大跨度下穿顶进框架桥线路加固设计

王 兵,王德华

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院,济南 250022； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁设计院,北京 100055)

1 工程概况

临清市为了进一步改善交通环境,完善临清市的路网结构,促进临清市与周围城市交流和地方经济的发展,临清市政府拟在315省道临清段(临清南外环)建设一座穿越京九铁路的公铁立交桥。

立交桥规模为1-(8.0+16.0+8.0) m,快车道通行净高≥5.2 m,慢车道通行净高≥3.7 m,桥址处铁路里程为京九线K384+116.38,铁路上、下行线间距为4.04 m,拟建路道路中心线与京九铁路夹角为90°34′,框架桥快车道采用U形槽封地下水。

立交桥位于临清市东南部,桥址处地势平坦,两侧现为农田,既有京九铁路轨面比自然地面高2.0 m左右。经勘探揭示,桥址区地表局部分布人工填筑(Q4ml)土,天然地面以下为第四系全新统冲积(Q4al)粉土、粉质黏土、黏土和粉砂,基底基本承载力120 kPa。地下水位于地表下2.0 m左右,类型为第四系壤中潜水,主要受大气降水补给。

根据铁道部《不中断铁路运行施工方法及施工对铁路限速的规定》,立交桥施工期间列车运行速度不能小于45 km/h,且施工期间桥址处线路将通行Ⅰ级超重、超限重载列车,为确保京九铁路列车运行安全,既有线路加固方法是本次设计难点。

2 框架桥主体结构设计

框架桥主体结构采用(8.0+16.0+8.0)m连体式结构,机动车道布置于中孔16.0 m框架内,慢车道及人行道布置于两个边孔8.0 m框架内,具体布置见框架出入口立面(图1)。框架桥主体采用先预制后顶进的施工方法。由于地质揭示桥址处地下水位较高,丰水期地下水位高出设计快车道路面1.05 m,故采用钢筋混凝土U形槽封闭快车道地下水。框架桥主体设计采用“弹性地基上平面杆系结构计算通用程序”并增加大型框架桥因顶进变形引起的附加内力计算,框架桥箱身混凝土最大剪应力按τ≤0.90 MPa控制,框架桥基底置于粉质黏土上,箱身设计基底应力σ=120 kPa,地基允许承载力[σ]=120 kPa。

图1 框架出入口立面(单位：cm)

3 加固方案的确定

D24型便梁架空线路加固是应用较为广泛,且相对安全的一种加固方法,列车运行速度可达45 km/h,但由于本桥顺线路方向跨度达35.0 m,D24便梁架空跨度不足,方案期间曾考虑将连体框架分为3个箱体,以便于线路加固,确保行车安全。但考虑到地方政府的要求及桥址处线间距只有4.04 m,不满足D24便梁架设的最小线间距要求,如果采用D24便梁将对既有京九正线进行部分改线,将影响既有京九铁路的正常运营,成本较大。

横抬梁加固线路的方法,线路加固跨度大,但顶进期间线路横向位移不好控制,且该桥位于京九铁路干线上,通行I级超重、超限重载列车,按照铁道部《不中断铁路运行施工方法及施工对铁路限速的规定》,立交桥施工期间列车运行速度不能小于45 km/h,故横抬梁加固方法不能满足要求。

综合考虑各种制约因素,本桥线路加固采用上部架设D12钢便梁,用H型钢替代普通工字钢做横抬梁,下部用φ1.5 m钻孔桩基础做支撑的加固方案。

4 线路加固设计

(1)线路加固计算

计算荷载:中-活载；计算行车速度V=45 km/h。

①横梁强度的计算

便梁的重力G便梁=160.98 kN,线路设备重q线路=1.64 kN/m；横梁冲击系数а=1+μ×μ1=1.29(其中，μ为冲击系数；μ1为列车速度45 km/h时折减系数)；作用于便梁下每根横梁上的静活载F静活=237.6 kN。由于桥址处线间距只有4.04 m,D12钢便梁(乙式)架设时与线路中心不重合,偏心距E=0.48 m,需要计算出偏心架设后D12钢便梁传递到横梁上的力的大小。检算横梁强度时F=329.2 kN,其计算图示见图2。

图2 便梁支点反力计算图示(单位：cm)

横梁按14.0 m跨简支梁检算,其计算图示见图3。

图3 横梁计算图示(单位：cm)

强度检算结果见表1。

表1 横梁跨中截面法向正应力及支座截面处剪应力计算成果

由表1可以看出，横梁跨中最大应力σmax=95.2 MPa<[σ允]=140 MPa；支座附近最大剪应力τmax=13.0 MPa<[τ允]=80 MPa。

②横梁挠度的计算

挠度计算结果见表2。

表2 横梁扰度计算成果

由表2可以看出，在跨中部位位移最大δmax=2.32 cm<[δ]=L/500=2.80 cm。

③纵梁强度计算

纵梁检算按12.40 m连续梁计算,计算图示见图4。

图4 纵梁计算图示(单位：cm)

纵梁冲击系数a=1+μ×μ1=1.33(其中，μ为冲击系数；μ1为列车速度45 km/h时的折减系数)。

纵梁上恒载重

G纵恒=G便梁+G线路+G横梁=906.12 kN

表3 纵梁跨中截面法向正应力及支座截面处剪应力计算成果 MPa

由表3可以看出，纵梁跨中最大应力σmax=63.2 MPa<[σ允]=140 MPa；支座附近最大剪应力τmax=49.4 MPa<[τ允]=80 MPa。

④纵梁挠度计算

纵梁挠度的计算考虑其静活载作用在纵梁上,按影响线加载,纵梁挠度计算结果见表4。

表4 纵梁挠度计算成果

由表4可以看出，纵梁最大竖向挠度δmax=0.85 cm<[δ允]=L/500=1.30 cm。

⑤基础的计算

(2)线路加固布置

①总体布置。顺线路方向架设5孔D12(乙式)钢便梁,每孔钢便梁下设8组横抬梁,横抬梁下设2组纵梁,每组纵梁下设3根C25钢筋混凝土钻孔桩支撑,具体布置见图5～图7。

图5 线路加固立面(单位：cm)

图6 线路加固平面(单位：cm)

图7 线路加固侧面(单位：cm)

②钻孔桩基础。纵梁下设置C25钢筋混凝土φ1.5 m钻孔桩基础,间距6.2 m,每根长度30 m,共22根。

③架设纵梁。钻孔桩顶架设纵梁,纵梁中心线距线路上、下行分别为3.5 m和4.5 m。每根纵梁由一组H458×417型钢组成,每2根1组,具体组拼形式见图8。采用Q235钢,每组纵梁间每隔2 m设φ22 mm螺栓,将型钢连接成1束.增强其整体性。

④铺设横抬梁。每孔钢便梁下共设8组横抬梁,长度为15 m。横抬梁每组采用H458×417型钢,组拼形式见图9。采用Q235钢,每3根组成1组,间距不大于1.62 m。3根H458×417型钢之间采用φ22 mm螺栓连接成1束,每隔2 m设置1处。

图8 纵梁组拼(单位：mm)

图9 横抬梁组拼(单位：mm)

⑤架设D12钢便梁。顺京九上、下行线路各架设5孔D12钢便梁(乙式),便梁依次放置,利用其支座锚栓孔用厚度为12 mm、长度为1.0 m钢板连接。

(3)连接及防线路横移措施

①连接：横梁与纵梁间采用角钢夹板与U形螺栓连接形成一个整体,横梁顶进前端和后端分别设一组连接系梁，也用角钢夹板与U形螺栓连接，与横梁形成整体。D12乙式施工便梁间利用其支座锚栓孔用厚度为12 mm钢板连接。

②防止线路横移措施：钻孔桩顶设20 cm高钢筋混凝土挡块,防止纵梁横移。D12施工便梁与横抬梁连接系梁间每隔2 m用硬木支撑,防止便梁横向移动。在框架桥顶进前、后端埋设4处地龙,将横抬梁锚固。设一组钢丝绳(走4)滑轮组,用10 t手拉葫芦拉紧钢丝绳,滑轮组固定于联结抬梁H200×200型钢上,沿线路方向,每12.4 m设1个手拉葫芦,将横抬梁拉住,防止横抬梁横向移动。同时框架顶上铺钢板,宽50 cm,间距2.0 m一块,钢板上涂石蜡,以减少顶进时摩擦力。

5 施工步骤及加固效果

(1)施工步骤

①开挖基坑、预制箱体、既有线路加固。

②箱体顶进至第1排桩边缘,拆除第1排桩中影响顶进的桩,继续顶进。

③箱体顶进就位后,施工翼墙与桥相邻的引道外挡土墙,拆除框架箱体范围内第2排桩。

④拆除纵、横抬梁及D12乙式施工便梁,施工框架顶进前端悬臂板,补齐连接墙,施工桥内外引道。

(2)加固效果

该桥现已施工完毕,施工期间可通行Ⅰ级超重、超限重载列车,经观测线路加固的强度、刚度、线路的横向稳定性,均满足行车运输要求。

6 结语

“H型钢横抬D12钢便梁”加固线路的方法,解决了大跨度下穿铁路框架桥线路加固的难题,避免了因线路加固无法实施而改移线路的问题,减少了对既有线路运营的影响。随着我国城市化进程步伐的加快,下穿铁路立交桥跨度也越来越大,如何解决大跨度下穿框架桥顶进施工期间,既要保证列车运行安全,又不影响列车行车速度,成为了迫在眉睫的问题,在本工程设计中,采用“H型钢横抬D12钢便梁”加固线路的方法,并采用一系列防线路横移措施,确保了立交桥施工期间线路安全及行车速度,为以后类似工程设计积累了经验。

[1] TB10002.1—2005，铁路桥涵设计基本规范[S].

[2] TB10002.2—2005，铁路桥梁钢结构设计规范[S].

[3] TB10002.3—2005，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范[S].

[4] TB10002.4—2005，铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范[S].

[5] TB10002.5—2005，铁路桥涵地基和基础设计规范[S].

[6] TB10203—2002，铁路桥涵施工规范[S].

[7] 铁运函[2004]120号，铁路桥梁检定规范[S].

[8] 张敦宝，李聪林.铁路框架桥施工线路加固方案的探讨[J].铁道标准设计，2009(5)：59-60.

[9] 邓学光.框构桥顶进纵横抬架空线路施工技术[J].铁道标准设计，2009(11).

[10] 苏明周.钢结构[M].北京：中国建筑工业出版社，2003.