墊高縱梁在多股道大高差營業(yè)線架空設(shè)計中的應(yīng)用

馮俊迎

(中鐵七局集團有限公司勘測設(shè)計研究院，河南 鄭州 450016)

0 引 言

某城市主干道下穿京廣鐵路工程位于河南省境，該道路對加強城區(qū)東西向交通聯(lián)系，帶動周邊發(fā)展起重要作用。京廣鐵路兩側(cè)的道路為已建成的雙向六車道城市主干路，規(guī)劃紅線45 m，而下穿鐵路處僅為1～7.0 m箱橋(雙向兩車道)，機非人混行，嚴重制約通行能力。為了盡快完善本區(qū)域路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，緩解交通壓力，根據(jù)城市總體規(guī)劃，下穿京廣鐵路立交工程亟需改造。

在下穿箱橋的施工中，常用的縱橫梁法和D型便梁法線路架空頂進對鐵路運營存在一定的干擾，線路加固方案的研究顯得尤為重要。因本工程需下穿多股道運營線路，在6.4 m的線間距下需克服0.8 m的高差，且箱橋布孔形和原有箱橋的位置均給線路的架空設(shè)計帶來了不利的影響，因此D型便梁法不適用于該工程。縱橫梁法在整體考慮多股道線路架空設(shè)計中，通常采用橫向墊高以克服線間高差，而該方法在列車制動力作用下存在傾覆的風險，對大高差的線路加固也不適用。本文對縱梁進行了適當?shù)膲|高，解決了線路架空加固中的難題，方便了施工，保證了鐵路運營安全，節(jié)約了成本。

1 工程概況

1.1 立交現(xiàn)狀及箱橋方案設(shè)計

擬建橋位共穿越3股道，自西向東依次為牽出線、京廣上行線、下行線，線間距分別為6.4 m和5.0 m。線路允許速度160 km/h，雙線電氣化、無縫線路鋼筋混凝土Ⅲ型枕，60軌。道路與京廣鐵路下行線夾角為87.3°，交叉處京廣鐵路縱坡為0‰的直線段上，每日行車客車52對，班列12/11對，貨車39/40對，總對數(shù)103對。

圖1 下穿平面圖(單位：m)

規(guī)劃道路寬度45 m=2×(4 m人行道+4 m非機動車道+3 m側(cè)分帶+11.5 m機動車道)，道路兩側(cè)為建筑密集的居民區(qū)，既有箱橋北側(cè)30 m即為站場。本次設(shè)計采用沿既有道路兩側(cè)加寬的方案，因下穿鐵路既有箱橋已不能滿足使用要求，故拆除重建。新建箱橋的布孔設(shè)計綜合考慮道路橫斷面布置及現(xiàn)有箱橋?qū)芸枕斶M施工的影響，采用2-(8+12)m中間分離連續(xù)箱橋(正交)，長度為26 m，兩中孔布置機動車道，兩側(cè)邊孔布置非機動車道和人行道，見圖2。待線路加固完成后，線下拆除既有箱橋，頂進施工新建箱橋。

圖2 箱橋方案設(shè)計圖(單位：m)

北側(cè)有一下穿鐵路中壓天燃氣管道距既有箱橋15.3 m，影響新建箱橋的施工。為不影響燃氣供應(yīng)，先在新建箱橋北側(cè)修筑一天然氣套管，距箱橋6.8 m，埋深7.5 m，孔徑1～1.2 m圓管涵，壁厚0.12 m，總長110.0 m。

1.2 主要技術(shù)標準

(1)道路等級：城市主干路；

(2)慢行行車速度：45 km/h；

(3)道路寬度：45 m；

(4)道路凈空標準：機動車道凈空≥5.0 m；非機動車道、人行道凈空≥2.5 m；

(5)設(shè)計荷載：城-A級；

(6)列車荷載：ZKH；

(7)主體結(jié)構(gòu)工程設(shè)計使用年限：100年；

(8)地震基本烈度：VII度，0.1 g。

2 線路加固設(shè)計方案

2.1 工程特點和難點

(1)京廣鐵路是國家Ⅰ級客貨共線鐵路，是中國最重要的南北鐵路交通大動脈，施工期間不能中斷行車，必須保證鐵路運營安全。

(2)架空樁采用人工挖空施工，需避開既有箱橋。

(3)牽出線高出京廣鐵路上下行線0.8 m，與上行線間距為6.4 m，線路加固設(shè)計中需克服0.8 m的高差，較小的線間距增大了方案設(shè)計難度。

(4)天然氣套管的頂管施工中，鐵路管理部門要求對線路進行架空加固。為節(jié)約投資，本次線路加固設(shè)計需與箱橋架空頂進整體考慮。

2.2 線路加固設(shè)計方案

本工程考慮便于租賃的鋼構(gòu)件進行設(shè)計以節(jié)約工程造價，縱梁采用I100工鋼進行拼接，每根縱梁長度為16 m；橫梁采用雙拼槽鋼組成的工字鋼(以下簡稱3703構(gòu)件)。線路加固長度為80 m，其跨度布置為：4 m+8 m+8 m+8 m+6.5 m+11 m+6.5 m+8 m+8 m+8 m+4 m=80 m，見圖4(a～b)?？v梁(I100)設(shè)置在線路兩側(cè)，每股道兩側(cè)各1片。橫梁3703構(gòu)件，置于鐵軌之下，用橡膠墊隔離絕緣，每個枕木空間穿1根，按既有軌枕間距0.6 m布置，與縱梁采用螺栓連接。在支點樁位置處設(shè)3703工字鋼束，5片一組，置于支點樁上，一端懸空，待箱橋頂推至支點樁時，在橫抬梁和箱橋之間放置滑動支撐，以便于拆除支點樁。

橫抬梁束上方在箱橋范圍內(nèi)設(shè)置縱向墊梁以克服牽出線與京廣鐵路之間0.8 m的高差。墊梁與橫梁采用螺栓連接，與縱梁采用φ22U型筋捆綁牢固。在非箱橋范圍內(nèi)的支點樁處，采用高低承臺克服0.8 m的高差，見圖4(b～e)。

線路架空支點樁外排及抗推樁采用φ1.5 m人工挖孔樁，線間采用φ1.8 m人工挖孔樁，樁長布置見圖4(a～b)。樁身、承臺均采用C30鋼筋混凝土。挖孔樁開挖前，必須對挖孔樁位置道床進行防護，在挖孔過程中采用C25快干鋼筋混凝土進行護壁。為了保證箱橋頂進中兩側(cè)路基安全，分別在箱橋就位出入口兩側(cè)設(shè)置防護樁。

圖4 架空方案布置圖

待線路加固完場后，選擇合適時機采用繩鋸法就地切割拆除既有箱涵，采用小型機械運出鐵路范圍進行破碎，以免給鐵路運營安全帶來隱患。

3 線路加固方案計算

3.1 計算模型建立

用MIDAS Civil 2019有限元分析軟件建立縱橫梁加固體系的空間有限元分析模型(如圖5)，計算縱梁橫梁在列車荷載下的受力和變形狀態(tài)。采用虛擬梁單元模擬列車加載，空間梁單元模擬縱橫梁及橫抬梁束。橫抬梁束與縱梁之間采用彈性連接，位移協(xié)同，釋放轉(zhuǎn)角自由度。設(shè)計參數(shù)如下：

圖5 線路加固體系有限元模型

(1)自重：型鋼重度76.9 KN/m3；

(2)二期恒載：含軌道、枕木、扣件等，折算線荷載為2.0 KN/m。

(3)列車活載：采用“ZKH”，列車動力系數(shù)1+μ=1+28/(40+L)=28/(40+11)=1.55。

(4)強度指標

根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10091-2017)，縱橫梁均作為在一個主平面內(nèi)變形的純彎構(gòu)件，按規(guī)范公式(4.2.1-2)、(4.2.1-6)、(4.2.1-7)分別檢算構(gòu)件的法向應(yīng)力、剪應(yīng)力和換算應(yīng)力。Q235qD鋼容許應(yīng)力為：彎曲應(yīng)力[σw]=140 MPa；剪應(yīng)力[τ]=80 MPa，不考慮作為臨時結(jié)構(gòu)的提高系數(shù)。

(5)撓度驗算根據(jù) 《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》鐵(總運[2014]272號)附表3-3規(guī)定：梁體在靜活載下的撓度應(yīng)不大于跨度的1/400。

(6)構(gòu)件的穩(wěn)定驗算根據(jù)TB10091-2017第4.2.2條計算縱梁和橫梁的整體穩(wěn)定性。

3.2 架空體系驗算

(1)縱橫梁計算

在計算分析中假定縱向墊梁僅承受局部壓力作用，不參與縱梁受力。根據(jù)有限元分析結(jié)果，提取縱梁主要控制截面進行驗算，見表1。

表1 縱梁主要驗算結(jié)果

同縱梁計算原理，根據(jù)有限元分析結(jié)果，帶入規(guī)范公式，經(jīng)計算橫梁的各項指標均能滿足要求，且具有較高的安全儲備。

(2)縱向墊梁計算

縱向墊梁采用5根熱軋型鋼(HM350×250×9×14 mm，r=20 mm)，長度為4.0 m。其截面特性為A=101.5 cm2，Ix=21700 cm4，Iy=3 650 cm4，單根縱梁所承受壓力為N=1557.6/5=311.5 KN，與橫抬梁束縱向接觸長度為101.0 cm。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB 50017-2017)，第6.1.4條規(guī)定，進行局部承壓計算：

lz=1 010+5×(14+20)=1 180.0 mm

σc=311 500/(1 180×9)=29.4 MPa<[σ]=135.0 MPa，滿足要求。

4 結(jié) 論

本工程在常用縱橫梁架空加固體系上通過設(shè)置縱向墊梁形成變高縱梁克服了線間高差，有效地解決了該工程中線路加固的難題。通過對該方案的研究，主要得出以下結(jié)論。

(1)由于縱橫梁法跨度布置靈活，通過合理墊高設(shè)置，加強連接，能夠很好地適應(yīng)多股道、高差、曲線、道岔區(qū)等線路的架空加固。

(2)將縱向墊梁作為支撐受體系受力，使得架空體系傳力明確，結(jié)構(gòu)安全度高，降低了列車運營風險。