馬福臣
(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院,山東濟南 250022)
南水北調東線一期工程魯北段輸水線路穿越鐵路工程在京九線K387+909處采用框架橋穿越, 框架橋孔徑為12 m+12 m+7 m,兩孔12 m框架結構凈高6.4 m,為輸水而設;一孔7 m框架結構凈高7.2 m,為通行而設。采用不中斷行車頂進法施工,橋位處鐵路為雙線、直線,線間距為4.0 m,擬建輸水框架與鐵路夾角15°。
本工程位于山東臨清市東南,橋址處地勢平坦,兩側為農田,既有京九鐵路軌面比自然地面高3 m左右。根據(jù)《巖土工程勘察報告》,在鉆探深度范圍內地層自上往下依次為①粉土,中密、潮濕,層厚1.80~3.70 m,基本承載力σ0=100 kPa;②粉質黏土,軟塑—硬塑,層厚2.1~4.70 m,基本承載力σ0=120 kPa;③粉土,中密—密實層厚1.70~5.10 m,基本力承載力σ0=110 kPa; ④粉質黏土,軟塑,層厚0.95~1.95 m,基本承載力σ0=110 kPa;⑤粉土,中密—密實,層厚2.40~6.40 m,基本力承載力σ0=150 kPa;⑥粉質黏土,硬塑,層厚5.45~10.5 m,基本承載力σ0=160 kPa;⑦粉土,密實,層厚1.90~3.0 m,基本力承載力σ0=150 kPa;⑧粉質黏土,硬塑,層厚1.95~5.45 m,基本承載力σ0=160 kPa。框架基底落在②粉質黏土層上,框架設計最大應力145 kPa,基底地基采用高壓旋噴樁加固處理。
橋址處地下水埋藏較淺,主要為第四系孔隙潛水,水位隨季節(jié)性變化明顯??碧狡陂g埋深為0.90~2.65 m,地下水水位年最大變幅為2.00~3.00 m。
橋址處線間距現(xiàn)場實測只有4.0 m,不滿足D24便梁直線雙線段架設最小線間距(≥4.51 m)的要求。如果采用D24便梁需將對既有京九線改造加寬,改線較長,且距本橋約196 m處有一座3-16 m鐵路梁橋(京九線K388+105.22 小運河中橋)也需要改建,改線方案不僅工期長、投資大,且對鐵路運輸?shù)母蓴_也較 大。經過工程前期方案設計階段對線路加固方案的探討、研究和實地踏勘,一致同意采用加強型縱挑橫抬梁法加固線路,挖孔樁做基礎,頂進施工,見圖1。
圖1 加強型縱挑橫抬梁法加固平面(單位:cm)
施工期間,由于京九線運輸繁忙,原設計方案需要向鐵路部門要點,封鎖線路次數(shù)較多,不能滿足工期安排,在原設計挖孔樁基礎已施工一半的情況下,施工單位強烈要求將現(xiàn)有線路加固方式改為架設D24便梁防護線路,分孔頂進,加快施工進度。經和有關單位共同探討,確定將D24便梁大縱梁與鋼枕連接處的上下牛腿互換,即上牛腿S12與下牛腿S3互換,使大縱梁在D24便梁通用圖《上橋5009-橋》低位架設(丁式)基礎上進一步上移15 cm(即軌頂至便梁頂距離由29.9 cm縮減至14.9 cm),以滿足鐵路限界“建限-1”的要求。D24便梁雙線超低位架設橫斷面如圖2所示。
圖2 D24便梁雙線超低位架設橫斷面(單位:mm)
線路中心線與便梁架設時結構中心線偏距達到49 cm,導致線路內側的縱梁受力進一步加大,超出便梁原設計適用范圍,如果施工時采用這種方式架設,必須對其進行強度、剪應力及下?lián)隙鹊冗M行檢算。
施工中所采用的D24便梁為上海鐵路局設計院設計,寶雞鐵路橋梁工廠生產,便梁結構長度24.5 m,計算跨徑24.12 m。便梁主要由兩片縱梁和36根鋼枕組成,每片縱梁寬48 cm,高130 cm,便梁縱梁有效截面分別如圖3所示,其中縱梁支點處(K0)、距支點1/8處(K0.125)、1/4處(K0.25)、1/8處(K0.375)、1/2處(K0.5)的截面其對形心處X軸的截面,慣性矩可利用 AutoCAD查尋得到,分別是:IX0=0.020 8 m4,IX0.125=0.017 1 m4,IX0.5(0.25、0.375)=0.024 4 m4。
圖3 便梁縱梁有效截面示意(單位:mm)
(1)恒載
據(jù)《上橋5009-橋》圖紙說明中有關規(guī)定,計算時恒載采用單片縱梁均布重量11.43 kN/m;
(2)活載
鐵路活載按換算均布活載計算,根據(jù)《鐵路橋涵設計基本規(guī)范》(TB10002.1-2005)中附錄C “鐵路標準活載的換算均布活載及加載規(guī)定”。
沖擊系數(shù):沖擊系數(shù)(1+μ)=1+28/(40+L),設計按列車限速45 km/時考慮,根據(jù)(鐵路橋梁檢定規(guī)范)2004(4.0.10)公式,μ折減系數(shù)m=0.75×(v/60) =0.75×(45/60)=0.562 5,1+mμ=1+0.75×0.75×28/(40+24.12)=1.246。
內力偏距增大系數(shù):由于便梁的偏心架設,內側縱梁內力偏距增大系數(shù)根據(jù)杠桿分配法,可按下述公式1+§=(4.46×0.5+0.49)(4.46×0.5)=1.22。
(1)彎矩
將D24便梁分成八等分,求各截面的最大彎矩值,如表1。
表1 D24便梁最大彎矩計算
(2)剪力
支點處恒載剪力:Q恒=0.5pL=0.5×11.43×24.12=137.85 kN
支點處活載剪力:Q活=0.5×0.5×K(1+§)(1+mμ)=0.5×0.5×123.7×1.246×1.22=1 133.87 kN
所以:Qmax=137.85+1 133.87=1 271.72 kN
(1)彎曲應力
各個截面設計彎曲應力計算結果如表2。
表2 D24便梁內力計算
縱梁各個截面設計彎曲應力均能滿足規(guī)范要求,說明縱梁強度可以滿足要求。
(2)剪應力
(3)下?lián)隙?/p>
靜活載在跨中所產生的下?lián)隙萬kmax=(5/384)×0.5KL4/(EIX0.5))=(5/384)×(0.5×104×103×24.124)/(2.1×1011×0.024 4)=0.055 m<[f]=24.12/400=0.060 3 m(臨時結構最大撓度容許值)。
結論: 經過對D24便梁超低位架設后的縱梁的最大彎曲應力、最大剪應力、跨中最大下?lián)隙鹊姆治鲇嬎?,其結果均在規(guī)范容許范圍內,此方案可行。
施工時,主要分為以下六個步驟,將3孔箱體頂進就位。
第一步:分別架設D16及D24施工便梁,施工線間挖孔樁,澆筑便梁基礎蓋梁A、B及條形基礎C。
圖5
第二步:縱移D16及D24便梁,施工I號箱體側及箱體基底旋噴樁。
第三步:吃土頂進I號箱體,施工I號箱體出入口外U型框架。
第四步:縱移D16及D24便梁,架設D16便梁,施工Ⅲ號箱體側及箱體基底旋噴樁。
第五步:吃土頂進Ⅲ號箱體,施工出入口外八字墻。
第六步:縱移D24便梁,拆卸16便梁,施工Ⅱ號箱體側基底旋噴樁,拆除影響的樁基及蓋梁,頂進Ⅱ號箱體。
箱體全部就位后,拆卸D24便梁,恢復線路正常運行。
本工程線路加固方式經以上變更后,大大加快施工進度,現(xiàn)在工程已施工完畢并已順利通過驗收。設計調整便梁上下牛腿設置,超底位架設便梁,克服了D24型便梁僅適用直線、雙線線間距需大于4.51 m的限值,進一步拓寬了D24型便適用范圍,為今后類似工程積累了經驗。
[1] TB10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規(guī)范[S]
[2] TB10002.2—2002 鐵路橋梁鋼結構設計規(guī)范[S]