。同時還進行了風載荷、列車通行沖擊載荷進行了模擬仿真，均滿足設計要求。

3 工程應用

設備已成功應用于蒙華鐵路跨焦柳鐵路既有線空間剛構橋施工，解決以往類似工程采用腳手架+小模板、鋼梁+小模板等施工方法所存在安全風險大、勞動強度高、施工成本高、施工效率低等問題。現場施工效果如圖5所示。

圖5 現場施工效果

鋼構臺車施工優勢主要體現為：（1）采用線下拼裝、線上整體吊裝的結構形勢，減少線上組裝時間，降低施工給線路運行帶來的安全風險；（2）采用整體模板臺車進行施工，能夠在線路運行天窗點迅速完成收模、移位及立模，提高施工效率，減少因天窗點施工導致施工進度緩慢及對線路運行影響；（3）臺車內部采取全封閉隔離并設置有防電措施，既保證施工安全，又保證列車通行安全。

4 結束語

本文根據工程項目技術要求及施工工況，研制了新型剛構臺車，并成功投入應用。該鋼構臺車采用分段吊裝結構形式，可一次吊裝完成后，整機移動及收立模，減少了在既有線上設備安裝時間，提高了整體施工效率，降低了勞動強度等。該設備的研制創新了施工工藝，降低了安全風險及生產成本等，帶來了良好的經濟效益及社會效益。該設備成功經驗可推廣應用到明涵洞施工、隧道施工以及地鐵施工等領域，通用性強。