鐵路既有線新型加固方法
——橫承式便梁法方案研究

徐洪權，王礪文，夏 寧

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

引言

目前，鐵路橋涵施工常用的軌道加固技術主要有3種，即工便梁加固方法、D型便梁加固方法和扣軌縱橫梁加固方法。在選擇加固方法的時候，必須首先保證線路運營的行車安全，在使其安全得以保證的前提下，最大限度地將線上施工要點時間縮短，進而縮短施工工期[1-4]。

根據TG/GW 101—2014《普速鐵路工務安全規則》(以下簡稱“《工務安規》”)可知D型便梁的主要尺寸、適用條件等。經過分析，其在鐵路既有線加固施工過程中主要存在以下問題：(1)挖孔樁施作困難，安全和質量風險高，尤其是線間支墩施工難度大；(2)D梁下平聯現場安裝困難，體系面外穩定性弱，列車橫向搖擺明顯；(3)D梁剛度小，撓度大，行車平順性和舒適性差；(4)受鐵路建筑限界、地質等因素影響，D梁適用雙線鐵路的線間距范圍小，對場地地質條件要求高[5-6]。

為了解決以上問題，研究提出鐵路既有線新型加固方法——橫承式便梁法。

1 橫承式便梁法概述

1.1 方案概述[7]

橫承式便梁法線路加固體系由下部結構(樁基、支點墩、平衡墩等)、上部結構(橫承梁、便梁縱梁、便梁小橫梁等)和連接附屬構造(連接牛腿、螺栓、銷軸、拉板、支座、絕緣墊、鋼軌扣件等)等組成，其加固單線鐵路頂進施工小孔框構橋時采用單線單孔布置(圖1)，加固雙線鐵路頂進施工較大孔徑或多孔框構橋時采用雙線三孔或多孔布置(圖2)。

圖1 橫承式便梁法結構體系布置示意(單線單孔)

圖2 橫承式便梁法結構體系布置示意(雙線三孔)

橫承式便梁法加固體系中，鋼軌采用特制的可調節扣件固定在小橫梁和橫承梁上；小橫梁通過連接牛腿和精制螺栓與縱梁連接；縱梁端部采用開銷孔的倒L形，搭在橫承梁上，相鄰縱梁間采用開銷孔的鋼拉板銷軸連接；支點墩和平衡墩采用鋼管柱，鋼管柱頂部與橫承梁、底部與樁基均采用預應力混凝土用螺紋鋼筋進行錨固連接；其傳力過程如下：列車荷載→鋼軌→小橫梁→牛腿→縱梁→橫承梁→支點墩(平衡墩)→基礎。

橫承式便梁法加固鐵路既有線，可以實現快速安拆和重復利用，滿足相關規范、規程所要求的結構剛度、強度和穩定性等指標。

1.2 邊界條件

結合我國普速鐵路路基形式及構造、雙線線間距設置、工務養護等現狀[8-11]，科學合理開展研究工作，橫承式便梁法的設計研究邊界條件如下。

(1)橫承式便梁法的支點墩與線路中心的距離為6.25 m[12-13]

根據TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設計規范》5.4.9條“采用大型機械化養護的路基地段，接觸網支柱側面限界應滿足大型機械作業的需要，不應小于3 100 mm”；《工務安規》第2.1.5條“電氣化鐵路接觸網支柱外側2 m(接觸網支柱外側附加懸掛外2 m，有下錨拉線地段時在下錨拉線外2 m)、非電氣化鐵路信號機立柱外側1 m范圍稱為營業線設備安全限界”，并考慮接觸網立柱橫向尺寸、曲線加寬、鋼管柱和適當余量后，橫承式便梁法的支點墩與線路中心的距離取為6.25 m。

(2)橫承梁的高度為0.80 m

一般情況下，既有鐵路路基軌底至道床的厚度約為0.8 m，線路加固現場施工過程中，為了保證路基道床的穩定和運營安全，以盡量只扒除道砟，不開挖或少開挖路基道床為原則，故橫承梁的高度取值為0.80 m。

(3)雙線線間距的適用范圍為4.0～5.0 m

我國普速鐵路運行速度一般較低，雖經過鐵路六次大提速，但基于線路條件等因素，運行速度總體不高，其線間距大部分都在4.0～5.0 m，很少有超過5 m[14]，故將橫承式便梁法加固雙線鐵路時的線間距確定為4.0～5.0 m。

(4)支點墩最大高度擬定為10.0 m

支點墩鋼管最大高度的確定需要結合既有普速鐵路的填土高度及其邊坡坡率，頂進框構橋的凈高、頂底板厚度、頂板頂至軌底的高度、現場施工場地條件等因素，考慮原始地面地上部分采用鋼管的支點墩，原始地面以下部分采用鉆孔樁，故支點墩的高度，即橫承梁梁底至框構頂進開挖地面線的高度，確定為10.0 m。

(5)列車荷載采用ZKH活載

根據我國普通鐵路特點，橫承式便梁法體系采用ZKH活載設計，按工務安全規則要求，限速45 km/h通過。

1.3 研究重難點

根據《工務安規》中靜活載作用下線路加固體系的撓跨比限值為1/400，現有D型便梁的撓度幾乎達到限值，而橫承式便梁法體系相對來說，橫承梁跨度大，其撓度疊加便梁縱梁的撓度會較大，給橫承式便梁體系設計研究帶來了困難。圍繞體系結構剛度，存在以下研究重難點。

(1)橫承梁計算跨度大，結構高度小，剛度要求高

前文所述，支點墩與線路中心距離為6.25 m，加固單線時，橫承梁支點墩中心距即計算跨度為12.5 m，加固雙線時，其計算跨度為16.5～17.5 m，考慮橫承梁橫穿線路、位于軌下，與現有軌枕存在干擾，鐵路運營中，為了保證線路平順性和運營安全，對軌距要求非常嚴格，橫承梁不宜過寬。

為了減小撓度，需要盡量加大橫承梁的剛度，最直接和有效的方法是加大橫承梁的高度，而其高度僅為0.8 m，則只能考慮加大頂、底板的厚度，但厚板結構也存在噸位大、運輸不便、加工性能不好等問題。

(2)線上施工要點時間有限

橫承梁在豎直方向上與便梁的縱梁形成重疊，為了安拆方便和重復利用，兩者間采用栓接或其他連接形式，而橫承梁計算跨度大，結構受力復雜，承受剪力、彎矩和扭矩等的共同作用，需要的螺栓數量較多，且其梁高較小，安拆螺栓的操作空間狹小。為了達到快速安拆的目的，必須研究新型的連接方式，使其既能滿足復雜的受力條件，又能安裝方便，重復利用，經濟合理。

(3)雙線線路存在高差，增加了整體設計難度

我國既有普速鐵路，比如京包線等雙線鐵路左右線較普遍存在不等高情況，根據調查，一般在300 mm以下，特殊條件下有左、右線軌面高差更大的情況，左右線縱梁需要適應多樣的高差變化，整體設計難度很大。

2 橫承式便梁體系結構分析

以橫承式便梁體系加固雙線三孔24 m為例，采用通用有限元計算軟件Midas/Civil 2017建立整個體系的有限元模型，見圖3。

圖3 橫承式便梁法結構計算有限元模型(雙線三孔)

2.1 分析模型

2.1.1 結構材料及主要構造尺寸

(1)支點墩(平衡墩)：圓管截面，外徑1.25 m，壁厚20 mm。

(2)橫承梁(圖4)：箱形截面，長×寬×高=24 m×1.35 m×0.8 m，頂、底板厚度均為100～120 mm，雙腹板厚24 mm。

(3)縱梁(圖5)：薄壁箱形截面，長×寬×高=24.08 m×0.48 m×1.3 m；中縱梁頂底板等厚，為120 mm，雙腹板均厚14 mm；邊縱梁頂底板等厚，為80 mm，雙腹板均厚12 mm。

(4)小橫梁：工形截面，長×寬×高=3.94 m×0.2 m×0.365 m，頂底板厚16 mm，腹板厚12 mm。

(5)縱梁端部連續構造(圖6)：拉板長2.42 m，寬0.34 m，厚40 mm，設于縱梁腹板兩側，相鄰兩片縱梁間設4道。

銷軸采用45號鍛鋼，其余均采用Q345qD鋼。

圖4 橫承梁截面構造(單位：mm)

圖5 縱梁截面構造(單位：mm)

圖6 縱梁間的連續構造(以加固單線為例，單位：mm)

2.1.2 模型邊界條件

模型中支點墩(平衡墩)墩底固接，頂部與橫承梁處為約束平動自由度的剛性連接(主從約束)；縱梁在兩中墩處為約束平動自由度的剛性連接(主從約束)，在邊墩處為約束橫向和豎向平動自由度的剛性連接(主從約束)；小橫梁與縱梁鉸接。

2.1.3 荷載取值

(1)自重程序自動計入，并考慮加勁肋、螺栓等的自重增大系數。

(2)二期恒載：經計算，取8 kN/m。

(3)活載：按ZKH活載檢算，動力系數按限速45 km/h計算，取1.25。

(4)附加力：溫度、制動力等按規范取值。

2.2 計算結果

橫承式便梁體系結構有限元計算控制項結果見表1，表1中結構剛度計算和容許值按照《工務安規》取值，強度和穩定性的計算和容許值按照TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》取值，鋼材的按臨時結構，其應力容許值的提高系數采用1.2。

結構整體撓度包絡圖見圖7，主力工況下橫承梁頂、底板的應力包絡圖見圖8、圖9，主附工況下橫承梁頂、底板的應力包絡圖見圖10、圖11。

表1 橫承式便梁體系結構計算結果

由表1可知：

(1)撓度(剛度)：結構的縱向剛度較大，撓度小；

(2)橫承梁強度：整體結構應力水平較低，強度不控制設計；

(3)縱梁間連續的銷接構造：銷軸剪應力、縱梁腹板和拉板銷孔的孔壁承壓應力均較大，但均滿足規范要求；

(4)樁基支點反力：支點墩支反力和平衡墩負反力均不大，鋼管柱和鉆孔樁的設計難度小。

圖7 靜活載作用下撓度包絡圖

圖8 主力工況橫承梁頂板應力包絡圖(單位：MPa)

圖9 主力工況橫承梁底板應力包絡圖(單位：MPa)

圖10 主附工況橫承梁頂板應力包絡圖(單位：MPa)

圖11 主附工況橫承梁底板應力包絡圖(單位：MPa)

根據計算結果，橫承式便梁法體系剛度、強度等均滿足相關規程規范的要求。

3 施工方案簡述和優勢分析

針對既有線施工對時間和線路運營安全的高標準、嚴要求，為了達到快速安拆和保證線路運營安全的角度出發[15-20]，提出建議的施工方案便梁單線單孔整體拼裝，滑移就位法。

3.1 主要施工步驟

(1)線路外側施工場地搭建、鋼結構拼裝和樁墩施工。

(2)橫承梁就位。

(3)單孔便梁滑移就位。

(4)多孔便梁滑移就位，安裝連接構造和軌道；同時，工作坑內預制框構橋，做好頂進準備。

(5)開挖路基、頂進框構橋。

(6)滑移出便梁。包括便梁整體移出、機械卸載、軌排鋪設等。

(7)線路恢復工作，同時線路外側拆解便梁、橫承梁、鋼管柱等。

3.2 方案優勢和注意事項

以24 m加固雙線的三孔為例(表2)，將橫承式便梁法與傳統線路加固D型便梁進行對比分析，由表2可知，橫承式便梁相對傳統D梁：

(1)取消挖孔樁，尤其是線間挖孔樁，減少了線上作業時間；

(2)便梁線路外整體拼裝，安裝完整，可提高結構整體剛度，保證施工期間運營安全；

(3)相鄰孔縱梁間的銷接耳板的連續構造，安裝方便，可進一步提高結構剛度；

(4)機械化、自動化程度高，減小勞動力投入，提高施工質量和工作效率；

(5)整體體量較大，滑移就位需要進行精細的施工組織和人員培訓。

表2 橫承式便梁體系與傳統D梁對比

4 結論

通過對鐵路既有線新型加固方法——橫承式便梁法進行方案研究，得出如下結論。

(1)解決了現有D型便梁加固線路時挖孔樁施作困難，安全風險高；結構剛度小，撓度大，行車平順性差；適用既有線線間距范圍小等諸多問題。

(2)考慮我國既有線現狀，支點墩與線路的中心距為6.25 m，橫承梁高度為0.8 m，適用雙線時線間距為4.0～5.0 m，列車荷載采用ZKH活載等研究前提條件完全合理。

(3)對結構方案擬定基本尺寸后，進行了結構空間有限元分析。計算結果顯示，結構整體剛度、強度均滿足規范要求，銷接連續構造的銷軸剪應力和孔壁承壓應力均較小，支點墩的支反力和平衡墩的負反力均不大，受力合理，樁基設計難度小。