頂進框構橋縱橫梁加固法設計分析與應用

張 苒

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300142)

框構頂進施工一般是為不中斷鐵路運營而采用的技術方法。在頂進過程中，必須對既有鐵路進行加固，從而確保既有線行車安全和施工安全[1]。選擇線路加固方法時，應首先考慮對運輸影響小、保證鐵路運營安全、施工簡便易行等因素。此外，還應根據路基填土的性質、頂進橋涵的結構尺寸、框構頂上的覆土厚度，以及施工季節、地下水位變化等綜合狀況來考慮。

1 線路加固方法

1.1 常用方法

目前頂進框構橋施工通常采用的線路加固法有便梁加固法和縱橫梁加固法，它們從構造與受力上分別稱為便梁加固體系和縱橫梁加固體系[2]。

便梁加固法是用便梁將線路架起，便梁通過支座支撐在梁端支撐樁頂部，將線路與便梁聯結成新的結構體系，以保證線路穩定運營的加固方法。便梁最常見形式為D型便梁[3]。便梁受力的整體性較好，但對支撐基礎的要求較高，目前常用的D型便梁最大跨度為24 m。此外，使用便梁加固覆土厚度須在1 m以上。適用于曲線半徑R≥400 m的單線或雙線，線間距根據不同跨度有不同的限制值。施工期間限速45 km/h。便梁形式如圖1(a)。

隨著框構跨度的增大以及橋位處雙線、多線的線間距和覆土厚度的限制，當便梁加固法不適用時，可考慮使用縱橫梁加固法。縱橫梁加固法是將工字鋼在頂進橋位處沿平行、垂直線路方向橫抬縱挑、立體交叉。橫梁承托枕底或軌底，采用“U”形卡具與架在其上的縱梁連接，結合吊軌、支撐樁、抗橫移樁、防護樁來加固線路，實現線路在橋位處架空的條件下列車通行。新的結構隨挖隨頂，直到就位。

縱橫梁法由于配合采用支撐樁、抗橫移樁、防護樁及對橋位處路基進行注漿加固等措施，因而可以保證線路加固體系的穩定性。縱橫梁受力體系可在縱、橫向無限延伸[4]，以滿足不同線別、跨度、交角及地質條件的頂進施工要求，見圖1(b)。

圖1 常用的2種線路加固方法(單位：cm)

1.2 縱橫梁加固法設計要點

1)對頂進框構橋進出口兩側的路基進行防護。

2)應在頂進前方側的路基邊坡處設一排支撐樁來固定橫梁。支撐樁距框構前進方向最外側的線路中心約4 m左右。

3)應在框構頂進的前進方向支撐梁的外側設置一排帶有冠梁的抗橫移樁，以保證線路橫向穩定。樁徑、長度、配筋等應根據框構頂進時的最大橫向力確定。

4)線路加固段應全部換成長木枕，并在軌底設置墊板，以固定軌面。

5)線路加固段下設橫抬縱挑工字鋼承重體系，工字鋼一般采用 I40 或 I50。橫抬梁工字鋼下設槽鋼作為滑道，其鋪設間距一般不大于1.5 m，并與枕木間距相匹配。橫抬梁之間應以短木頂死；縱挑梁2根或3根一組分設于每股線路兩側，并于線路加固的末端架在專門設置的枕木垛上[5]。

安裝橫梁時，相鄰橫梁的接頭錯開1.5 m及以上。扣板螺栓不得高于行車限界。兩軌間的吊梁、螺栓和扣板等不得侵占護輪軌輪緣槽位置。

6)按組成3-5(7)-3形式扣軌加固線路，兩端伸出箱涵邊墻外3～5 m，為保行車安全，需加設臨時梭頭。當新增結構位于道岔區時，線路上扣軌應盡量在每個角落設置，還應根據需要增加輔助橫梁，尤其是叉心處，以保證道岔的穩定性[6]。

7)所有加固用的扣軌、枕木、橫抬梁、縱挑梁相聯結處均需以緊固卡予以固定。

8)為保證橫抬梁的結構穩定，應至少在橫抬梁的始末端以角鋼在其頂部焊接成縱平聯[7]。

9)在頂進中，由于框構高程的變化，帶動土體引起軌面高程變化。為便于隨時調整，可在橫梁與枕木間用1～5 cm厚的木板墊塞，槽鋼與箱涵頂板間也以木楔墊塞。

10)軌道與橫抬梁間要加設絕緣墊板，以避免對電器信號的干擾。

2 有限元模型設計分析

2.1 工程概況

既有鐵路為雙線，線路中心距4.5 m，橫梁間距0.9 m，三根縱梁間距分別為5 m，5.25 m，橫梁上架設縱梁。框構高度10 m，前懸臂板寬4 m，土體穩定摩擦角45°。橫梁兩端固定在支撐樁上。橫梁縱梁選用型鋼如下：°

1)橫梁采用Q235工字鋼(I40b)；

2)縱梁采用Q235工字鋼(兩個一組 I45b)。

2.2 設計參數

1)自重：型鋼重度76.9 kN/m3。

2)二期恒載：含軌道、枕木、扣件等，荷載通過軌道、扣件傳到橫梁節點上，折算到每個節點荷載為0.369 kN。

4)地基豎向比例系數m0取40 MPa/m2。

2.3 模型建立

應用MIDAS/Civil 2015有限元分析軟件建立縱橫梁加固體系的空間有限元模型(如圖2)，分析縱梁和橫梁在列車活載作用下的受力與變形狀態。用虛擬梁單元模擬車道，空間梁單元模擬縱梁和橫梁。橫梁與縱梁之間采用彈性連接，位移協同，釋放轉角自由度；橫梁與路基彈性連接，彈性系數為K0；橫梁端部與支撐樁、抗橫移樁固接。

圖2 縱橫梁加固體系有限元模型

2.4 設計指標

1)強度指標

根據TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》[9]，需對縱梁及橫梁的強度進行檢算。橫梁、縱梁均作為在一個主平面內變形的純彎構件，按規范公式(4.2.1—2) 、(4.2.1—6)、(4.2.1—7)分別檢算構件的法向應力、剪應力和換算應力。

Q235qD鋼容許應力為：軸向應力[σ]=135 MPa；彎曲應力[σw]=140 MPa；剪應力[τ]=80 MPa。縱橫抬梁結構為臨時結構，根據TB 10091—2017第3.2.8條，取容許應力提高系數1.2；提高后的軸向應力、彎曲應力、剪應力容許值分別為162，168，96 MPa。

2)剛度指標

根據鐵總運[2014]272號《普速鐵路工務安全規則》[10]附表3-3規定了撓跨比，即梁體在靜活載下的撓度應不大于跨度的1/400。

3)構件的整體穩定

根據TB 10091—2017第4.2.2條檢算橫梁和縱梁的整體穩定性。

2.5 工況分析

針對頂進過程中3種不利工況進行建模計算。以下工況的縱、橫梁架空區均為頂進過程中的框構邊墻外側土體剝落區。

工況1：頂進過程中，單股道下方土體掏空，線路位于懸空段中部，橫梁架空跨度為6 m，計算模型如圖3。

圖3 工況1模擬

工況2：頂進過程中兩股道下方土體均掏空，橫梁架空跨度為6 m，兩股道與架空邊緣等距，計算模型如圖4。

圖4 工況2模擬

工況3：在始終不對線路進行注漿加固情況下，框構頂進就位，即框構頂進方向兩側土體自然剝落，橫梁14 m跨度懸挑。三根縱梁分別采用3根 I45b工字鋼，即加強了縱梁。計算模型如圖5。

圖5 工況3模擬

2.6 計算結果對比分析

提取工況1、工況2、工況3中的橫梁、縱梁在主力(恒載+活載)工況下的應力、位移，其對比如表1。

表1 應力、位移對比

由表1結果可知，工況3中，橫、縱梁的應力與位移均已嚴重超限，因此，對線路進行注漿加固很有必要。建立工況3加固后的模型，如圖6。加固后土體穩定摩擦角61°，縱梁架空跨度5.5 m。

圖6 工況3注漿加固模型

工況3注漿加固后橫梁最大彎曲正應力197 N/mm2，最大豎向位移-16.6 mm ；縱梁最大彎曲正應力-87 N/mm2，最大豎向位移-13.3 mm。橫梁應力、位移超限。再進行縱向注漿加固，對橫梁受力改善幾乎沒有作用。

因而在此基礎上，將橫梁改用 I45b，橫梁最大彎曲正應力148 N/mm2， 最大豎向位移-13.6 mm;縱梁最大彎曲正應力-85.7 N/mm2，最大豎向位移-9 mm。可以看出，加強橫梁可使結構滿足要求。

將線間距增大為5 m，仍加強縱橫梁，頂進方向兩側土體注漿至縱梁架空跨度5.5 m，計算的結構在頂進就位狀態下橫梁最大彎曲正應力為147 N/mm2， 最大豎向位移-14 mm ；縱梁最大彎曲正應力-82 N/mm2，最大豎向位移-9 mm。

由結果可知，此時橫梁位移已達到容許值，線間距再增大設計將不能滿足要求。

3 結論與建議

3.1 結論

1)橫梁最大應力與位移均出現在架空段跨中部附近，縱梁在架空段的布置位置對橫梁受力影響顯著。

2)單軌道置于架空段中部相對于兩軌道于架空段中心對稱布置時橫梁受力更不利，即鐵路股道位于架空段的具體位置對橫梁的受力影響較大。

3)垂直線路方向橫梁架空段長度為6 m時，橫梁位移、應力均已接近規范限制，橫向懸空長度大于6 m時，需加固線路或增大結構剛度。

4)頂進過稱中的結構最不利狀態為頂進就位時，頂進方向框構兩側土體自然滑空，結構受力、變形均超限。此時需要同時加強縱、橫梁，并對線路進行注漿加固才能滿足設計要求。

5)縱橫梁同時加強，頂進過程對線路注漿加固，最大能滿足的線間距為5 m，此時橫梁位移達到極限。

3.2 建議

1)頂進施工中隨著頂進方向架空跨度的增大，橫梁需要配合縱梁來加固線路，并應盡量增加前懸臂段長度，以縮小橫梁架空跨度。

2)縱梁應盡可能平行線路布置，以增強對橫梁的整體約束。

3)為減小頂進方向兩側土體掏空段，即減小縱梁架空跨度，頂進過程中應對線路進行注漿加固，增大路基土體內摩擦角。

4)當橫梁架空跨度達到最大，致使橫梁應力、位移均超限時，加強縱梁與減小縱梁架空跨度對橫梁受力改善不明顯，加強橫梁或減小橫向架空跨度對優化其受力狀態作用顯著。

5)在大線間距框構頂進時應加強縱梁或增設縱梁，以增大對橫梁的支撐剛度，減小橫梁跨度。

[1]馮衛星，王克麗.地道橋設計與施工[M].石家莊：河北科學技術出版社，2000.

[2]孟國清.既有線框構橋頂級施工縱、橫梁加固體系的分析[J].鐵道工程學報，2007,24(7)：42-46.

[3]李家隱.地道橋設計與施工[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[4]丁永平，王延波，曲衍賓.縱橫梁線路加固體系空間結構受力分析[J].鐵道工程學報，2009，26(9):42-45.

[5]劉洪亮，魏慶，李克銀.頂進框構橋既有線加固計算分析[J].城市道橋與防洪，2015，32(4)：42-43.

[6]孫鍵.鐵路架空施工中橫穿梁的受力分析[J].鐵道建筑，2010，50(2)：4-5.

[7]張春喜，臧其松.縱橫梁線路加固體系空間結構計算分析[J].建筑結構，2012，42(增1)：482-484.

[8]中國鐵路總公司.TB 10091—2017 鐵路橋涵設計基本規范 [S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[9]中國鐵路總公司.TB 10091—2017 鐵路橋梁鋼結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[10]中華人民共和國鐵道部.鐵總運[2014]272號 普速鐵路工務安全規則 [S].北京：中國鐵道出版社，2014.