上跨既有鐵路現澆混凝土構筑物支撐結構形式研究

黃晶晶

（中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京 101400）

上跨既有鐵路現澆混凝土構筑物支撐結構形式研究

黃晶晶

（中鐵十六局集團第四工程有限公司，北京 101400）

結合巴達鐵路申家灘上行特大橋門式墩的工程實踐，介紹由貝雷梁組成的鋼支撐結構形式在上跨既有鐵路現澆混凝土施工中的應用。

上跨既有鐵路；貝雷梁；鋼管立柱；倒角支撐；砂箱

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.07.074

1 工程概況

巴達鐵路申家灘上行特大橋位于四川省達州市境內，地處川東北山區，地勢險要，該橋沿既有襄渝線并行接入襄渝線，其中25#~27#門式墩上跨既有襄渝線，與既有襄渝線以9.94°上跨立交。上部結構設計采用32m簡支“T”形梁，下部結構采用樁基承臺基礎、門式橋墩，25#～27#門式墩凈跨分別為：19.5m、19m和19m，蓋梁截面尺寸（寬×高）為：2.9m×2.5m。

申家灘上行特大橋門式墩位于川東北山嶺地區，交通條件及現場施工環境極差，門式墩蓋梁施工主要存在以下幾個難點。

1)現場吊裝環境差。申家灘門式墩位于山嶺凹地處，門式墩上跨既有鐵路橋，吊裝高度大于30m，且受既有鐵路橋影響，吊裝視線差增加了吊裝難度。

2)門式墩墩跨度大，跨度達15m，因上跨既有鐵路不能采用滿堂支架支撐等相似形式的支撐結構形式，采用一般的桿件結構，跨中撓度達不到要求，因此對承重結構的撓度要求比較高。

3)申家灘上行特大橋門式墩上跨既有鐵路，承重結構吊裝需在圖定的封鎖點時間內完成，既有襄渝線的封鎖時間為45min，留給施工的時間只有30min，在這30min中需完成門式墩蓋梁承重結構吊裝和固定工作，時間極其緊張。

4)門式墩蓋梁與既有襄渝線接觸網承力索之間空間狹小，蓋梁施工完成后，蓋梁承重結構拆除施工難度大。

2 方案比選

隨著我國建設工程的快速發展，門式墩大量應用于鐵路、公路及市政工程中，按門式墩蓋梁形成方式主要分為現澆和預制兩種，針對本項目，門式墩蓋梁設計采用現澆施工。施工前期，曾考慮優化門式墩蓋梁結構形式，建議蓋梁改為鋼箱梁，場外預制成型，一次吊裝就位。門式墩蓋梁采用預制鋼箱梁有著施工時間短、對既有線的干擾最小的優點，但預制梁本身重量較大，針對本項目受地形條件和既有鐵路的影響，交通條件極差，大型吊裝設備無法進場，不能滿足預制梁吊裝需求。因此，將門式墩蓋梁結構改為預制鋼箱梁形式不適合本項目。

門式墩蓋梁采用現澆法施工，常用的承重結構有滿堂支架、型鋼支撐及貝雷片支撐等方式。

針對本項目門式墩上跨既有線橋梁的特點，滿堂支架法施工不適用于本項目。

選用型鋼作為門式墩蓋梁的直接受力結構，針對本項目門式墩跨度大的特點，為確保不與既有鐵路設備發生接觸，型鋼兩端支撐點的間距不得小于14.5m，跨中撓度不得大于24.17mm，在型鋼選型過程中，考慮使用常用最大型號的工字鋼I63c，按滿鋪考慮，再通過計算機模擬檢算，驗算其撓度是否滿足規范要求，通過檢算，跨中撓度為26.43mm。不能滿足規范要求，因此采用型鋼支撐不適用于本項目。

貝雷片支撐在門式墩施工中已得到廣泛應用，施工技術相對也比較成熟。本項目門式墩采用貝雷片支撐，需滿足貝雷梁安裝空間的需要。本項目門式墩上跨既有襄渝線，蓋梁底部距既有鐵路接觸網承力索線最小只有1.9m，貝雷片標準高度為1.5m，上下加設加強弦桿后，結構高度為1.7m，再加上上部的縱梁和底模的高度，蓋梁底部空間全部利用完畢。按此安裝后，貝雷梁與既有鐵路接觸網承力索剛好貼著，承力索為高壓帶電體，電壓高達27.5kV，存在巨大的安全隱患。若不能解決這個問題，將不能采用貝雷片作為蓋梁的支撐結構。通過與鐵路設備管理單位溝通咨詢，在保證既有鐵路運營安全的前提下，可以適當調整接觸網線結構高度，這樣的話，通過調整接觸網線結構高度，能使貝雷片與既有接觸網承力索之間有一定的空隙。再輔助一些防電措施，能確保施工作業環境安全。

通過詳細的調查研究，最終選擇貝雷片作為門式墩蓋梁的主要承重結構，倒角部分采用碗扣式腳手架支撐，即貝雷梁支撐結構形式為貝雷片+碗扣式腳手架。貝雷片為標準件，屬桁架結構，將貝雷片組裝成貝雷梁，直接承受蓋梁重量。選擇貝雷片作為門式墩承重結構有如下優點：

1）受力性能好。貝雷片為桁架結構與常規的桿件相比，受力性能能提高30%。

2)運輸方便、組裝快速。貝雷片常規尺寸為3m×1.5m（長×高），體積較小，運輸方便，特別適用于交通條件比較差的工程；貝雷片與貝雷片之間可通過銷釘快速鏈接固定。

3)靈活性高。貝雷片與貝雷片之間可通過支撐架鏈接組成框架結構，且可通過調整支撐架的尺寸來調整貝雷梁框架結構的寬度，通過這一點可靈活調整門式墩蓋梁施工平臺的寬度。

4)吊裝一次成型。可根據門式墩的跨度，提前將貝雷片在場外組裝好，在規定的封鎖時間內一次吊裝完成，并本身為框架結構能保持自身的穩定性，節約了加固的時間。

5)跨中撓度變形小。通過力學驗算得出貝雷梁跨中撓度不到20mm，小于規范允許值。

3 方案設計

3.1 下部支撐結構方案

下部結構豎向支撐結構由鋼管立柱承擔，鋼管立柱尺寸為：管徑準630mm，壁厚10mm。蓋梁兩側各設置1排鋼管立柱，跨度為14.7m，鋼管中心正好各自對應上倒角點。每側設置4根鋼管，鋼管與鋼管之間間距為135cm。

鋼管頂部采用20mm鋼板進行封閉，鋼板上方設置砂箱，砂箱的承載力不小于200t。砂箱的高度為30cm高，分上、下兩半部分。

砂箱頂部設置工字鋼橫梁，橫梁采用3根I320a工字鋼并焊而成，工字鋼內外側在對應砂箱位置處采用10mm鋼板加肋，加肋間距為20cm。

3.2 上部支撐結構方案

門式墩蓋梁確定采用貝雷片作為支撐結構后，需確定貝雷片的組合形式。門式墩蓋梁除蓋梁倒角以外，跨度為14.7m，貝雷片的組合長度選定為15m，每排由5片貝雷片組成，為加強貝雷片的受力性能，在貝雷片上、下底部加設加強弦桿，如此，貝雷片的受力性能將增強一倍，大量減少貝雷片的使用數量，一方面節約了成本，另一方面相對來說也加快了施工進度。

為確保門式墩蓋梁施工的安全，考慮蓋梁本身的荷載及施工過程中的活載，確定貝雷梁的數量。最終貝雷梁的組合形式為：共12排貝雷片，每排貝雷片由5片標準貝雷片組成，長15m，貝雷片上下加設加強弦桿；每3排貝雷片組成1組貝雷梁，由標準支撐架連接，共4組貝雷梁。

4 蓋梁支撐結構受力及穩定性分析

4.1 蓋梁支撐結構計算模型

利用大型通用有限元軟件Midas/civil建立門式鋼支架模型，除貝雷梁斜桿采用桁架單元模擬、防電板采用板單元模擬外，其他結構構件均采用梁單元模擬。

門式鋼支撐包括鋼管柱、橫梁和貝雷梁，共劃分為2584個單元，其中梁單元2162個，桁架單元400個，板單元22個；節點1696個；鋼管柱底面、側面固結，柱頂固結橫梁，橫梁約束貝雷梁各向位移。結構整體模型見圖1。

圖1 結構整體模型

4.2 貝雷梁受力分析

4.2.1 位移

貝雷梁位移限值為L/600=23.8mm。根據檢算結果，貝雷梁在橋墩蓋梁荷載作用下的最大位移為20.714mm，加上下行風荷載后最大位移為20.722mm，均小于位移限值，因此結構安全。

4.2.2 剪應力

《鐵路橋梁鋼結構設計規范》規定的Q235鋼材的剪應力容許值為80MPa，Q345鋼材的剪應力容許值為120MPa。根據檢算結果，貝雷梁的最大剪應力為79.6MPa，出現在弦桿位置，小于規范的容許值，因此結構是安全的。

4.2.3 組合應力

《鐵路橋梁鋼結構設計規范》規定的Q345鋼材的應力容許值為210MPa，屈服強度為345MPa。根據檢算結果，貝雷梁的最大組合應力為180.5MPa，出現在下弦桿支座處，小于規范的容許值，因此結構是安全的。

4.3 橫梁受力分析

橫梁主要承受由貝雷梁傳遞下來的荷載，在自重+貝雷梁傳遞下來的荷載作用下，根據檢算結果，橫梁最大的位移為2.2mm，與橫梁跨度比值為1/2750。

橫梁的最大剪應力為26.4MPa，小于《鐵路橋梁鋼結構設計規范》規定的Q235鋼材剪切容許應力80MPa；橫梁的最大組合應力為31.4MPa，小于Q235鋼材的容許應力140MPa，結構安全。

4.4 鋼管立柱受力分析

4.4.1 位移

根據檢算結果，鋼管柱在蓋梁施工過程中的變形不大，最大位移為2mm；列車風荷載對鋼管柱的變形影響較小。

4.4.2 應力

《鐵路橋梁鋼結構設計規范》規定的Q235鋼材的應力容許值為140MPa，根據檢算結果，鋼管柱的最大組合應力為56.2MPa，小于規范的容許值，因此結構是安全的。

4.5 支撐結構整體穩定性

將門式鋼支撐自重作為不變荷載，將橋墩蓋梁荷載+下行風荷載作為可變荷載，得到結構的第一階失穩系數為11.3。由于第一階失穩系數大于1，所以門式鋼支架不會出現失穩破壞。

5 結語

申家灘上行特大橋上跨既有襄渝線門式墩施工，施工作業環境差、上跨既有繁忙干線鐵路，受既有線干擾極大，施工安全風險極高。通過現場認真研究，選擇貝雷梁作為門式墩蓋梁的承重結構，有受力性能好、組裝方便、靈活性好、吊裝一次成型及跨中撓度小等優點，有效解決存在的困難。

【1】耿慶軍.跨級有線門式墩施工技術[J].黑龍江科技信息，2009（4）：185-185.

【2】李航.跨級有線門式墩貝雷梁支架施工方案探討[J].中國科技博覽，2011（25）：45-45.

【3】汪海旺.成綿樂鐵路客運專線跨既有寶成線門式墩帽梁支架施工技術[J].鐵道標準設計，2011（5）：45-47.

Research on the Form of the Support Structure of the Existing Cast-in-place Concrete StructuresAcross of Existing Railway

HUANGJing-jing
(ChinaRailway16thBureauGroupFourthEngineeringCo.Ltd.,Beijing101400,China)

Binding ofBada railway Shenjiatan uplink bridge portal pier engineering practice,the paper introduced consisting ofBailey beamof steel support structureinacrossexistingrailwaypouringconcreteconstructionintheapplication.

acrossexistinglines;Baileybeam;steelpipecolumn;chamferingsupport;sandbox

U448.17

A

1007-9467（2016）07-0118-02

2016-6-3

黃晶晶（1985～），男，江蘇啟東人，工程師，從事技術管理方面的研究，（電子信箱）13905300903@163.com。