高速鐵路中等跨度搶修鋼梁結(jié)構(gòu)型式及架設(shè)方法研究

謝愛華

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

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高速鐵路中等跨度搶修鋼梁結(jié)構(gòu)型式及架設(shè)方法研究

謝愛華

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

摘要：隨著高速鐵路的大發(fā)展，既有搶修鋼梁難以滿足高速鐵路橋梁的搶修要求，因此提出了3種高速鐵路中等跨度橋梁搶修器材的結(jié)構(gòu)方案，分別為板梁結(jié)合梁、U型結(jié)合梁與鋼箱梁。通過技術(shù)參數(shù)比較，推薦鋼箱梁為優(yōu)選方案，該方案更加整體化、模塊化，避免了橋面以及其它瑣碎零件，在結(jié)構(gòu)受力和快速拼架上更有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)對(duì)架設(shè)方法進(jìn)行了研究，提出了一種下承式導(dǎo)梁架橋機(jī)設(shè)想方案，這種專用(新式)架橋機(jī)有簡(jiǎn)單的搬運(yùn)拼裝功能，結(jié)構(gòu)輕便小巧，能夠適用于多跨連續(xù)架設(shè)工況。所提出的結(jié)構(gòu)型式及架設(shè)方法是對(duì)采用大節(jié)段拼裝，利用大型機(jī)具及專用設(shè)備拼裝架設(shè)的新型搶修理念的一次深入探索。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；搶修鋼梁；結(jié)構(gòu)型式；架設(shè)方法

我國(guó)鐵路客運(yùn)專線及高速鐵路、客貨共線快速鐵路已經(jīng)逐漸形成平時(shí)鐵路運(yùn)輸?shù)闹黧w網(wǎng)絡(luò)，也是戰(zhàn)時(shí)交通的重要通道，應(yīng)該有適合這些鐵路應(yīng)急搶修和短期使用的橋梁搶修器材。既有搶修鋼梁因?yàn)橥ㄜ囁俣忍汀M向剛度較弱并不適于高速鐵路中等跨度橋梁的搶修。本文依托中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目《高速鐵路中等跨度橋梁防災(zāi)救援技術(shù)深化研究》成果，針對(duì)高速鐵路中等跨度搶修鋼梁的結(jié)構(gòu)型式及架設(shè)方案進(jìn)行研究分析。

1 高速鐵路中等跨度搶修鋼梁結(jié)構(gòu)擬定

1.1 搶修梁布線形式擬定

由于該搶修器材主要用于客運(yùn)專線及高速鐵路中等跨度橋梁的搶修，因此對(duì)時(shí)速250/350 km、跨度23.5 m/31.5 m雙線混凝土箱梁尺寸表進(jìn)行了匯總，見圖1、表1，其中無砟軌道的梁高按CRTS I型板選取。

從以上對(duì)客運(yùn)專線及高速鐵路中等跨度橋梁的分析可以看出，上承式的雙線箱梁橋面較寬，列車時(shí)速越快、線間距越大，時(shí)速 250 km的線間距為4.6 m，時(shí)速350 km的線間距為5.0 m。從應(yīng)急搶修角度，搶修梁以分線為宜，可以先搶通一線，恢復(fù)通車，縮短搶修時(shí)間。而客運(yùn)專線及高速鐵路線間距較大，兩個(gè)單線搶修梁可依照原線路中心線進(jìn)行布置，為先搶修一線提供了可能。

圖1 時(shí)速250/350 km、跨度23.5/31.5 m雙線混凝土箱梁主要尺寸圖示

1.2 搶修梁梁高、梁寬、支座寬度擬定

梁高：根據(jù)表1混凝土箱梁軌頂至梁底的距離，24 m無砟軌道箱梁的最小高度為3.092 m，32 m無砟軌道箱梁的最小高度3.692 m；高鐵所用鋼軌為75 kg/m鋼軌，軌高0.192 m，再考慮到橋面板的高度以及經(jīng)濟(jì)性原因，則高速鐵路中等跨度搶修梁的高度宜為2.3～2.5 m。

梁寬：從運(yùn)輸?shù)慕嵌葋砜?，梁體總寬度控制在2.5 m以內(nèi)，采用公路鐵路運(yùn)輸均不超限。

支座寬度：支座寬度關(guān)系到搶修梁的梁寬，且與既有高鐵橋墩墩帽尺寸有關(guān)。高鐵橋墩多為圓端形橋墩，中部有一U型槽，兩塊墊石布于U型槽兩側(cè)，相鄰兩跨共用。因?yàn)槎枕敹彰背叽绲南拗?，單?cè)搶修梁支座的橫向間距擬定為2 m。

1.3 搶修梁梁型及橋面擬定

既有中等跨度搶修鋼梁，如六四梁、拆裝梁；大跨鋼梁，如八七梁，均采用鋼枕或木枕的明橋面，梁型為桁架式結(jié)構(gòu)。本次研究主要針對(duì)高速鐵路防災(zāi)救援使用，因此搶修梁的橋面擬采用混凝土橋面板或整體鋼面板的型式，考慮到剛度、運(yùn)輸及拼裝方便等因素，梁型擬采用板梁、U型梁與箱型梁結(jié)構(gòu)。

表1 時(shí)速250/350 km、跨度23.5/31.5 m雙線混凝土箱梁尺寸表 m

時(shí)速跨度橋面梁寬梁高軌頂至梁底線間距支座間距250km23.5有砟12.22.6863.31(軌底至梁底)4.64.431.5有砟12.22.89(跨中),3.09(支點(diǎn))3.7(軌底至梁底)4.64.7350km23.5/31.5無砟12.62.6353.3074.64.423.5無砟12.62.4353.0925.04.831.5無砟12.63.0353.6925.04.5

1.4 高速鐵路中等跨度搶修鋼梁主要技術(shù)指標(biāo)

搶修鋼梁作為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，有其特殊性，難以達(dá)到高速鐵路橋梁標(biāo)準(zhǔn)要求，因此其主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參照《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)規(guī)定進(jìn)行，其主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為：設(shè)計(jì)時(shí)速，貨列80 km/h、客車120 km/h；材質(zhì)/彎曲應(yīng)力/疲勞應(yīng)力，Q345qE/240 MPa/190 MPa；豎向剛度，L/900(L為跨度)；橫向剛度，主梁中心距>L/20；橫向力作用下水平撓度≤L/4 000；橫向自振頻率>60/L0.8(Hz)。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 板梁結(jié)合梁方案

板梁結(jié)合梁由鋼板梁與鋼筋混凝土橋面板構(gòu)成?；静考?5種(見圖2、表2)，其中主梁節(jié)3種，拼接板3種，聯(lián)結(jié)系4種，橋面系4種，支座1種。

圖2 板梁結(jié)合梁斷面圖(單位：mm)

主梁為2片工字型梁，高2.5 m，橫向間距2.0 m。主梁分段，基本梁節(jié)用于跨中，長(zhǎng)度12 m，跨端段長(zhǎng)6.3 m和10.3 m兩種，可拼成總長(zhǎng)度為20.6 m、24.6 m、28.6 m和32.6 m的橋梁?；玖汗?jié)與端梁節(jié)主要是翼緣厚度不同。豎向加勁肋基本為2m一道，用以連接斷面聯(lián)結(jié)系桿件；豎向加勁肋下端與腹板間設(shè)有下平聯(lián)節(jié)點(diǎn)板，連接下平縱聯(lián)桿件。鋼筋混凝土橋面板3種，寬度均為3 200 mm，厚度140 mm。其上設(shè)置雙塊式短枕，厚100 mm。4.3 m橋面板用于主梁端部；接頭橋面板和基本橋面板長(zhǎng)4 m，分別用于主梁接頭位置處和主梁中部位置。橋面板的端部設(shè)置為斜面，以鋼板封邊，兩塊橋面板之間形成上寬下窄的縫隙，采用楔形鋼板插入頂緊，使其沿橋軸線方向上可傳遞壓力。橋面板與主梁采用套管螺栓連接，以達(dá)到可反復(fù)拆裝的目的[1]。

表2 板梁結(jié)合梁基本部件表

2.2 U型結(jié)合梁方案

U型結(jié)合梁方案由U型梁與鋼筋混凝土橋面板組成?；静考?3種(見圖3、表3)，其中主梁節(jié)3種，拼接板5種，橋面系4種，支座1種。

主梁為U型梁，主梁高2.3 m，上翼緣寬480 mm，厚20 mm，底板寬2 480 mm，厚24 mm，兩腹板的橫向間距2.0 m。豎向加勁肋基本為2 m一道，腹板內(nèi)側(cè)為U型橫向聯(lián)結(jié)板，厚度10 mm，端部支座處厚20 mm，每隔6 m在U型隔板上加焊交叉角鋼∠100 mm×100 mm×10 mm。主梁分段以及橋面板型式與板梁結(jié)合梁相同。

圖3 U型結(jié)合梁斷面圖(單位：mm)

分類部件名稱鋼號(hào)單元質(zhì)量/kg使用部位主梁12m基本梁節(jié)Q345qE14194.0主梁中段6.3m端梁節(jié)Q345qE8240.724m主梁端部10.3m端梁節(jié)Q345qE12724.632m主梁端部拼接板翼緣外拼接板Q345qE73.7翼板拼接翼緣內(nèi)拼接板Q345qE32.0翼板拼接底板內(nèi)拼接板Q345qE184.9底板拼接底板外拼接板Q345qE239.5底板拼接腹板拼接板Q345qE56.4腹板拼接橋面系基本橋面板C505030.0主梁中間,鋼筋混凝土材料接頭橋面板C505031.0主梁接頭處,鋼筋混凝土材料4.3m橋面板C505345.0主梁梁端,鋼筋混凝土材料鋼楔板Q345qE206.0橋面板接頭頂緊支座弧形支座鑄鋼181.3

2.3 箱型梁方案

鋼箱梁方案，基本部件12種(見圖4、表4)，其中主梁節(jié)3種，拼接板8種，支座1種。

圖4 鋼箱梁斷面圖(單位：mm)

主梁為箱型梁，兩個(gè)腹板為斜腹板呈八字型，腹板底部最外側(cè)的橫向間距為2.0 m，腹板頂部最外側(cè)間距為1.52 m。主梁分段與前兩個(gè)方案相同。主梁高2 500 mm，頂板寬2 050 mm，厚24 mm；底板寬2 450 mm，厚20 mm；在接頭位置處翼板有10 mm的補(bǔ)強(qiáng)板。豎向加勁肋基本為2 m一道，腹板內(nèi)側(cè)設(shè)橫向聯(lián)結(jié)板，其中端部支座處厚20 mm，其余位置為10 mm，且每隔6 m在橫隔板上加焊交叉角鋼∠100 mm×100 mm×10 mm。該方案橋面板即鋼箱梁的頂板，分開式扣件及鋼軌直接安裝在頂板上，兩者之間采用螺栓連接。

表4 箱型梁基本部件表

圖5、圖6分別為24 m和32 m鋼箱梁方案的立面和平面布置總圖。

圖5 24 m鋼箱梁方案的立面和平面布置總圖(單位：mm)

圖6 32 m鋼箱梁方案的立面和平面布置總圖(單位：mm)

2.4 方案比選

近年來鋼混結(jié)合梁的應(yīng)用越來越多，板梁結(jié)合梁與U型結(jié)合梁的橫豎向剛度較好，混凝土橋面板上軌道的行車性能也比較好，而且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，部件種類不多，其中U型結(jié)合梁較板梁結(jié)合梁的零部件更少，整體性也更強(qiáng)一些。這兩種結(jié)合梁方案相比，U型結(jié)合梁的優(yōu)勢(shì)要更大一些。鋼箱梁方案的橋面板即為鋼箱梁的頂板，鋼軌及扣件直接安裝在頂板上，無橋面板的安裝時(shí)間。箱形梁整體剛度好，拼裝簡(jiǎn)單，配合大型機(jī)械吊裝拼裝，是非常有競(jìng)爭(zhēng)力的方案，該方案為高速鐵路中等跨度搶修鋼梁的推薦方案。三種方案主要技術(shù)參數(shù)共性方面有：

(1)都適用于客運(yùn)專線、高速鐵路、客貨共線快速鐵路戰(zhàn)時(shí)和平時(shí)突發(fā)事件中鐵路中等跨度橋梁的應(yīng)急搶修(建)和短期使用。

(2)線路條件，標(biāo)準(zhǔn)軌距，單線，直線，大半徑曲線。

(3)適用于20 m、24 m、28 m、32 m跨度。

(4)設(shè)計(jì)基本活載，ZK活載。

(5)疲勞次數(shù)均為30萬次。

(6)鋼板梁中心距2.0 m。

(7)支座均為弧形鋼支座。

(8)鋼梁的拼接均用螺栓、螺母、墊圈連接；鋼梁與混凝土板用螺栓、鋼套管、螺母、墊圈連接。

三種方案其他方面的比較見表5～表8。

表5 高速鐵路中等跨度搶修梁各設(shè)計(jì)方案技術(shù)參數(shù)比較

表6 高速鐵路中等跨度搶修梁各設(shè)計(jì)方案技術(shù)的基本部件

表7　高速鐵路中等跨度搶修梁各設(shè)計(jì)方案動(dòng)力學(xué)參數(shù)

表8 高速鐵路中等跨度搶修梁各設(shè)計(jì)方案梁體質(zhì)量　t

3 架設(shè)方案

結(jié)合梁可以首先架設(shè)鋼梁，再安裝混凝土橋面板?？瓦\(yùn)專線及高速鐵路上大量的中等跨度橋梁是墩高不大、橋下無水的架空結(jié)構(gòu)，利用大型起重機(jī)械，現(xiàn)場(chǎng)分片分段組裝后整體吊裝最方便。在橋下有水或墩身很高的情況下，既有的900 t鐵路架橋機(jī)及鐵路救援起重機(jī)不適用于搶修鋼梁架設(shè)，建議以橋頭預(yù)拼、縱向拖拉或頂推架設(shè)作為通用方法，采用專用架橋機(jī)架設(shè)為推薦方案。

在此提出一種下承式導(dǎo)梁架橋機(jī)設(shè)想方案，該方案可進(jìn)行單跨和多跨連續(xù)架設(shè)，主要由運(yùn)架車和下承式導(dǎo)梁組成。運(yùn)架車寬4 m、高5 m，單軸軸重控制在35 t以內(nèi)，具有搬運(yùn)、輔助安裝、架設(shè)等功能；導(dǎo)梁共設(shè)4個(gè)支腿，以便連續(xù)架梁時(shí)使用，見圖7和圖8，圖9以多跨架設(shè)為例。鋼梁在橋頭拼裝后，由運(yùn)架車搬運(yùn)至橋跨前端，進(jìn)行導(dǎo)梁的前行就位工作，當(dāng)導(dǎo)梁其中3個(gè)支腿落地后，運(yùn)架車沿導(dǎo)梁行進(jìn)至待架橋跨的上方，剎車鎖緊后，導(dǎo)梁向前推進(jìn)一跨，運(yùn)架車下放搶修梁至設(shè)計(jì)位置。若需連續(xù)架設(shè)，運(yùn)架車回退搬運(yùn)下孔搶修梁至橋位，此時(shí)導(dǎo)梁進(jìn)行支腿更換后繼續(xù)向前推進(jìn)一跨，運(yùn)架車下放搶修梁完成第2孔架設(shè)，第3孔、第4孔等架設(shè)以此類推。該設(shè)想方案能夠?qū)崿F(xiàn)搶修梁的快速架設(shè)。

圖7 運(yùn)架車

圖8 下承式導(dǎo)梁

圖9 架梁主要過程圖

4 結(jié)束語

隨著高速鐵路的大發(fā)展，以及高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)條件下的列車快速通行、快速修復(fù)的需求，搶修技術(shù)及搶修器材也應(yīng)根據(jù)時(shí)代的需要不斷完善和更新，與時(shí)俱進(jìn)。整體箱型梁方案更加單元化、模塊化，避免了橋面以及其它瑣碎零件，配合專用(新式)架橋機(jī)架設(shè)方案，為高速鐵路應(yīng)急搶修和短期使用的橋梁研制提供了一種新思路，同時(shí)也對(duì)采用大節(jié)段拼裝、利用大型機(jī)具及專用設(shè)備拼裝架設(shè)的新型搶修理念進(jìn)行了一次深入的探索。

參考文獻(xiàn)

[1]高占軍.快速鐵路橋梁搶修器材研制關(guān)鍵技術(shù)探討[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2013(5):25-27

On the Structural Types of and the Erection Methods for the Rush-Repairing Steel Beams for Medium-Span Bridges of High-Speed Railways

Xie Aihua

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd.，Beijing 102600，China)

Abstract:With the rapid development of high-speed railways,the existing rush-repair can hardly meet the requirements for rush-repairing steel beams of high-speed railway bridges in which case put forward in the paper are three structural schemes of the medium-span bridge-rush-repairing equipment for high-speed railway bridges,respectively the plate-girder-combined beam,the U-type combined beam and the steel box beam.Through comparing their technical parameters,the steel box girder is recommended as the optimal choice because this scheme is more integrated and modular,and avoids the provision of the deck as well as other trivial parts, thus enjoying more advantages in the structure of forces and quick erection. Meanwhile,the erection method for the steel box beam is also studied,with the scheme of a through-type guide beam bridge erector suggested in the paper.Being simple and quick in moving and assembling,and light,convenient and smart in structure, this new and special type of bridge erector is applicable to continuously erecting multi-span bridges.The structural type and the erection method for it mentioned above will be assembled with large sections.The trial in this aspect is a deep exploration into the new-type rush-repair notion— rush-repairing or assembling and erecting bridges with large-type equipment and machines as well as special equipment.

Key words:high-speed railway;rush-repairing steel beams;structural type;erection method

中圖分類號(hào)：U455.75；U448.36

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3953(2016)02-0008-05

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.003

作者簡(jiǎn)介：謝愛華(1981—)，女，高級(jí)工程師，主要從事交通戰(zhàn)備研究工作

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2014G008-B)

收稿日期：2015-12-08