鋼便梁錯位架設(shè)施工方法在軌道交通中的應(yīng)用

劉 謙

（新疆鐵道勘察設(shè)計院有限公司，830011，烏魯木齊∥工程師）

采用D型鋼便梁加固線路，施工簡便，對列車運行干擾少，安全度高，是目前國內(nèi)運營鐵路線上進行線路加固的常用方法［1－8］。但D型便梁最大跨度為24.12m，若梁下修建工程與便梁斜交角度過大，將減低便梁跨越能力。為爭取其最大跨越空間，可將兩片縱梁錯位布置。然而，縱梁錯位架設(shè)，僅為構(gòu)造考慮，能否滿足結(jié)構(gòu)在列車荷載作用下正常安全地工作，是必須要考慮的問題?，F(xiàn)以烏魯木齊市市郊鐵路新建1－6.0m框架橋方案設(shè)計為例，進行分析、計算。

1 工程概況

本工程位于新疆烏魯木齊市北郊，在北疆鐵路支線K20＋764.48處。該線路為單線，屬于烏魯木齊市近郊鐵路，途經(jīng)市區(qū)，沿線多有管線、道路穿越。本工程為規(guī)劃支路下穿市郊鐵路而增建框架橋，采用D24鋼便梁加固既有市郊鐵路線。便梁下框架橋軸線與鐵路中心線交叉角度為47°57′10″，為爭取最大跨越空間，將D24型鋼便梁兩片縱梁錯位，以最接近47°57′10″的角度架設(shè)。D24型鋼便梁相鄰橫梁間距67cm，為滿足橫梁與縱梁聯(lián)結(jié)對應(yīng)，錯位6根橫梁，即兩片縱梁錯位距離為6×67cm＝402 cm。此時，兩片縱梁構(gòu)成斜交角度為47°58″13″。其平面示意如圖1所示。

2 鋼便梁錯位架設(shè)結(jié)構(gòu)分析

該工程所使用的D24型鋼便梁，其縱梁材質(zhì)為Q345qD，橫梁材質(zhì)為Q345B，材料彈性模量約為206GPa，基本容許應(yīng)力為240MPa，容許剪應(yīng)力為145MPa，縱梁截面慣性矩為2 440 555cm4。

根據(jù)實際工況，鋼便梁承受荷載為中－活載及恒載兩部分。荷載傳遞方式為：由鋼軌、橫梁及連接構(gòu)件，傳至兩側(cè)縱梁，縱梁兩端簡支于開挖斷面頂部。為簡化計算，每單片縱梁視為承受1／2（“中－活載”＋恒載）的簡支梁體系［9］。

圖1 既有線路防護平面圖

2.1 強度分析

2.2 剛度分析

縱梁錯位布置后，垂直線路中線的對應(yīng)截面，距支點的距離不相等。在列車荷載的作用下，對應(yīng)截面撓度不相等。其差值影響列車運行的平穩(wěn)性。如偏差過大，將增加脫軌的可能性。為便于區(qū)分，以面向九道灣方向分為右梁、左梁（見圖1）；以縱梁整體錯位距離402cm為單元，將每片梁劃分為7個截面。圖2給出了左、右梁截面的對應(yīng)關(guān)系，梁上布置“中－活載”［10］。

圖2 縱梁錯位架設(shè)示意圖

便梁的剛度檢算僅與靜活載撓度有關(guān)。梁上靜活載采用中華人民共和國鐵路標準活載［10］，每單片縱梁承受靜活載應(yīng)為“中－活載“標準計算圖式的50%。

2.2.1 建立計算模型

縱梁為等截面簡支直梁，且梁的跨度遠大于橫截面高度，故剪力對梁位移的影響很小，可忽略不計。梁的彎曲程度同截面彎矩成正比，根據(jù)等截面直梁中性層曲率ρ的公式，1／ρ＝M／EI，在彈性模量E、截面慣性矩I一定的情況下，彎矩M越大，梁體彎曲變形越大，即約束條件一定時，位移越大。

根據(jù)上述分析，鋼便梁縱梁任一截面最大撓度，發(fā)生在該截面產(chǎn)生最大彎矩時，即此時活載應(yīng)處于該截面彎矩最不利的荷載位置。以右梁為基準梁，按列車上、下行兩個方向運行，分別布置截面1、2、3、4、5的最不利荷載位置，左梁按照右梁上的“中－活載”圖式對應(yīng)布置。各截面布載詳見表1。

2.2.2 縱梁撓度計算

將鋼便梁承受靜活載分為兩部分（如圖3所示），分別計算不同荷載作用下的撓度。

圖3 縱梁荷載示意圖

以積分法求解出簡支梁撓曲線近似微分方程，并推導(dǎo)出撓曲線方程式如下［11］。

與全樣本一致，管理層能力對研發(fā)投入影響在國有組和民營組均表現(xiàn)為1%顯著性水平的抑制作用。二者相關(guān)系數(shù)分別為-0.0755和-0.0518，這說明，雖然我們不能忽視高技術(shù)企業(yè)中國有經(jīng)濟占據(jù)較高比重的合理性，但國營企業(yè)繁冗的決策機制與治理架構(gòu)，加之經(jīng)營目標的多元性，可能使高能力管理者進行高風(fēng)險創(chuàng)新活動的意愿更低，驗證了假設(shè)1b。

表1 縱梁撓度計算表

對集中荷載：

對部分均布荷載：

式中：

P——集中力，kN；

q——均布荷載，kN／m；

L——計算跨度，m；

a、b——標注距離，m；

X——計算截面的位置，m；

Y——計算截面所求撓度值，mm。

由式（1）至式（4）的撓曲線方程，可計算出各截面分別在兩類荷載單獨作用下產(chǎn)生的撓度。再利用疊加法原理，即可求得截面在列車靜活載作用下的撓度值總和。右梁、左梁各截面計算撓度值以及撓度差見表1。

根據(jù)計算結(jié)果，右梁、左梁最大撓度差值23.4mm。將其同《鐵路線路修理規(guī)則》［12］中線路軌道動態(tài)質(zhì)量容許偏差管理值作比較，低于以2.4 m基長度量的軌面三角坑變形值，故軌道不平順指標小于規(guī)定限制。另查閱文獻［13］：2003年6月，上海市真華路下穿鐵路立交工程，成功采用D24型鋼便梁錯位架設(shè)施工，兩片縱梁錯位距離多達8m，最大撓度差達39.7mm，現(xiàn)場使用的效果良好。因此，本文的撓度計算結(jié)果表明，能保證列車運行安全。

2.3 控制撓度差可采取的措施

雖然D24型鋼便梁錯位架設(shè)在國內(nèi)已有不少工程先例，且本工程的計算撓度差值也較低，但因撓度差的存在，橫梁截面必然會產(chǎn)生正常架設(shè)所沒有的多余內(nèi)力，且使橫梁與縱梁的聯(lián)結(jié)部分剪應(yīng)力加大，應(yīng)考慮螺栓的加強。所以，縱梁錯位架設(shè)時，還可以采取一定的加固措施，使撓度差得以減小。

2.3.1 增大梁的抗彎剛度

對于鋼梁來說，各種鋼材的彈性模量E相差很小。故選用高強度的優(yōu)質(zhì)鋼材并不能有效地提高梁的抗彎剛度，而應(yīng)設(shè)法增大截面的慣性矩I。

以本工程為例，可在縱梁頂部及底部分別增設(shè)2 412cm×400cm×2cm的鋼板一塊，以高強螺栓同縱梁聯(lián)結(jié)為一體。將此加強后的橫截面尺寸導(dǎo)入有限元軟件Midas Civil進行計算，截面慣性矩可提高至3 224 695cm4，截面最大撓度差為19.9mm，抗彎剛度有了一定的提高，對軌面不平順及行車安全有著良好的改善。

2.3.2 鋼便梁底部增設(shè)支撐

由于梁的撓度與梁跨L成正比，因此減少梁的跨度將能顯著減小其位移值。在本應(yīng)用工程中，可在鋼便梁跨中底部，增設(shè)工字鋼橫向支撐，工字鋼一端搭設(shè)于線路外側(cè)框架橋頂部，另一端搭設(shè)于線路另一側(cè)預(yù)先設(shè)置的臨時支座上。此方法使鋼便梁簡支體系增加了一個約束條件，使梁的計算跨度減少50%，對應(yīng)撓度顯著減少。

另外，鋼便梁支承點的沉降，尤其是沉降差對便梁結(jié)構(gòu)的受力及列車運營安全也有較大的影響。結(jié)合本工程實際，查閱相關(guān)規(guī)定，將便梁支承點的沉降差控制在15mm以內(nèi)，便梁支承點采用邊長1.5m矩形挖井灌注樁，同側(cè)兩個挖井頂部做鋼筋混凝土橫向聯(lián)系，底部采用擴底墩，以減少基底壓應(yīng)力、控制沉降值，保證列車運營安全。

3 結(jié)語

將錯位布置縱梁的方式應(yīng)用于市郊軌道交通工程中，是一種較為成熟的工藝。它避免了因跨越空間不足不得不修建投資較大的臨時便線，或采用工藝復(fù)雜的橫抬、盾構(gòu)等措施，在節(jié)約投資、加快工程進度等方面具有一定的實際意義。

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