董傳芹 閆利明 孫震 李丁立

（1.中鐵二院北方勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250012；2.中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250000）

城市道路與既有鐵路立交工程日趨增多，當(dāng)?shù)缆凡捎孟麓╄F路方案時(shí)大多采用大跨徑頂進(jìn)式框架橋。在鐵路橋涵頂進(jìn)施工過(guò)程中，為了不中斷鐵路運(yùn)輸需要對(duì)線路進(jìn)行加固［1-2］?？蚣軜蝽斶M(jìn)施工線路加固方式主要有：D 型便梁法、縱橫抬梁法、連續(xù)工字梁加固法等［3-6］。D 型便梁受其跨度限制不能滿足大跨徑框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程中線路架空需求；縱橫抬梁法用鋼量大，施工難度大且施工工期長(zhǎng)；連續(xù)工字梁受縱梁剛度較小的影響，其跨度一般不能太大，導(dǎo)致挖孔樁數(shù)量較多且不經(jīng)濟(jì)［7-9］。

本文以濟(jì)南市機(jī)場(chǎng)路下穿膠濟(jì)鐵路立交橋工程為背景對(duì)連續(xù)鋼便梁進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了一種可連續(xù)接長(zhǎng)的多跨空間結(jié)構(gòu)體系——連續(xù)鋼便梁加固體系，用于大跨徑框架橋頂進(jìn)施工的線路加固，并建立有限元模型對(duì)不同工況下的連續(xù)鋼便梁加固體系進(jìn)行檢算。

1 連續(xù)鋼便梁加固體系

1.1 設(shè)計(jì)原理

連續(xù)鋼便梁加固體系基本孔跨布置為（10.5＋9.0＋9.0＋9.0＋10.5）m，以橫抬梁作為中間支點(diǎn)，以鋼木支墩作為邊支點(diǎn)。其傳力路徑為：列車(chē)荷載→鋼軌→鋼枕梁→縱梁→橫抬梁→支點(diǎn)樁（鋼木支墩）。連續(xù)鋼便梁法線路加固平面見(jiàn)圖1。

圖1 連續(xù)鋼便梁法線路加固平面（單位：cm）

連續(xù)鋼便梁各構(gòu)件按照就地組裝法施工的輕型化構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，盡量避免大型機(jī)械作業(yè)，減少天窗施工，做到施工不干擾行車(chē)，行車(chē)不影響施工。

1.2 技術(shù)條件

1）線路條件：連續(xù)鋼便梁適用于單線、雙線、直線或曲線線路，在曲線上加固時(shí)要求曲線半徑不小于800 m；在雙線上加固時(shí)要求線間距不小于4.53 m。

2）限界：滿足鐵路建筑基本限界要求，曲線上按平分中矢布置并考慮曲線加寬值［10］。

3）跨徑組合：本文連續(xù)鋼便梁加固體系基本孔跨僅用于設(shè)計(jì)和檢算，在實(shí)際使用中可靈活組合。在滿足限界要求的前提下，邊跨不大于10.5 m，中間跨不大于9.0 m，中間孔數(shù)不受限制。

4）設(shè)計(jì)荷載：ZKH活載。

5）列車(chē)行駛速度：最大行駛速度不大于60 km/h。

2 主要構(gòu)件和連接方式

濟(jì)南市機(jī)場(chǎng)路下穿膠濟(jì)鐵路立交橋工程處于無(wú)縫線路的曲線段，曲線半徑2 200 m，線間距4.7 m。頂進(jìn)框架橋采用（10＋12）＋（12＋10）m框架橋依次下穿膠濟(jì)鐵路上下行線，框架間距0.1 m，凈高6.6 m。線路加固方法采用連續(xù)鋼便梁加固體系，主要由縱梁、鋼枕梁、橫抬梁、扣件、連接件等構(gòu)件組成。

2.1 主要構(gòu)件

連續(xù)鋼便梁各構(gòu)件截面見(jiàn)圖2。其中，縱梁采用焊接箱形截面，每節(jié)長(zhǎng)19.99 m，結(jié)構(gòu)整體高0.7 m，寬0.42 m。腹板兩側(cè)每隔0.6 m 設(shè)置1 道加勁肋，加勁肋高628 mm，寬80 mm，板厚10 mm。鋼枕梁采用焊接工字形截面，單根長(zhǎng)4.96 m，高0.212 m，寬0.20 m，每隔0.6 m 布置1根。橫抬梁采用焊接箱形截面，每節(jié)長(zhǎng)16.0 m，結(jié)構(gòu)整體高0.6 m，寬0.3 m。橫抬梁腹板兩側(cè)每隔0.6 m設(shè)置1道加勁肋，加勁肋高540 mm，寬95 mm，板厚10 mm。

圖2 連續(xù)鋼便梁各構(gòu)件截面（單位：mm）

2.2 連接方式

縱梁采用拼接板加M22 高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行拼接（圖 3），其中P1，P2 為頂板拼接板；P3，P4 為底板拼接板；P5為腹板拼接板。

圖3 縱梁拼接

鋼枕梁連接在主縱梁的下翼緣，每端采用4 組M22高強(qiáng)度螺栓連接（圖4）。

圖4 鋼枕梁與縱梁連接示意（單位：mm）

橫抬梁與縱梁采用M22 高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行連接（圖5）。為了限制連續(xù)鋼便梁的縱向和橫向移位，在A 排和B 排人工挖孔樁的樁頂預(yù)埋限位裝置。施工期間列車(chē)限速60 km/h。

圖5 橫抬梁與縱梁連接示意（單位：mm）

3 受力分析

3.1 計(jì)算荷載

1）恒載。恒載主要為結(jié)構(gòu)自重和二期恒載。自重包括縱梁、鋼枕梁、拼接板等構(gòu)件的自重。連續(xù)鋼便梁采用Q345qD級(jí)鋼，鋼材重度為78.5 kN/m3。二期恒載包括鋼軌及扣件，鋼軌規(guī)格為60 kg/m。

2）列車(chē)荷載。根據(jù)TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.3.1條［11］，列車(chē)荷載采用ZKH活載。

3）動(dòng)力系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)［12］，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度小于60 km/h時(shí)應(yīng)對(duì)沖擊系數(shù)μ進(jìn)行折減，折減系數(shù)為α1。動(dòng)力系數(shù)1＋α1μ=1＋0.75×28/（40＋9）=1.43。

4）橫向搖擺力、風(fēng)力、制動(dòng)力和離心力。橫向搖擺力為100 kN，并作為集中荷載作用于連續(xù)鋼便梁跨中位置。風(fēng)力、制動(dòng)力和離心力均按TB 10002—2017加載。

3.2 荷載組合

根據(jù)文獻(xiàn)［11-13］，計(jì)算時(shí)考慮3 種荷載組合：①主力，即恒載＋活載＋橫向搖擺力＋離心力（曲線時(shí)）；②主力＋附加力，即主力＋制動(dòng)力；③主力＋附加力，即主力＋風(fēng)力。

3.3 計(jì)算模型及參數(shù)

在框架橋頂進(jìn)過(guò)程中須要逐步拆除框架橋頂進(jìn)路徑上的挖孔樁。當(dāng)拆除挖孔樁時(shí)，橫抬梁一端支撐于未拆除的挖孔樁上，另一端支撐于框架橋頂，此時(shí)橫抬梁跨度陡然增加，為最不利工況。采用MIDAS/Civil 建立連續(xù)鋼便梁有限元模型，縱梁、鋼枕梁和橫抬梁均采用梁?jiǎn)卧M，鋼枕梁與縱梁間的連接采用鉸接模擬，其余邊界條件采用一般彈性支承模擬。

3.4 工況分析

新型連續(xù)鋼便梁作為通用結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能多地適用于不同的線路條件，實(shí)現(xiàn)快速安拆、重復(fù)使用等功能，還應(yīng)滿足規(guī)范中關(guān)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)的要求。通過(guò)對(duì)4種線路條件下框架橋的頂進(jìn)過(guò)程進(jìn)行分析，總結(jié)出了其各自對(duì)應(yīng)的最不利工況。

1）工況1：?jiǎn)尉€、曲線半徑800 m。連續(xù)鋼便梁按最大偏心布置?？蚣軜蛟陧斶M(jìn)過(guò)程中須逐步拆除A 支點(diǎn)樁、B 支點(diǎn)樁。初步判斷拆除A 支點(diǎn)樁時(shí)為最不利狀態(tài)，此時(shí)框架橋上橫抬梁支點(diǎn)距最近縱梁按4.6 m考慮（圖6（a））。

2）工況2：雙線、曲線半徑800 m，拆除A 支點(diǎn)樁。當(dāng)兩縱梁間距離小于等于3.0 m 時(shí)，兩線路間設(shè)1 排支點(diǎn)樁，框架橋在頂進(jìn)過(guò)程中需逐步拆除A 支點(diǎn)樁、B 支點(diǎn)樁，初步判斷當(dāng)拆除A 支點(diǎn)樁為最不利狀態(tài)（圖6（b））。

3）工況3：雙線、曲線半徑800 m，拆除B 支點(diǎn)樁。當(dāng)兩縱梁間距離大于3.0 m 時(shí)設(shè)2 排支點(diǎn)樁?？蚣軜蛟陧斶M(jìn)過(guò)程中需逐步拆除A 支點(diǎn)樁、B 支點(diǎn)樁，初步判斷當(dāng)拆除B支點(diǎn)樁時(shí)為最不利狀態(tài)（圖6（c））。

4）工況4：直線、雙線線間距 4.53 m，拆除B 支點(diǎn)樁?？蚣軜蛟陧斶M(jìn)過(guò)程中需逐步拆除A 支點(diǎn)樁、B 支點(diǎn)樁，初步判斷當(dāng)拆除B 支點(diǎn)樁時(shí)為最不利狀態(tài)（圖6（d））。

圖6 4種工況下框架橋頂進(jìn)過(guò)程（單位：mm）

3.5 各構(gòu)件檢算分析

連續(xù)鋼便梁各構(gòu)件均為焊接組合結(jié)構(gòu)，須要對(duì)各構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行檢算，并檢算構(gòu)件間的連接強(qiáng)度。只有當(dāng)連續(xù)鋼便梁的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求才能保證框架橋頂進(jìn)過(guò)程中鐵路運(yùn)營(yíng)的安全。

3.5.1 強(qiáng)度

Q345qD 級(jí)鋼的容許軸向應(yīng)力［σ］=200 MPa，容許彎曲應(yīng)力［σw］=210 MPa，容許剪應(yīng)力［τ］=120 MPa［13］。TB 10091—2017 對(duì)各種外力組合容許應(yīng)力的提高系數(shù)進(jìn)行了修訂，其中主力＋附加力的容許應(yīng)力提高系數(shù)為1.30。主力＋附加力作用下各構(gòu)件的最大彎曲應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別見(jiàn)表1和表2。

表1 各構(gòu)件最大彎曲應(yīng)力 MPa

表2 各構(gòu)件最大剪應(yīng)力 MPa

由表1 和表2 可知：①連續(xù)鋼便梁加固體系各構(gòu)件最大彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求且有一定的安全儲(chǔ)備；②鋼枕梁的彎曲應(yīng)力較大，其安全富余量約為28.2%，設(shè)計(jì)施工時(shí)應(yīng)給予重視；③連續(xù)鋼便梁加固體系各構(gòu)件的剪應(yīng)力水平均較低，安全富裕量較大，一般不控制設(shè)計(jì)。

3.5.2 撓度

TG/GW 101—2014《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》規(guī)定在靜活載作用下梁的撓度不得超過(guò)跨度的1/400。靜活載作用下4種工況連續(xù)鋼便梁加固體系縱梁撓度計(jì)算值分別為17.9，11.8，11.1，10.8 mm，均小于容許撓度22.5 mm，滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的整體剛度較大。

3.5.3 穩(wěn)定性

結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定性計(jì)算公式［13］為

式中：M為構(gòu)件最大計(jì)算彎矩；Wm為毛截面抵抗矩；φ2為容許應(yīng)力折減系數(shù)。

縱梁和橫抬梁為箱形截面桿件時(shí)φ2取 1.0［13］，鋼枕梁為工字形截面，經(jīng)計(jì)算φ2取0.9。各構(gòu)件計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3?？芍哼B續(xù)鋼便梁中縱梁和橫抬梁的M/Wm計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于容許值，有足夠的安全儲(chǔ)備；鋼枕梁的M/Wm計(jì)算結(jié)果最大值為192.1 MPa，與容許值210 MPa較接近。

表3 各構(gòu)件M/Wm計(jì)算結(jié)果 MPa

綜合上述檢算結(jié)果：連續(xù)鋼便梁加固體系中縱梁、鋼枕梁、橫抬梁的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，具有較好的安全性。

3.6 連接驗(yàn)算

3.6.1 縱梁拼接驗(yàn)算

假設(shè)縱梁的拼接位置剛好位于彎矩最大處或剪力最大處。通過(guò)受力分析，主縱梁所受最大彎矩Mmax=1 189.8 kN·m，最大剪力Vmax=624.6 kN。

縱梁的拼接所用螺栓均為M22高強(qiáng)度螺栓，每個(gè)高強(qiáng)度螺栓的抗滑承載力P=105.9 kN?？v梁的靜截面慣性矩I=275 205 cm4，腹板的毛截面慣性矩I腹= 41 280 cm4。腹板所受彎矩M腹=MmaxI腹/I= 152.6 kN·m，翼緣板所受彎矩M翼=Mmax-M腹= 1 037.2 kN·m。翼板軸力N=M翼/0.7=1 481.7 kN。假設(shè)剪力全部由翼緣處16 個(gè)螺栓均勻承擔(dān)，則翼緣上的每個(gè)高強(qiáng)螺栓所受的水平剪力為92.6 kN，小于高強(qiáng)螺栓的抗滑承載力105.9 kN，滿足要求。

當(dāng)縱梁拼接位置位于剪力最大處時(shí)，假設(shè)剪力全部由腹板承擔(dān)，則每個(gè)螺栓所受的垂直剪力為V1=V/n= 624.6/28 = 22.3 kN。由于在腹板拼接縫一側(cè)的螺栓群排列高而窄，近似認(rèn)為在彎矩作用下各螺栓只承受水平向的作用，距螺栓群形心最遠(yuǎn)的螺栓受力最大，其所受水平剪力T1=51.1 kN，則螺栓所受最大剪力滿足要求。

3.6.2 枕梁與縱梁連接驗(yàn)算

將鋼枕梁與縱梁間的連接方式簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支鉸接，即不傳遞彎矩，僅豎向剪力對(duì)螺栓產(chǎn)生作用。假設(shè)4 個(gè)螺栓均勻受力，則每個(gè)螺栓所受的豎向拉力為20.4 kN，小于單個(gè)螺栓抗拉承載力設(shè)計(jì)值63.7 kN，滿足要求。

4 主要施工步驟及注意事項(xiàng)

4.1 主要施工步驟

①施工臨時(shí)鋼木支墩，架設(shè)4 孔12 m 連續(xù)鋼便梁縱梁，將既有枕木抽換成鋼枕梁并用高強(qiáng)度螺栓與縱梁連接。②分間隔施工φ1.25 m 人工挖孔樁，樁頂預(yù)埋限位裝置，并與橫抬梁連接牢固以限制其縱橫向移位。同時(shí)在線路一側(cè)預(yù)制框架橋主體。③待挖孔樁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，在樁頂穿入橫抬梁，將橫抬梁與縱梁采用高強(qiáng)度螺栓和U 形螺栓連接牢固。④拆除臨時(shí)鋼木支墩，連續(xù)便梁結(jié)構(gòu)整體支承在挖孔樁上。⑤頂進(jìn)框架橋，逐步拆除頂進(jìn)路徑上的挖孔樁。拆除挖孔樁前應(yīng)將橫抬梁支承在框架橋上，盡量減小橫抬梁的跨度。⑥框架橋頂進(jìn)就位后拆除線路加固，恢復(fù)線路。

4.2 注意事項(xiàng)

連續(xù)鋼便梁使用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況組成多跨連續(xù)結(jié)構(gòu)，但中間跨不能大于9 m，邊跨不能大于10.5 m。連續(xù)鋼便梁在曲線上使用時(shí)平面按平分中矢布置，防止侵限。在單孔框架內(nèi)應(yīng)盡量對(duì)稱(chēng)布置橫抬梁，不宜放在跨中和縱梁拼接處，以避免對(duì)框架橋造成損害。支承樁的直徑不宜小于1.25 m，樁長(zhǎng)和配筋應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況和受力情況確定。

5 結(jié)論

1）連續(xù)鋼便梁加固體系的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，且有一定的安全富余量，既保證了框架橋頂進(jìn)施工過(guò)程中列車(chē)運(yùn)行安全又大大縮短了列車(chē)慢行時(shí)間。

2）連續(xù)鋼便梁加固體系各構(gòu)件自重較輕、組裝簡(jiǎn)便快捷，具有快速安拆、重復(fù)使用的功能，可有效解決傳統(tǒng)線路加固方法施工難度大、工期長(zhǎng)、行車(chē)干擾大等問(wèn)題。

3）新型連續(xù)鋼便梁加固體系可以連續(xù)接長(zhǎng)，使用范圍廣，特別適用于多孔大跨框架橋同時(shí)頂進(jìn)施工，也適用于單線、雙線、多線或曲線鐵路上的線路加固。