超大設(shè)備過鐵路框架橋方案及安全分析

李孝平，范琴鋒

(中鐵四院集團(tuán)廣州設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510600)

0 引言

對于已經(jīng)投入運(yùn)營多年的既有橋梁，特別是鐵路跨公路立交橋，在其設(shè)計階段，主要依據(jù)當(dāng)時的鐵路橋梁、公路橋梁設(shè)計規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，其設(shè)計荷載及驗(yàn)算荷載依據(jù)規(guī)范給定的建議值并預(yù)留一定的安全系數(shù)。在運(yùn)營中，當(dāng)遇到要通過超大設(shè)備時，必須對現(xiàn)有橋梁進(jìn)行安全分析，并以此作為能否允許設(shè)備通過該橋梁的評定依據(jù)。本文以廣州中石化加氫反應(yīng)器通過茅崗路鐵路框架橋的安全分析為實(shí)例，以期為同類案例提供一定的參考方案。

1 概述

中石化廣州分公司的200萬/年柴油加氫項目，是廣州市的柴油升級項目，項目建設(shè)中有一臺大件設(shè)備——加氫反應(yīng)器，重約800 t、直徑4.7 m、寬7.0 m、高4.9 m、長39.657 m，運(yùn)輸時要經(jīng)過廣州市茅崗路的鐵路框架橋。

茅崗路鐵路框架橋?yàn)榉蛛x式框架橋，兩座橋?qū)撞贾茫蚣軜蚩讖綖?12+16+12) m三孔連續(xù)框架結(jié)構(gòu)，其中1#鐵路框架橋上通行廣深鐵路Ⅰ、Ⅱ#線，2#鐵路框架橋上通行廣深鐵路Ⅲ、Ⅳ#線，框架橋下為廣州市城市主干道—茅崗路，框架橋現(xiàn)狀路面凈高4.9 m。框架橋底地基土層分布：粉質(zhì)黏土層(σ0=120 kPa)；淤泥質(zhì)粉土層(σ0=70 kPa)，厚3.5～4.5 m；粉砂層(σ0=90 kPa)，厚約7 m；全風(fēng)化含礫砂巖層(σ0=200 kPa)。既有框架橋底采用直徑35 cm CFG樁加固，樁間距100×100 cm，樁長900～1 150 cm，如圖1所示。

圖1 框架橋立面圖(單位：cm)

2 擬采用的通過方案

超大設(shè)備的運(yùn)輸，首先要保證所運(yùn)載的設(shè)備安全，同時在通過特殊地段—比如立交橋時要考慮立交橋本身的承載能力，不能對立交橋的結(jié)構(gòu)安全造成危害，還要盡可能減少對現(xiàn)有道路的交通影響。對于本次運(yùn)輸，通過與設(shè)備生產(chǎn)廠家的溝通了解，并咨詢廠家的運(yùn)輸建議，征詢鐵路框架橋設(shè)施管理單位的意見，與道路交通管理部門多次協(xié)商運(yùn)輸組織方案，結(jié)合承運(yùn)單位的運(yùn)輸設(shè)備，制定了本次加氫反應(yīng)器通過鐵路框架橋的方案。

根據(jù)資料，此設(shè)備運(yùn)輸最大的障礙點(diǎn)在廣深鐵路茅崗框架橋，框架橋現(xiàn)狀路面凈高4.9 m，將路面挖低后最大通行高度可達(dá)5.2 m，由于受通行凈高的限制，加氫反應(yīng)器在該處擬采用“人工滑道+拉頂推法”通過。該過程由于占用了整個路面且操作時間較長，因此必須較長時間封閉該處道路。

選擇中間跨度為16 m的橋孔作為設(shè)備通過橋孔，先挖低既有路面。1#鐵路框架橋與2#鐵路框架橋之間距離約40 m，框架橋前后各60 m為設(shè)備作業(yè)區(qū)域，總挖低長度為160 m，挖低路面的范圍：160×10×0.4 m，以框架橋中心點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)，挖低后的路面，要求平整壓實(shí)，設(shè)備順利通過后按原來路面標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)。

設(shè)備過框架橋孔采用拉頂推法完成，鋪設(shè)6條鋼軌及6對頂推器同步頂推，前面用拉力機(jī)配合，如圖2～3所示。

圖2 設(shè)備構(gòu)件立面圖(單位：mm)

圖3 設(shè)備滑移平面圖(單位：mm)

加氫反應(yīng)器通過鐵路框架橋的具體步驟如下：

(1)加氫反應(yīng)器在運(yùn)至該橋位置附近封閉道路以便施工；

(2)按要求挖低路面，并在路面上鋪設(shè)30 mm厚的鋼板；

(3)裝載加氫反應(yīng)器的車輛停在準(zhǔn)確位置后，將車板高度升高至900 mm，用角木將車輛前后輪封死，使之不能前后移動；

(4)在設(shè)備5個鞍座兩邊各搭900 mm枕木墩，枕木墩完全與車板分離，確認(rèn)枕木墩符合要求后，解除超限設(shè)備捆扎封車設(shè)施，降低車板，緩慢將車板向前駛出，與鞍座分離后及時補(bǔ)上枕木墩；

(5)用12臺液壓千斤頂同時將加氫反應(yīng)器頂起5 mm，使鞍座與枕木墩分離，采用交叉收縮法逐步抽去枕木，慢慢將設(shè)備降至離鋼板300 mm的高度；

(6)鋪設(shè)鋼軌(與底下鋼板固定)、定向滑板(5組)、頂推器等，降下設(shè)備至鋼軌上，滑板與鋼軌的接觸面涂上黃油；

(7)在設(shè)備前面安裝拉車機(jī)，各項準(zhǔn)備工作就緒后，頂推器與拉力機(jī)同步向前拉，設(shè)備平穩(wěn)向前移動；

(8)待設(shè)備完全通過兩座鐵路框架橋后，撤出拉力機(jī)和頂推器；

(9)12臺液壓千斤頂同時將加氫反應(yīng)器頂起10 mm，鞍座下面空位用枕木補(bǔ)齊，撤出鋼軌，調(diào)整枕木墩；

(10)采用交叉增加法逐步增高枕木墩，慢慢將設(shè)備升高至900 mm，車輛在設(shè)備前面做好倒車準(zhǔn)備；

(11)將車板降到800 mm，倒車進(jìn)入設(shè)備底部，倒車時逐步撤出鞍座中間的枕木墩，檢查設(shè)備與車板的接觸位置，確認(rèn)無誤后升高車板，使鞍座完全與枕木墩分離，撤出枕木墩，捆扎加固；

(12)人工作業(yè)完畢，退場；

(13)恢復(fù)路面及交通。

3 既有鐵路框架橋安全分析

主要驗(yàn)算加氫設(shè)備通過框架橋時對既有框架橋的內(nèi)力影響，確定橋底地基承載力、框架橋的沉降值是否符合要求。1#鐵路框架橋與2#鐵路框架橋結(jié)構(gòu)形式相同，文中以1#鐵路框架橋作為分析對象。

3.1 恒載計算

結(jié)構(gòu)自重：25 kN/m3；

框架頂填石碴豎向壓力：0.8×21=16.8 kN/m2；

水平土壓力(側(cè)墻頂)：0.5×(0.8×21/18+0.9/2)×18=12.45 kN/m2；

水平土壓力(側(cè)墻底)：0.5×(0.8×21/18+0.9/2+6.45)×18=70.5 kN/m2；

水平土壓力按梯形荷載分布；

框架內(nèi)路面鋪裝：[0.25+(0.1+0.25)/2)]×25=10.63 kN/m2。

3.2 活載計算

鐵路活載：中-活載[1]；

列車豎向動力系數(shù)：1.1；

活載水平土壓力：0.5×165/(2.5+1.6)=20.12 kN/m2；

道路荷載：公路-I級[2]；

特殊活載：加氫反應(yīng)器運(yùn)輸車活載：取70 kN/m2，特殊荷載沿著框架橋縱向滿布。

橫向加載圖如圖4所示。

圖4 特殊荷載橫向加載示意圖

3.3 鋼筋應(yīng)力與裂縫寬度驗(yàn)算

采用Midas Civil 2010軟件對框架橋進(jìn)行模擬計算，計算截面和全橋三維圖形如圖5～6所示：

圖5 框架驗(yàn)算截面示意圖

圖6 框架橋三維模型圖

工況1：恒載+列車活載+公路活載(3孔框架)；

工況2：恒載+列車活載+公路活載(兩側(cè)邊孔框架)+特殊荷載(設(shè)備通過)；

工況3：恒載+特殊活載(設(shè)備通過)+公路活載(兩側(cè)邊孔框架)；

說明：工況1公路活載按雙向10車道布置，工況2中跨只布置特殊活載，兩邊跨布置公路活載，工況3不考慮列車活載。

在以上三種工況作用下，框架橋各截面的鋼筋應(yīng)力與裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

表1 框架橋鋼筋應(yīng)力及裂縫寬度驗(yàn)算結(jié)果表

從表1的驗(yàn)算結(jié)果可以看出，在三種工況作用下，截面9的鋼筋拉應(yīng)力及裂縫寬度均最大；在工況1作用下，截面9處鋼筋的最大拉應(yīng)力為130.8 MPa，最大裂縫寬度為0.148 mm；在工況2作用下，截面9處鋼筋的最大拉應(yīng)力為124.6 MPa，最大裂縫寬度為0.141 mm；在工況3作用下，截面9處鋼筋的最大拉應(yīng)力為88.5 MPa，最大裂縫寬度為0.104 mm；在三種工況作用下，框架橋的鋼筋應(yīng)力和截面裂縫寬度均小于規(guī)范的要求。

工況2(考慮設(shè)備通過時)與工況1相比，各驗(yàn)算截面的鋼筋應(yīng)力變化幅度在-12%與14%之間，各截面的鋼筋應(yīng)力變化不大，設(shè)備通過時對框架橋的受力影響較小。

3.4 地基應(yīng)力驗(yàn)算

框架橋采用樁徑35 cm，樁間距為100×100 cm的CFG樁基礎(chǔ)，其復(fù)合地基承載力特征值計算公式為[3]：

當(dāng)無單樁載荷試驗(yàn)資料時，Ra通過下式計算：

通過Midas Civil 2010軟件對框架橋進(jìn)行模擬計算，框架橋地基平均應(yīng)力計算結(jié)果如表2所示，計算工況同前。

表2 框架橋地基平均應(yīng)力驗(yàn)算表

注：上表應(yīng)力值均已考慮35 cm墊層的重量

從表2的驗(yàn)算結(jié)果得，各工況下地基最大應(yīng)力為163.4 kPa，平均最大應(yīng)力為138.3 kPa，均小于復(fù)合地基承載力特征值；在工況3作用下，地基的應(yīng)力值最小。

4 結(jié)語

(1)經(jīng)過驗(yàn)算，采用上述方案通過既有鐵路框架橋時，在各種工況作用下，框架橋的鋼筋應(yīng)力及裂縫寬度均滿足規(guī)范規(guī)定的要求，框架橋地基應(yīng)力小于復(fù)合地基承載力特征值；在設(shè)備通過時，框架橋上不通行列車，對框架橋最為有利(即工況3作用下框架橋受力最為有利)，但對鐵路運(yùn)營影響最大。

(2)在通行凈高受限的條件下，采用“人工滑道+拉頂推法”的方式通過特定條件下的超大設(shè)備是可行的。事實(shí)上該超大設(shè)備按照上述方案安全通過了鐵路框架橋，從當(dāng)時的實(shí)時監(jiān)測及事后檢測來看，既有鐵路框架橋工作狀態(tài)良好。

(3)對于已經(jīng)投入運(yùn)營的既有橋梁，當(dāng)有超大設(shè)備需要通過時，既要保證所運(yùn)載的設(shè)備安全通過，也要保證設(shè)備在通過既有橋梁時，不能對既有橋梁的結(jié)構(gòu)安全造成危害，還要盡可能減少對現(xiàn)有道路交通、既有鐵路運(yùn)營的影響，因此制定方案時必須考慮周全，同時與相關(guān)各方多溝通，多協(xié)商，以取得各方的支持與幫助，才能順利完成運(yùn)輸任務(wù)。