楊永明 郭子煜 韓曉方

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

一些老舊鐵路橋梁梁體由于建造年代久遠(yuǎn)、環(huán)境條件差、標(biāo)準(zhǔn)低、行車密度大等原因,會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重病害,故換梁施工成為鐵路橋梁改造項(xiàng)目中的一項(xiàng)常見內(nèi)容。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn),鋼梁橋的換梁改造一般有以下3種方式[1-4]。

(1)更換同規(guī)模同型式的鋼梁方案。該方案適用于由于梁體出現(xiàn)了類如支承位置開裂等重要局部病害而引起的換梁,梁型本身剛度、強(qiáng)度滿足要求。

(2)更換小跨度混凝土梁方案。該方案橋梁跨度減小,需增加橋墩數(shù)量,梁體強(qiáng)度、剛度提升,一般可不對既有橋墩及基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理,但新增橋墩及基礎(chǔ)引起下部結(jié)構(gòu)工程量增加較多。

(3)更換同跨度混凝土梁方案?；炷亮和ǔ１鹊瓤缍认嗤焊叩匿摿簞偠雀?因此,本方案同樣能夠提升梁跨結(jié)構(gòu)的剛度,但由于梁重增加較多,一般需對既有橋墩及基礎(chǔ)進(jìn)行幫寬加固處理。

當(dāng)改造項(xiàng)目為涉河涉水橋梁時(shí),水務(wù)管理部門往往不允許對墩身及基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行幫寬,這種情況下的橋梁換梁應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)研究尋求更為合適的梁型方案和改造方法。以下基于前人的研究,對南同蒲鐵路黃河橋改造方案進(jìn)行研究。

1 概述

1.1 設(shè)計(jì)背景

南同蒲鐵路黃河橋位于黃河和渭河匯合口下游約3km處,是南同蒲—隴海聯(lián)絡(luò)線上的一座大型橋梁[4]。橋梁北端為山西省風(fēng)陵渡,南端為陜西省潼關(guān)古城。橋梁建成于1969 年,全橋共計(jì)24孔48m上承式簡支拆裝式桁梁[5],橋梁全長1199.6m。橋面為直線平坡,無上拱度。桁梁長49.1m,桁高5.0m;主桁采用兩片菱形桁架,中心距為2.2m,采用明橋面布置。

自2001年5月起,南同蒲鐵路黃河橋限速25km/h。橋梁技術(shù)檢定試驗(yàn)結(jié)論表明,主桁橫向剛度嚴(yán)重不足,存在橫聯(lián)上橫桿端部裂紋、高強(qiáng)度螺栓折斷、橫向振幅過大、桁梁死撓度等病害,目前已危及行車安全,亟需對該橋進(jìn)行徹底整治[6-7]。鑒于以上原因,在南同蒲鐵路風(fēng)陵渡至華山段電氣化改造工程中,實(shí)施對既有黃河橋的“換梁改造”[7]。既有南同蒲鐵路黃河橋概貌見圖1,既有拆裝梁斷面布置示意見圖2。

圖1 既有南同蒲鐵路黃河橋概貌

圖2 既有拆裝梁斷面布置示意(單位:mm)

1.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級:Ⅰ級;

正線數(shù)目:單線;

設(shè)計(jì)速度:85km/h,同全線速度目標(biāo)值;

線路情況:直線平坡段;

設(shè)計(jì)活載:中-活載;

軌道結(jié)構(gòu)類型:明橋面木枕。

1.3 設(shè)計(jì)概況

南同蒲鐵路黃河橋采用改造墩臺頂帽、更換梁體的改造方案,將24孔48m拆裝桁梁更換為明橋面鋼箱梁。

鋼箱梁為單箱單室等高度梁,采用木枕明橋面軌道結(jié)構(gòu)。計(jì)算跨度48.0m,梁長49.1m;鋼箱梁總高4.2m,其中,箱體高4.0m,承枕小縱梁高0.2m;鋼箱梁腹板中心距為3.8m,頂板總寬4.2m(含懸臂橫梁接頭)、底板寬4.04m。鋼箱梁內(nèi)部間隔設(shè)置橫隔板和豎向加勁肋,其頂板、腹板和底板分別設(shè)置板式縱向加勁肋。鋼箱梁支點(diǎn)斷面布置示意見圖3。

圖3 鋼箱梁支點(diǎn)斷面布置示意(單位:mm)

鋼箱梁分段制造,現(xiàn)場吊裝就位后栓焊連接,頂板采用工地對接焊,腹板及底板采用高強(qiáng)螺栓拼接。箱體外側(cè)設(shè)置懸臂橫梁,懸臂橫梁與鋼箱主梁采用焊接。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題

結(jié)合工程技術(shù)特點(diǎn)及所處環(huán)境限制條件,換梁改造工程需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題。

(1)選用適合的梁型方案和橋面結(jié)構(gòu)方案。由于主管部門提出“不同意對洪水位以下橋墩設(shè)施進(jìn)行幫寬、加固等縮小河道過流能力的措施”,故改造方案需利用既有墩身和基礎(chǔ),受其承載能力限制,上部結(jié)構(gòu)必須選擇重量相對較輕的梁型方案和橋面結(jié)構(gòu)方案。

(2)明橋面軌道結(jié)構(gòu)與鋼箱梁的連接問題。以往的鐵路橋梁設(shè)計(jì),明橋面軌道結(jié)構(gòu)多搭配鋼桁梁或鋼板梁使用,明橋面木枕直接布設(shè)在縱梁或主梁上翼緣板上,明橋面軌道結(jié)構(gòu)與鋼箱梁的連接無相關(guān)參考經(jīng)驗(yàn)。

(3)合理選擇施工方案。本橋跨越黃河,合理的施工方法有利于減少涉水作業(yè)和施工臨時(shí)措施的使用,節(jié)約工程造價(jià),降低施工期間對河道行洪的影響。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工方案

3.1 梁型的選擇

(1)上承式明橋面鋼桁梁方案

TB10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》規(guī)定:“新建鐵路不得采用上承式鋼桁梁,慎用上承式鋼板梁和半穿式鋼桁梁”;另外,TG/GW103—2010《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》規(guī)定:“新建或改建橋梁不應(yīng)采用上承式鋼桁梁、上承式鋼板梁,不宜采用半穿式鋼桁梁”。因此,上承式明橋面鋼桁梁方案不滿足相關(guān)規(guī)范的規(guī)定[8-9]。

(2)鋼箱結(jié)合梁方案

鋼箱結(jié)合梁方案一般均采用整體式橋面[10],橋面系、梁體本身質(zhì)量均相對較大,經(jīng)檢算,該方案地震組合工況下樁基承載力不足,需對基礎(chǔ)進(jìn)行加固,涉河工作量大。

(3)下承式明橋面鋼桁梁方案

下承式明橋面鋼桁梁方案橋梁寬度大[11],既有墩身橫橋向尺寸明顯不足,需要對橋墩墩身進(jìn)行幫寬、對基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

(4)明橋面鋼箱梁方案

明橋面鋼箱梁方案質(zhì)量輕,箱形截面能夠提供較大的橫向剛度,利于行車穩(wěn)定性[12],既有下部結(jié)構(gòu)受力滿足要求,僅需對橋墩頂帽進(jìn)行改造。

綜上所述,上承式明橋面鋼桁梁方案不滿足相關(guān)規(guī)范,鋼箱結(jié)合梁和下承式明橋面鋼桁梁方案需對基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理,不符合換梁改造的基本原則,故最終選用“明橋面鋼箱梁”方案。

3.2 橋面結(jié)構(gòu)形式

為達(dá)到利用既有墩身及基礎(chǔ)的目的,明橋面結(jié)構(gòu)質(zhì)量應(yīng)較輕,且能滿足列車平穩(wěn)運(yùn)行的要求。

(1)現(xiàn)澆縱向承軌臺方案

現(xiàn)澆縱向承軌臺式道床結(jié)構(gòu)方案中[13],采用C40混凝土現(xiàn)場澆筑,混凝土道床通過剪力釘與鋼梁橋面板連成一體[14]。軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高度為540mm;承軌臺沿橋梁縱向每間隔3～4m分塊并設(shè)置1道斷縫,斷縫尺寸為100mm;兩縱向承軌臺橫橋向內(nèi)側(cè)間距370mm,中間無橫向聯(lián)結(jié)?，F(xiàn)澆縱向承軌臺方案斷面示意見圖4。

圖4 現(xiàn)澆縱向承軌臺方案斷面(單位:mm)

該類型軌道結(jié)構(gòu)在國內(nèi)城市軌道交通高架線中應(yīng)用較多,但道床結(jié)構(gòu)均為與混凝土結(jié)構(gòu)連接,與鋼梁連接尚無應(yīng)用實(shí)例。

(2)木枕軌道結(jié)構(gòu)方案

木枕在我國明橋面鐵路建設(shè)中普遍采用,技術(shù)相對較為成熟。明橋面木枕軌道由鋼軌、軌枕、扣件、走行板、護(hù)木、連接零件等組成[15]。鋼軌采用60kg/m焊接長鋼軌,軌枕采用3.0m長木枕,截面為22cm×24cm,間距為350mm。軌道結(jié)構(gòu)高度為440mm,木枕與承枕小縱梁上翼緣接觸面積范圍內(nèi),木枕作10mm深度刻槽處理,軌面到鋼箱梁梁頂最高點(diǎn)的距離為630mm。

承枕小縱梁于制造廠與鋼箱梁一同制造,其上放置枕木,枕木上方兩側(cè)縱橋向設(shè)置護(hù)木,通過“長螺栓+扣壓板”將護(hù)木、枕木及承枕小縱梁上翼緣連接成整體,從而實(shí)現(xiàn)道床結(jié)構(gòu)與鋼箱梁的連接。明橋面木枕軌道結(jié)構(gòu)方案斷面示意見圖5。

圖5 木枕軌道結(jié)構(gòu)方案斷面(單位:mm)

(3)推薦方案

現(xiàn)澆縱向承軌臺方案軌道結(jié)構(gòu)剛度大,列車運(yùn)行平穩(wěn),養(yǎng)護(hù)工作量相對較少,但其與鋼橋連接方式存在一定風(fēng)險(xiǎn),且無工程應(yīng)用實(shí)例,對施工質(zhì)量要求較高(需要重點(diǎn)保證鋼混結(jié)合面結(jié)合緊密,避免雨水侵蝕);木枕軌道結(jié)構(gòu)具有一定的彈性,軌道荷載輕,可實(shí)施性好,在國內(nèi)明橋面鋼橋上應(yīng)用廣泛。從工程可靠度、難易度方面考慮,最終選擇木枕軌道結(jié)構(gòu)方案。

3.3 梁高

(1)適當(dāng)減少橋墩接高量

既有拆裝桁梁梁高5.0m,適當(dāng)加大梁高可減少橋墩墩帽的接高量。綜合考慮橋址公路運(yùn)輸條件,梁高擬定為4.2m(含承枕小縱梁)。鋼箱梁與既有拆裝梁高差約0.8m,通過墩帽加寬的同時(shí),適當(dāng)加高墩帽實(shí)現(xiàn)軌面高程的前后一致。改造前后墩帽加寬加高示意見圖6。

(2)新舊規(guī)范梁高計(jì)算對比

分別按TB 10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》和TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對48m簡支鋼箱梁梁高進(jìn)行計(jì)算[16],具體結(jié)果見表1。

表1 鋼箱梁梁高及相關(guān)計(jì)算結(jié)果

由表1可知,由于17版規(guī)范對單線梁的剛度要求提升較多,其梁高計(jì)算結(jié)果明顯高于05版規(guī)范;17版規(guī)范情況1較05版規(guī)范增加梁高0.9m,用鋼量增加11.03%;情況2較05規(guī)范增加梁高0.3m,但用鋼量增加45.35%?？紤]本橋?yàn)楦慕?xiàng)目,需利用既有的墩身和基礎(chǔ),質(zhì)量增加過多對既有墩身和基礎(chǔ)影響較大,最終采用4.2m梁高方案。

3.4 梁寬

根據(jù)05版和17版規(guī)范要求,簡支鋼板梁寬跨比不應(yīng)小于1/15,橫向?qū)挾炔粦?yīng)小于2.2m。鋼箱梁初擬腹板中心距為3.6m,其動(dòng)力仿真分析結(jié)論表明[17],當(dāng)C70貨車以50～90km/h的速度通過橋梁時(shí),橋梁動(dòng)力響應(yīng)、車體豎向振動(dòng)加速度均不滿足要求,需通過增加樁基剛度、主梁剛度或主梁恒載等方式改善橋梁的動(dòng)力特性及列車走行性。

增加樁基剛度、增加主梁恒載都需要對基礎(chǔ)進(jìn)行加固,不滿足本次改造的基本原則;受運(yùn)輸條件限制,4.2m已為最大梁高,鋼箱梁梁寬受動(dòng)力仿真分析控制,最終采用3.8m的腹板間距。

3.5 承枕小縱梁

承枕小縱梁為明橋面枕木的支承構(gòu)件,采用T形截面。承枕小縱梁位于鋼箱梁頂板上方,間距為2.0m,小縱梁總高200mm(鋼箱梁梁頂最高點(diǎn)算起),頂板寬240mm,頂板厚24mm,腹板厚16mm。

承枕小縱梁沿橋梁縱向每間隔3～4m設(shè)置1道10cm斷縫,以解決橋面排水問題;承枕小縱梁腹板兩側(cè)成對設(shè)置豎向加勁肋,兩小縱梁間間隔設(shè)置橫向拉桿,保證承枕小縱梁的橫向穩(wěn)定性,以確保列車運(yùn)行平穩(wěn)。

3.6 箱內(nèi)縱梁

箱內(nèi)設(shè)置2道倒T形縱梁,間距2.0m,與箱頂承枕小縱梁位置對應(yīng)?？v梁高600mm,腹板、底板厚16mm,底板寬240mm。

3.7 懸臂橫梁

對應(yīng)隔板和豎肋位置,在箱梁外側(cè)設(shè)置懸臂橫梁,作為員工走道及管線的支承受力構(gòu)件。懸臂橫梁在工廠單獨(dú)制造,運(yùn)輸至現(xiàn)場后,工地現(xiàn)場與鋼箱部分連接成整體。

3.8 施工方案

針對南同蒲鐵路黃河橋的實(shí)際特點(diǎn),鋼箱梁采用新、舊鋼梁首尾相連的縱向整體拖拉施工方案,在拆除、移出舊梁的同時(shí)安裝新梁。不僅能夠節(jié)約斷道時(shí)間,還能省去安裝新梁時(shí)的導(dǎo)梁,簡化臨時(shí)梁場功能。主要施工步驟如下。

(1)施工準(zhǔn)備。

(2)拆除既有橋面系,在既有橋墩上搭設(shè)施工托架。在前兩孔及最后兩孔搭設(shè)施工平臺,并在前后施工平臺上各安裝兩臺龍門吊機(jī)。

(3)在前兩孔及最后兩孔既有梁主桁架上設(shè)置吊架,起頂此四孔梁,并拆除支座,利用跨線龍門吊機(jī)拆除此四孔梁。

(4)在剩余鋼梁上安裝側(cè)向支撐裝置,起頂各孔鋼梁,進(jìn)行墩臺頂帽加寬加高施工。

(5)在各橋墩墩頂安裝滑道梁、墩頂錨固塊等牽引設(shè)備,各孔間采用臨時(shí)桿件連接牢靠。

(6)在第二孔位置的施工平臺上架設(shè)鋼箱梁,新舊梁之間通過臨時(shí)桿件連接。向大里程側(cè)整體牽引鋼梁,當(dāng)舊梁牽引至后施工平臺上后,將其拆除。同時(shí)在前施工平臺上架設(shè)新的鋼箱梁,將新的鋼箱梁之間用臨時(shí)連梁構(gòu)造相連。施工步驟示意見圖7。

圖7 施工步驟示意

(7)重復(fù)步驟(6),繼續(xù)向大里程整體牽引梁體,直至舊梁拆除完畢。

(8)通過龍門架架設(shè)小里程側(cè)剩余兩孔鋼箱梁,取消各孔梁間臨時(shí)連接,拆除滑道梁等牽引設(shè)備,鋼梁落梁至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

(9)橋面及附屬施工。拆除龍門吊機(jī)及施工平臺。

4 技術(shù)創(chuàng)新

4.1 明橋面鋼箱梁技術(shù)方案

水務(wù)管理部門要求改造工程不得對橋梁既有墩身及基礎(chǔ)進(jìn)行幫寬加固,下部結(jié)構(gòu)承載能力有限。為盡量減輕橋梁上部結(jié)構(gòu)自重,避免對既有墩身及基礎(chǔ)進(jìn)行幫寬加固,研究通過對多種梁型質(zhì)量進(jìn)行對比,采用了單線明橋面鋼箱梁梁型方案。該方案結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕,可有效解決既有墩身、基礎(chǔ)承載力不足的問題,實(shí)現(xiàn)了僅做橋墩頂帽改造和換梁施工即可提升列車運(yùn)行速度和鐵路通行能力的目標(biāo)。

箱形截面主梁橫、豎橋向剛度均相對較大,消除了既有梁存在的橫向振幅過大、豎向死撓度問題,有利于行車穩(wěn)定性的提升。

4.2 新型明橋面連接技術(shù)

鋼箱梁頂板采用正交異性鋼橋面板,明橋面木枕無法與其直接連接,需參照以往明橋面鋼桁梁縱梁設(shè)置具有一定寬度上翼緣的連接過渡構(gòu)造,既要便于連接枕木,同時(shí)也要解決連接構(gòu)造對橋面橫向排水造成的影響,研究了承枕小縱梁構(gòu)造,配合護(hù)木、“長螺栓+扣壓板”的使用,可實(shí)現(xiàn)明橋面木枕與鋼箱梁的有效連接;通過小縱梁縱向間隔設(shè)置斷縫的方式,解決了橋面橫向排水問題,為鋼箱梁采用鐵路明橋面軌道結(jié)構(gòu)形式提供了有力保障,豐富了明橋面軌道結(jié)構(gòu)與鋼箱梁結(jié)構(gòu)的連接形式。

4.3 安全、環(huán)保施工方案

鋼箱梁采用新、舊梁首尾相連的整體拖拉施工技術(shù),施工方案安全、環(huán)保。該方案無需設(shè)置導(dǎo)梁、臨時(shí)墩及棧橋等涉水臨時(shí)措施,降低工程造價(jià)的同時(shí),減少了涉水作業(yè),減小對河道行洪的影響。

5 結(jié)語

(1)換梁改造項(xiàng)目梁部設(shè)計(jì)需綜合考慮既有橋現(xiàn)狀、橋址環(huán)境、下部結(jié)構(gòu)承載能力,涉河涉水等情況,選擇合適的梁型方案。

(2)橋梁結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)尺寸的確定不僅受靜力、動(dòng)力計(jì)算結(jié)果的控制,還應(yīng)考慮橋址處運(yùn)輸條件、架設(shè)條件的影響。

(3)施工方法應(yīng)優(yōu)選安全、環(huán)保的技術(shù)方案,減少臨時(shí)措施的使用,減少對自然環(huán)境的影響。