鐵路橋梁施工設(shè)計難點與應(yīng)對策略研究

摘要 該文針對鐵路橋梁施工設(shè)計方案進(jìn)行探討，以具體工程項目為例，歸納總結(jié)施工設(shè)計階段存在的技術(shù)難點，提出相應(yīng)的設(shè)計策略方案，并對方案穩(wěn)定性進(jìn)行計算驗證。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與列車走行分析，提出連續(xù)梁體的設(shè)計方案，明確橋梁防滲加固設(shè)計措施，以提高案例橋梁的應(yīng)用質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 鐵路橋梁；施工；設(shè)計難點；應(yīng)對策略

中圖分類號 U445 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）14-0146-03

0 引言

近年來，我國基建工程數(shù)量不斷增加，對于國民的生活出行提供極大便利。各地在高速鐵路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與完善過程中，面臨的施工設(shè)計問題也越來越復(fù)雜，例如地質(zhì)條件復(fù)雜，結(jié)構(gòu)安全與穩(wěn)定性以及環(huán)保景觀要求等。尤其是鐵路穿越復(fù)雜地區(qū)，如山區(qū)、河流等地時，橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性是設(shè)計環(huán)節(jié)的核心內(nèi)容。只有不斷提高鐵路橋梁設(shè)計水準(zhǔn)，才有助于后續(xù)施工的順利開展，有助于提高鐵路橋梁的運(yùn)營安全性與使用壽命，合理控制施工成本[1]。

1 工程概況

該文以某鐵路橋梁工程為例，該工程位于黃河下游區(qū)域，緊鄰濟(jì)平干渠，線路位于曲率半徑5.5 km的曲線上，滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB 10621—2014）、《鐵路線路設(shè)計規(guī)范》（TB 10098—2017）的要求。工程線路與黃河大堤的夾角為132°，受綜合環(huán)境影響，首先應(yīng)明確鐵路橋梁施工設(shè)計階段的難點問題，隨后設(shè)計連續(xù)梁體方案，提出相應(yīng)設(shè)計措施。在斜拉橋設(shè)計中，根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286—2013），擬采用40 m+54 m+220 m+54 m+40 m的施工方案，主跨度為220 m；在連續(xù)梁橋設(shè)計中，則采用70 m+115 m+115 m+70 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋結(jié)構(gòu)。

2 鐵路橋梁施工設(shè)計難點

對于現(xiàn)階段的高速鐵路項目來說，在施工設(shè)計環(huán)節(jié)要考慮多方因素影響，才能加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，保證工程質(zhì)量，節(jié)省施工成本與資源損耗。通過對案例工程項目展開調(diào)研，歸納出具體橋梁設(shè)計難點，如圖1所示。

2.1 梁端轉(zhuǎn)角控制難點

鐵路橋梁的梁端轉(zhuǎn)角主要受地理環(huán)境影響，為適應(yīng)項目所處區(qū)域情況，需將梁端轉(zhuǎn)角控制在規(guī)范限制之內(nèi)，如采用過渡梁構(gòu)造措施方案，搭配簡支鋼箱系桿拱橋，針對最大轉(zhuǎn)角數(shù)值與鄰跨過渡梁進(jìn)行設(shè)計。同時當(dāng)梁端轉(zhuǎn)角超過規(guī)范限制較多時，還應(yīng)選擇增加輔助跨的方式，以加強(qiáng)橋梁的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時在邊跨設(shè)置加勁拱，也可減少梁端轉(zhuǎn)角[2]。

2.2 連續(xù)梁徐變控制難點

對于大跨度連續(xù)梁的徐變問題，應(yīng)在控制截面上予以控制，據(jù)相關(guān)資料表明，200 m左右跨度的鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋，其截面恒載上緣與下緣的應(yīng)力差值要保證在0～4 MPa之內(nèi)，并且恒載作用下截面最大應(yīng)力不應(yīng)大于12 MPa，混凝土棱柱抗壓強(qiáng)度不應(yīng)大于0.4 MPa[3]。與此同時，可通過增加跨中梁高的方式來降低徐變數(shù)值，或者采用減輕跨中梁體重量，以及縮短等效跨度等方法。在橋梁設(shè)計階段要對連續(xù)梁與斜拉橋的徐變情況調(diào)整設(shè)計方案，同時在后期施工環(huán)節(jié)也要對橋梁應(yīng)力情況實時監(jiān)控，將連續(xù)梁徐變數(shù)值控制在合理范圍。

2.3 橋梁樁基沉降控制難點

結(jié)合大量鐵路橋梁實踐情況，可知成橋后半年至一年期間，位于沙土層樁基的沉降可完成70%～80%，同時飽和層沉降完成30%～40%。因此在施工設(shè)計階段，應(yīng)選擇合理地層，采用鉆孔樁施工技術(shù)，搭配壓縮性較小的粉砂層，才能有效控制沉降情況。此外在深厚軟弱地質(zhì)中，樁長通常為40～50 m，壓縮試驗上限為400 kPa，屆時地基自重力會超過700 kPa，還應(yīng)考慮樁基沉降的深度效應(yīng)影響，才能保障鐵路橋梁的穩(wěn)定性。

3 鐵路橋梁施工設(shè)計策略方案

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與列車走行分析

在鐵路橋梁斜拉段的設(shè)計中，要充分考慮軌道運(yùn)行后的外部荷載情況，也就是當(dāng)列車行駛在軌道上時，列車－軌道－橋梁之間會產(chǎn)生耦合效應(yīng)，即為列車行駛引發(fā)軌道與橋梁振動，橋梁受到外部振動作用時，也會對軌道與列車形成反作用力。尤其是在小半徑曲線路段，鐵路橋梁的跨徑普遍較大，這時軌道與橋梁之間的耦合振動效應(yīng)更加明顯，因此要根據(jù)案例工程情況，針對斜拉橋的整體結(jié)構(gòu)與列車走行方案進(jìn)行研究分析。

綜合參考國內(nèi)外相同類型的高速鐵路斜拉橋，確定案例橋梁結(jié)構(gòu)為花瓶形橋塔，主梁橫截面為單箱三室混凝土箱梁，多數(shù)梁體屬于半漂浮體系結(jié)構(gòu)，塔梁處布置縱向活動支座并搭配阻尼器，確定橋長為408 m。鑒于案例橋梁行車的最高速度為350 km/h，因此設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》（TB10621—2014）中關(guān)于橋體強(qiáng)度與剛度的技術(shù)要求。與此同時，采用空間梁單元對全橋建模，對案例橋梁整體應(yīng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，計算各振動階數(shù)下橋段的振動特點與自振頻率，此類數(shù)據(jù)信息有助于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化完善，具體如表1所示。

根據(jù)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)與空間振動響應(yīng)結(jié)果，還應(yīng)根據(jù)橋建完畢后的列車走形情況進(jìn)行調(diào)整。此階段需要用行車的安全性與平穩(wěn)性，作為評價車－橋系統(tǒng)振動性能的核心指標(biāo)。同樣是根據(jù)車橋耦合計算原理推導(dǎo)有限元模型，按照列車編組與行車速度，計算CRH3高速列車在斜拉橋段的動力響應(yīng)數(shù)值，編組情況如表2所示。

鑒于列車運(yùn)營過程中的平穩(wěn)性、安全性以及列車在橋梁上的動力響應(yīng)，均為評價列車－橋系統(tǒng)振動性能的主要內(nèi)容[4]。因此當(dāng)案例橋梁處于表1敘述的自振頻率時，此時CRH3高速列車以250～350 km/h的速度行駛在橋上時，各項結(jié)果均滿足預(yù)期方案。屆時乘車舒適度數(shù)值均不大于2.75 m/s2，符合相關(guān)技術(shù)要求；此外當(dāng)CRH3高速列車以375～420 km/h的速度行駛在橋上時，各項結(jié)果也滿足預(yù)期方案。屆時乘車舒適度數(shù)值處于2.75～3.00 m/s2之間，也能達(dá)到合格水平[5]。

3.2 連續(xù)梁體設(shè)計方案

當(dāng)鐵路列車處于平穩(wěn)行駛與加速行駛時，橋梁體剛度數(shù)值會對乘車舒適程度以及車體加速度構(gòu)成直接影響，同時為保證鐵路自身運(yùn)行性能，也應(yīng)保證高強(qiáng)度的梁體耐久性，根據(jù)鐵路運(yùn)行需求展開連續(xù)梁體的設(shè)計，才能提高后續(xù)施工質(zhì)量與效率，減少鐵路運(yùn)營階段的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，具體內(nèi)容如下：

（1）考慮橋梁結(jié)構(gòu)在縱向荷載環(huán)境影響下的變化情況；

（2）在預(yù)期鐵路列車行駛中，橋梁與軌道的相對位移情況，例如在不同車速狀態(tài)下，由于沖擊系數(shù)存在差異，因此橋梁跨中段振動位移、跨中段振動加速度以及梁端轉(zhuǎn)角都會產(chǎn)生相應(yīng)變化；

（3）在開展連續(xù)梁體設(shè)計時，要綜合考慮橋梁動力響應(yīng)結(jié)果，具體如表3所示。也就是在橋梁單線與雙線運(yùn)行背景下，根據(jù)不同列車速度造成的沖擊系數(shù)，針對主梁跨中造成的振動位移以及振動加速度進(jìn)行模擬計算，從而得出列車行駛時軌道與橋梁產(chǎn)生的相對位移情況。

當(dāng)連續(xù)梁體的曲線半徑大于3 km時，列車輪重減載率受曲線半徑數(shù)值的影響逐漸降低，例如連續(xù)梁體位于曲線半徑不小于5.5 km時，橋梁的剛度、強(qiáng)度數(shù)值可以滿足列車走形的穩(wěn)定性與舒適程度。因此，基于案例橋梁的動力性能分析結(jié)果，和已建成通車的高速鐵路運(yùn)營動態(tài)報告，借鑒其中橋梁動力性能的分析成果[6]。最終確定為在曲線半徑不小于5.5 km的前提下，連續(xù)梁主跨應(yīng)不小于115 m，這時橋梁與列車動力響應(yīng)均滿足規(guī)范要求。

3.3 防滲加固設(shè)計措施

鑒于案例橋梁工程的河段常年處于治理中，現(xiàn)已形成人工控制的彎曲型河段，兩岸之間中河水槽較穩(wěn)定，因此在鐵路橋梁設(shè)計中還應(yīng)考慮防滲加固措施?？紤]案例橋梁所處地區(qū)情況，推導(dǎo)計算橋梁的防洪水位，例如臨黃河側(cè)設(shè)計防洪水位為39.40 m，背黃河側(cè)面設(shè)計水位為31.48 m?？紤]允許滲透坡降數(shù)值，即當(dāng)橋梁樁基土體發(fā)生流土破壞時，其臨界滲透坡計算公式如下：

式中，代表的是土的臨界滲透坡降數(shù)值，單位為“無單位”或“1”，（因為其是通過比例關(guān)系計算得到）；代表的是土的顆粒比重情況，單位為g/cm3；代表土的孔隙率，單位為%。因此，將安全系數(shù)設(shè)為，則可以計算出土的允許滲透坡降數(shù)值：

根據(jù)上述公式推導(dǎo)案例橋梁的相關(guān)數(shù)值，具體如表4所示。

當(dāng)允許出逸比降數(shù)值為0.4時，原設(shè)大堤的出逸比降為0.35，橋梁防滲體系沒有被破壞。而當(dāng)增設(shè)橋堤后，增設(shè)橋墩的出逸比降為0.45，導(dǎo)致防滲體系破壞，因此要制定防滲加固設(shè)計措施：

（1）鑒于初設(shè)方案中墻體有效厚度為0.4 m，距離黃河側(cè)堤為2 m，為避免截滲端發(fā)生集中破壞情況，截滲墻向河道上下游延伸50 m。采取該項防滲措施后，橋墩整體得到加固，出逸比降數(shù)值降低為0.39，滿足相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使防滲體系得到恢復(fù)。

（2）后續(xù)為保證橋墩增設(shè)后大堤滲流的穩(wěn)定性，還應(yīng)增設(shè)深層攪拌樁墻體，保證防滲黏土環(huán)厚度為2.0 m，底部低于承臺0.5 m，頂部高出堤身浸潤線0.5 m。

（3）在施工設(shè)計階段，深層攪拌樁施工要保證鉆進(jìn)、提升、兩拌兩噴技術(shù)方式的有效結(jié)合，針對橋梁樁基的混凝土注漿量進(jìn)行監(jiān)控，以保證截滲墻的施工質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格控制樁基位置與垂直度。

（4）針對防滲墻進(jìn)行施工保養(yǎng)，在鐵路橋梁設(shè)計方案中明確要求保養(yǎng)期限與具體措施，例如對墻體齒片外徑進(jìn)行定期測量，如超出設(shè)計參數(shù)要及時修復(fù)，同時要保證防滲墻的均勻度，有效發(fā)揮出防滲墻體的應(yīng)力性能，對高速鐵路橋梁的正常使用提供保障。

3.4 穩(wěn)定性驗證

明確橋梁加固措施后，還要對橋梁整體的抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行計算，將斷面數(shù)值、計算參數(shù)、邊界條件以及滲流數(shù)值匯總，根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB50286—2013）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計洪水位驟降期的臨河堤坡，要保證安全系數(shù)不小于1.3。穩(wěn)定性計算采用理正軟件，按網(wǎng)絡(luò)布置多個圓弧裂面，用最優(yōu)原理推算出最小安全系數(shù)的臨界弧，結(jié)果如表5所示。能夠了解到，在穩(wěn)定性方面，案例橋梁設(shè)計洪水位的臨水面安全系數(shù)為2.48，背水面安全系數(shù)為2.01；洪水位驟降期臨水面的安全系數(shù)為1.37；施工期臨水面的安全系數(shù)為2.32，背水面安全系數(shù)為2.41，均高于安全系數(shù)最低標(biāo)準(zhǔn)1.3。

4 結(jié)論

綜上所述，文章首先闡述鐵路橋梁施工設(shè)計的作用價值，結(jié)合某鐵路橋梁工程，分析施工設(shè)計難點與應(yīng)對策略，了解到梁端轉(zhuǎn)角控制、連續(xù)梁徐變以及橋梁樁基沉降，是影響橋梁穩(wěn)定性的主要因素?；诖耍芯拷Y(jié)合案例情況，展開結(jié)構(gòu)設(shè)計與列車走行分析，設(shè)計連續(xù)梁體施工方案，并且制定防滲加固措施。最后對鐵路橋梁穩(wěn)定性進(jìn)行計算，得出案例橋梁設(shè)計洪水位的臨水面安全系數(shù)為2.48，背水面安全系數(shù)為2.01；洪水位驟降期臨水面的安全系數(shù)為1.37；施工期臨水面的安全系數(shù)為2.32，背水面安全系數(shù)為2.41，均高于安全系數(shù)最低標(biāo)準(zhǔn)1.3，滿足鐵路橋梁施工設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

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[5]國家鐵路局.鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范：TB10002—2017[S].北京：中國鐵道出版社，2017.

[6]中國鐵道科學(xué)研究院.寧杭客運(yùn)專線動態(tài)檢測報告[R].北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2013.

收稿日期：2024-02-26

作者簡介：謝宇峰（1992—），男，碩士，助理工程師，主要從事鐵路橋涵設(shè)計工作。