提高鐵路梁式橋人行結(jié)構(gòu)安全性的創(chuàng)新與實踐

樓旭珍

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州工務(wù)段，杭州 310009）

鐵路橋梁人行道附屬設(shè)施多為懸挑結(jié)構(gòu)，離地面高，高速鐵路尤其如此，距離地面約5～40 m。其薄弱小構(gòu)件多，整體性差，養(yǎng)修難，是人身安全的高風(fēng)險點，全國多次發(fā)生人員墜落橋下的事件。中國鐵路總公司和下屬的各路局集團(tuán)有限公司連續(xù)多年將人行道和墩臺吊籃列入重點隱患整治項目。

鐵路橋梁人行道結(jié)構(gòu)采用T梁鋼支架+縱向鋪設(shè)人行道板（平行于鐵路）+L擋砟墻，人行道板兩端受力在5 cm寬的鋼支架上，用小型松散結(jié)構(gòu)L擋砟墻阻擋石砟。這種結(jié)構(gòu)不僅埋下了重大安全隱患，而且存在壽命短、養(yǎng)修難等問題。本文創(chuàng)新性設(shè)計了一種新型人行道結(jié)構(gòu)和墩臺吊籃結(jié)構(gòu)，提高了其安全可靠性和耐久性。

1 鐵路橋梁現(xiàn)有人行道結(jié)構(gòu)面臨的問題

1.1 安全隱患大

縱向人行道板兩端搭接長度均為5 cm，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)固性差。每副鋼支架標(biāo)準(zhǔn)中心距為1.5 m，實際施工難免出現(xiàn)誤差，若鋼支架出現(xiàn)中心距誤差或安裝歪斜等情況，則無法保證兩端5 cm的搭接長度?；炷寥诵械腊宥瞬咳菀灼茡p，嚴(yán)重時會掉落。鋼支架頂面等部位養(yǎng)修困難，隨著使用年限增加，頂面銹蝕病害日益嚴(yán)重，逐步消弱鋼支架的承載能力，存在安全隱患。用于阻擋石砟的L擋砟墻受道床側(cè)向力作用容易外擠，會出現(xiàn)局部倒塌的現(xiàn)象，造成道床失穩(wěn)。人行道結(jié)構(gòu)屬于高空臨邊作業(yè)通道，欄桿底部沒有擋腳板，存在人員滑倒墜落橋下或工機具滾落造成高空墜物傷人的安全風(fēng)險。

1.2 壽命短

人行道板、L擋砟墻屬于混凝土薄弱小構(gòu)件，容易破損露筋，壽命周期短。鋼支架、欄桿、圓桿、螺栓等鋼構(gòu)件易銹蝕，維修和壽命短。每副鋼支架采用頂面焊接，容易脫焊。

1.3 養(yǎng)修難

工務(wù)部門在鐵路橋上開展大量高空作業(yè)和鐵路營業(yè)線施工，面臨安全風(fēng)險大、養(yǎng)修成本高等問題。更換L擋砟墻或病害整治時，須停止列車運行，干擾鐵路運輸。混凝土人行道板、L擋砟墻為人工預(yù)制，存在過程多、成本高、管理難、重力難以控制等問題。人行道板規(guī)格尺寸多樣，難以批量生產(chǎn)。每副鋼支架之間縱向并排鋪設(shè)4塊人行道板，須要不停變換機器方向，機械化鋪設(shè)難度大。須要大量除銹涂裝，不利于職工身體健康，且不環(huán)保。

薛金元等［1］提出將人行道板上的預(yù)留鋼筋焊接成整體的方案，有利于延長人行道板的壽命，但沒有系統(tǒng)解決人行道結(jié)構(gòu)存在的實際問題。

2 鐵路橋梁新型人行道結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及實施

鑒于上述問題，本文設(shè)計了“鋼托盤+橫向人行道板”的人行道新型結(jié)構(gòu)。

2.1 人行道新增鋼托盤

以寬度1.3 m、間距為1.5 m鋼支架的人行道為例，增設(shè)長2.90 m、寬1.28 m的鋼托盤，用75角鋼焊接制作，內(nèi)部縱向焊接2道寬70 mm、厚8 mm的厚鋼板，經(jīng)多元合金共滲后運至現(xiàn)場安裝。鋼托盤設(shè)置在人行道鋼支架上，鋼托盤兩端及中部均有鋼支架支撐，兩端與鋼支架各用2個扁平螺栓固定。

2.2 新型人行道板

取消松散結(jié)構(gòu)L擋砟墻，采用“人行道板+擋砟板”整體式橫向擋砟步行板，尺寸為126 cm（長）×28 cm（寬）×7 cm（厚）×37 cm（高），頂面高于既有擋砟墻5 cm，曲線地段按要求加高。人行道板立面采用1∶0.1坡度，底部轉(zhuǎn)角采用半徑50 cm圓倒角，欄桿底部增加20 cm高的踢腳板，見圖1。鋼筋用12 mm螺紋鋼，見圖2。

圖1 整體式橫向擋砟人行道板（單位：mm）

圖2 整體式橫向擋砟人行道板配筋圖（單位：mm）

2.3 新型人行道板材料

新型人行道板結(jié)構(gòu)給混凝土板預(yù)制帶來難度，混凝土板在預(yù)制、運輸、裝卸、吊裝、鋪設(shè)中難免會碰撞損壞，影響人行道板的耐久性和安全性。另外，工務(wù)段預(yù)制混凝土板，存在制作質(zhì)量不高、場地浪費、人工消耗大等弊端。

國內(nèi)學(xué)者提出采用活性粉末混凝土的人行道板［2］和纖維混凝土及高強度鋼筋的人行道板［3］，但制造工藝及質(zhì)量控制限制了其在工務(wù)部門的推廣。文獻(xiàn)［4］提出使用玻璃纖維和樹脂材料人行道板，但存在成本高的問題，未實際應(yīng)用。

為了解決上述問題，新型結(jié)構(gòu)人行道板采用復(fù)合橡膠板，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的混凝土板材料。根據(jù)上海局科技項目課題成果，新型復(fù)合橡膠人行道板主要技術(shù)指標(biāo)為：硬度75～95（邵氏A型）；拉伸強度≥8 MPa；表面電阻率，導(dǎo)電100 h表面無明顯變化；阿克隆磨耗體積≤1.74 cm3/1.61 km；臭氧老化指標(biāo)為：在臭氧濃度50×10-8mg/m3，恒溫30℃密閉箱中，靜態(tài)拉伸橡膠板伸長率達(dá)20%，放置48 h，橡膠無龜裂；熱空氣老化（100℃/72 h）：拉伸強度≥6.5 MPa；拉斷伸長率≥15%；300 kg壓力時的彎曲變形≤12 mm。

復(fù)合橡膠人行道板具有制作尺寸精確、強度高、結(jié)構(gòu)自重輕、安裝簡便、工作效率高等優(yōu)點，可替代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土人行道板，實施效果見圖3。

圖3 復(fù)合橡膠人行道板實施效果

2.4 新增質(zhì)量及螺栓剪力計算

2.4.1 新增質(zhì)量

新型人行道板尺寸為1.26 m（長）×0.28 m（寬）×0.07 m（厚）×0.37 m（高）。鋼支架間距1.5 m，橫向鋪設(shè)5塊0.28 m寬度的新型人行道板。以每副鋼支架為例，既有人行道板的面積S=1.5×1.3=1.95 m2，既有混凝土人行道板質(zhì)量m=41.25 kg；新增框架托盤質(zhì)量m1=角鋼+鋼板=88.2 kg。新型橡膠人行道板質(zhì)量m2=306.2 kg。新增質(zhì)量=m1+m2-m=53.1 kg。新型人行道板總質(zhì)量比既有人行道板增加15%。

2.4.2 螺栓剪力檢算

新型人行道板增加了橋上人行道的荷載。對鋼支架螺栓的剪力安全檢算如下：

人行道鋼支架預(yù)埋U形螺栓為10.9級M22普通螺栓，應(yīng)力截面積303 mm2，螺栓容許應(yīng)力［τ］=σs/2.5=260 MPa。根據(jù)TG/GW 101—2014《普速鐵路工務(wù)安全規(guī)則》［5］第2.6.10條“人行道上的豎向靜活載不得超過4 kPa”。既有人行道2個鋼支架間最大允許加載荷載為F1=1.48×1.3×4=7.696 kN。一副鋼支架重力G1=0.534 kN。新型人行道重力G2=（m1+m2）×9.8×0.001=3.9 kN。F=F1+G1+G2=12.1 kN。因此，τ=19.9 MPa＜［τ］=260 MPa。

由此可知，新型人行道結(jié)構(gòu)中鋼支架螺栓承受的剪力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于螺栓容許抗剪強度。

2.5 小結(jié)

鐵路橋梁人行道采用“鋼托盤+橫向人行道板”的新型結(jié)構(gòu)代替縱向鋪設(shè)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有增加安全可靠性、提高效率、減少運輸干擾等方面的優(yōu)點：①每塊人行道板腰部增加2道支撐，確保人行道板兩端5 cm的搭接長度。人行道板由兩端不穩(wěn)固支撐優(yōu)化為4道穩(wěn)固支撐，改善了受力條件，提高了安全性。②個別鋼支架失效或螺桿斷裂不會造成托盤和人行道板掉落，確保了人員安全。③欄桿底部增加擋腳板，減少了高空臨邊作業(yè)安全風(fēng)險。④取消松散結(jié)構(gòu)擋砟墻，消除了易破損、整體性差的弊端，避免整治擋砟墻病害造成對列車運輸?shù)母蓴_。⑤所有構(gòu)件尺寸均有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了批量化生產(chǎn)，提高了工效。⑥采用復(fù)合橡膠新型人行道板材料，避免了薄形混凝土結(jié)構(gòu)容易破損問題。⑦鋼構(gòu)件及螺栓采用多元合金共滲技術(shù)，避免了重復(fù)除銹涂裝作業(yè)，提高了設(shè)備的耐久性和安全性。⑧橫向人行道板鋪設(shè)只有一個方向，可以邊拆邊換，為機械化鋪設(shè)提供便利條件。⑨避免了人行道板繁瑣的瀝青塞縫作業(yè)。⑩有利于節(jié)能環(huán)保。

3 鐵路橋梁新型墩臺吊籃結(jié)構(gòu)與實施

墩臺吊籃采用“墩臺鋼托盤+墩臺橫向步行板”設(shè)計方案。

3.1 墩臺鋼托盤

新型橫向墩臺支撐框架鋼托盤尺寸為0.63 m（寬）×5 m（長）。鋼托盤實際設(shè)計和制作尺寸需要根據(jù)現(xiàn)場橋墩的尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，托盤設(shè)置在墩臺鋼支架上，托盤兩側(cè)耳朵與墩臺邊鋼支架用螺栓連接。各托盤底部增加焊接角鋼，并用螺栓連接。墩臺鋼托盤結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 墩臺鋼托盤結(jié)構(gòu)（單位：mm）

3.2 墩臺橫向步行板

新型墩臺板尺寸60 cm（長）×40 cm（寬）×7 cm（厚）。結(jié)合橋梁墩臺重點整治項目，更換新型吊籃結(jié)構(gòu)，包括更換多元合金共滲鋼支架、增設(shè)鋼托盤、鋪設(shè)墩臺板。每個托盤內(nèi)橫向鋪設(shè)12塊新型墩臺板。

3.3 墩臺步行板材料

根據(jù)普速鐵路橋梁和高速鐵路橋梁墩臺結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)［6］等方面存在的不同特點，其墩臺步行板材料采用了不同材料。①普速鐵路橋梁墩臺板數(shù)量少、所需場地小、制作方便、更換省力，宜采用混凝土墩臺板。②高速鐵路橋梁數(shù)量龐大、人員少、場地有限，混凝土墩臺板預(yù)制質(zhì)量難以控制，高速鐵路橋梁墩臺高、安全風(fēng)險大，宜采用合金共滲花紋鋼板。

3.4 墩臺吊籃實施效果

普速鐵路橋梁墩臺新型吊籃須更換鋼支架、矩形鋼托盤、混凝土墩臺板和墩臺圍欄，更換完成后效果見圖5。

圖5 普速鐵路橋梁墩臺新型吊籃結(jié)構(gòu)

高速鐵路橋梁墩臺新型吊籃須更換鋼支架、環(huán)形鋼托盤和合金共滲花紋鋼板墩臺板，更換完成后效果見圖6。

圖6 高速鐵路橋梁墩臺新型吊籃結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

新型人行道和墩臺吊籃結(jié)構(gòu)可顯著提高鐵路橋梁附屬結(jié)構(gòu)的安全可靠性、耐久性和便利性。建議新型人行道板采用復(fù)合橡膠板、普速鐵路橋梁墩臺采用混凝土板、高速鐵路橋梁墩臺采用多元合金共滲花紋鋼板。