南同蒲鐵路黃河橋48m明橋面鋼箱梁設計研究

楊永明 郭子煜 韓曉方

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

一些老舊鐵路橋梁梁體由于建造年代久遠、環境條件差、標準低、行車密度大等原因,會出現嚴重病害,故換梁施工成為鐵路橋梁改造項目中的一項常見內容。根據以往工程經驗,鋼梁橋的換梁改造一般有以下3種方式[1-4]。

(1)更換同規模同型式的鋼梁方案。該方案適用于由于梁體出現了類如支承位置開裂等重要局部病害而引起的換梁,梁型本身剛度、強度滿足要求。

(2)更換小跨度混凝土梁方案。該方案橋梁跨度減小,需增加橋墩數量,梁體強度、剛度提升,一般可不對既有橋墩及基礎進行加固處理,但新增橋墩及基礎引起下部結構工程量增加較多。

(3)更換同跨度混凝土梁方案。混凝土梁通常比等跨度相同梁高的鋼梁剛度更大,因此,本方案同樣能夠提升梁跨結構的剛度,但由于梁重增加較多,一般需對既有橋墩及基礎進行幫寬加固處理。

當改造項目為涉河涉水橋梁時,水務管理部門往往不允許對墩身及基礎尺寸進行幫寬,這種情況下的橋梁換梁應結合工程特點研究尋求更為合適的梁型方案和改造方法。以下基于前人的研究,對南同蒲鐵路黃河橋改造方案進行研究。

1 概述

1.1 設計背景

南同蒲鐵路黃河橋位于黃河和渭河匯合口下游約3km處,是南同蒲—隴海聯絡線上的一座大型橋梁[4]。橋梁北端為山西省風陵渡,南端為陜西省潼關古城。橋梁建成于1969 年,全橋共計24孔48m上承式簡支拆裝式桁梁[5],橋梁全長1199.6m。橋面為直線平坡,無上拱度。桁梁長49.1m,桁高5.0m;主桁采用兩片菱形桁架,中心距為2.2m,采用明橋面布置。

自2001年5月起,南同蒲鐵路黃河橋限速25km/h。橋梁技術檢定試驗結論表明,主桁橫向剛度嚴重不足,存在橫聯上橫桿端部裂紋、高強度螺栓折斷、橫向振幅過大、桁梁死撓度等病害,目前已危及行車安全,亟需對該橋進行徹底整治[6-7]。鑒于以上原因,在南同蒲鐵路風陵渡至華山段電氣化改造工程中,實施對既有黃河橋的“換梁改造”[7]。既有南同蒲鐵路黃河橋概貌見圖1,既有拆裝梁斷面布置示意見圖2。

圖1 既有南同蒲鐵路黃河橋概貌

圖2 既有拆裝梁斷面布置示意(單位:mm)

1.2 主要技術標準

鐵路等級:Ⅰ級;

正線數目:單線;

設計速度:85km/h,同全線速度目標值;

線路情況:直線平坡段;

設計活載:中-活載;

軌道結構類型:明橋面木枕。

1.3 設計概況

南同蒲鐵路黃河橋采用改造墩臺頂帽、更換梁體的改造方案,將24孔48m拆裝桁梁更換為明橋面鋼箱梁。

鋼箱梁為單箱單室等高度梁,采用木枕明橋面軌道結構。計算跨度48.0m,梁長49.1m;鋼箱梁總高4.2m,其中,箱體高4.0m,承枕小縱梁高0.2m;鋼箱梁腹板中心距為3.8m,頂板總寬4.2m(含懸臂橫梁接頭)、底板寬4.04m。鋼箱梁內部間隔設置橫隔板和豎向加勁肋,其頂板、腹板和底板分別設置板式縱向加勁肋。鋼箱梁支點斷面布置示意見圖3。

圖3 鋼箱梁支點斷面布置示意(單位:mm)

鋼箱梁分段制造,現場吊裝就位后栓焊連接,頂板采用工地對接焊,腹板及底板采用高強螺栓拼接。箱體外側設置懸臂橫梁,懸臂橫梁與鋼箱主梁采用焊接。

2 關鍵技術問題

結合工程技術特點及所處環境限制條件,換梁改造工程需要解決以下關鍵技術問題。

(1)選用適合的梁型方案和橋面結構方案。由于主管部門提出“不同意對洪水位以下橋墩設施進行幫寬、加固等縮小河道過流能力的措施”,故改造方案需利用既有墩身和基礎,受其承載能力限制,上部結構必須選擇重量相對較輕的梁型方案和橋面結構方案。

(2)明橋面軌道結構與鋼箱梁的連接問題。以往的鐵路橋梁設計,明橋面軌道結構多搭配鋼桁梁或鋼板梁使用,明橋面木枕直接布設在縱梁或主梁上翼緣板上,明橋面軌道結構與鋼箱梁的連接無相關參考經驗。

(3)合理選擇施工方案。本橋跨越黃河,合理的施工方法有利于減少涉水作業和施工臨時措施的使用,節約工程造價,降低施工期間對河道行洪的影響。

3 結構設計及施工方案

3.1 梁型的選擇

(1)上承式明橋面鋼桁梁方案

TB10002.1—2005《鐵路橋涵設計基本規范》規定:“新建鐵路不得采用上承式鋼桁梁,慎用上承式鋼板梁和半穿式鋼桁梁”;另外,TG/GW103—2010《鐵路橋隧建筑物修理規則》規定:“新建或改建橋梁不應采用上承式鋼桁梁、上承式鋼板梁,不宜采用半穿式鋼桁梁”。因此,上承式明橋面鋼桁梁方案不滿足相關規范的規定[8-9]。

(2)鋼箱結合梁方案

鋼箱結合梁方案一般均采用整體式橋面[10],橋面系、梁體本身質量均相對較大,經檢算,該方案地震組合工況下樁基承載力不足,需對基礎進行加固,涉河工作量大。

(3)下承式明橋面鋼桁梁方案

下承式明橋面鋼桁梁方案橋梁寬度大[11],既有墩身橫橋向尺寸明顯不足,需要對橋墩墩身進行幫寬、對基礎進行加固。

(4)明橋面鋼箱梁方案

明橋面鋼箱梁方案質量輕,箱形截面能夠提供較大的橫向剛度,利于行車穩定性[12],既有下部結構受力滿足要求,僅需對橋墩頂帽進行改造。

綜上所述,上承式明橋面鋼桁梁方案不滿足相關規范,鋼箱結合梁和下承式明橋面鋼桁梁方案需對基礎進行加固處理,不符合換梁改造的基本原則,故最終選用“明橋面鋼箱梁”方案。

3.2 橋面結構形式

為達到利用既有墩身及基礎的目的,明橋面結構質量應較輕,且能滿足列車平穩運行的要求。

(1)現澆縱向承軌臺方案

現澆縱向承軌臺式道床結構方案中[13],采用C40混凝土現場澆筑,混凝土道床通過剪力釘與鋼梁橋面板連成一體[14]。軌道結構設計高度為540mm;承軌臺沿橋梁縱向每間隔3～4m分塊并設置1道斷縫,斷縫尺寸為100mm;兩縱向承軌臺橫橋向內側間距370mm,中間無橫向聯結。現澆縱向承軌臺方案斷面示意見圖4。

圖4 現澆縱向承軌臺方案斷面(單位:mm)

該類型軌道結構在國內城市軌道交通高架線中應用較多,但道床結構均為與混凝土結構連接,與鋼梁連接尚無應用實例。

(2)木枕軌道結構方案

木枕在我國明橋面鐵路建設中普遍采用,技術相對較為成熟。明橋面木枕軌道由鋼軌、軌枕、扣件、走行板、護木、連接零件等組成[15]。鋼軌采用60kg/m焊接長鋼軌,軌枕采用3.0m長木枕,截面為22cm×24cm,間距為350mm。軌道結構高度為440mm,木枕與承枕小縱梁上翼緣接觸面積范圍內,木枕作10mm深度刻槽處理,軌面到鋼箱梁梁頂最高點的距離為630mm。

承枕小縱梁于制造廠與鋼箱梁一同制造,其上放置枕木,枕木上方兩側縱橋向設置護木,通過“長螺栓+扣壓板”將護木、枕木及承枕小縱梁上翼緣連接成整體,從而實現道床結構與鋼箱梁的連接。明橋面木枕軌道結構方案斷面示意見圖5。

圖5 木枕軌道結構方案斷面(單位:mm)

(3)推薦方案

現澆縱向承軌臺方案軌道結構剛度大,列車運行平穩,養護工作量相對較少,但其與鋼橋連接方式存在一定風險,且無工程應用實例,對施工質量要求較高(需要重點保證鋼混結合面結合緊密,避免雨水侵蝕);木枕軌道結構具有一定的彈性,軌道荷載輕,可實施性好,在國內明橋面鋼橋上應用廣泛。從工程可靠度、難易度方面考慮,最終選擇木枕軌道結構方案。

3.3 梁高

(1)適當減少橋墩接高量

既有拆裝桁梁梁高5.0m,適當加大梁高可減少橋墩墩帽的接高量。綜合考慮橋址公路運輸條件,梁高擬定為4.2m(含承枕小縱梁)。鋼箱梁與既有拆裝梁高差約0.8m,通過墩帽加寬的同時,適當加高墩帽實現軌面高程的前后一致。改造前后墩帽加寬加高示意見圖6。

(2)新舊規范梁高計算對比

分別按TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設計基本規范》和TB 10002—2017《鐵路橋涵設計規范》對48m簡支鋼箱梁梁高進行計算[16],具體結果見表1。

表1 鋼箱梁梁高及相關計算結果

由表1可知,由于17版規范對單線梁的剛度要求提升較多,其梁高計算結果明顯高于05版規范;17版規范情況1較05版規范增加梁高0.9m,用鋼量增加11.03%;情況2較05規范增加梁高0.3m,但用鋼量增加45.35%。考慮本橋為改建項目,需利用既有的墩身和基礎,質量增加過多對既有墩身和基礎影響較大,最終采用4.2m梁高方案。

3.4 梁寬

根據05版和17版規范要求,簡支鋼板梁寬跨比不應小于1/15,橫向寬度不應小于2.2m。鋼箱梁初擬腹板中心距為3.6m,其動力仿真分析結論表明[17],當C70貨車以50～90km/h的速度通過橋梁時,橋梁動力響應、車體豎向振動加速度均不滿足要求,需通過增加樁基剛度、主梁剛度或主梁恒載等方式改善橋梁的動力特性及列車走行性。

增加樁基剛度、增加主梁恒載都需要對基礎進行加固,不滿足本次改造的基本原則;受運輸條件限制,4.2m已為最大梁高,鋼箱梁梁寬受動力仿真分析控制,最終采用3.8m的腹板間距。

3.5 承枕小縱梁

承枕小縱梁為明橋面枕木的支承構件,采用T形截面。承枕小縱梁位于鋼箱梁頂板上方,間距為2.0m,小縱梁總高200mm(鋼箱梁梁頂最高點算起),頂板寬240mm,頂板厚24mm,腹板厚16mm。

承枕小縱梁沿橋梁縱向每間隔3～4m設置1道10cm斷縫,以解決橋面排水問題;承枕小縱梁腹板兩側成對設置豎向加勁肋,兩小縱梁間間隔設置橫向拉桿,保證承枕小縱梁的橫向穩定性,以確保列車運行平穩。

3.6 箱內縱梁

箱內設置2道倒T形縱梁,間距2.0m,與箱頂承枕小縱梁位置對應。縱梁高600mm,腹板、底板厚16mm,底板寬240mm。

3.7 懸臂橫梁

對應隔板和豎肋位置,在箱梁外側設置懸臂橫梁,作為員工走道及管線的支承受力構件。懸臂橫梁在工廠單獨制造,運輸至現場后,工地現場與鋼箱部分連接成整體。

3.8 施工方案

針對南同蒲鐵路黃河橋的實際特點,鋼箱梁采用新、舊鋼梁首尾相連的縱向整體拖拉施工方案,在拆除、移出舊梁的同時安裝新梁。不僅能夠節約斷道時間,還能省去安裝新梁時的導梁,簡化臨時梁場功能。主要施工步驟如下。

(1)施工準備。

(2)拆除既有橋面系,在既有橋墩上搭設施工托架。在前兩孔及最后兩孔搭設施工平臺,并在前后施工平臺上各安裝兩臺龍門吊機。

(3)在前兩孔及最后兩孔既有梁主桁架上設置吊架,起頂此四孔梁,并拆除支座,利用跨線龍門吊機拆除此四孔梁。

(4)在剩余鋼梁上安裝側向支撐裝置,起頂各孔鋼梁,進行墩臺頂帽加寬加高施工。

(5)在各橋墩墩頂安裝滑道梁、墩頂錨固塊等牽引設備,各孔間采用臨時桿件連接牢靠。

(6)在第二孔位置的施工平臺上架設鋼箱梁,新舊梁之間通過臨時桿件連接。向大里程側整體牽引鋼梁,當舊梁牽引至后施工平臺上后,將其拆除。同時在前施工平臺上架設新的鋼箱梁,將新的鋼箱梁之間用臨時連梁構造相連。施工步驟示意見圖7。

圖7 施工步驟示意

(7)重復步驟(6),繼續向大里程整體牽引梁體,直至舊梁拆除完畢。

(8)通過龍門架架設小里程側剩余兩孔鋼箱梁,取消各孔梁間臨時連接,拆除滑道梁等牽引設備,鋼梁落梁至設計標高。

(9)橋面及附屬施工。拆除龍門吊機及施工平臺。

4 技術創新

4.1 明橋面鋼箱梁技術方案

水務管理部門要求改造工程不得對橋梁既有墩身及基礎進行幫寬加固,下部結構承載能力有限。為盡量減輕橋梁上部結構自重,避免對既有墩身及基礎進行幫寬加固,研究通過對多種梁型質量進行對比,采用了單線明橋面鋼箱梁梁型方案。該方案結構質量輕,可有效解決既有墩身、基礎承載力不足的問題,實現了僅做橋墩頂帽改造和換梁施工即可提升列車運行速度和鐵路通行能力的目標。

箱形截面主梁橫、豎橋向剛度均相對較大,消除了既有梁存在的橫向振幅過大、豎向死撓度問題,有利于行車穩定性的提升。

4.2 新型明橋面連接技術

鋼箱梁頂板采用正交異性鋼橋面板,明橋面木枕無法與其直接連接,需參照以往明橋面鋼桁梁縱梁設置具有一定寬度上翼緣的連接過渡構造,既要便于連接枕木,同時也要解決連接構造對橋面橫向排水造成的影響,研究了承枕小縱梁構造,配合護木、“長螺栓+扣壓板”的使用,可實現明橋面木枕與鋼箱梁的有效連接;通過小縱梁縱向間隔設置斷縫的方式,解決了橋面橫向排水問題,為鋼箱梁采用鐵路明橋面軌道結構形式提供了有力保障,豐富了明橋面軌道結構與鋼箱梁結構的連接形式。

4.3 安全、環保施工方案

鋼箱梁采用新、舊梁首尾相連的整體拖拉施工技術,施工方案安全、環保。該方案無需設置導梁、臨時墩及棧橋等涉水臨時措施,降低工程造價的同時,減少了涉水作業,減小對河道行洪的影響。

5 結語

(1)換梁改造項目梁部設計需綜合考慮既有橋現狀、橋址環境、下部結構承載能力,涉河涉水等情況,選擇合適的梁型方案。

(2)橋梁結構細節尺寸的確定不僅受靜力、動力計算結果的控制,還應考慮橋址處運輸條件、架設條件的影響。

(3)施工方法應優選安全、環保的技術方案,減少臨時措施的使用,減少對自然環境的影響。