基于鐵路工程的新型鋼構(gòu)臺(tái)車設(shè)計(jì)與應(yīng)用

趙 攀

（中鐵十一局集團(tuán)漢江重工有限公司，湖北襄陽 441046）

0 引言

2020年8月，國鐵集團(tuán)出臺(tái)了《新時(shí)代交通強(qiáng)國鐵路先行規(guī)劃綱要》，規(guī)劃至2035年，全國鐵路網(wǎng)20萬km左右，其中高速鐵路7萬km左右。隨著國家“交通強(qiáng)國，鐵路先行”戰(zhàn)略的大力推進(jìn)，我國將迎來新一輪的高速鐵路建設(shè)高潮。在新建鐵路項(xiàng)目中，由于既有公路、鐵路、橋梁、河流等諸多影響施工因素的存在，使修建新線鐵路有著諸多困難。同時(shí)，隨著鐵路跨越式發(fā)展加快，高密、快速、重載列車對(duì)線路設(shè)備的破壞隨之加重，在既有線上進(jìn)行大中修施工項(xiàng)目也日益增多，運(yùn)輸與施工的矛盾愈加突出。如何優(yōu)質(zhì)、高效、安全地完成施工任務(wù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸與施工的最佳結(jié)合是當(dāng)前的突出問題。

由于鐵路既有線施工屬于一項(xiàng)難度很大的工程，在工程施工過程中，需要使用更多的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝以及新方法，以減少對(duì)鐵路行車的干擾和營業(yè)線施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。在息高速公路跨京九鐵路分離式立交橋跨鐵路架梁及橋面系施工中，陳鋒[1]采用滑動(dòng)式防護(hù)棚，大大縮減了棚架的整體尺寸，在節(jié)約了型鋼用量的同時(shí)，也給整體吊裝及拆除棚架提供了條件，縮短了施工工期，施工難度及現(xiàn)場安全卡控的安全風(fēng)險(xiǎn)也得到了降低；嚴(yán)仁才[2]和楊桂林等根據(jù)多年從事工程項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，著重對(duì)現(xiàn)有的既有線施工常遇到的一些安全風(fēng)險(xiǎn)管理問題進(jìn)行總結(jié)，并提出相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施；李清立、王宏坤、姜潔[3]根據(jù)安全系統(tǒng)工程以及風(fēng)險(xiǎn)管理理論依據(jù)，著重從PDCA循環(huán)的理念入手，對(duì)現(xiàn)有的鐵路既有線電氣化建設(shè)提出了具體的安全措施。

本文基于蒙華鐵路鄧皓下行線跨焦柳線特大橋施工技術(shù)要求，研究類似工程施工經(jīng)驗(yàn)及襯砌臺(tái)車[4-5]、鋼模臺(tái)車[6]設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，研究設(shè)計(jì)了新型鋼構(gòu)臺(tái)車。新型鋼構(gòu)臺(tái)車成功應(yīng)用，解決了既有線施工帶來的諸多問題，全面提升鐵路既有線施工現(xiàn)場風(fēng)險(xiǎn)管理水平，對(duì)保障施工順利實(shí)施有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 技術(shù)方案

1.1 工程技術(shù)要求

蒙華鐵路鄧皓下行線跨焦柳線特大橋，位于蒙西至華中地區(qū)煤運(yùn)鐵路第三測段內(nèi)，主要為跨越G207、規(guī)劃216、焦柳鐵路而設(shè)。橋址于DGXDK-515.6～DGXDK-584處跨越焦柳鐵路。技術(shù)要求主要包括：（1）保證既有線正常通行；（2）臺(tái)車通行空間滿足：凈高×凈寬＞8.41 m×9.75 m；（3）滿足曲線半徑1 990 m的剛構(gòu)橋施工；（4）考慮風(fēng)載及列車高速通過造成的影響等。

1.2 鋼構(gòu)臺(tái)車方案及組成

根據(jù)工程技術(shù)要求，設(shè)計(jì)鋼構(gòu)臺(tái)車由走行機(jī)構(gòu)、門架、內(nèi)側(cè)模脫模機(jī)構(gòu)、橫移起升機(jī)構(gòu)、模板、支撐絲杠、底梁千斤頂、附屬機(jī)構(gòu)組成。技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 鋼構(gòu)臺(tái)車方案

技術(shù)方案中走行機(jī)構(gòu)設(shè)置12組（6組主動(dòng)、6組從動(dòng)），行走電機(jī)自帶制動(dòng)器，在坡道上保證整機(jī)在坡道上安全制動(dòng)。采用寬大行走輪，配7316E軸承、32A鏈條以保證臺(tái)車使用安全，避免了跳軌、變形、斷鏈打滑等對(duì)襯砌施工的影響。

門架主要由橫梁、立柱及底梁通過螺栓聯(lián)接而成，各橫梁與立柱之間通過連接梁及斜拉桿聯(lián)接，是整個(gè)臺(tái)車的主要受力部件。門架的橫梁、立柱由鋼板焊接成工字型截面，底梁由鋼板焊接成箱形截面，保證門架有足夠的剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

模板系統(tǒng)為空間鋼構(gòu)的成型關(guān)鍵，分為內(nèi)模和外模、通風(fēng)窗模板、端頭模板組成，其中，內(nèi)模主要包括頂模、拐角模及側(cè)模3個(gè)部分，是承載混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生的自重和振搗力，保證下側(cè)通行列車的安全等功能；外模系統(tǒng)（平模）主要是通過拉桿配合內(nèi)模完成混凝土橋的形狀成型；通風(fēng)窗模板主要用于剛構(gòu)橋側(cè)墻通風(fēng)，由于各個(gè)施工節(jié)段通風(fēng)窗口位置不同，故通風(fēng)窗口設(shè)計(jì)施工時(shí)布置于內(nèi)模和外模之間，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際位置進(jìn)行定位及加固；端模主要用于剛構(gòu)橋施工各節(jié)段端部封堵。

內(nèi)側(cè)模板脫模機(jī)構(gòu)采用平移滑動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行脫模，由于內(nèi)側(cè)模與門架立柱之間距離較近，且側(cè)模長度比較長，無法采用翻轉(zhuǎn)脫模。

臺(tái)車共設(shè)置12組橫移起升機(jī)構(gòu)，分別位于門架底梁下側(cè)，主要用于臺(tái)車標(biāo)高及中心線調(diào)整。

1.3 安全防護(hù)方案

由于跨既有線施工，為保證下部列車通行安全，臺(tái)車門架下部空間要進(jìn)行封閉。在門架橫梁之間采用50 mm×25 mm×3 mm矩形方管做背勁，間距按500 mm布置，用1.5 mm板做防護(hù)面板，防護(hù)面板與矩形管采用自攻絲連接。

鋼構(gòu)臺(tái)車下部結(jié)構(gòu)距離接觸網(wǎng)距離較近（0.55 m），為保證施工安全，在臺(tái)車橫梁下部靠近接觸網(wǎng)區(qū)域內(nèi)安裝絕緣板進(jìn)行防護(hù)。

目前國內(nèi)鐵路上接觸網(wǎng)帶點(diǎn)最高電壓為2.75萬V，防電板選材時(shí)，應(yīng)該能滿足抗高壓3.3萬V（1.2倍安全系數(shù)）的要求，其次應(yīng)具備耐高溫、不易燃燒的特性。3 240環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板質(zhì)地較硬，且具有較高的機(jī)械和介電性能，5 mm厚防電板經(jīng)擊穿試驗(yàn)，最高可抗5萬V高壓。

在臺(tái)車橫梁下部接觸網(wǎng)周邊安裝防電板，相鄰防電板密貼，為預(yù)防兩塊防電板之間間隙，用20 cm寬條形防電板將兩塊防電板接縫處覆蓋，用8#螺栓連接；另外用5 cm×5 cm的防電板塊（防電板塊厚15 mm，內(nèi)鉆一直徑18 mm、深10 mm的圓）將螺帽防護(hù)起來，防電板塊與防電板用環(huán)氧樹脂膠粘貼。

由于臺(tái)車迎風(fēng)面積較大，同時(shí)列車在高速通過臺(tái)車時(shí)對(duì)臺(tái)車造成的沖擊載荷較大?；谏鲜鲚d荷考慮，在臺(tái)車走行基礎(chǔ)上預(yù)埋張拉筋，將臺(tái)車底梁通過扁擔(dān)梁錨固在地面上，以保證大風(fēng)天氣及列車高速通過臺(tái)車時(shí)，臺(tái)車能夠安全施工。

2 工況分析及仿真計(jì)算

2.1 工況分析

根據(jù)鋼構(gòu)臺(tái)車應(yīng)用工況及設(shè)計(jì)規(guī)范等，根據(jù)主結(jié)構(gòu)受力，可分為以下3種工況。

工況一：澆筑側(cè)墻對(duì)側(cè)模產(chǎn)生的壓力，主要為側(cè)壓力。

工況二：為頂模澆筑時(shí)的受力狀況，頂模澆筑時(shí)側(cè)模部分混凝土已凝固，此時(shí)臺(tái)車受到1.2 m混凝土的重力和新澆筑混凝土對(duì)模板的側(cè)壓力。

工況三：單元結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)，吊裝單元值承受自身機(jī)構(gòu)重力。

2.2 仿真計(jì)算

分析上述3種工況，以最不利工況為例（工況二）進(jìn)行模擬仿真驗(yàn)算。

（1）受力計(jì)算

工況二受力包括側(cè)壓力、頂部混凝土重力和頂部澆筑壓力等。

側(cè)壓力：

式中：γ為混凝土的表觀密度，γ=25 kN/m3；H1為有效壓頭高度因素，H1=2 m。

混凝土重力：

式中：H2為頂部混凝土厚度，H2=1.2 m。

人工、機(jī)具等載荷：G2=4 kN/m2。

澆筑混凝土壓力：F2=1.2G1+1.4G2=41.6 kN/m2。

（2）有限元模型

鋼構(gòu)臺(tái)車采用大型通用有限元軟件[7-10]建立模型，并根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)及工況進(jìn)行了簡化，門架和模板部分采用Shell63單元模擬，絲杠和支撐采用beam188單元模擬，鋼構(gòu)臺(tái)車有限元模型如圖2所示。底梁通過假單元與地面連接來模擬實(shí)際情況，并通過將接地點(diǎn)全約束實(shí)現(xiàn)對(duì)底梁的約束，內(nèi)模板和外模板約束豎直方向的移動(dòng)。模型長度單位為mm；力單位為N；應(yīng)力單位為MPa；位移單位為mm。

圖2 有限元模型

（3）結(jié)果分析

鋼構(gòu)臺(tái)車材料采用Q235B，屈服極限235 MPa，按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]、《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》[12]，安全系數(shù)取1.34時(shí)，許用應(yīng)力為175 MPa。

圖3 臺(tái)車應(yīng)力

圖4 臺(tái)車剛度

根據(jù)有限元分析結(jié)果圖3可以看出，工況二最大單元應(yīng)力位于底梁，應(yīng)力值為168.8 MPa，小于許用應(yīng)力175 MPa；根據(jù)圖4可以看出，鋼構(gòu)臺(tái)車結(jié)構(gòu)最大變形為6.8 mm，滿足施工要求。同時(shí)還進(jìn)行了風(fēng)載荷、列車通行沖擊載荷進(jìn)行了模擬仿真，均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 工程應(yīng)用

設(shè)備已成功應(yīng)用于蒙華鐵路跨焦柳鐵路既有線空間剛構(gòu)橋施工，解決以往類似工程采用腳手架+小模板、鋼梁+小模板等施工方法所存在安全風(fēng)險(xiǎn)大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、施工成本高、施工效率低等問題。現(xiàn)場施工效果如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場施工效果

鋼構(gòu)臺(tái)車施工優(yōu)勢主要體現(xiàn)為：（1）采用線下拼裝、線上整體吊裝的結(jié)構(gòu)形勢，減少線上組裝時(shí)間，降低施工給線路運(yùn)行帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)；（2）采用整體模板臺(tái)車進(jìn)行施工，能夠在線路運(yùn)行天窗點(diǎn)迅速完成收模、移位及立模，提高施工效率，減少因天窗點(diǎn)施工導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢及對(duì)線路運(yùn)行影響；（3）臺(tái)車內(nèi)部采取全封閉隔離并設(shè)置有防電措施，既保證施工安全，又保證列車通行安全。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)工程項(xiàng)目技術(shù)要求及施工工況，研制了新型剛構(gòu)臺(tái)車，并成功投入應(yīng)用。該鋼構(gòu)臺(tái)車采用分段吊裝結(jié)構(gòu)形式，可一次吊裝完成后，整機(jī)移動(dòng)及收立模，減少了在既有線上設(shè)備安裝時(shí)間，提高了整體施工效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度等。該設(shè)備的研制創(chuàng)新了施工工藝，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)及生產(chǎn)成本等，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。該設(shè)備成功經(jīng)驗(yàn)可推廣應(yīng)用到明涵洞施工、隧道施工以及地鐵施工等領(lǐng)域，通用性強(qiáng)。