山區(qū)電氣化鐵路大噸位汽車吊架梁施工方案研究

溫志成　馬占亞

摘要：石太線簡子溝西人行道口改造工程，為三跨（15+20+16）m人行鋼結(jié)構(gòu)天橋。橋梁架設(shè)受鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)、電化掛網(wǎng)、場地條件等各種因素的影響較大，通過現(xiàn)場調(diào)查，決定利用既有小區(qū)平臺(tái)、采用400t汽車吊，距離既有擋墻邊4.0m設(shè)置吊車站位的吊梁方案，并檢算擋墻穩(wěn)定性滿足要求，從而解決了山區(qū)鐵路平改立大噸位機(jī)械作業(yè)的問題，對(duì)類似工程具有一定借鑒和指導(dǎo)意義。

Abstract： The reconstruction project of the Jianzigou West Sidewalk in Shitai Line is a three-span （15+20+16） m pedestrian steel structure flyover. Bridge erection is affected by various factors such as railway transportation production， electrified hanging network， site conditions， etc. Through on-site investigation， it is decided to use the existing residential platform， 400t car crane， set beam lifting plan at 4.0m from the existing retaining wall， and check the stability of the retaining wall to meet the requirements， thus solving the problem of the large-tonnage mechanical operation of the mountain railway， which has certain reference and guiding significance for similar projects.

關(guān)鍵詞：城市橋梁;汽車吊架梁;分析檢算;施工方案;擋墻穩(wěn)定

Key words： urban bridge;automobile hanger beam;analysis and calculation;construction plan;stability of retaining wall

中圖分類號(hào)：U445.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）35-0158-04

0? 引言

近年來，隨著我國物流運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，尤其是國家打贏“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”以來運(yùn)輸方式的轉(zhuǎn)變，鐵路運(yùn)輸日趨繁忙，而隨著城市的不斷擴(kuò)容和擴(kuò)張，鐵路沿線居民不斷增加，導(dǎo)致行人隨意橫穿鐵路道口的現(xiàn)象愈加普遍。無論從鐵路行車安全的角度，還是從附近居民出行的角度，都存在著極大的安全隱患。從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度來看，實(shí)施鐵路平交道口改立交通行勢在必行。

鐵路平交道口改立交一般有兩種形式，一種是上跨鐵路的立交橋，另外一種是下穿鐵路的立交橋。對(duì)于解決鐵路人行平交道口，則應(yīng)根據(jù)場地條件及功能定位，也可采用人行鋼結(jié)構(gòu)天橋形式。

在山區(qū)城市，對(duì)存在高低差的多股電氣化鐵路平交道口改造所采用的人行鋼結(jié)構(gòu)天橋施工時(shí)，其施工方案的確定受多種因素的制約：首先是列車運(yùn)行繁忙程度可能允許的施工作業(yè)時(shí)間，其次是選擇的施工作業(yè)機(jī)械能力滿足要求，第三是施工作業(yè)不利工況對(duì)周邊環(huán)境不造成安全隱患。

在作業(yè)時(shí)間無法調(diào)整的情況下，為滿足施工，就需通過一定的分析計(jì)算對(duì)施工機(jī)械進(jìn)行選型。對(duì)于鋼橋架梁施工，最常見的架梁方案為汽車吊架梁和架橋機(jī)架梁兩種[1][2]。汽車吊可單獨(dú)或配合架梁機(jī)作業(yè)，廣泛應(yīng)用于各類架梁施工作業(yè)中[3]，且存在多點(diǎn)作業(yè)的優(yōu)勢。為保障施工作業(yè)安全而編制的汽車吊架梁專項(xiàng)施工方案，其中的分析計(jì)算及安全措施大部分都是針對(duì)已經(jīng)確定噸位的汽車吊，主要是分析計(jì)算吊梁過程中汽車吊自身安全穩(wěn)定，以及實(shí)施過程中相關(guān)的操作安全措施。

對(duì)于特殊環(huán)境條件下，需要綜合考慮各種影響安全的因素，如在臨近既有線施工時(shí)的汽車吊架梁，就需要對(duì)臨近既有線汽車吊架梁的施工方法、施工參數(shù)及安全保證措施進(jìn)行分析確定。尤其在狹小場地內(nèi)實(shí)現(xiàn)吊車架梁，需要通過施工工藝優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于大噸位汽車吊位于擋墻坡頂上的情況，則還需要計(jì)算擋墻結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的穩(wěn)定性。可見大量擋墻在降雨條件、加筋擋墻在墻頂復(fù)雜荷載作用下筋體作用及新型生態(tài)擋墻性能分析的研究結(jié)果，而對(duì)于擋墻頂作用大噸位的施工吊裝荷載情況，未見相關(guān)研究。

本論文結(jié)合山區(qū)電氣化鐵路平交道口改造為人行鋼結(jié)構(gòu)天橋工程實(shí)例，對(duì)三跨鋼梁施工吊裝方案進(jìn)行了研究，對(duì)吊裝方案的選擇，吊車噸位的確定，尤其是吊車站位對(duì)既有擋墻的影響進(jìn)行了分析檢算。

1? 工程概況

1.1 既有鐵路平交道口概況

石太鐵路簡子溝西人行道口，位于山西陽泉市城區(qū)簡子溝編組場（相對(duì)于石太鐵路正線K111+420.7處），為橡膠板鋪面道口，寬度僅2.0m，主要功能為通行行人，不通行機(jī)動(dòng)車。該道口南高北低，道口南側(cè)是陽泉市城市春天小區(qū)，設(shè)有7.0m高漿砌片石擋墻。道口北側(cè)是辰光家園小區(qū)，兩側(cè)道路蜿蜒穿行在周邊小區(qū)和居民區(qū)之間。道口自南向北依次穿越石太線2股道、礦正線1股道、陽簡上行線1股道和平行進(jìn)路1股道，各股道均為電氣化鐵路。其中，礦正線與陽簡上行線間高差2.5m左右，鐵路道口在此處通過臺(tái)階過渡，橋址處現(xiàn)狀平面圖見圖1所示。

1.2 新設(shè)人行天橋概況

新設(shè)人行天橋與既有鐵路正交，為三跨（15+20+16）m鋼結(jié)構(gòu)，橋梁全長57.07m，全寬3.0m（其中使用寬度為2.0m），梁底距鋼軌頂面的最小距離8.2m，滿足建筑限界的要求。南側(cè)15m邊跨連接主跨和城市春天小區(qū)平臺(tái)，主跨20m跨越石太線和礦正線，北側(cè)邊跨16m跨越陽簡上行線和平行進(jìn)路，再以梯道形式過渡至辰光家園小區(qū)。城市春天小區(qū)側(cè)采用明挖基礎(chǔ)實(shí)體橋臺(tái)，其余均采用鋼管混凝土柱式墩，挖孔樁基礎(chǔ)。

通過對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行分析，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，為確保鐵路設(shè)施安全運(yùn)行，人行天橋安全施工，關(guān)鍵是解決中間20m跨越石太線及礦正線主跨梁的吊裝施工。

2? 主跨梁施工方案選擇

主跨梁吊裝施工方案的確定，需要綜合考慮可利用吊裝作業(yè)時(shí)間、吊車站位、吊車噸位及吊裝作業(yè)對(duì)周邊結(jié)構(gòu)物的影響。

2.1 可利用吊裝作業(yè)時(shí)間

石太線屬于鐵路繁忙干線，通過長時(shí)間的鐵路停用來實(shí)現(xiàn)鋼梁吊裝基本沒有可能，所以只能利用施工或維修“天窗”來進(jìn)行人行天橋鋼梁的架設(shè)。查閱以往施工資料并詳詢鐵路施工計(jì)劃編制部門，石太線在該區(qū)段安排的施工或維修“天窗”，一般不會(huì)大于180min。

2.2 吊車站位的選擇

現(xiàn)場地形南高北低，兩側(cè)經(jīng)適當(dāng)處理均能夠滿足吊裝作業(yè)的場地條件。經(jīng)踏勘周邊道路，也可滿足吊車通行的要求。重點(diǎn)和難點(diǎn)集中在主跨梁吊裝時(shí)吊車站位選擇上。

吊車站位如選擇在北側(cè)辰光家園小區(qū)一側(cè)，為避讓最外側(cè)股道（平行進(jìn)路）的接觸網(wǎng)導(dǎo)線和承力索，吊裝主跨梁時(shí)除考慮吊車噸位因素外，吊車的吊臂必須要足夠長才能滿足主跨梁的吊裝要求。

吊車站位如選擇在南側(cè)城市春天側(cè)小區(qū)平臺(tái)上，由于小區(qū)平臺(tái)與接觸網(wǎng)的承力索大致在一個(gè)水平面，可以不考慮電氣化接觸網(wǎng)對(duì)吊裝的影響，因此，只要選擇足夠噸位的吊車就可以滿足主跨梁吊裝的要求，但是需要計(jì)算吊車作業(yè)荷載對(duì)擋墻穩(wěn)定性的影響。

經(jīng)過比選，決定把吊車站位選擇在城市春天小區(qū)平臺(tái)上，同時(shí)對(duì)既有漿砌片石擋墻進(jìn)行受力檢算。

2.3 吊車噸位的選擇

主跨鋼梁自重16.5t（含欄桿防拋網(wǎng)等附屬結(jié)構(gòu)重量）。對(duì)于400t汽車吊，當(dāng)其作業(yè)半徑32m、主臂出桿36.4m時(shí)，起吊能力為29.4t，是主跨鋼梁自重16.5t的1.78倍，可以滿足主跨梁吊裝要求。吊車站位示意圖（見圖2）。

2.4 吊車作業(yè)對(duì)既有擋墻穩(wěn)定性影響

根據(jù)圖3示意，吊車支腿距離擋墻較近，因吊車作業(yè)荷載較大，需要檢算吊車作業(yè)時(shí)擋墻的穩(wěn)定性。

2.4.1 吊車支腿反力計(jì)算

400t汽車吊自重72t，配重120t，吊臂、吊具和索具等重約10t;配重距吊臂尾端5m，支腿間距A=B=9.5m。取1噸=10kN，吊重載荷分項(xiàng)系數(shù)取1.5。4個(gè)支腿編號(hào)分別為1、2、3、4，見圖3所示。

吊裝過程中，初始時(shí)吊臂在Y平面內(nèi)，然后吊機(jī)旋轉(zhuǎn)到X平面內(nèi);將所有力向旋轉(zhuǎn)中心平移，可得到等效的集中力F及偏心彎矩M。

根據(jù)支腿與旋轉(zhuǎn)中心的相對(duì)位置關(guān)系，可計(jì)算出最不利工況下的支腿處作用的荷載值。根據(jù)支腿與地面接觸面積，計(jì)算出壓應(yīng)力值，換算成土柱高度加載至擋土墻上，驗(yàn)算擋墻的穩(wěn)定性。

自重G1=720kN，配重G2=1200kN，吊重G3=165kN，增大系數(shù)1.5，其他G4=100kN，等效集中荷載

F=720+1200+1.5×165+100=2267kN

偏心彎矩由除自重之外的其他荷載對(duì)旋轉(zhuǎn)中心取矩產(chǎn)生，產(chǎn)生彎矩的力矩為：d2=5m，d3=32m，d4=16m

M=100×16+1.5×165×32-1200×5=3520kNm

支腿2的壓力最大，Nmax=N1+N2，N1=F/4

由彎矩產(chǎn)生的最大反力N2=N2x+N2y

設(shè)C=min{A，B}，可推導(dǎo)出

當(dāng)β=45°時(shí)，最大，即

支腿壓力近似最大值

2.4.2 擋墻穩(wěn)定性計(jì)算公式

擋墻抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算分別采用公式（1）及公式（2），計(jì)算圖示見圖4及圖5所示。

相關(guān)參數(shù)含義及取值參見《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)-路基》。

2.4.3 既有擋墻穩(wěn)定性計(jì)算

既有擋墻為M10漿砌片石重力式擋墻，擋墻高度7.0m，墻頂寬度B1=0.7m，面坡1：0.35，背坡1：0.2，見圖6所示。

汽車支腿最大作用荷載829kN，荷載擴(kuò)散面積按照墊木尺寸6m×2.5m計(jì)算，設(shè)土容重為18kN/m3，則換算土柱高度h=829kN/（6m×2.5m）/18kN/m3=3.07m，作用寬度2.5m，作用荷載邊緣與擋墻頂邊距離2.75m。

采用理正擋土墻計(jì)算軟件，對(duì)吊車荷載作用下?lián)鯄Φ姆€(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算簡圖見圖7所示。

①抗滑移穩(wěn)定性。

對(duì)于一般地層，可取基底摩擦系數(shù)f=0.4，根據(jù)輸入的擋墻結(jié)構(gòu)尺寸、填土及地基土參數(shù)及墻頂作用的等效土柱荷載，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算出公式（1）中的相關(guān)參數(shù)，對(duì)抗滑移穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下。

Wn=204.63kN，En=14.57kN

Wt=20.46kN，Et=88.01kN

擋墻前填土，Epn=1.914kN，Ept=19.142kN

Kc=1.57>1.3，滑移驗(yàn)算滿足。

②抗傾覆穩(wěn)定性。

根據(jù)輸入的參數(shù)，軟件可自動(dòng)計(jì)算出墻身自重W=205.652kN，Ex=89.018kN，Ey=5.741kN，墻前被動(dòng)土Ep=19.237kN。相對(duì)于墻趾點(diǎn)，墻身重力W的力臂 Zw= 1.854m，Ey的力臂 Zx=2.276 m，Ex的力臂 Zy=1.629m，墻前被動(dòng)土力臂Zp=0.5，則

K0=2.785>1.6，傾覆驗(yàn)算滿足。

擋墻穩(wěn)定性檢算結(jié)果表明，主跨梁大噸位汽車吊架梁施工方案可行。

3? 討論

3.1 關(guān)于吊車選型

決定吊車噸位的主要因素是起吊物的重量、既有道路通行條件和施工現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境。當(dāng)梁體重量固定的情況下，吊車不同的站位，要求的懸臂長度也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，進(jìn)而影響吊車噸位的選擇。

3.2 吊車站位對(duì)擋墻影響

本計(jì)算中，吊車等效土柱荷載距離擋墻頂距離為x=2.75m，在其他參數(shù)不變的情況下，僅變化x的距離，分別計(jì)算x=1.5～2.5m條件，最后得出滿足要求的臨界距離為1.95m，相關(guān)計(jì)算結(jié)果見表1所示。

表1表明，對(duì)于本工程中的擋墻結(jié)構(gòu)形式，在吊車作業(yè)荷載作用下，擋墻抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)較大。當(dāng)?shù)踯嚲嚯x擋墻較近時(shí)，抗滑移穩(wěn)定會(huì)不滿足規(guī)范要求。

4? 結(jié)論

石太鐵路簡子溝西人行道口改造工程，對(duì)三跨鋼橋主跨梁吊裝施工方案進(jìn)行了分析研究，通過現(xiàn)場調(diào)查，參考以往施工經(jīng)驗(yàn)，在施工或維修天窗時(shí)間有限下，吊車站位、噸位選擇及對(duì)周邊環(huán)境的影響是確定施工方案的主要影響因素，并得出如下結(jié)論。

①吊車站位選擇時(shí)，需要同時(shí)考慮周邊復(fù)雜環(huán)境，包括施工場地因素、周邊障礙物（如電化接觸網(wǎng)、承力索）等，通過計(jì)算分析，確定了汽車吊位于擋墻平臺(tái)上的站位方案。②根據(jù)吊梁荷載16.5t，選擇了400t的大噸位吊車，作業(yè)半徑32m時(shí)，起吊能力29.4t，滿足吊梁施工作業(yè)要求。③吊車站位距離擋墻頂邊緣的最近距離對(duì)擋墻穩(wěn)定性影響較大。本工程中擋墻頂距離最近的吊車支腿距離4m，擴(kuò)散荷載邊緣距離擋墻邊為2.75m，滿足滑動(dòng)穩(wěn)定性要求。

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