鐵路鋼筋混凝土異型剛構(gòu)橋加寬加固設(shè)計(jì)

高 策 李 昊 張夫健

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

鋼筋混凝土剛構(gòu)橋可有效降低結(jié)構(gòu)高度，橋墩角度及位置可以根據(jù)橋下被跨越物的具體情況靈活布置。和框架橋相比，剛構(gòu)橋無底板，跨越市政道路時(shí)，道路下方可埋設(shè)管道，后期道路改造時(shí)亦不影響鐵路運(yùn)營。處于咽喉區(qū)時(shí)，可以根據(jù)股道情況靈活布置成變寬形式[1-4，11]。某鐵路項(xiàng)目由于站場(chǎng)改造，調(diào)整了股道布置，抬高了縱斷面高程，需對(duì)咽喉區(qū)內(nèi)既有剛構(gòu)橋進(jìn)行加寬加固設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)資料及邊界條件

1.1 鐵路主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(既有/新建)

鐵路等級(jí)：國鐵Ⅰ級(jí)及站線/高速鐵路及站線；

設(shè)計(jì)速度：時(shí)速120 km/時(shí)速250 km，道岔通過時(shí)速不大于80 km；

設(shè)計(jì)活載：中-活載/ZK活載；

曲線半徑：R≥2 000 m；

線間距：7 m/4.4 m；

軌道類型：有砟軌道、無縫線路。

1.2 結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)

既有橋?yàn)?13+24+13) m剛構(gòu)，分左右兩幅，左幅橋面等寬(13.2 m)，右幅橋?yàn)樽儗?11.6～18.8 m)。兩幅橋間有2 cm斷縫。原設(shè)計(jì)左幅橋上有雙線鐵路，線間距為7 m，右幅橋有三線鐵路。該橋竣工于2008年，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主梁及剛構(gòu)橋墩采用C40混凝土，主筋為HRB335鋼筋。兩側(cè)為U形橋臺(tái)，群樁基礎(chǔ)，橋臺(tái)處設(shè)置盆式橡膠支座。橋址處地層主要為細(xì)砂、中砂、細(xì)圓礫土，基礎(chǔ)均按摩擦樁設(shè)計(jì)。

原設(shè)計(jì)為中-活載標(biāo)準(zhǔn)，軌底至梁頂距離為0.65 m，梁高1.3 m，橋墩厚度為1.2 m。橋下為運(yùn)營城市道路(見圖1)。

圖1 既有橋立面(單位：cm)

根據(jù)站場(chǎng)改造要求，原有股道全部拆除，新建線路左幅橋上為正線，線間距4.7～5 m，由直線及半徑2 000 m的圓曲線組成。右幅橋上三股道向外側(cè)偏移，其中最外側(cè)股道位于剛構(gòu)橋外緣2.2 m處。受外部因素控制，線路縱斷面較原設(shè)計(jì)抬高60～70 cm(如圖2所示)。

圖2 既有橋及原設(shè)計(jì)股道布置平面(單位：cm)

2 設(shè)計(jì)方案

本橋建成時(shí)間較短，橋梁運(yùn)營狀態(tài)良好，本著充分利用、減少浪費(fèi)的原則，主要考慮利用既有橋。

最右側(cè)新建股道3位于原剛構(gòu)橋范圍以外，股道2到既有橋右側(cè)邊緣不滿足到擋砟墻內(nèi)側(cè)2.2 m的距離要求，且股道2部分位于既有懸臂板上方，無法承受列車及軌道荷載。因此，決定在右側(cè)新建一幅剛構(gòu)橋(完全與既有橋?qū)撞贾?，施工時(shí)需切除既有橋右側(cè)懸臂板，新建橋面與切除懸臂后的橋面間設(shè)2 cm縫隙。

車站附近剛構(gòu)橋下方城市道路一般為“V”形縱斷面，且橋下凈高富余量有限，剛構(gòu)橋橫橋向兩端梁底下緣處一般為道路凈空的控制點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分核實(shí)加寬橋梁對(duì)橋下機(jī)動(dòng)車道、非機(jī)動(dòng)車道凈空的影響，保證通行需要。

本橋位于車站內(nèi)，附近道岔較多。《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]中要求“無縫道岔不應(yīng)設(shè)在路橋過渡段上”，“正線道岔不應(yīng)跨越梁縫，站線道岔不宜跨越梁縫；困難條件下跨越梁縫時(shí)應(yīng)滿足道岔使用及橋梁安全要求”。

根據(jù)上述規(guī)范條文及相關(guān)專業(yè)意見，調(diào)整了站場(chǎng)布置，將正線道岔移出了過渡段。

站線股道2穿越加寬橋與既有右幅橋間的縫隙。經(jīng)軌道專業(yè)調(diào)整，道岔導(dǎo)曲線、轉(zhuǎn)轍器及轍叉部分避開了梁縫。梁體為剛構(gòu)梁，整個(gè)道岔與梁體之間保證了良好的整體性。經(jīng)計(jì)算，快速制動(dòng)位移滿足相關(guān)規(guī)范要求，橋梁墩臺(tái)縱向水平剛度、橋梁的剛度等可保證道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的正常使用；在路橋過渡段位置采取了加強(qiáng)措施，以確保道岔剛度、彈性均勻合理。本線為有砟軌道，工后沉降可通過道砟調(diào)整。因此，股道2可以穿越縫隙，滿足相關(guān)要求(如圖3)。

圖3 新建線路及橋梁平面布置

線路縱斷面較原設(shè)計(jì)抬高60～70 cm。如果直接通過填筑道砟達(dá)到設(shè)計(jì)軌面高度，軌下道砟厚度過大(1 m左右)，軌道結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。如直接采用實(shí)體混凝土結(jié)構(gòu)，既有橋無法承受增加后的二期恒載。因此，采用了橋上設(shè)置鋼筋混凝土空心道砟槽板的方案，以達(dá)到提高軌道高度、減小二期恒載增量的目的。以正線所在左幅橋?yàn)槔招牡理牟郯遢^填筑道砟方案二期恒載減小5%，較實(shí)體混凝土道砟槽二期恒載減小20%。

3 新建加寬橋

加寬橋梁平行于既有橋右側(cè)邊緣，橋面寬度按線路中心至擋砟墻內(nèi)側(cè)不小于2.2 m等寬設(shè)計(jì)(垂直寬度為8.1 m)，右側(cè)設(shè)置1.3 m寬懸臂，懸臂板上方設(shè)置混凝土電纜槽及蓋板。加寬橋梁頂面高程與既有橋基本一致，并順應(yīng)既有橋設(shè)置橫向1%排水坡，向右側(cè)排水。橋面最低點(diǎn)位于懸臂板上方，并設(shè)置泄水管、集水管排水。由于既有橋右側(cè)懸臂已切除，可在既有橋頂板上方橋墩附近開孔，排出橋面雨水。

新建梁部按鋼筋混凝土受彎構(gòu)件計(jì)算，結(jié)構(gòu)自重采用26 kN/m3。二期恒載包括鋼軌、道砟、軌枕、防水層、保護(hù)層、人行道遮板、欄桿、擋砟墻、接觸網(wǎng)支柱、電纜槽豎墻及蓋板、空心道砟槽板等。基礎(chǔ)不均勻沉降按0.01 m計(jì)，采用midas civil軟件建立模型。本橋橫向尺寸較小，可按照梁單元計(jì)算梁部及橋墩內(nèi)力，根據(jù)內(nèi)力配置鋼筋(見表1)，主筋直徑為28 mm，頂?shù)酌娌捎秒p肢布置，墩頂上緣彎矩較大處按雙層布置，橋墩按鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件計(jì)算[6-7，12]。

表1 新建加寬橋梁部縱向配筋主力計(jì)算

既有承臺(tái)橫向尺寸大于既有剛壁墩尺寸，而新建梁部緊鄰切除懸臂后的既有梁部，新建剛壁墩及基礎(chǔ)無法按照梁部中心居中布置。故將新建橋梁承臺(tái)緊鄰既有橋承臺(tái)布置，使樁基滿足最小樁間距(2.5倍樁徑)的要求。將剛壁墩內(nèi)側(cè)與承臺(tái)內(nèi)側(cè)對(duì)齊，外側(cè)與懸臂根部對(duì)齊(見圖4)。此時(shí)梁部橋墩相對(duì)于承臺(tái)有一定偏心(墩身橫向偏心為0.42 m)，考慮橫向偏心彎矩影響，采用了4根φ1.25 m樁基。新建橋梁基礎(chǔ)緊鄰既有橋，應(yīng)適當(dāng)增加鋼護(hù)筒長度，加強(qiáng)施工管理，以避免坍孔，影響既有橋結(jié)構(gòu)安全。

圖4 新建加寬橋與既有橋橫向關(guān)系(單位：cm)

既有橋橋臺(tái)與公路橋臺(tái)類似，為空心U形臺(tái)(臺(tái)頂設(shè)置搭板，臺(tái)長4.5 m)。考慮到U形臺(tái)臺(tái)內(nèi)填料不易壓實(shí)、臺(tái)高僅5 m的實(shí)際情況，加寬段采用實(shí)體一字臺(tái)(臺(tái)長3 m)，按照主動(dòng)土壓力計(jì)算臺(tái)身受力并配置基礎(chǔ)。為與剛構(gòu)梁部橋面順接，臺(tái)頂也設(shè)置了相同高度的道砟槽。

4 空心道砟槽板

4.1 空心道砟槽板設(shè)計(jì)

為了滿足軌道結(jié)構(gòu)要求，減輕二期恒載，橋上設(shè)置了空心道砟槽板。道砟槽板采用矩形孔并設(shè)置倒角改善受力。全橋共設(shè)置3類道砟槽，正線左右線下方為A1型，寬9.9 m；股道2和股道3下方、既有橋右幅上方為A2型，寬7.6～10.5 m。A3型道砟槽板設(shè)于新建加寬橋上，寬6.7 m(見圖5)。

道砟槽板高度應(yīng)能保證正線軌枕下方道砟厚度不小于35 cm，并在道砟槽橫向兩側(cè)設(shè)置擋砟墻。空心矩形孔橫向尺寸最大為1.12 m，高0.35 m，頂板厚20 cm。道砟槽按鋼筋混凝土受彎構(gòu)件計(jì)算并配置鋼筋(見表2)。

為避免道砟槽與既有剛構(gòu)橋縱向共同受力，道砟槽順橋向每2 m設(shè)置一道斷縫。

表2 道砟槽頂板主力配筋計(jì)算

圖5 橋上空心道砟槽板橫斷面(單位：cm)

4.2 既有橋頂面植筋

為保證道砟槽與既有橋有效連接，避免發(fā)生水平位移，施工前，應(yīng)對(duì)既有橋頂面進(jìn)行植筋。澆筑時(shí)，在新建加寬橋頂面預(yù)埋鋼筋。

植筋施工時(shí)應(yīng)避開原梁體鋼筋，并將結(jié)構(gòu)保護(hù)層鑿除，形成垂直操作面后再鉆孔植筋，其鉆孔深度應(yīng)從操作面算起。施工時(shí)應(yīng)結(jié)合具體植筋膠特性，對(duì)鋼筋的錨固性能進(jìn)行確認(rèn)。

在規(guī)定的初凝時(shí)間內(nèi)進(jìn)行植筋安裝，使得植筋膠均勻地附著在鋼筋的表面及縫隙中，固化后再進(jìn)行焊接、綁筋等工作，在固化期內(nèi)禁止擾動(dòng)鋼筋[14]。

二次澆筑混凝土前，應(yīng)對(duì)新舊混凝土接觸表面進(jìn)行濕潤、鑿毛處理，涂刷界面劑。植筋采用16 mm直徑鋼筋，間距為30 cm(見圖6)。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)橋面植筋后

5 既有橋檢算

既有橋梁較寬(橫向?qū)挾冉咏虼笥谶吙缈缍?，為了反映橋梁實(shí)際受力特點(diǎn)，采用midas civil程序建立模型(見圖7)，按照板單元計(jì)算內(nèi)力。選取各截面最不利內(nèi)力進(jìn)行配筋計(jì)算。采用板單元可以準(zhǔn)確反映支座反力和支座附近的梁部橫向受力狀態(tài)[15]，但其內(nèi)力計(jì)算較為復(fù)雜。

設(shè)計(jì)活載由中活載變?yōu)閆K活載，活載減小對(duì)于既有橋利用是一個(gè)有利因素。二期恒載主要包括軌道結(jié)構(gòu)、道砟、空心道砟槽板、防水層保護(hù)層、電纜槽及電纜等重量。

圖7 右幅橋計(jì)算模型

結(jié)合竣工資料進(jìn)行計(jì)算，縱向配筋均滿足要求，但右幅下緣橫向超限，主力下最大鋼筋應(yīng)力為205 MPa，裂縫寬度為0.26 mm，因此，需對(duì)該幅橋梁下緣橫向部分進(jìn)行加固。經(jīng)檢算，橋墩配筋及基礎(chǔ)、剛度、梁端折角均滿足要求(見表3、表4)。

表3 變寬橋主力縱向配筋計(jì)算

表4 變寬橋下緣主力橫向配筋檢算

對(duì)各支座反力進(jìn)行計(jì)算(見表5)，按照支座實(shí)際承載力最大容許超出5%設(shè)計(jì)承載力的標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量為2 600 kN、2 300 kN的三個(gè)支座承載力不滿足要求，需更換為質(zhì)量2 900 kN的支座。

表5 主力下超限支座情況一覽

6 既有橋加固

為了滿足橫向受力需要(見表6)，于中跨下緣跨中附近順橋向10 m范圍內(nèi)布置橫向鋼板(通長布置)，與右幅橋底同寬，順橋向間距為20 cm，每根鋼板寬10 cm。施工時(shí)采用粘鋼膠粘貼于梁底[5]。

表6 變寬橋加固后下緣主力橫向檢算

粘鋼膠必須采用專門配制的改性環(huán)氧樹脂膠粘劑，粘鋼膠的性能應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求[14]。

粘貼鋼板流程為：混凝土表面處理-鉆孔植埋螺栓-待粘貼鋼板打孔與表面處理-配制結(jié)構(gòu)膠和粘貼鋼板-加壓固定-鋼板表面防腐處理。

植入螺栓應(yīng)有配套螺母，粘貼鋼板后交替擰緊各螺母進(jìn)行加壓，使多余的膠沿板邊擠出，以達(dá)到鋼板與結(jié)構(gòu)密貼粘合的目的。

7 附屬結(jié)構(gòu)及其他

本項(xiàng)目為電氣化鐵路，需設(shè)置接觸網(wǎng)立柱。一般而言，如剛構(gòu)橋跨度較小，無其他控制因素時(shí)，盡量將接觸網(wǎng)立柱設(shè)于路基范圍內(nèi)，避免增加橋上荷載。當(dāng)橋上設(shè)有道岔時(shí)，接觸網(wǎng)立柱一般設(shè)于岔心附近，立柱形式為一般腕臂柱或硬橫跨。對(duì)于既有橋，需根據(jù)立柱位置植筋，設(shè)置立柱基礎(chǔ)。確定植筋位置時(shí)應(yīng)注意立柱腕臂與受電股道基本垂直。立柱距臨近線路距離應(yīng)滿足規(guī)范要求，距離過小會(huì)造成侵限，距離過大會(huì)超出供電范圍。

道岔前后一般設(shè)有轉(zhuǎn)轍機(jī)，轉(zhuǎn)轍機(jī)有一定的工作及維護(hù)空間要求，如線間距較大時(shí)，宜將轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)置于線路內(nèi)側(cè)。如只能設(shè)置在外側(cè)時(shí)，則應(yīng)根據(jù)其空間要求，必要時(shí)增加結(jié)構(gòu)懸臂，將電纜槽適當(dāng)外繞(一般橫向加寬1 m即可滿足要求)。懸臂長度增大后，應(yīng)根據(jù)計(jì)算增加配筋或增大截面高度。為便于電纜彎折順接，加寬段兩端一般宜設(shè)置1 m以上的寬度漸變段。

8 結(jié)束語

(1)橋上設(shè)置空心道砟槽板可滿足大幅抬道后軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求，有效減小二期恒載，為利用既有橋梁創(chuàng)造條件。

(2)經(jīng)過計(jì)算并采取相應(yīng)處理措施后，站線道岔可以穿越橋梁斷縫。

(3)根據(jù)檢算結(jié)果對(duì)既有橋粘貼鋼板進(jìn)行加固并更換超限支座，實(shí)現(xiàn)了對(duì)既有橋的充分利用。

(4)設(shè)計(jì)應(yīng)重視核實(shí)橋下凈空、橋上接觸網(wǎng)立柱設(shè)置及轉(zhuǎn)轍機(jī)加寬等內(nèi)容。

[1] 龍佩恒，等.城市軌道高架橋動(dòng)力響應(yīng)分析與監(jiān)測(cè)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2017(12):54-58

[2] 蘇偉，王俊杰.秦沈客運(yùn)專線剛構(gòu)連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2001(11)

[3] 李鳳芹，馬勝雙，王俊杰.客運(yùn)專線斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2007(2)：29-32

[4] 孟慶濤.山西中南部鐵路斜交剛構(gòu)連續(xù)梁橋設(shè)計(jì)[J].鐵道勘察，2013(5)：73-76

[5] 李輝.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的病害原因分析及加固設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(4)

[6] 黃棠，王效通.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：中國鐵道出版社，1989

[7] 葉見曙 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社，1996

[8] 郝瀛.鐵道工程[M].北京：中國鐵道出版社，2000

[9] 鐵道部專業(yè)設(shè)計(jì)院.混凝土橋[M].北京：中國鐵道出版社，2000

[10] 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.客貨共線鐵路橋梁盆式橡膠支座[Z].北京：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2006

[11] 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.時(shí)速250 km客專鐵路有碴軌道鋼筋混凝土斜交剛構(gòu)連續(xù)梁(雙線)[Z].天津：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2005

[12] 鐵道部.TB10002.3—2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005

[13] 鐵道部.TB10015—2012 鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2012

[14] 住建部.GB50367—2013 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013

[15] 邱順東.橋梁工程軟件midas Civil常見問題解答[M].北京：人民交通出版社，2009