斜框構橋頂進施工的頂鎬布置分析

王旭東

1 概況

隨著鐵路運輸不斷向高速、重載方向發(fā)展,列車運行密度不斷增加,鐵路平交道口頻頻出事,已成為影響鐵路行車安全的突出問題。近年來,鐵道部已將取消平交道口,改造為下穿鐵路框構立交橋列為重點項目。隨著平改立力度的逐年加大,框構橋頂進施工工藝已經成熟,在實際當中,道路與鐵路的平面交叉有正交和斜交之分,交叉角小于90°者謂之斜交,對于這種斜交的框構設計和頂進工藝應依其斜交角度、孔徑大小、孔數(shù)多少,以及涵身長度的綜合研究決定。本文筆者根據(jù)工程實例,就斜框構橋斜向頂進時頂鎬的布置方法做以下闡述。

2 斜交框構與正交框構頂進的不同點

框構橋頂進是在保證鐵路安全運行的前提下,在鐵路路基一側預制鋼筋混凝土箱形框架,采用高壓油泵帶動油壓千斤頂,并借助于預先修好的后背支承,頂入鐵路路基內,成為一座鐵路立交橋。道路與鐵路的平面交叉分為正交和斜交。道路與鐵路正交框構頂進時,千斤頂?shù)奈恢靡话闶且钥驑嬛行木€為軸對稱布置。在頂進過程中,如果頂力均勻,挖土適當,觀測及時,一般是不會產生偏轉的。當?shù)缆放c鐵路斜交角較小或箱身較長的較大跨度箱涵,若在頂進中還采用正向頂進時,千斤頂以框構中心線為軸對稱布置的方式,則會產生框構轉動,出現(xiàn)偏頭現(xiàn)象。斜交框構斜向頂進與正交框構正向頂進的不同點在于前者框構尾部的銳角端需要較大的頂力,才能使箱體沿正確方向前進。

3 框構轉動原因及受力分析

圖1表示斜框構在斜向頂進入土后某一階段的平面圖,各作用力簡化在平面上考慮,框構受力說明如下。

3.1 底板

為支頂千斤頂?shù)男枰?箱涵底板尾部需增設三角形圬工以形成與頂進方向垂直的平面。一般采用圖1方案,即增設三角形后的底板的幾何圖形與框構對稱,底板摩阻力的合力 f位置與框構軸線重合,框構不產生轉動。

3.2 邊墻

框構入土后,兩側邊墻承受土壓力 E,由于力臂 Y右＞Y左,形成力偶,使框構產生逆時針向轉動。

3.3 頂板

一般設計成平行四邊形,其摩阻力與框構軸線重合,框構不因頂板摩阻力而產生轉動。

3.4 刃角

如果挖土部位與框構軸線對稱,挖土量也大體相當,框構一般不會因刃角正面阻力而產生轉動。

由圖1求摩阻合力:

故摩阻合力為:

偏心距:

通過以上計算,可得框構的摩阻合力N與框構軸線偏離e,這樣框構就發(fā)生逆時針向轉動,其中兩側土壓力的力臂不等是造成框構轉動的主要原因。

4 千斤頂布置

4.1 不同的千斤頂位置分析

由上述分析可知:斜框構斜向頂進,兩側土壓力對框構尾端X—X軸線的力矩差是造成框構移動的主要原因,而且框構入土愈深轉動愈大,也就是說總摩阻力與框構軸線的偏心距隨著入土深度的增加而增加。這就要求配置千斤頂?shù)目傢斄ξ恢门c之適應,才能有效的克服轉動。設框構頂進入土到某一階段,階段開始時總摩阻力N小偏離框構軸線距離e小;階段終了時總摩阻力N大偏離框構軸線距離e大,如圖2所示。千斤頂合力 R按三種不同位置布置如下。

1)當千斤頂合力R與N大作用于同一條線,則自階段開始至階段終了期間,框構承受千斤頂?shù)钠牧禺a生順時針向轉動。為避免框構轉動,可利用刃角正面阻力,即挖空B側刃角前土壤,讓 A側刃角吃土的辦法(見圖3)。

表1 轉矩、摩阻力和偏心距計算表

2)當千斤頂合力 R與N小作用于同一條線,則自階段開始至階段終了期間,框構會產生逆時針向轉動,當然也可以用挖空 A側刃角前土壤,讓B側刃角吃土的辦法,使刃角正面阻力對框構產生順時針向轉動來達到框構正確頂進的目的(見圖4)。

3)當千斤頂合力 R位于 1/2(e大+e小),自階段開始至階段中期之前,框構會產生順時針向轉動;自階段中期之后至階段終了期間,框構會產生逆時針向轉動。如果仍然用刃角正面阻力來克服框構轉動,那么在階段中期之前要用1)所述的辦法,在階段中期之后就要用2)所述的辦法(見圖 5)。

上述千斤頂三種不同布置以第一種較好,即千斤頂合力 R與N大位置對應,其主要理由是在階段的整個期間對框構產生順時針向力矩來克服框構兩側土壓的力臂差對框構產生的逆時針向轉動。為使框構正確就位,采用千斤頂不對稱布置形成一個反力矩,克服框構轉動。實踐證明:采用這一措施,效果良好。

4.2 千斤頂不對稱布置的方法

筆者在石太鐵路下行線130.821 km框構橋頂進中采用了千斤頂不對稱布置的方法,克服了框構橋在頂進過程中的轉動問題,效果較為理想,現(xiàn)以工程實例介紹如下:

石太下行線130.821 km框構橋軸線與壽陽縣307國道斜交50°,主體高度6.8 m,凈寬9 m,凈跨 13.84 m,采用斜框構,增設2個三角形底板,以支承千斤頂,框構混凝土323 m3,設計頂力1 200 t,頂程22 m,土質為密實砂夾石,含水量小。頂進過程中采用軌束吊軌及縱、橫抬梁加固線路。各部尺寸見圖6。

計算假定:

1)底板平面尺寸基本上與框構軸線對稱,因此可認為底板摩阻力的合力與框構軸線重合。

2)頂板平面尺寸與框構軸線對稱,板頂僅線路加固重量,摩阻力不大,對計算成果影響甚微,為簡化計算略去頂板摩阻力。

3)頂進時刃角周邊土壤挖空,故可認為刃角正面阻力為零。

根據(jù)以上三點,本計算主要考慮由于兩側邊墻土壓力力臂不等,使得框構產生順時針轉動的轉矩。

表2 各階段所需千斤頂數(shù)量表

土壓力按 E=1/2rH2Bξ(t)計算。

其中,r為土體容重,取2.0 t/m3;H為框構兩側土體高度;B為框構入土寬度;ξ為土壓力系數(shù),取0.4。

力矩計算:

兩側土壓力力臂差:L=7.551 m,則土壓力力矩:M=EL=7.551E。

隨入土深度和填土高度的不斷增加,力矩也不斷增加。

阻力計算(只考慮框構兩側摩阻力和底板摩阻力):

1)底板摩阻力。

框構自重=323×2.5=807.5 t;

摩擦系數(shù)f=0.8;

則底板摩阻力 P1=807.5×0.8=646 t。

2)框構兩側摩阻力。

框構兩側摩阻力P2=2Ef;

摩擦系數(shù)f=0.8;

則框構兩側摩阻力 P2=2E×0.8。

轉矩、摩阻力和偏心距計算見表1。

千斤頂布置:

該工程采用天津市威力千斤頂有限公司生產的雙作用液壓千斤頂,每臺千斤頂?shù)捻斶M能力為220 t,行程500 mm,考慮液壓千斤頂有效系數(shù)0.75,計算各階段所需千斤頂數(shù)量如表2所示。

如圖7所示,分5階段采用不同位置布置千斤頂,克服了轉動問題,確保了框構橋正確就位。

5 結語

通過上述理論分析及工程實例,得出如下結論:在交角較小或箱身較長的較大跨度框構橋頂進施工中,采用千斤頂不對稱布置的方法,可以克服框構橋轉動問題,使框構橋正確就位。在實際施工中,還必須結合實際情況靈活采用,隨時測量了解框構頂進方向,以便采取有效措施,保證框構正確就位。

[1] 曹坎嵩.鋼筋梁頂推施工技術[J].山西建筑,2007,33(28):322-323.