D24型便梁在4.0 m線間距區段的應用與計算

馬福臣

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東濟南 250022)

1 概述

南水北調東線一期工程魯北段輸水線路穿越鐵路工程在京九線K387+909處采用框架橋穿越， 框架橋孔徑為12 m+12 m+7 m，兩孔12 m框架結構凈高6.4 m，為輸水而設；一孔7 m框架結構凈高7.2 m，為通行而設。采用不中斷行車頂進法施工，橋位處鐵路為雙線、直線，線間距為4.0 m，擬建輸水框架與鐵路夾角15°。

本工程位于山東臨清市東南，橋址處地勢平坦，兩側為農田，既有京九鐵路軌面比自然地面高3 m左右。根據《巖土工程勘察報告》，在鉆探深度范圍內地層自上往下依次為①粉土，中密、潮濕，層厚1.80～3.70 m，基本承載力σ0=100 kPa；②粉質黏土，軟塑—硬塑，層厚2.1～4.70 m，基本承載力σ0=120 kPa；③粉土，中密—密實層厚1.70～5.10 m，基本力承載力σ0=110 kPa； ④粉質黏土，軟塑，層厚0.95～1.95 m，基本承載力σ0=110 kPa；⑤粉土，中密—密實，層厚2.40～6.40 m，基本力承載力σ0=150 kPa；⑥粉質黏土，硬塑，層厚5.45～10.5 m，基本承載力σ0=160 kPa；⑦粉土，密實，層厚1.90～3.0 m，基本力承載力σ0=150 kPa；⑧粉質黏土，硬塑，層厚1.95～5.45 m，基本承載力σ0=160 kPa。框架基底落在②粉質黏土層上，框架設計最大應力145 kPa，基底地基采用高壓旋噴樁加固處理。

橋址處地下水埋藏較淺，主要為第四系孔隙潛水，水位隨季節性變化明顯。勘探期間埋深為0.90～2.65 m，地下水水位年最大變幅為2.00～3.00 m。

2 原設計線路加固方案簡述

橋址處線間距現場實測只有4.0 m，不滿足D24便梁直線雙線段架設最小線間距(≥4.51 m)的要求。如果采用D24便梁需將對既有京九線改造加寬，改線較長，且距本橋約196 m處有一座3-16 m鐵路梁橋(京九線K388+105.22 小運河中橋)也需要改建，改線方案不僅工期長、投資大，且對鐵路運輸的干擾也較 大。經過工程前期方案設計階段對線路加固方案的探討、研究和實地踏勘，一致同意采用加強型縱挑橫抬梁法加固線路，挖孔樁做基礎，頂進施工，見圖1。

圖1 加強型縱挑橫抬梁法加固平面(單位：cm)

3 超低位架設便梁線路加固方案設計

施工期間，由于京九線運輸繁忙，原設計方案需要向鐵路部門要點，封鎖線路次數較多，不能滿足工期安排，在原設計挖孔樁基礎已施工一半的情況下，施工單位強烈要求將現有線路加固方式改為架設D24便梁防護線路，分孔頂進，加快施工進度。經和有關單位共同探討，確定將D24便梁大縱梁與鋼枕連接處的上下牛腿互換，即上牛腿S12與下牛腿S3互換，使大縱梁在D24便梁通用圖《上橋5009-橋》低位架設(丁式)基礎上進一步上移15 cm(即軌頂至便梁頂距離由29.9 cm縮減至14.9 cm)，以滿足鐵路限界“建限-1”的要求。D24便梁雙線超低位架設橫斷面如圖2所示。

圖2 D24便梁雙線超低位架設橫斷面(單位：mm)

線路中心線與便梁架設時結構中心線偏距達到49 cm，導致線路內側的縱梁受力進一步加大，超出便梁原設計適用范圍，如果施工時采用這種方式架設，必須對其進行強度、剪應力及下撓度等進行檢算。

3.1 D24便梁結構簡述

施工中所采用的D24便梁為上海鐵路局設計院設計，寶雞鐵路橋梁工廠生產，便梁結構長度24.5 m，計算跨徑24.12 m。便梁主要由兩片縱梁和36根鋼枕組成，每片縱梁寬48 cm，高130 cm，便梁縱梁有效截面分別如圖3所示，其中縱梁支點處(K0)、距支點1/8處(K0.125)、1/4處(K0.25)、1/8處(K0.375)、1/2處(K0.5)的截面其對形心處X軸的截面，慣性矩可利用 AutoCAD查尋得到，分別是：IX0=0.020 8 m4，IX0.125=0.017 1 m4，IX0.5(0.25、0.375)=0.024 4 m4。

圖3 便梁縱梁有效截面示意(單位：mm)

3.2 D24便梁雙線超低位架設設計采用荷載標準

(1)恒載

據《上橋5009-橋》圖紙說明中有關規定，計算時恒載采用單片縱梁均布重量11.43 kN/m；

(2)活載

鐵路活載按換算均布活載計算，根據《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1-2005)中附錄C “鐵路標準活載的換算均布活載及加載規定”。

沖擊系數：沖擊系數(1+μ)=1+28/(40+L)，設計按列車限速45 km/時考慮，根據(鐵路橋梁檢定規范)2004(4.0.10)公式，μ折減系數m=0.75×(v/60) =0.75×(45/60)=0.562 5，1+mμ=1+0.75×0.75×28/(40+24.12)=1.246。

內力偏距增大系數：由于便梁的偏心架設，內側縱梁內力偏距增大系數根據杠桿分配法，可按下述公式1+§=(4.46×0.5+0.49)(4.46×0.5)=1.22。

3.3 縱梁內力計算

(1)彎矩

將D24便梁分成八等分，求各截面的最大彎矩值，如表1。

表1 D24便梁最大彎矩計算

(2)剪力

支點處恒載剪力：Q恒=0.5pL=0.5×11.43×24.12=137.85 kN

支點處活載剪力：Q活=0.5×0.5×K(1+§)(1+mμ)=0.5×0.5×123.7×1.246×1.22=1 133.87 kN

所以：Qmax=137.85+1 133.87=1 271.72 kN

3.4 便梁縱梁截面檢算

(1)彎曲應力

各個截面設計彎曲應力計算結果如表2。

表2 D24便梁內力計算

縱梁各個截面設計彎曲應力均能滿足規范要求，說明縱梁強度可以滿足要求。

(2)剪應力

(3)下撓度

靜活載在跨中所產生的下撓度fkmax=(5/384)×0.5KL4/(EIX0.5))=(5/384)×(0.5×104×103×24.124)/(2.1×1011×0.024 4)=0.055 m<[f]=24.12/400=0.060 3 m(臨時結構最大撓度容許值)。

結論： 經過對D24便梁超低位架設后的縱梁的最大彎曲應力、最大剪應力、跨中最大下撓度的分析計算，其結果均在規范容許范圍內，此方案可行。

4 超低位架設加固施工步驟簡述

施工時，主要分為以下六個步驟，將3孔箱體頂進就位。

第一步：分別架設D16及D24施工便梁，施工線間挖孔樁，澆筑便梁基礎蓋梁A、B及條形基礎C。

圖5

第二步：縱移D16及D24便梁，施工I號箱體側及箱體基底旋噴樁。

第三步：吃土頂進I號箱體，施工I號箱體出入口外U型框架。

第四步：縱移D16及D24便梁，架設D16便梁，施工Ⅲ號箱體側及箱體基底旋噴樁。

第五步：吃土頂進Ⅲ號箱體，施工出入口外八字墻。

第六步：縱移D24便梁，拆卸16便梁，施工Ⅱ號箱體側基底旋噴樁，拆除影響的樁基及蓋梁，頂進Ⅱ號箱體。

箱體全部就位后，拆卸D24便梁，恢復線路正常運行。

5 結束語

本工程線路加固方式經以上變更后，大大加快施工進度，現在工程已施工完畢并已順利通過驗收。設計調整便梁上下牛腿設置，超底位架設便梁，克服了D24型便梁僅適用直線、雙線線間距需大于4.51 m的限值，進一步拓寬了D24型便適用范圍，為今后類似工程積累了經驗。

[1] TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范[S]

[2] TB10002.2—2002 鐵路橋梁鋼結構設計規范[S]