跨隴海鐵路單跨58.8 m梯形鋼管桁架防護棚方案研究

郭星亮

摘 要：鋼管桁架是在跨營業(yè)線施工中經(jīng)常采用的一種安全防護結(jié)構(gòu)形式，以跨隴海鐵路單跨58.8 m鋼管桁架防護棚為實例，從方案比選、結(jié)構(gòu)設計兩方面進行了分析，以期為同類工程的安全防護施工提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼管桁架；鐵路；防護棚；有限元分析

中圖分類號：TU758.11 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.119

1 工程概況

國道107鄭州段改建工程鄭汴路互通立交橋跨隴海鐵路主橋結(jié)構(gòu)采用76 m+122 m+74 m預應混凝土連續(xù)箱梁，越圃田車站東咽喉岔區(qū)。該區(qū)域內(nèi)股道繁多，包括隴海鐵路（直線），其上、下行線間距為5 m，為電氣化鐵路；北側(cè)為貨物站臺，設有貫通貨物線1道，距營業(yè)線約22 m；南側(cè)為中鐵聯(lián)集專用線1道，承臺邊距專用線約10.5 m。

為了確保行車安全，在連續(xù)箱梁的施工中應采取二級防護措施，在懸澆段施工中應采用全封閉式結(jié)構(gòu)掛籃一級防護措施，即在掛籃的底部、前端和側(cè)面采用鋼板封閉防護措施，從而保證在施工過程中沒有雜物從掛籃和橋面上墜落。為了保證施工排水工作的順利進行，應在主橋下的施工范圍內(nèi)設置防護棚架，從而確保鐵路運營和相關(guān)設施的安全。

工程主橋下的凈空高度為11.3～13.1 m，因此，應在線路上方、橋下的施工范圍內(nèi)搭設防護棚。此外，《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中的第144條提出，跨越電氣化鐵路的各種建筑物與帶電部分的最短距離應≥50 cm，防護棚桁架底面距線路軌面的最低高度為8.5 m。

2 施工方案優(yōu)化比選

2.1 方案一

方案一為15 m簡支梁+（33.6+17） m連續(xù)梁鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)場地內(nèi)軌道的布置情況和凈空要求，貨運線防護棚架縱向采用15 m跨簡支梁、33.6. m+17 m跨連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)跨越的架設方案，在防護棚架橫梁頂鋪設鋼板，并焊接成整體；棚頂表面鋪設5 mm的橡膠皮，作絕緣防護層；防護棚立柱和斜撐采用圓形鋼管結(jié)構(gòu)，縱、橫梁采用“工”字形鋼構(gòu)件；防護棚基礎采用明挖混凝土條形基礎和柱式基礎。

2.2 方案二

方案二為單跨59.2 m三角鋼管桁架。跨隴海鐵路K553+734.00處有正線2條、到發(fā)線11條和預留4線條。其中，一股道為29#道岔與31#道岔間的渡線（此線路為站場預留線路）?？紤]到此股道的車流量較小，在此股道上未設置防護棚，并將三跨結(jié)構(gòu)簡化為了單跨結(jié)構(gòu)。為了保證施工安全，在鐵路上方60×80 m的范圍內(nèi)設置了全封閉防護棚。

防護棚屋的面板采用0.6 mm厚的壓型鋼板（型號為YX35-125-750）+2層0.5 mm厚的絕緣橡膠，檁條采用卷邊槽鋼C120×50×20×2.5，間距為800 mm；縱梁采用59.2 m的單跨三角鋼桁架，由13片主桁架組成，橫向間距為5.0 m，節(jié)間距為0.8 m，桁架桿件均采用圓形鋼管，次桁架采用三角桁架結(jié)構(gòu)；上、下弦桿采用∠80×8角鋼，立柱采用φ630×12鋼管，斜撐采用I25a、I16、I22a、I18a，基礎采用柱式擴大基礎。

2.3 方案三

方案三為單跨58.8 m梯形鋼管桁架。防護棚屋面板和檀條與方案二相同，檁條的間距為600 mm；縱梁采用58.8 m的單跨梯形桁架，由21片主桁架組成，橫向間距為3.0 m，節(jié)間距為0.6 m，桁架桿件均采用圓形鋼管，次桁架采用桁架結(jié)構(gòu)；上、下弦桿采用∠80×8角鋼，立柱采用φ720×12鋼管，斜撐采用I25a、I16、I22a、I18a，基礎采用柱式擴大基礎。具體如圖1所示。

圖1 單跨58.8 m梯形鋼管桁架結(jié)構(gòu)防護棚立面布置圖

3 技術(shù)方案經(jīng)濟性比選

經(jīng)統(tǒng)計，方案一的用鋼量為1 544.1 t，超過了預算范圍，方案二和方案三的鋼用量約為400 t，考慮到施工方案的實際性，選擇方案三為本工程的實際施工方案。

4 梯形鋼管桁架結(jié)構(gòu)的設計及檢算

4.1 主要結(jié)構(gòu)的施工材料

防護棚的材料均為Q235，主桁架加強弦桿采用φ219×16，其余弦桿采用φ245×16，主桁架腹桿采用φ146×10和φ83×5兩種型號的鋼管，次桁架弦桿采用∠80×8，次桁架腹桿采用I8和I6.3兩種槽鋼，立柱采用φ720×12鋼管。

4.2 荷載計算

4.2.1 恒荷載

面板由壓型鋼板、2層絕緣橡膠組成，經(jīng)計算，其面荷載為0.063 kN/m2。計算模型時，應將層面荷載轉(zhuǎn)化為線荷載，并施加到主桁架上；層蓋以下結(jié)構(gòu)的質(zhì)量由程序自動計算，并施加到有限元模型上。

4.2.2 活荷載

防護棚面板施工荷載的標準值為1 kN/m2，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）中的5.5.1，集中荷載的標準值為1 kN。此外，均布活荷載不與雪荷載和風荷載同時組合。

4.2.3 雪荷載

鄭州地區(qū)近50年的基本雪壓為0.4 kN/m2?？紤]到積雪荷載分布不均勻的情況，并結(jié)合施工實際，積雪系數(shù)取1.25.

4.2.4 風荷載

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）的附錄，鄭州地區(qū)近50年的基本風壓為0.45 kN/m2。因此，桿件的風振系數(shù)、體型系數(shù)、風壓高度變化系數(shù)均取1，并在橫向迎風面的前2榀桁架桿件上施加風荷載。

4.2.5 溫度作用

結(jié)合鄭州地區(qū)的實際氣候變化情況，鋼結(jié)構(gòu)施工安裝時的校準溫度與使用過程中的溫度的最大差值為±25 ℃。

4.3 計算分析軟件

整體建模分析軟件采用Midas Civil2013，有限元模型只針對擴大基礎以上的部分鋼結(jié)構(gòu)進行驗算、分析，并根據(jù)實際起拱情況建模。模型中所有的桿件均采用梁單元模擬，桿件之間的連接均采用剛接。

4.4 荷載組合

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）中的相關(guān)條款，結(jié)合臨時結(jié)構(gòu)的特點，設計了以下10種組合：①1.2恒+1.2施工荷載；②1.2恒+25 ℃；③1.2恒-25 ℃；④1.2恒+1.3風；⑤1.2恒+1.3風-25 ℃；⑥1.2恒+1.3雪+1.0風；⑦1.2恒+1.3雪+1.0風-25 ℃；⑧1.2恒+1.3風+1.0雪；⑨1.2恒+1.3風+1.0雪-25 ℃；⑩1.0恒+1.0風。

4.5 結(jié)構(gòu)構(gòu)造的方式

4.5.1 立柱與主桁下弦之間的連接

在計算模型中，立柱與主桁下弦桿采用“雙直角三角形”的連接形式，即在跨度方向立柱的兩側(cè)各設1根斜桿，斜桿與下弦桿、立柱之間通過耳板連接。

4.5.2 次桁架與主桁架之間的連接

跨營業(yè)線施工的時間較短。為了最大限度地減少施工對鐵路運營的干擾，施工方應加快施工速度。因此，應采用在主桁架弦桿上直接焊接構(gòu)件、用螺栓連接次桁架與構(gòu)件的施工方式，從而縮短施工周期。

5 計算結(jié)果

5.1 主桁架結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果

經(jīng)過有限元計算和分析，主桁架加強上弦的應力范圍為69.9～146.8 MPa，其余上弦的應力范圍為55.3～114.8 MPa；主桁架加強下弦的應力范圍為89.2～189.9 MPa，其余上弦的應力范圍為47.0～189.8 MPa；腹桿的應力范圍為70.8～186.4 MPa，立柱的應力范圍為91.9～174.3 MPa。

組合10中下主桁架變形平面內(nèi)的豎向位移為94.2 mm，撓跨比為1∶624.2；主桁架變形平面的橫向位移為18.2 mm，撓度比為1∶3 230.7.

5.2 支架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的計算

在恒載和活載作用下，為了防止整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，應選取科學的屈曲荷載系數(shù)k.屈曲荷載等于屈曲荷載系數(shù)乘以所施加的荷載，即屈曲荷載=1.0×（恒載+屈曲荷載系數(shù)×活載）。在屈曲荷載的作用下，支架結(jié)構(gòu)前5階的整體屈曲荷載系數(shù)為2.64，4.59，7.37，8.08，8.59.由此可見，支架結(jié)構(gòu)的整體屈曲荷載系數(shù)可滿足設計要求。

6 結(jié)束語

本防護棚屬于大跨度臨時鋼結(jié)構(gòu)工程，通過對設計方案的優(yōu)化對比，并結(jié)合跨營業(yè)線施工的特點，主桁架采用梯形鋼管桁架結(jié)構(gòu)后，有效地降低了施工成本，為凈空受限的跨越電氣化鐵路同類工程提供了一定的參考和借鑒。通過建立整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，找到了立柱與主桁架下弦之間的合理的連接形式，即“雙直角三角形”的連接形式，并在主桁架弦桿上采用了焊接的方式連接構(gòu)件，采用螺栓連接了次桁架與構(gòu)件，從而為快速施工創(chuàng)造了條件，縮短了施工周期。

〔編輯：張思楠〕