既有鐵路框架橋架空頂進(jìn)及驗算分析

劉偉生

摘 要：隨著城市及鄉(xiāng)村建設(shè)的發(fā)展和既有鐵路提速的要求，需要將大量的鐵路與公路平交道口改為立交道口，因上跨鐵路投資較大，且受城市規(guī)劃和用地限制，故在既有鐵路線下采用頂進(jìn)法修建框架立交橋被大量采用。為了保障鐵路安全運營，研究既有鐵路頂進(jìn)框架橋的架空頂進(jìn)對于我國交通發(fā)展有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：既有鐵路;立交橋;架空頂進(jìn)

中圖分類號：U445.4 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）2-0081-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.019

Discussion on Overhead Jacking and Checking Calculation Analysis of Existing Railway Frame Bridge

LIU Weisheng

（Zhengzhou Branch of China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000，China）

Abstract：With the development of urban and rural construction and the requirement of increasing the speed of the existing railway， it is necessary to change a large number of railway and highway level crossings into interchange crossings. Because of the large investment in the upper span railway， and restricted by urban planning and land use， the construction of frame overpasses under the existing railway by the roof method is widely adopted. In order to ensure the safety of railway operation， it is of great significance to study the overhead jacking of existing railway jacking frame Bridges for the development of China's traffic.

Keywords：existed railway;highway interchange;overhead and bridge pushing

1 工程概況

本工程設(shè)計為2～13 m鋼筋混凝土框架，結(jié)構(gòu)高度8.5 m，框架橋順鐵路線路方向長42.03 m，框架邊緣伸出鐵路路肩垂直鐵路線路方向長16.0 m?？蚣芙Y(jié)構(gòu)總高10.5 m，結(jié)構(gòu)凈高8.4 m，頂板厚1.0 m，底板厚1.1 m，邊墻厚1.0 m，中墻厚1.0 m;頂板加腋采用0.5 m×1.5 m，底板加腋采用0.2 m×0.2 m?？蚣軜虿捎眯苯徽稣敚ㄟ吙籽a正法）。道路中心線與既有鐵路下行線夾角為61.2°，框架橋頂板頂面至既有鐵路軌底最小距離為1.0 m。既有線為雙線電氣化鐵路、無縫線路，軌道為60 kg/m鋼軌，Ⅲ型鋼筋混凝土軌枕，1 667根/km，固定列車對數(shù)為123對，線路允許列車時速105 km/h。橋址處隴海鐵路上、下行平面均為直線，線路縱坡5‰，向小里程方向為下坡，橋址處鐵路處于路堤段，東側(cè)路基高約5.4 m，西側(cè)路基高約3 m?？蚣軜蚧字糜陴ね翆由?，褐黃色，硬塑狀態(tài)，結(jié)構(gòu)密實，地基容許承載力為180 kPa，鉆探20 m范圍內(nèi)無地下水。

2 既有鐵路架空加固形式

在頂進(jìn)橋涵施工中，為確保行車及施工安全必須進(jìn)行鐵路線路的加固。選擇合適的線路加固方式應(yīng)以對運輸干擾小、確保鐵路運營安全、施工簡便易行為原則。此外，還應(yīng)根據(jù)路基土質(zhì)、頂進(jìn)橋涵的結(jié)構(gòu)尺寸、涵頂以上覆土厚度，以及施工季節(jié)和地下水變化情況等綜合考慮后決定。

吊軌、扣軌梁加固法適用于小橋涵頂進(jìn)，且鐵路位于直線并通過列車較少、路基土質(zhì)較好時，可采用43 kg/m或50 kg/m鋼軌組合成軌束梁，采用線上吊軌或線下扣軌的形式進(jìn)行線路加固，一般運行速度不超過25 km/h，在施工前應(yīng)對其強度、剛度、穩(wěn)定性經(jīng)計算后確定[1]。

橫梁加固法和縱梁加固法適用于頂板以上無覆土或覆土很薄時的頂進(jìn)，特別適用于大型框架橋的頂進(jìn)，無論頂進(jìn)方向與線路正交還是斜交均可使用[1]。此法加固線路后，行車比較安全可靠，故被廣泛采用。

工字鋼束梁加固法適用于頂進(jìn)較大跨度框架橋時的架空線路，并可用于短期修復(fù)橋跨結(jié)構(gòu)，要求其構(gòu)造形式輕便，施工方法簡單。單層跨度可達(dá)15 m，多層可達(dá)20 m，但多層需要焊接，又會增加建筑高度，不得已才使用[1]。工字鋼束梁一般和鋼軌位置相對稱，其中心距為1.5 m左右。束梁間應(yīng)有縱橫聯(lián)結(jié)，一般用斜撐木。支座處應(yīng)設(shè)座木，一般用200 mm×200 mm的方木2根，以Φ19螺栓串聯(lián)成整體。當(dāng)線路坡度大于4‰時須用螺栓將束梁與座木扣牢，座木再固定于墩臺上。

便梁加固法適用于軟土地基較大型框架橋頂進(jìn)，鐵路干線地段應(yīng)采用低高度便梁進(jìn)行線路加固，列車慢行速度為45 km/h。D型施工便梁的型號按設(shè)計跨度分類有D12、D16、D20、D24共四種，最常用的是D16和D24[1]。D型施工便梁為下承式板梁，由縱梁、橫梁、牛腿、連接板、擋砟板、斜拉桿、橫梁安裝輔助定位角鋼、鋼軌扣件和各種聯(lián)結(jié)零件組成。根據(jù)頂進(jìn)框架橋的寬度、線路狀況、土質(zhì)條件及施工安全、便梁來源等綜合因素來確定。采用何種跨度型號的施工便梁，再按現(xiàn)場線路情況，對照便梁“現(xiàn)場組裝設(shè)置圖”選擇便梁的布置方式。一般盡可能采用“高位架設(shè)”，若線間距不夠，則應(yīng)先撥道加寬，以滿足鐵路限界要求。D型施工便梁適用于直線和曲線半徑R≥400 m的單線或復(fù)線地段，復(fù)線地段根據(jù)便梁不同跨度和不同曲線半徑，還應(yīng)滿足相應(yīng)的線間距S的要求。另外，便梁的軌底至梁底的建筑高度H應(yīng)滿足框架橋頂進(jìn)對凈空的要求，適用的鋼軌類型不輕于43 kg/m。

由于本項目頂板以上覆土很薄，故采用縱橫梁加固法。

3 線路架空加固驗算

本項目線路架空加固采用縱橫向一次架空。普通橫梁采用Ⅰ45工字鋼，間距0.65 m，作為縱梁支點的橫梁組采用5根Ⅰ45組成，從鋼軌底穿過，橫梁（組）與鋼軌間必須可靠絕緣。縱梁采用Ⅰ100 工字鋼，分別置于鐵路中心線外側(cè)的橫梁（組）上。架空系統(tǒng)沿線路方向最大間隔9.0 m設(shè)置一道橫抬梁組，橫抬梁組下為支撐樁或滑動支點。橫梁與其所抬的鋼軌、縱梁與其所挑的橫梁使用專用配件可靠聯(lián)接、固定。整個架空裝置在安裝、使用期間滿足限界要求。

設(shè)計荷載傳力路徑為：鋼軌→橫梁→縱梁→支撐和鋼軌→橫抬梁組→支撐。為精確了解該橋架空結(jié)構(gòu)的受力性能，建立空間有限元模型，對整個架空上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析[2-7]。

3.1 模型建立

隨著頂進(jìn)過程的逐步進(jìn)行，架空裝置的受力狀況也在不斷發(fā)生變化（如滑動支點的設(shè)置與解除、對影響頂進(jìn)的支撐樁的挖除）。

結(jié)構(gòu)計算采用通用有限元分析軟件MIDAS civil，單元類型采用一般梁單元。對架空完成后運營狀態(tài)進(jìn)行檢算。

3.2 單元劃分

縱梁、橫梁、橫抬梁、鋼軌均按照實際尺寸或等代截面進(jìn)行建模，在各桿件交叉位置分割單元。模型劃分節(jié)點共計2 490個、單元4 223個。模型如圖1所示。

3.3 邊界

各支撐樁、滑動支點位置均為一般豎向支承，只約束其豎向位移，各方向轉(zhuǎn)動完全放開。組成一道橫梁組的5根Ⅰ45端部為具有相同豎向位移的剛性連接。

3.4 荷載

荷載分為架空設(shè)備恒載及鐵路機車活載兩部分。使用特載、ZKH活載沿線路縱向進(jìn)行動態(tài)加載，并考慮動載沖擊作用?；瑒又c枕木垛以彈性支撐來模擬。ZKH活載圖式如圖2所示。

3.5 結(jié)果輸出

3.5.1 支點反力。最大支反力為2011.0 kN，支反力結(jié)果如圖3所示。

3.5.2 梁單元應(yīng)力。縱梁Ⅰ100最大應(yīng)力為113.738 MPa<[容許應(yīng)力值185 MPa]，滿足要求。應(yīng)力圖如圖4所示。

普通橫梁Ⅰ45最大應(yīng)力為142.768 MPa<[容許應(yīng)力值185 MPa]，滿足要求。應(yīng)力圖如圖5所示。

橫梁組Ⅰ45最大應(yīng)力為128.936 MPa<[容許應(yīng)力值185 MPa]，滿足要求。應(yīng)力圖如圖6所示。

3.5.3 位移變形?？v梁Ⅰ100最大豎向位移為7.62 mm<[梁體豎向撓度容許值L/400=25 mm]，滿足要求。位移圖如圖7所示。

普通橫梁Ⅰ45最大豎向位移為22.54 mm<[梁體豎向撓度容許值L/400=25 mm]，滿足要求。位移圖如圖8所示。

通過有限元軟件模擬鐵路架空系統(tǒng)，經(jīng)驗算，該線路架空系統(tǒng)上部受力滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文對鐵路架空加固形式作了簡單的介紹，明確了各個架空加固法的適用范圍，并著重介紹了縱橫梁加固法的施工工藝，并結(jié)合工程實例運用有限元軟件模擬了縱橫梁加固法的施工過程及縱、橫梁的受力狀態(tài)，通過計算施工階段不同工況下結(jié)構(gòu)的受力、位移，得出該縱橫梁加固法滿足鐵路運營安全要求，為其他類似項目縱橫梁的布置提供一定的參考。

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