一種新型多用途便梁設(shè)計(jì)及應(yīng)用★

廖 斌

(廣西寧鐵工程有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530000)

在框架橋頂進(jìn)施工中，為了不影響既有鐵路線路的安全運(yùn)營，線路的加固是至關(guān)重要的?？紤]工期、成本等因素，線路加固方法雖然有多種，但便梁加固法經(jīng)常采用，所使用的便梁為D型便梁。既有D型便梁應(yīng)用時(shí)可依據(jù)框架橋跨度、線路條件選擇合適的型號。雖然既有D型便梁在以往下穿工程中發(fā)揮了重要的作用，但是隨著社會(huì)的發(fā)展，架空加固的線路情況越來越復(fù)雜，例如，大跨度框架橋與既有線路小角度斜交、道岔區(qū)線路，此時(shí)既有D型便梁已不能使用，為此相關(guān)人員對此也進(jìn)行了研究[1-6]，研究成果雖然在一定程度上解決了問題，但是仍存在特殊設(shè)計(jì)的便梁重復(fù)利用率低、道岔區(qū)線無法應(yīng)用、結(jié)構(gòu)跨度小以及應(yīng)用范圍小等問題，為此本文設(shè)計(jì)了一種新型多用途便梁結(jié)構(gòu)。

1 新型多用途便梁設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

既有D型便梁主要應(yīng)用于跨度12 m～24 m、曲線超高不大于100 mm、曲線半徑不小于450 m的線路架空加固。新型多用途便梁的設(shè)計(jì)原則為多用途、重復(fù)利用率高同時(shí)解決復(fù)雜線路的架空加固問題，為此結(jié)合以往下穿工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，新型多用途便梁的設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示：

1)荷載：中-活載、ZKH荷載。2)列車限速：45 km/h。3)活載沖擊系數(shù)：按搶規(guī)[7]計(jì)算。4)材質(zhì)：Q345qD。5)疲勞次數(shù)：30萬次。6)跨度：單線加固24 m～32 m，雙線同時(shí)加固24 m。7)線路條件：單開道岔線路，交叉渡線線路，線間距4.3 m～5.3 m，最小曲線半徑450 m曲線超高不大于100 mm。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

新型便梁主要包括縱梁、隅撐、橫梁、拼接板、扣件等。主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如下所示：

1)縱梁。縱梁有兩種，分別是縱梁A和縱梁B，為了搭配不同橫梁使用，縱梁兩側(cè)的加勁肋設(shè)計(jì)成不同間距的栓孔，一側(cè)栓孔搭配既有D型便梁橫梁使用，另一側(cè)栓孔搭配新設(shè)計(jì)的橫梁使用?？v梁A長度為4.05 m，縱梁B長度為24.5 m，兩節(jié)段縱梁之間可使用拼接板連成一個(gè)整體，通過拼接縱梁最大長度為32.6 m，截面型式均為箱梁，截面和連接方式如圖1所示。

2)橫梁。橫梁有兩種，分別是既有D型便梁橫梁(簡稱舊橫梁)和新設(shè)計(jì)的橫梁(簡稱新橫梁)。新橫梁斷面形式為工字型，梁寬0.2 m，高0.62 m，長9.2 m。其中舊橫梁主要用于單線線路加固，新橫梁主要用于雙線線路加固和道岔區(qū)線路加固。

3)扣件。鋼軌扣件主要有三種形式，分別是C，D，E三種型號，其種C型扣件主要用于正線線路的鋼軌固定，D型、E型主要用于道岔區(qū)線路的鋼軌固定。三種型號的扣件均主要由固定板、M24螺母、絕緣軌距塊、扣件滑板、鋼底板等焊接而成，不同的是鋼底板尺寸和扣件滑板尺寸不同。

4)隅撐、拼接板。隅撐和拼接板均有兩種，分別是既有D型便梁隅撐(簡稱舊隅撐)、既有D型便梁拼接板(簡稱舊拼接板)和新設(shè)計(jì)的隅撐(簡稱新隅撐)、新設(shè)計(jì)的拼接板(簡稱新隅撐)。舊隅撐、舊拼接板主要搭配舊橫梁使用，新隅撐和新拼接板主要搭配新橫使用，新隅撐和新拼接板如圖2所示。

1.3 應(yīng)用方案

根據(jù)上文的結(jié)構(gòu)方案，新型多用途便梁有多種使用方案，分別是單線加固方案，如圖3所示，雙線和道岔區(qū)線路加固方案，如圖4所示。其中單線加固時(shí)跨度有24 m,28 m,32 m三種。雙線和道岔區(qū)線路加固時(shí)跨度為24 m。具體應(yīng)用方案如表1所示，考慮到單線線路加固時(shí)所用橫梁為既有D型便梁部件，因此單線線路加固時(shí)列車荷載為中-活載。

表1 新型多用途便梁應(yīng)用方案表

2 受力分析

利用Midas建立有限元模型，縱梁、橫梁均采用梁單元。鑒于新型多用途便梁有多種應(yīng)用方案，受力分析時(shí)分別選取最不利的道岔線路架空加固工況和單線32 m線路架空加固工況作為分析對象，除此之外，當(dāng)縱梁A與縱梁B拼接時(shí)，還需對兩節(jié)段的縱梁連接進(jìn)行受力分析。

分析時(shí)施加的荷載有自重、列車荷載、沖擊力、搖擺力、制動(dòng)力、風(fēng)力。依據(jù)所施加的荷載形成兩種荷載組合工況，一種是橫向力荷載組合工況：自重、列車荷載、沖擊力、搖擺力、風(fēng)力；一種是縱向力荷載工況：便梁自重、列車荷載、沖擊力、制動(dòng)力。

新型多用途便梁受力分析時(shí)，各部件承載力和撓度限值依據(jù)《鐵路橋梁搶修(建)技術(shù)規(guī)程技術(shù)》和計(jì)算求得。

2.1 道岔線路架空加固工況

依據(jù)表1的應(yīng)用方案，所采用的部件均是新設(shè)計(jì)的，受力分析時(shí)，施加的列車荷載為ZKH荷載，依據(jù)Midas模型，其主要受力部件(縱梁、橫梁)受力結(jié)果如表2所示。

表2 便梁受力分析表

根據(jù)表2中的受力分析結(jié)果，新型多用途便梁用于道岔線路加固時(shí)，縱、橫梁的強(qiáng)度滿足受力要求，同時(shí)根據(jù)《普速鐵路線路修理規(guī)則》[8]橫梁的變形也滿足軌道動(dòng)態(tài)幾何不平順容許偏差的要求。

2.2 單線32 m線路架空加固工況

依據(jù)表1的應(yīng)用方案，所采用部件縱梁為新設(shè)計(jì)的，橫梁為既有D型便梁橫梁，施加的列車荷載為中-活載。受力分析時(shí)重點(diǎn)關(guān)注新設(shè)計(jì)縱梁的受力分析結(jié)果，依據(jù)Midas模型，提取縱梁的受力分析結(jié)果如表3所示。

表3 單線大跨度便梁受力分析表

根據(jù)表3中的受力分析結(jié)果，單線32 m線路加固時(shí)縱梁滿足受力要求。

2.3 縱梁連接受力分析

根據(jù)表1的應(yīng)用方案，當(dāng)單線加固方案跨度為28 m，32 m時(shí)需將縱梁1和縱梁2拼接。連接受力分析時(shí)選取最不利的工況進(jìn)行分析，與28 m跨度方案相比，32 m跨度方案為最不利工況，因此利用上文Midas受力分析結(jié)果，提取縱梁連接處的受力結(jié)果，其彎矩值為8 700 kN·m。

連接計(jì)算時(shí)采用如下假定，假定彎矩僅由翼緣拼接板承受。彎矩產(chǎn)生的軸向力為5 209 kN。拼接采用螺栓材質(zhì)40Cr,10.9級、直徑為30 mm的螺栓。依據(jù)拼接方案，單剪螺栓12個(gè)，雙剪螺栓8個(gè)。材料強(qiáng)度按照《搶規(guī)》取值，螺栓承載力單剪為240 kN，雙剪為480 kN，單拼接板孔壁承壓504 kN，雙拼孔壁承壓756 kN，螺栓提供的承載力7 680 kN大于彎矩產(chǎn)生的軸向力，滿足受力要求。

3 工程應(yīng)用

3.1 大跨度便梁應(yīng)用

本項(xiàng)目為機(jī)場大道AK0+310～AK1+060段范圍內(nèi)的地下通道主體工程，即機(jī)場大道下穿橘城西路和河茂線鐵路(交點(diǎn)鐵路里程為米山至化州站區(qū)間K35+666.8)，交點(diǎn)處道路里程為AK0+556.5，下穿鐵路采用設(shè)置2-18.8 m鋼筋混凝土獨(dú)立框架橋，斜交布置?？蚣軜蚬卜譃?6節(jié)框架段，其中①～④號框架為頂進(jìn)段框架橋，如圖5所示，⑤～號框架為現(xiàn)澆段框架橋，施工時(shí)先施工北側(cè)的框架橋，待頂進(jìn)完成后，再施工南側(cè)框架橋。鑒于頂進(jìn)的框架橋與鐵路斜交角度小，框架橋上方的線路的長度約為30 m，既有D型便梁的跨度無法滿足使用要求。

在該項(xiàng)目中使用了新設(shè)計(jì)的多用途便梁，采用單線32 m線路方案進(jìn)行架空加固，經(jīng)過工程實(shí)踐，新型多用途便梁既保證了框架橋的順利頂進(jìn)，又滿足了列車的安全運(yùn)營，且大大縮短了工期。

3.2 道岔便梁應(yīng)用

本項(xiàng)目位于廣西玉林市玉州區(qū)，為玉林市城南客運(yùn)樞紐至陸川北部工業(yè)園區(qū)公路(民主南路)的建設(shè)需求而設(shè)，因民主南路由24.5 m的一級路改造為路寬60 m的城市主干路，本項(xiàng)目于既有民主南路上跨益湛鐵路的14×30 m嶺塘分離式立交橋兩側(cè)各頂進(jìn)一座2-8 m框架橋?？蚣軜蚺c鐵路線基本正交，作為民主南路兩側(cè)輔道，其中東側(cè)輔道框架橋需下穿益湛線和玉林東站與Ⅱ場聯(lián)絡(luò)線間渡線道岔，嶺塘分離式立交橋下及西側(cè)輔道框架橋的上方，為益湛線與聯(lián)絡(luò)線，線間距5.3 m。

根據(jù)項(xiàng)目概況，道岔區(qū)線路既有D型便梁無法滿足使用要求，如采用縱橫梁加固法，不僅造價(jià)高而且工期長。但是對于非道岔區(qū)線路可使用既有D型便梁架空加固，經(jīng)過方案比對，最后架空線路的加固方案為D12便梁+D24便梁+D16改便梁+新型多用途便梁(道岔區(qū)線路加固方案)+特制12 m便梁的加固方案，如圖6所示，上述加固方案不僅解決了道岔區(qū)線路的加固難題，而且節(jié)約了造價(jià)，同時(shí)還保障了鐵路的安全運(yùn)營，并產(chǎn)生了約200萬元的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

1)通過兩個(gè)項(xiàng)目的工程應(yīng)用，新型多用途便梁設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠，不僅保障了下穿工程的安全實(shí)施，還帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2)與既有D型便梁相比，新型多用途便梁解決了大跨度、道岔區(qū)線路加固的工程難題，拓展了便梁加固法的使用范圍。

3)新型多用途便梁使用了部分既有D型便梁部件，提高了既有D型便梁的利用率，有利于進(jìn)一步降低工程造價(jià)。

4)新型多用途便梁提高了縱梁的利用率，且重復(fù)使用率高，應(yīng)用范圍廣，具有較好的推廣應(yīng)用前景。