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)
對于已經(jīng)投入運營多年的既有橋梁,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例,以期為同類案例提供一定的參考方案。
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。
茅崗路鐵路框架橋為分離式框架橋,兩座橋?qū)撞贾?,框架橋孔徑?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)
超大設(shè)備的運輸,首先要保證所運載的設(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。對于本次運輸,通過與設(shè)備生產(chǎn)廠家的溝通了解,并咨詢廠家的運輸建議,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)商運輸組織方案,結(jié)合承運單位的運輸設(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)備運輸最大的障礙點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,以框架橋中心點為標(biāo)準(zhǔn),挖低后的路面,要求平整壓實,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。
主要驗算加氫設(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。
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。
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
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)力及裂縫寬度驗算結(jié)果表
從表1的驗算結(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。
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。
(1)經(jīng)過驗算,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,才能順利完成運輸任務(wù)。