跨铁路特大桥防护棚架设计及结构验算

于 博

（山西省交通科学研究院，山西 太原030006）

0 引言

霍州至永和关高速公路是山西省高速公路网规划“三纵十一横十一环”第八横的重要组成部分，汾河特大桥（中心里程为K10+852.48）是该项目的控制性工程之一，桥跨组合为11×40m+66.98m+7×120m+66.98m+25×40m，全长2 413.96m，前右角90°。该桥为跨越汾河而设，同时跨越南同蒲铁路，在第13 跨处上跨南同蒲铁路（交叉桩号为：霍永高速K10+178.5＝南同蒲铁路K557+611），跨径120m，桥下净高70m，前右角为68°。南同蒲铁路为繁忙干线，为保证上跨施工过程中高速列车在其下方安全通过，沿南同蒲铁路纵向与汾河大桥全宽相交部分设置临时防护棚架，确保列车运行不受施工的任何影响。

1 防护棚架设计

防护棚架平面尺寸为：顺铁路方向52.2m，横铁路方向21.5m，立柱纵向中心距4.0m。其由基础、立柱、横梁、纵向联接系、铺板及防电板组成。各组成部分具体如下：

（1）基础采用C30混凝土方形扩大基础；

（2）立柱焊接HW250×250×9×14型H型钢，沿纵向每侧各14 根，间距为4.0m，立柱每隔0.6m 设置一道加劲肋；

（3）横梁焊接HW250×250×9×14型H型钢，与立柱通过高强螺栓刚性连接；

（4）立柱之间设置纵向联接系，纵向联接系由水平连系杆和剪刀撑构成，水平连系杆采用16b槽钢，剪刀撑采用L100×100×10的角钢；

（5）为方便安装，保证安装过程中既有线安全，铺板分成52 块，每块铺板尺寸为1.5m×4.0m，由4mm厚钢板和I10型工字钢组焊而成；

（6）防电板设置在横梁和铺板底面，并分别与横梁、铺板用螺栓连接。

2 防护棚架结构验算

防护棚架结构验算中考虑的主要荷载有：棚架自重、棚架顶面均布荷载、列车气动力、风荷载等。钢材重度为78.5kN/m3，结构的重量在计算程序中自动考虑。棚架顶面均布荷载为2.5kN/m2。列车按时速250km/h计算，线路中心与棚架水平净距D取4.5m。据资料可知，在上述情况下列车水平气动力qh为1.35kN/m2，垂直气动力qv为1.282kN/m2。所在地区基本风压为0.56kN/m2。通过MIDAS 建立不同结构的计算模型来进行安全验算。

2.1 结构整体验算

结构整体受力分析见图1、图2。

由图1可知，此防护棚架最大变形位于坠物节点荷载（6kN）处，最大变形ƒ为30mm。由图2 可知，在模态工况下防护棚架稳定系数为11.6，稳定性满足要求。

2.2 钢纵梁的验算

由水平连系杆和剪刀撑构成的纵向联接系将各立柱连接起来。水平连系杆与立柱采用高强螺栓连接，剪刀撑设在棚架两端和中间，以抵抗棚架所受纵向荷载。

纵梁应力如图3所示，纵梁位移如图4所示。

由图3可得，纵梁最大应力σ为65.6MPa＜容许应力[σ]=170MPa，纵梁强度满足规范要求。由图4可知纵梁的最大变形位于跨中处，为14.8mm，扣除横梁跨中处12.2mm 位移，可得纵梁的最大变形值为2.6mm， 相对挠度为0.0007＜[f/l]=1/150，表明纵梁刚度满足要求。

2.3 钢横梁的验算

横梁采用H型钢，与立柱通过高强螺栓刚性连接。横梁各应力及变形图分别如图5～图7所示。

由图5、图6 可知，在工况一作用下横梁最大弯曲应力σ为66.2MPa＜容许应力[σ]=170MPa，最大剪应力τ为24.7MPa＜[τ]=100MPa，横梁强度符合要求。

由图7 得横梁最大变形为12.2mm，相对挠度为0.0015＜[f/l]=1/150，表明横梁刚度满足要求。

2.4 钢立柱的验算

立柱轴力图如图8所示。立柱采用H型钢，与基础采用预埋锚栓连接。其截面数据为：

由于截面对X轴和Y轴同属于b类截面，故由ly=49.8，查询b类截面轴心受压构件的稳定系数值f=0.37，则：故稳定性满足要求。

2.5 基础的验算

此支架采用的是2.0m×2.0m×1.0m 混凝土扩大基础，反力图如图9所示、混凝土基础立面如图10所示。

由图9可得，该矩形基础所承受的最大垂直反力F1=75.5kN，最大水平反力为：

混凝土矩形基础自重F2=(2×2×1)×26=104(kN)，则：

因此棚架的基础埋置深度小于3m，依据《铁路桥涵地基与基础设计规范》（TB 10002.5—2005）得粉砂地基在中密的情况下基本承载力为100kPa，而44.9kPa＜100kPa ，所以基底压应力检算满足要求。

3 结语

本桥跨越既有铁路线，为确保行车安全，挂篮施工时搭设防护棚架进行一级防护，避免施工过程中杂物掉入既有线内对行车造成影响而发生事故。通过验算结果表明，防护棚架在竖向荷载作用下结构是安全的。在纵向，钢横梁与钢立柱组成纵向受力稳定体系；在横向，由水平连系杆、剪刀支撑和钢立柱组成横向受力稳定体系，足以承受由列车气动力和风力带来的水平荷载，结构在水平荷载作用下是安全的。

[1] 牟同兵.防护棚架设计及结构验算[J].国防交通工程与技术，2013（S1）：36-37.

[2] 吴晓霞.挂篮施工上跨城际铁路防护棚架设计[J].交通科技，2011（1）：10-12.

[3] 邓洪宗.霍永高速公路东段勘察设计工作的新认识[J].山西交通科技，2012（1）：37-38.