跨越既有鐵路線的支架設(shè)計

(中鐵十八局集團有限公司 勘察設(shè)計院，天津 300308)

跨既有鐵路線橋梁的施工具有施工空間狹小、施工安全壓力大及既有線施工封鎖時間短等特點[1]。目前國內(nèi)外對于常規(guī)現(xiàn)澆支架設(shè)計已經(jīng)很成熟，國內(nèi)最常見的支架形式為碗扣鋼管支架、貝雷梁、大直徑鋼管柱等，適用于有穩(wěn)定地基的施工[2]，但對于跨越既有鐵路線的支架設(shè)計研究十分稀少。支架一般分為滿堂式和梁柱式，梁柱式支架結(jié)構(gòu)應(yīng)由基礎(chǔ)、支墩(含支墩頂分配梁和落架裝置)、縱梁、橫梁、模板等部分組成[3]。承重縱梁結(jié)合支架支墩間跨度，支架搭設(shè)凈空控制要求一般采用型鋼、六四式及加強型六四式軍用梁、貝雷梁、鋼板梁或鋼箱梁等。貝雷梁由貝雷架組裝而成，是一種桁梁結(jié)構(gòu)，為確保整體穩(wěn)定，以“花窗”作為連接構(gòu)件，將貝雷架連接起來，并用螺栓固定[4]。因此，為滿足既有線不停運且不同位置凈空要求，針對中梁山站跨鐵路線煤泥水槽工程，對不同支架形式和基礎(chǔ)工況及新建渡槽承重支架進行了系統(tǒng)設(shè)計，為相關(guān)工程的建設(shè)提供參考。

1 位置與地質(zhì)概況

2 系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

2.1 整體設(shè)計

結(jié)合水槽結(jié)構(gòu)實際情況，對支架和基礎(chǔ)進行選型：

(1)對于中間需一孔跨越多條鐵路線，中間無立支墩條件，而凈空較富裕的位置,采用鋼管貝雷梁式組合支架。

(2)對于邊跨僅跨越單條鐵路線，由于降坡，對凈空要求又比較嚴格的，采用鋼管型鋼式組合支架。

(3)對于基礎(chǔ)選型，首先鋼管柱底能坐落于既有承臺的，優(yōu)先置于承臺上；其次地質(zhì)條件滿足機械打入鋼管樁要求的，采用機械打入鋼管樁；最后靠近鐵路線，又無法采用以上方式的，采用薄壁沉井防護人工挖孔樁原則，開展設(shè)計。

(4)對于鋼管立柱無法坐落于既有承臺，又沒有空間設(shè)置機械打入鋼管樁和人工挖孔樁基礎(chǔ)的，采用在煤泥水槽墩柱預(yù)埋錨筋鋼板錨固件并結(jié)合插入抗剪銷形式，提供豎向支撐。

2.2 支架體系

根據(jù)工程的系統(tǒng)分析，新建渡槽采用支架承重兼防護，面板均采用8 mm厚鋼板。

支架貝雷縱梁搭設(shè)形式從下至上依次為：樁基礎(chǔ)—鋼管樁—平聯(lián)剪刀撐—墩柱連接桿—雙拼I56a鋼橫梁—貝雷梁縱梁—I25a橫向分配梁—滿鋪8 mm鋼板。

支架型鋼縱梁搭設(shè)形式從下至上依次為：樁基礎(chǔ)—鋼管樁—平聯(lián)剪刀撐—墩柱連接桿—雙拼I56a鋼橫梁—I50a型鋼縱梁—滿鋪8 mm鋼板。

整個支架體系的縱斷面布置情況如圖1所示，中跨支架橫斷面布置情況如圖2所示，邊跨支架橫斷面布置情況如圖3所示。為了評估本施工支架體系的安全性，按各支架體系的結(jié)構(gòu)及受力特點，采用桿系有限元方法進行評估。

圖1 支架縱斷面布置圖(單位：mm)

圖3 邊跨支架橫斷面布置圖(單位：mm)

3 支架計算模型

3.1 有限元模型

采用MIDAS Cvil軟件對貝雷梁支架體系進行計算，對中跨貝雷梁式支架和邊跨型鋼縱梁式支架分別建立模型進行分析。模型主要采用了梁單元。坐標約定：X坐標方向為順橋向，Y坐標方向為橫橋向，Z坐標方向為豎向。根據(jù)支架體系的實際設(shè)計，邊界條件設(shè)置時，鋼管柱底部固結(jié)約束，承臺上鋼管樁與墩身通過Φ426×9 mm鋼管連接。對于結(jié)構(gòu)面板與橫向分配梁、橫向分配梁與貝雷梁、貝雷梁與樁頂承重梁、樁頂承重梁與鋼管立柱、型鋼縱梁與上部橫向分配梁、型鋼縱梁與下部樁頂承重梁之間均采用彈性連接。

3.2 構(gòu)件截面及材料性能

本支架體系各主要構(gòu)件的截面形式如表1所示。構(gòu)件材料的強度設(shè)計指標均按規(guī)范[6]要求執(zhí)行，保證結(jié)構(gòu)各項計算結(jié)果滿足設(shè)計要求。

表1 支架體系各主要構(gòu)件截面類型

圖4 梁截面混凝土荷載面積分區(qū)(單位：m2)

3.3 計算荷載及工況

3.3.1 計算荷載

通過分析，該支架體系主要考慮的荷載有：①支架自重，模型按實際質(zhì)量計算；②混凝土振搗荷載取2.0 kN/m2；③混凝土傾倒荷載取2.0 kN/m2；④混凝土施工機具、人員荷載取2.5 kN/m2；⑤風荷載基本風壓取0.40 kN/m2，風壓高度變化系數(shù)1.0，風荷載體系系數(shù)1.4。梁部混凝土荷載所取截面如圖4所示。

支架體系所承受的荷載根據(jù)面域條分法，加載在計算模型上。

3.3.2 計算工況

本次計算主要考慮如下工況：①工況1，強度計算1.2×(混凝土+模板自重+支架自重)+1.4×(砼振搗+砼傾倒+施工機具、人員+風荷載)；②工況2，剛度計算1.0×(混凝土+模板自重+支架自重)；③工況3，穩(wěn)定性計算1.2×(混凝土+模板自重+支架自重)+1.4×(砼振搗+砼傾倒+施工機具、人員+風荷載)。通過以上3個工況評估支架系統(tǒng)的剛度、強度及穩(wěn)定性是否滿足要求。

4 中跨貝雷梁支架計算結(jié)果

4.1 撓度計算結(jié)果

圖5 貝雷梁支架整體豎向撓度圖

貝雷梁支架在自重、混凝土荷載作用下最大豎向變形如圖5所示，最大變形值為24.15 mm，考慮國產(chǎn)新貝雷銷接處錯孔產(chǎn)生撓度f=0.05Δ(n2-1)=1.2 cm影響后，總撓度變形值為36.15 mm，滿足規(guī)范不大于L/400=18 710 mm/400=46.775 mm的要求。

4.2 構(gòu)件應(yīng)力計算結(jié)果

鋼管柱最大組合應(yīng)力值為-81.2 MPa，小于設(shè)計值，滿足要求。貝雷梁下部承重雙I56a型鋼的最大組合應(yīng)力值為-56.2 MPa，剪應(yīng)力為-56.2 MPa，小于設(shè)計值，撓度變形值最大為0.759 mm，小于L/400=2 275 mm/400=5.69 mm。貝雷梁上部分配梁最大組合應(yīng)力值為-38.8 MPa，最大剪應(yīng)力值為-12.4 MPa，均小于設(shè)計值。貝雷梁最大組合應(yīng)力值為-240.57 MPa，最大剪應(yīng)力值為63.7 MPa，均小于設(shè)計值。貝雷梁支架鋼管柱間連接平聯(lián)及剪刀撐均采用[20a，鋼管間平聯(lián)剪刀撐最大組合應(yīng)力值為-30.2 MPa，最大剪應(yīng)力值為2.1 MPa，小于設(shè)計值，滿足要求。貝雷梁框架上平桿和下平桿采用∠90×56×6不等邊角鋼，框架豎桿采用∠50×4等邊角鋼，框架斜桿采用∠30×4等邊角鋼，框架材質(zhì)均為Q345。貝雷梁框架的最大組合應(yīng)力值為211.5 MPa，最大剪應(yīng)力值為-3.07 MPa，均小于設(shè)計值，滿足要求。

圖6 鋼面板最大組合應(yīng)力圖(單位：MPa)

4.3 面板應(yīng)力計算結(jié)果

貝雷支架頂層采用8 mm厚鋼板，鋼面板的最大組合應(yīng)力值為98.5 MPa，如圖6所示，小于設(shè)計值，滿足要求。

4.4 中跨鋼管立柱穩(wěn)定性驗算

圖7 型鋼支架整體豎向撓度圖

5 邊跨型鋼支架計算結(jié)果

5.1 撓度計算結(jié)果

型鋼支架在自重、混凝土荷載作用下最大豎向變形為5.72 mm，如圖7所示，滿足不大于L/400=7 900 mm/400=19.75 mm的要求。

5.2 應(yīng)力計算結(jié)果

鋼管柱采用Φ630×12 mm無縫鋼管，其最大組合應(yīng)力值為-50.1 MPa，小于設(shè)計值，滿足要求。型鋼縱梁下部雙I56a型鋼的最大組合應(yīng)力值為53.0 MPa，小于設(shè)計值，剪應(yīng)力為-22.2 MPa，小于設(shè)計值，撓度變形值最大為0.5 mm，小于L/400=2 275 mm/400=5.69 mm。

主橫梁上部I50a縱梁的最大組合應(yīng)力值為-78.4 MPa，最大剪應(yīng)力值為20.2 MPa，均小于設(shè)計值，撓度變形值最大為5.754 mm，小于L/400=7 900 mm/400=19.75 mm，均滿足要求。型鋼支架鋼管柱間連接平聯(lián)及剪刀撐均采用[20a，平聯(lián)剪刀撐最大組合應(yīng)力值為24.4 MPa，最大剪應(yīng)力值為1.56 MPa，小于設(shè)計值，滿足要求。

圖8 鋼面板最大組合應(yīng)力圖(單位：MPa)

5.3 面板應(yīng)力計算結(jié)果

型鋼縱梁頂層采用8 mm厚鋼板，鋼面板的最大組合應(yīng)力值為42.3 MPa，如圖8所示，小于設(shè)計值，滿足要求。

5.4 邊跨鋼管立柱穩(wěn)定性驗算

6 支架基礎(chǔ)設(shè)計

6.1 支架基礎(chǔ)計算

支架鋼管樁支撐在混凝土樁基礎(chǔ)上部，按最不利樁位計算入土深度。鋼管樁直接坐落于混凝土樁頂部位置，不存在偏心，結(jié)合模型計算柱底反力結(jié)果，鋼管柱支反力最大值658.8 kN。按[σ]=N/A=658 800 N/(3.14×500 mm×500 mm)=0.84 MPa。采用C30樁身混凝土可滿足受壓要求。

Z1～Z21先沉井后樁基形式，單樁豎向承載力計算(按柱樁考慮，不考慮樁周側(cè)摩阻，最小入完整中風化巖層深度不低于1.0 m)：Ra=qA，其中，q為樁端巖石承載力特征值；A樁底端橫截面面積。

因樁端均嵌入完整中風化巖層不小于1 m，取值結(jié)合地勘報告和主體設(shè)計圖紙，中風化泥巖frk≥6.10 MPa，按6.10 MPa計算柱樁。A=3.14×450 mm×450 mm=635 850 mm2,得Ra=6.1×635 850 N=3 878 685 N=3 878.685 kN。

樁底最大支反力658.8 kN，考慮16 m長樁身重=25×3.14×0.6×0.6×16=452.16 kN。

綜合得658.8 kN+452.16 kN=1 110.96 kN。單樁豎向承載力值遠大于此，故滿足受力要求。

G1～G8基礎(chǔ)采用通過打入鋼管樁實現(xiàn)。打入樁底反力最大為383.8 kN，按單根樁承受500 kN設(shè)計，因現(xiàn)場地質(zhì)連線起伏較大，較為復(fù)雜，打入完成后逐根進行單樁承載力試驗，單樁承載力最低均滿足不小于500 kN。 依據(jù)現(xiàn)場實際地層情況，擬定打入鋼管樁入土深度16 m，且滿足最小入完整中風化巖層深度不低于1 m。

6.2 承臺局部受壓驗算

支架鋼管樁部分坐落于承臺上部。由于承臺下部基礎(chǔ)為樁基，此施工階段驗算承臺局部混凝土承壓強度。通過以上計算結(jié)果可知，承臺上坐落鋼管樁最大反力為427.2 kN。預(yù)埋鐵板為1.0 m×1.0 m，承臺混凝土C30，fc=14.3 MPa。按局部受壓承載力進行計算[7]。Fl≤1.35βcβlfcAln，其中，βc=1.0,βl=1.0,Aln=1 000 mm×1 000 mm=106mm2,代入計算得Fl=19 305 kN>427.2 kN，滿足規(guī)范設(shè)計要求。

圖9 沉井整體受力(單位：MPa)

6.3 沉井結(jié)構(gòu)驗算

沉井結(jié)構(gòu)外徑1 200 mm，壁厚150 mm，采用C30砼，該地段根據(jù)地勘報告地下水較貧乏，經(jīng)分析，沉井下放到位后，未填筑樁身混凝土前，列車經(jīng)過此工況最不利。采用板單元模擬薄壁沉井，深度結(jié)合地質(zhì)剖面線，入完整中風化巖層1 m，按15 m深沉井計算，并考慮列車附加荷載。

C30抗壓強度設(shè)計值fc=14.3 MPa；土容重結(jié)合報告取20 kN/m3，按15 m深建立模型并加載。

列車附加荷載由于現(xiàn)階段運營仍然為舊鐵路，一個特種荷載值為250 kN[8]，故特種荷載=250/1.5/2.5=66.67 kN/m2；沉井計算結(jié)果如圖9所示，最大壓應(yīng)力為2.0 MPa。

7 主體墩身預(yù)埋要求

8 結(jié)論

以中梁山站跨鐵路線煤泥水槽工程為例，根據(jù)實際工況，采用MIDAS Cvil軟件對跨越既有線路的支架進行了系統(tǒng)分析，得到的初步結(jié)論如下：

(1)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，貝雷梁支架在自重、混凝土荷載作用下最大豎向變形為24.15 mm，小于規(guī)范46.775 mm，滿足要求；鋼管最大組合應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

(2)型鋼支架在自重、混凝土荷載作用下最大豎向變形為5.72 mm，滿足不大于L/400=19.75 mm的要求。

(3)支架鋼管樁支撐在混凝土樁基礎(chǔ)上部，按最不利樁位計算入土深度，采用C30樁身混凝土可滿足受壓要求。

(4)墩柱預(yù)埋鐵板在預(yù)埋時預(yù)埋錨筋間距10 cm布置，每處安裝一個直徑Φ50 mm材質(zhì)、30CrMnTi抗剪銷，可滿足要求。

綜上研究發(fā)現(xiàn)，針對于不同跨度、不同凈空要求和下部基礎(chǔ)場地情況，進行不同類型支架結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)選型設(shè)計十分重要。項目的成功實施,驗證了支架模型模擬計算的正確性和支架體系針對不同外界因素控制情況下選擇的合理性，可為今后類似跨越既有鐵路線支架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計和施工提供有益的參考和借鑒。