鐵路框架簡支板橋的研究

劉彥文,渾鐵鏈

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津　300142)

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鐵路框架簡支板橋的研究

劉彥文,渾鐵鏈

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津300142)

摘要：新建鐵路與既有鐵路小角度交叉,一般采用框架墩+簡支梁的橋跨形式,但是框架墩結(jié)構(gòu)高度高,本文提出的框架簡支板橋能夠很好地解決這個問題,并且從施工和設(shè)計角度論證了工程的可行性。研究結(jié)果：框架簡支板在設(shè)計上強度、剛度滿足規(guī)范要求,施工可行,具有較好的經(jīng)濟價值,值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：框架簡支板；鐵路橋；小角度交叉；研究

1概述

隨著鐵路事業(yè)的發(fā)展，鐵路與鐵路的立交越來越多，由于受曲線半徑的限制，經(jīng)常出現(xiàn)鐵路之間的立交采用很小角度交叉的情況。在新建鐵路跨越既有線路的情況下，鐵路橋的結(jié)構(gòu)特點決定了鐵路之間的小角度立交，沒有很理想的結(jié)構(gòu)形式來解決。在條件允許的情況下，可以采用大跨度的連續(xù)梁，而在實際工程中，往往采用框架式橋墩。但是框架式橋墩也有著明顯的缺點，比如結(jié)構(gòu)高度較高，比如橫梁的現(xiàn)澆施工對既有線運營干擾大。為了解決這個問題，筆者研究了框架簡支板橋，這種結(jié)構(gòu)可以明顯地降低橋梁的結(jié)構(gòu)高度，降低結(jié)構(gòu)施工對既有線運營干擾，并且相較于框架墩，工程造價不會顯著增加，甚至有所減少，并且設(shè)計周期、施工難度都有所降低。

2橋式簡介

現(xiàn)以某鐵路交叉為例，介紹此橋梁形式。新建鐵路與既有鐵路均位于曲線上，交叉角度13°，新建鐵路貨運線，設(shè)計速度目標值為80 km/h，經(jīng)過檢算，實際運營速度不超過50 km/h，既有鐵路為繁忙鐵路干線，運營速度為160 km/h。結(jié)構(gòu)如圖1～圖3所示。

圖1　結(jié)構(gòu)平面(單位：cm)

圖2　結(jié)構(gòu)立面(單位：cm)

圖3　結(jié)構(gòu)橫截面(單位：cm)

圖1中斜向?qū)嵕€為新建單線鐵路，水平向細實線為既有單線鐵路，在既有線兩側(cè)設(shè)單排樁接柱，柱頂設(shè)縱向蓋梁，形成框架結(jié)構(gòu)，為增加框架的整體性，柱中間部位設(shè)系梁，蓋梁頂設(shè)簡支的橫向的板梁，為減小板梁自重，板梁設(shè)計寬度為1.0 m。

為減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)力，沿線路方向每12 m長度為一個結(jié)構(gòu)單元，每個單元含3個墩柱，12片板梁。

既有線兩側(cè)設(shè)鉆孔樁接墩柱，考慮施工及接觸網(wǎng)支柱安全要求，鉆孔樁中心至線路中心線設(shè)計為6 m，板梁底部距離建筑限界預留20 cm安全距離。

3框架簡支板橋的可行性

3.1設(shè)計強度、剛度可行性

由于結(jié)構(gòu)的各個部位均比較小巧，故剛度、強度有可能成為其可行性的控制因素。初步擬定樁、柱的直徑均為1.5 m，系梁的截面尺寸為1.5 m×1.5 m，蓋梁的截面尺寸為2.0 m×1.5 m，為便于施工，結(jié)構(gòu)的各個部位均采用鋼筋混凝土而不設(shè)預應(yīng)力。根據(jù)以上設(shè)計，截取一個12 m長結(jié)構(gòu)單元，采用midas軟件建立模型，如圖4所示。

圖4　結(jié)構(gòu)單元模型

模型簡介：邊界條件，根據(jù)地質(zhì)條件計算樁基的剛度，墩柱彈性支承在樁上，板梁與蓋梁彈性連接，根據(jù)摩擦系數(shù)計算彈性連接系數(shù)；荷載，考慮板上的道砟及橋面系自重，列車活載，結(jié)構(gòu)整體的溫度力、混凝土收縮徐變、地震力、不均勻沉降、風力、長鋼軌作用力等。

結(jié)構(gòu)計算結(jié)果：剛度檢算，在橫向荷載作用下，橫向的樁頂位移為0.008 m，如果結(jié)構(gòu)兩端與16 m簡支梁相接，水平折角最大為0.56‰<1.5‰，橫向剛度為310 kN/cm，滿足《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》第5.3.3條規(guī)定，縱向剛度遠大于橫向，亦滿足規(guī)范要求；板的配筋計算：板的底面布置抗彎鋼筋，經(jīng)計算每塊板布置12根φ28 mm的HRB400鋼筋；框架的配筋計算：框架的各個部位受力比較均勻，經(jīng)計算，總體配筋與混凝土的比例小于100 kg/m3，在一個合理的范圍內(nèi)。計算結(jié)論：結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計合理，工程可行。

3.2施工可行性

鉆孔樁的施工可行性：根據(jù)對已有既有線施工工程的調(diào)查，有距離線路中心線6.0 m的成功施工實例，并保證了既有線的運營安全不受影響，所以樁基施工是可行的。

鉆孔樁施工完成后，墩柱的施工不需要大型的施工機械，對線路運營影響降低，所以墩柱的施工不是控制因素。

梁板的架設(shè)：本結(jié)構(gòu)梁板厚度及寬度均為1.0 m，長度13 m，自重為325 kN，采用汽車吊進行吊裝，簡單快捷，工程可行，并且相比較現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，施工進度更快，對既有線運營干擾更小。

3.3運營可行性

此橋式為板梁上鋪設(shè)道砟，并設(shè)置橋面系，與一般的蓋板涵頂部構(gòu)造相同，與蓋板涵區(qū)別是，蓋板涵兩側(cè)接路基，當板頂填土很低時，涵洞與路基的剛度差較大，造成行車的舒適度降低，并可能形成列車對結(jié)構(gòu)的沖擊，而本橋式兩端與梁橋相接，軌道剛度差較小，可以避免小填土蓋板涵的缺陷，所以此橋式在運營要求上是可行的。

4框架簡支板橋與相近橋式的技術(shù)比較

鐵路的小角度交叉多采用框架墩橋式，亦有空間剛架橋式，前者還有多種結(jié)構(gòu)形式，如普通的混凝土橫梁框架墩、鋼橫梁框架墩、牛腿式框架墩、十字梁框架墩。

普通的混凝土橫梁框架墩，梁部施工需現(xiàn)澆，施工時需占用豎向空間，加之橫梁的結(jié)構(gòu)及支座高度，總高度超過5 m，遠超本橋式，在線路縱斷面受控制的情況下，有可能造成線路方案的不可行，或者增加線路高度，引起其他的工程量大大增加，經(jīng)濟上差距明顯。

鋼橫梁框架墩，橫梁采用吊裝方式架設(shè)，相較于普通框架墩，節(jié)省了施工空間約1 m多，但是結(jié)構(gòu)高度并未減少，對降低線路縱斷面沒有質(zhì)的改變，且鋼結(jié)構(gòu)日后的養(yǎng)護維修工作多，對鐵路運營干擾多。

牛腿式框架墩，相較于以上兩種橋式結(jié)構(gòu)上更低，但是也需要現(xiàn)澆施工，總高度仍然接近4.0 m，不能夠大幅度降低線路高度，沒有明顯優(yōu)勢。

十字梁框架墩，類似于牛腿式框架墩，但是結(jié)構(gòu)復雜，受力復雜，設(shè)計計算的工作量很大，施工時對既有線的干擾也更大，不利于標準化的設(shè)計施工。

空間剛架，結(jié)構(gòu)要求總高度可以進一步降低，但是相較于簡支板，空間剛架施工仍然是在既有線上的現(xiàn)澆，有施工空間要求，并且此橋式為多維超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復雜，受力復雜，不便于標準化作業(yè)，不便于推廣。

綜上，框架簡支板橋式梁部高度大大降低，板梁施工對既有線干擾小，結(jié)構(gòu)簡單、受力簡單、易于設(shè)計施工，便于推廣。

5框架簡支板橋與普通框架墩的經(jīng)濟比較

普通框架墩橫梁上一般架設(shè)16 m的簡支T梁，故可以視為一般框架墩16 m為一個縱向單元，而本結(jié)構(gòu)縱向長度可以以1 m為單位任意截取，所以也取16 m長度與框架墩進行比較，經(jīng)估算工程數(shù)量見表1。

表1　工程數(shù)量

由表1可以看出，在局部范圍內(nèi)比較，框架簡支板在工程量上與框架墩相差不多，經(jīng)濟上不相上下。但從線路工程總體分析，差距明顯?？蚣芏招枰慕Y(jié)構(gòu)高度要大的多，現(xiàn)澆法施工，在建筑限界上搭建安全棚架，需0.2 m的安全距離+0.5 m的棚架+0.5 m的施工空間+2.0 m的橫梁高度+0.5 m的支座及墊石+1.1 m的低高度簡支T梁高度=4.8 m總高度，與框架簡支板的總高度(1+0.2) m相比，差值3.6 m，如果線路坡度用到6‰，就可以減少橋梁長度3.6 m/6‰×2=1 200 m，經(jīng)濟價值不可小覷。況且在有些情況下，這3.6 m的高度可能影響到一個很好的線路方案的可行性，經(jīng)濟價值就會更大。

6框架簡支板橋的適用條件

一般來說，此橋式可以應(yīng)用于多數(shù)的鐵路立交，但是此橋式在一定的條件下優(yōu)勢更明顯。當新建鐵路小角度跨越既有單線鐵路，且新建線路縱斷面受限制，此橋式最為適用，而且縱斷面受限制越明顯，此橋式的優(yōu)勢越明顯。

7研究結(jié)論

經(jīng)過以上計算研究對比，本橋式受力簡單，易于設(shè)計，便于施工，便于標準化，工程上是可行的，而且具有極大的經(jīng)濟價值，在條件適合的情況下，值得推薦及推廣應(yīng)用。

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Research on Railway Bridge with Simply Supported Plate LIU Yan-wen, HUN Tie-lian

(The Third Railway Survey and Design Institute of Group Corporation, Tianjin 300251, China)

Abstract：When new railway crosses the existing railway with a small angle, frame pier is generally adopted, but the frame structure is high. The frame structure with simply supported plate proposed in this paper may solve the problem properly and is proved applicable in prospective of construction and design. The research results demonstrate that the frame structure with simply supported plate satisfies the specification and is practical and economical

Key words：Frame structure with simply supported plate； Railway bridge; Crossing with small angle; Research

中圖分類號：U448.21+7

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.01.016

文章編號：1004-2954(2015)01-0067-03

作者簡介：劉彥文(1972—)，男，工程師，1995年畢業(yè)于石家莊鐵道學院橋梁工程專業(yè)。

收稿日期：2014-10-30