頂進(jìn)框構(gòu)橋既有線加固計(jì)算分析

劉洪亮，魏 慶，李克銀

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津市 300251）

0 引言

近年來，公路與鐵路的相互交叉越來越多，加之平交道口事故頻發(fā)，采用立交方案是解決這一問題的唯一途徑。頂進(jìn)式鐵路框構(gòu)橋與上跨公路橋方案相比，有占地和拆遷量小，節(jié)省投資等優(yōu)點(diǎn)，因此多被采用。頂進(jìn)框構(gòu)橋?qū)扔芯€進(jìn)行加固，一般采用縱橫梁加固。縱橫梁要承受鐵路列車荷載，受力復(fù)雜，本文采用如下基本假定：（1）最不利工況按框構(gòu)頂進(jìn)過程中側(cè)墻外土體剝落后橫梁架空考慮；（2）支撐節(jié)點(diǎn)按剛性考慮，縱梁邊界條件按簡支處理，縱橫梁之間按剛性連接處理；（3）計(jì)算模型考慮3-5-3扣軌及鐵軌剛度；（4）按《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》（鐵運(yùn)[2006]177號(hào)）部令相關(guān)規(guī)定，選取“前進(jìn)型”機(jī)車作為計(jì)算活載。按照以上假定對(duì)橫梁進(jìn)行強(qiáng)度、撓度驗(yàn)算，指導(dǎo)設(shè)計(jì)及施工。

1 工程概況

工點(diǎn)采用2～13 m雙孔框架橋，施工期間鐵路線不中斷行車，但需減速慢行。站場內(nèi)框架橋采用頂進(jìn)法對(duì)頂施工，站場外框架橋采用現(xiàn)澆法施工。既有鐵路線路呈東西走向，共10股道和道岔1處，從南至北依次為油庫線、京哈上行線、菱角山專用線上行線、18道、三場遷出線、17道、8道、菱角山專用線下行線、2道、京哈下行線。線路加固范圍分南側(cè)1#頂橋（京哈上行線）、北側(cè)2#頂橋（京哈下行線）兩部分，加固方式均采用“吊柜及縱橫工字鋼梁加固體系”。縱梁采用2根一組I45b工字鋼,橫梁采用I40b工字鋼。吊柜按3-5-3形式扣設(shè)組裝，其下的枕木用φ22-U型螺栓聯(lián)結(jié)在一起。南側(cè)頂橋橫梁鋪設(shè)間距為0.9 m，北側(cè)頂橋橫梁鋪設(shè)間距0.6 m，縱梁工字鋼與橫梁工字鋼用φ22-U型螺栓聯(lián)結(jié)在一起，縱梁兩端支撐于舊枕木垛基座上。

2 加固體系驗(yàn)算

2.1 計(jì)算假定

該加固體系橫梁為主要受力構(gòu)件，因此主要驗(yàn)算了橫梁強(qiáng)度及撓度，計(jì)算假定如下。

（1）最不利工況按框構(gòu)頂進(jìn)過程中側(cè)墻外土體剝落后橫梁架空考慮，選取側(cè)墻以外5 m范圍內(nèi)的縱橫梁作為計(jì)算構(gòu)件。

（2）支撐節(jié)點(diǎn)按剛性考慮，縱梁邊界條件按簡支處理，縱橫梁之間按剛性連接處理，較為保守地未考慮橫梁與冠梁之間的連接作用；鋼軌及扣軌與橫梁共節(jié)點(diǎn)。

（3）計(jì)算模型考慮3-5-3扣軌及鐵軌剛度。

（4）按《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》（鐵運(yùn)[2006]177號(hào)）部令相關(guān)規(guī)定，選取“前進(jìn)型”機(jī)車作為計(jì)算活載，容許應(yīng)力為170 MPa,容許位移為L/400。

2.2 主要計(jì)算參數(shù)及荷載

（1）橫梁：Q235工字鋼(I40b)；

（2）縱梁：Q235 工字鋼(兩個(gè)一組 I45b)；

（3）扣軌：43 kg/m鋼軌；

（4）鐵軌：18道中線為43 kg/m鋼軌，菱角山專用線下行線為60 kg/m鋼軌，2道中線為50 kg/m鋼軌，道岔為50 kg/m鋼軌；

（5）按《鐵路工務(wù)安全規(guī)則》（鐵運(yùn)[2006]177號(hào)）部令相關(guān)規(guī)定，選取“前進(jìn)型”機(jī)車作為計(jì)算活載，容許應(yīng)力為170 MPa,容許位移為L/400。

2.3 荷載及組合

鐵路：中—活載。

公路：公路—I級(jí)。

荷載組合：1.0恒載+1.0機(jī)車活載。

2.4 計(jì)算模型

計(jì)算采用軟件Midas civil，按鐵路實(shí)際作用位置加載。

2.4.1 南側(cè)線路加固

選取18道中線附近，頂進(jìn)方向右側(cè)側(cè)墻外約5 m范圍內(nèi)的縱橫梁建模，橫梁（I40b）間距0.9 m布置，最大跨度10 m，部分橫梁按支撐在框構(gòu)頂考慮。如圖1～圖3所示。

圖1 南側(cè)線路加固計(jì)算模型

圖2 橫梁應(yīng)力圖（南側(cè)線路）

圖3 橫梁撓度圖（南側(cè)線路）（單位：mm）

由計(jì)算可知橫梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁跨中附近，為181.5 MPa,略超容許應(yīng)力170 MPa；橫梁最大位移出現(xiàn)在橫梁跨中附近，約為40 mm，大于容許位移 L/400=9684/400=24.2（mm）。

2.4.2 北側(cè)線路加固

選取菱角山專用線下行線、2道中線附近，頂進(jìn)方向右側(cè)側(cè)墻外約5 m范圍內(nèi)的縱橫梁建模，橫梁（I40b）間距0.6 m布置，最大跨度11.3 m。如圖4～圖6所示。

圖4 北側(cè)線路加固計(jì)算模型

圖5 橫梁梁底應(yīng)力圖（北側(cè)線路）

圖6 橫梁撓度圖（北側(cè)線路）

由計(jì)算可知，橫梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁1/4跨附近，為116.3 MPa,小于容許應(yīng)力170 MPa，滿足要求；橫梁最大位移出現(xiàn)在橫梁跨中附近，約為24.1 mm，小于容許位移L/400=11300/400=28.3（mm），滿足要求。

3 結(jié)論

頂進(jìn)框構(gòu)橋施工對(duì)既有線加固通常采用縱橫梁加固法，本文在4個(gè)假定條件下運(yùn)用Midas civil軟件對(duì)橫梁進(jìn)行模擬受力分析，得出結(jié)論如下。

（1）南側(cè)線路加固橫梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁跨中附近，為181.5 MPa,略超容許應(yīng)力170 MPa；橫梁最大位移出現(xiàn)在橫梁跨中附近，約為40 mm，大于容許位移L/400=9684/400=24.2（mm）。縱梁應(yīng)盡可能平行于鐵路布置，從而減小橫梁跨度，可適當(dāng)減小橫梁布置的間距。

（2）北側(cè)線路加固橫梁最大應(yīng)力出現(xiàn)在橫梁1/4跨附近，為116.3 MPa,小于容許應(yīng)力170 MPa，滿足要求；橫梁最大位移出現(xiàn)在橫梁跨中附近，約為24.1 mm，小于容許位移L/400=11300/400=28.3（mm）。

（3）經(jīng)驗(yàn)算得知，橫梁的跨度不宜太大，鐵路股道的具體位置對(duì)橫梁的受力影響較大，在滿足鐵路相關(guān)要求的情況下，縱梁應(yīng)盡量靠近鐵路以減小橫梁跨度。

[1]Buick Davison,Graham W.Owens.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國電力出版社,2009.

[2]Buick Davison,Graham W.Owens.Structural Steel Designer’s Handbook[M].Beijing:China Electric Power Press,2009.

[3]GB 50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[s].

[4]孟國清.既有線框構(gòu)橋頂進(jìn)施工縱、橫梁加固體系的分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2007(1):30-33.

[5]但澤義,趙熙元.鋼桁架桿件次應(yīng)力的分布規(guī)律及設(shè)計(jì)建議[J].工業(yè)建筑,1984(1):30-33.

[6]Dan Ze-yi,Zhao Xi-yuan.The Distribution Characteristic of Rod Secondary Stress and the Desgin Suggestion of Steel Truss[J].Industrial Construction,1984(1)30-33.