鐵路既有線新型加固方法
——橫承式便梁法方案研究

徐洪權(quán)，王礪文，夏 寧

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

引言

目前，鐵路橋涵施工常用的軌道加固技術(shù)主要有3種，即工便梁加固方法、D型便梁加固方法和扣軌縱橫梁加固方法。在選擇加固方法的時(shí)候，必須首先保證線路運(yùn)營(yíng)的行車安全，在使其安全得以保證的前提下，最大限度地將線上施工要點(diǎn)時(shí)間縮短，進(jìn)而縮短施工工期[1-4]。

根據(jù)TG/GW 101—2014《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》(以下簡(jiǎn)稱“《工務(wù)安規(guī)》”)可知D型便梁的主要尺寸、適用條件等。經(jīng)過(guò)分析，其在鐵路既有線加固施工過(guò)程中主要存在以下問(wèn)題：(1)挖孔樁施作困難，安全和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)高，尤其是線間支墩施工難度大；(2)D梁下平聯(lián)現(xiàn)場(chǎng)安裝困難，體系面外穩(wěn)定性弱，列車橫向搖擺明顯；(3)D梁剛度小，撓度大，行車平順性和舒適性差；(4)受鐵路建筑限界、地質(zhì)等因素影響，D梁適用雙線鐵路的線間距范圍小，對(duì)場(chǎng)地地質(zhì)條件要求高[5-6]。

為了解決以上問(wèn)題，研究提出鐵路既有線新型加固方法——橫承式便梁法。

1 橫承式便梁法概述

1.1 方案概述[7]

橫承式便梁法線路加固體系由下部結(jié)構(gòu)(樁基、支點(diǎn)墩、平衡墩等)、上部結(jié)構(gòu)(橫承梁、便梁縱梁、便梁小橫梁等)和連接附屬構(gòu)造(連接牛腿、螺栓、銷軸、拉板、支座、絕緣墊、鋼軌扣件等)等組成，其加固單線鐵路頂進(jìn)施工小孔框構(gòu)橋時(shí)采用單線單孔布置(圖1)，加固雙線鐵路頂進(jìn)施工較大孔徑或多孔框構(gòu)橋時(shí)采用雙線三孔或多孔布置(圖2)。

圖1 橫承式便梁法結(jié)構(gòu)體系布置示意(單線單孔)

圖2 橫承式便梁法結(jié)構(gòu)體系布置示意(雙線三孔)

橫承式便梁法加固體系中，鋼軌采用特制的可調(diào)節(jié)扣件固定在小橫梁和橫承梁上；小橫梁通過(guò)連接牛腿和精制螺栓與縱梁連接；縱梁端部采用開(kāi)銷孔的倒L形，搭在橫承梁上，相鄰縱梁間采用開(kāi)銷孔的鋼拉板銷軸連接；支點(diǎn)墩和平衡墩采用鋼管柱，鋼管柱頂部與橫承梁、底部與樁基均采用預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋進(jìn)行錨固連接；其傳力過(guò)程如下：列車荷載→鋼軌→小橫梁→牛腿→縱梁→橫承梁→支點(diǎn)墩(平衡墩)→基礎(chǔ)。

橫承式便梁法加固鐵路既有線，可以實(shí)現(xiàn)快速安拆和重復(fù)利用，滿足相關(guān)規(guī)范、規(guī)程所要求的結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性等指標(biāo)。

1.2 邊界條件

結(jié)合我國(guó)普速鐵路路基形式及構(gòu)造、雙線線間距設(shè)置、工務(wù)養(yǎng)護(hù)等現(xiàn)狀[8-11]，科學(xué)合理開(kāi)展研究工作，橫承式便梁法的設(shè)計(jì)研究邊界條件如下。

(1)橫承式便梁法的支點(diǎn)墩與線路中心的距離為6.25 m[12-13]

根據(jù)TB 10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》5.4.9條“采用大型機(jī)械化養(yǎng)護(hù)的路基地段，接觸網(wǎng)支柱側(cè)面限界應(yīng)滿足大型機(jī)械作業(yè)的需要，不應(yīng)小于3 100 mm”；《工務(wù)安規(guī)》第2.1.5條“電氣化鐵路接觸網(wǎng)支柱外側(cè)2 m(接觸網(wǎng)支柱外側(cè)附加懸掛外2 m，有下錨拉線地段時(shí)在下錨拉線外2 m)、非電氣化鐵路信號(hào)機(jī)立柱外側(cè)1 m范圍稱為營(yíng)業(yè)線設(shè)備安全限界”，并考慮接觸網(wǎng)立柱橫向尺寸、曲線加寬、鋼管柱和適當(dāng)余量后，橫承式便梁法的支點(diǎn)墩與線路中心的距離取為6.25 m。

(2)橫承梁的高度為0.80 m

一般情況下，既有鐵路路基軌底至道床的厚度約為0.8 m，線路加固現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，為了保證路基道床的穩(wěn)定和運(yùn)營(yíng)安全，以盡量只扒除道砟，不開(kāi)挖或少開(kāi)挖路基道床為原則，故橫承梁的高度取值為0.80 m。

(3)雙線線間距的適用范圍為4.0～5.0 m

我國(guó)普速鐵路運(yùn)行速度一般較低，雖經(jīng)過(guò)鐵路六次大提速，但基于線路條件等因素，運(yùn)行速度總體不高，其線間距大部分都在4.0～5.0 m，很少有超過(guò)5 m[14]，故將橫承式便梁法加固雙線鐵路時(shí)的線間距確定為4.0～5.0 m。

(4)支點(diǎn)墩最大高度擬定為10.0 m

支點(diǎn)墩鋼管最大高度的確定需要結(jié)合既有普速鐵路的填土高度及其邊坡坡率，頂進(jìn)框構(gòu)橋的凈高、頂?shù)装搴穸?、頂板頂至軌底的高度、現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地條件等因素，考慮原始地面地上部分采用鋼管的支點(diǎn)墩，原始地面以下部分采用鉆孔樁，故支點(diǎn)墩的高度，即橫承梁梁底至框構(gòu)頂進(jìn)開(kāi)挖地面線的高度，確定為10.0 m。

(5)列車荷載采用ZKH活載

根據(jù)我國(guó)普通鐵路特點(diǎn)，橫承式便梁法體系采用ZKH活載設(shè)計(jì)，按工務(wù)安全規(guī)則要求，限速45 km/h通過(guò)。

1.3 研究重難點(diǎn)

根據(jù)《工務(wù)安規(guī)》中靜活載作用下線路加固體系的撓跨比限值為1/400，現(xiàn)有D型便梁的撓度幾乎達(dá)到限值，而橫承式便梁法體系相對(duì)來(lái)說(shuō)，橫承梁跨度大，其撓度疊加便梁縱梁的撓度會(huì)較大，給橫承式便梁體系設(shè)計(jì)研究帶來(lái)了困難。圍繞體系結(jié)構(gòu)剛度，存在以下研究重難點(diǎn)。

(1)橫承梁計(jì)算跨度大，結(jié)構(gòu)高度小，剛度要求高

前文所述，支點(diǎn)墩與線路中心距離為6.25 m，加固單線時(shí)，橫承梁支點(diǎn)墩中心距即計(jì)算跨度為12.5 m，加固雙線時(shí)，其計(jì)算跨度為16.5～17.5 m，考慮橫承梁橫穿線路、位于軌下，與現(xiàn)有軌枕存在干擾，鐵路運(yùn)營(yíng)中，為了保證線路平順性和運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)軌距要求非常嚴(yán)格，橫承梁不宜過(guò)寬。

為了減小撓度，需要盡量加大橫承梁的剛度，最直接和有效的方法是加大橫承梁的高度，而其高度僅為0.8 m，則只能考慮加大頂、底板的厚度，但厚板結(jié)構(gòu)也存在噸位大、運(yùn)輸不便、加工性能不好等問(wèn)題。

(2)線上施工要點(diǎn)時(shí)間有限

橫承梁在豎直方向上與便梁的縱梁形成重疊，為了安拆方便和重復(fù)利用，兩者間采用栓接或其他連接形式，而橫承梁計(jì)算跨度大，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，承受剪力、彎矩和扭矩等的共同作用，需要的螺栓數(shù)量較多，且其梁高較小，安拆螺栓的操作空間狹小。為了達(dá)到快速安拆的目的，必須研究新型的連接方式，使其既能滿足復(fù)雜的受力條件，又能安裝方便，重復(fù)利用，經(jīng)濟(jì)合理。

(3)雙線線路存在高差，增加了整體設(shè)計(jì)難度

我國(guó)既有普速鐵路，比如京包線等雙線鐵路左右線較普遍存在不等高情況，根據(jù)調(diào)查，一般在300 mm以下，特殊條件下有左、右線軌面高差更大的情況，左右線縱梁需要適應(yīng)多樣的高差變化，整體設(shè)計(jì)難度很大。

2 橫承式便梁體系結(jié)構(gòu)分析

以橫承式便梁體系加固雙線三孔24 m為例，采用通用有限元計(jì)算軟件Midas/Civil 2017建立整個(gè)體系的有限元模型，見(jiàn)圖3。

圖3 橫承式便梁法結(jié)構(gòu)計(jì)算有限元模型(雙線三孔)

2.1 分析模型

2.1.1 結(jié)構(gòu)材料及主要構(gòu)造尺寸

(1)支點(diǎn)墩(平衡墩)：圓管截面，外徑1.25 m，壁厚20 mm。

(2)橫承梁(圖4)：箱形截面，長(zhǎng)×寬×高=24 m×1.35 m×0.8 m，頂、底板厚度均為100～120 mm，雙腹板厚24 mm。

(3)縱梁(圖5)：薄壁箱形截面，長(zhǎng)×寬×高=24.08 m×0.48 m×1.3 m；中縱梁頂?shù)装宓群?，?20 mm，雙腹板均厚14 mm；邊縱梁頂?shù)装宓群?，?0 mm，雙腹板均厚12 mm。

(4)小橫梁：工形截面，長(zhǎng)×寬×高=3.94 m×0.2 m×0.365 m，頂?shù)装搴?6 mm，腹板厚12 mm。

(5)縱梁端部連續(xù)構(gòu)造(圖6)：拉板長(zhǎng)2.42 m，寬0.34 m，厚40 mm，設(shè)于縱梁腹板兩側(cè)，相鄰兩片縱梁間設(shè)4道。

銷軸采用45號(hào)鍛鋼，其余均采用Q345qD鋼。

圖4 橫承梁截面構(gòu)造(單位：mm)

圖5 縱梁截面構(gòu)造(單位：mm)

圖6 縱梁間的連續(xù)構(gòu)造(以加固單線為例，單位：mm)

2.1.2 模型邊界條件

模型中支點(diǎn)墩(平衡墩)墩底固接，頂部與橫承梁處為約束平動(dòng)自由度的剛性連接(主從約束)；縱梁在兩中墩處為約束平動(dòng)自由度的剛性連接(主從約束)，在邊墩處為約束橫向和豎向平動(dòng)自由度的剛性連接(主從約束)；小橫梁與縱梁鉸接。

2.1.3 荷載取值

(1)自重程序自動(dòng)計(jì)入，并考慮加勁肋、螺栓等的自重增大系數(shù)。

(2)二期恒載：經(jīng)計(jì)算，取8 kN/m。

(3)活載：按ZKH活載檢算，動(dòng)力系數(shù)按限速45 km/h計(jì)算，取1.25。

(4)附加力：溫度、制動(dòng)力等按規(guī)范取值。

2.2 計(jì)算結(jié)果

橫承式便梁體系結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算控制項(xiàng)結(jié)果見(jiàn)表1，表1中結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算和容許值按照《工務(wù)安規(guī)》取值，強(qiáng)度和穩(wěn)定性的計(jì)算和容許值按照TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，鋼材的按臨時(shí)結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力容許值的提高系數(shù)采用1.2。

結(jié)構(gòu)整體撓度包絡(luò)圖見(jiàn)圖7，主力工況下橫承梁頂、底板的應(yīng)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖8、圖9，主附工況下橫承梁頂、底板的應(yīng)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖10、圖11。

表1 橫承式便梁體系結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

由表1可知：

(1)撓度(剛度)：結(jié)構(gòu)的縱向剛度較大，撓度??；

(2)橫承梁強(qiáng)度：整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較低，強(qiáng)度不控制設(shè)計(jì)；

(3)縱梁間連續(xù)的銷接構(gòu)造：銷軸剪應(yīng)力、縱梁腹板和拉板銷孔的孔壁承壓應(yīng)力均較大，但均滿足規(guī)范要求；

(4)樁基支點(diǎn)反力：支點(diǎn)墩支反力和平衡墩負(fù)反力均不大，鋼管柱和鉆孔樁的設(shè)計(jì)難度小。

圖7 靜活載作用下?lián)隙劝j(luò)圖

圖8 主力工況橫承梁頂板應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖9 主力工況橫承梁底板應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖10 主附工況橫承梁頂板應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖11 主附工況橫承梁底板應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，橫承式便梁法體系剛度、強(qiáng)度等均滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求。

3 施工方案簡(jiǎn)述和優(yōu)勢(shì)分析

針對(duì)既有線施工對(duì)時(shí)間和線路運(yùn)營(yíng)安全的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，為了達(dá)到快速安拆和保證線路運(yùn)營(yíng)安全的角度出發(fā)[15-20]，提出建議的施工方案便梁?jiǎn)尉€單孔整體拼裝，滑移就位法。

3.1 主要施工步驟

(1)線路外側(cè)施工場(chǎng)地搭建、鋼結(jié)構(gòu)拼裝和樁墩施工。

(2)橫承梁就位。

(3)單孔便梁滑移就位。

(4)多孔便梁滑移就位，安裝連接構(gòu)造和軌道；同時(shí)，工作坑內(nèi)預(yù)制框構(gòu)橋，做好頂進(jìn)準(zhǔn)備。

(5)開(kāi)挖路基、頂進(jìn)框構(gòu)橋。

(6)滑移出便梁。包括便梁整體移出、機(jī)械卸載、軌排鋪設(shè)等。

(7)線路恢復(fù)工作，同時(shí)線路外側(cè)拆解便梁、橫承梁、鋼管柱等。

3.2 方案優(yōu)勢(shì)和注意事項(xiàng)

以24 m加固雙線的三孔為例(表2)，將橫承式便梁法與傳統(tǒng)線路加固D型便梁進(jìn)行對(duì)比分析，由表2可知，橫承式便梁相對(duì)傳統(tǒng)D梁：

(1)取消挖孔樁，尤其是線間挖孔樁，減少了線上作業(yè)時(shí)間；

(2)便梁線路外整體拼裝，安裝完整，可提高結(jié)構(gòu)整體剛度，保證施工期間運(yùn)營(yíng)安全；

(3)相鄰孔縱梁間的銷接耳板的連續(xù)構(gòu)造，安裝方便，可進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)剛度；

(4)機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，減小勞動(dòng)力投入，提高施工質(zhì)量和工作效率；

(5)整體體量較大，滑移就位需要進(jìn)行精細(xì)的施工組織和人員培訓(xùn)。

表2 橫承式便梁體系與傳統(tǒng)D梁對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鐵路既有線新型加固方法——橫承式便梁法進(jìn)行方案研究，得出如下結(jié)論。

(1)解決了現(xiàn)有D型便梁加固線路時(shí)挖孔樁施作困難，安全風(fēng)險(xiǎn)高；結(jié)構(gòu)剛度小，撓度大，行車平順性差；適用既有線線間距范圍小等諸多問(wèn)題。

(2)考慮我國(guó)既有線現(xiàn)狀，支點(diǎn)墩與線路的中心距為6.25 m，橫承梁高度為0.8 m，適用雙線時(shí)線間距為4.0～5.0 m，列車荷載采用ZKH活載等研究前提條件完全合理。

(3)對(duì)結(jié)構(gòu)方案擬定基本尺寸后，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)空間有限元分析。計(jì)算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)整體剛度、強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，銷接連續(xù)構(gòu)造的銷軸剪應(yīng)力和孔壁承壓應(yīng)力均較小，支點(diǎn)墩的支反力和平衡墩的負(fù)反力均不大，受力合理，樁基設(shè)計(jì)難度小。