跨陇海铁路单跨58.8 m梯形钢管桁架防护棚方案研究

郭星亮

摘 要：钢管桁架是在跨营业线施工中经常采用的一种安全防护结构形式，以跨陇海铁路单跨58.8 m钢管桁架防护棚为实例，从方案比选、结构设计两方面进行了分析，以期为同类工程的安全防护施工提供参考和借鉴。

关键词：钢管桁架；铁路；防护棚；有限元分析

中图分类号：TU758.11 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.06.119

1 工程概况

国道107郑州段改建工程郑汴路互通立交桥跨陇海铁路主桥结构采用76 m+122 m+74 m预应混凝土连续箱梁，越圃田车站东咽喉岔区。该区域内股道繁多，包括陇海铁路（直线），其上、下行线间距为5 m，为电气化铁路；北侧为货物站台，设有贯通货物线1道，距营业线约22 m；南侧为中铁联集专用线1道，承台边距专用线约10.5 m。

为了确保行车安全，在连续箱梁的施工中应采取二级防护措施，在悬浇段施工中应采用全封闭式结构挂篮一级防护措施，即在挂篮的底部、前端和侧面采用钢板封闭防护措施，从而保证在施工过程中没有杂物从挂篮和桥面上坠落。为了保证施工排水工作的顺利进行，应在主桥下的施工范围内设置防护棚架，从而确保铁路运营和相关设施的安全。

工程主桥下的净空高度为11.3～13.1 m，因此，应在线路上方、桥下的施工范围内搭设防护棚。此外，《铁路技术管理规程》中的第144条提出，跨越电气化铁路的各种建筑物与带电部分的最短距离应≥50 cm，防护棚桁架底面距线路轨面的最低高度为8.5 m。

2 施工方案优化比选

2.1 方案一

方案一为15 m简支梁+（33.6+17） m连续梁钢结构。根据场地内轨道的布置情况和净空要求，货运线防护棚架纵向采用15 m跨简支梁、33.6. m+17 m跨连续钢结构跨越的架设方案，在防护棚架横梁顶铺设钢板，并焊接成整体；棚顶表面铺设5 mm的橡胶皮，作绝缘防护层；防护棚立柱和斜撑采用圆形钢管结构，纵、横梁采用“工”字形钢构件；防护棚基础采用明挖混凝土条形基础和柱式基础。

2.2 方案二

方案二为单跨59.2 m三角钢管桁架。跨陇海铁路K553+734.00处有正线2条、到发线11条和预留4线条。其中，一股道为29#道岔与31#道岔间的渡线（此线路为站场预留线路）。考虑到此股道的车流量较小，在此股道上未设置防护棚，并将三跨结构简化为了单跨结构。为了保证施工安全，在铁路上方60×80 m的范围内设置了全封闭防护棚。

防护棚屋的面板采用0.6 mm厚的压型钢板（型号为YX35-125-750）+2层0.5 mm厚的绝缘橡胶，檩条采用卷边槽钢C120×50×20×2.5，间距为800 mm；纵梁采用59.2 m的单跨三角钢桁架，由13片主桁架组成，横向间距为5.0 m，节间距为0.8 m，桁架杆件均采用圆形钢管，次桁架采用三角桁架结构；上、下弦杆采用∠80×8角钢，立柱采用φ630×12钢管，斜撑采用I25a、I16、I22a、I18a，基础采用柱式扩大基础。

2.3 方案三

方案三为单跨58.8 m梯形钢管桁架。防护棚屋面板和檀条与方案二相同，檩条的间距为600 mm；纵梁采用58.8 m的单跨梯形桁架，由21片主桁架组成，横向间距为3.0 m，节间距为0.6 m，桁架杆件均采用圆形钢管，次桁架采用桁架结构；上、下弦杆采用∠80×8角钢，立柱采用φ720×12钢管，斜撑采用I25a、I16、I22a、I18a，基础采用柱式扩大基础。具体如图1所示。

图1 单跨58.8 m梯形钢管桁架结构防护棚立面布置图

3 技术方案经济性比选

经统计，方案一的用钢量为1 544.1 t，超过了预算范围，方案二和方案三的钢用量约为400 t，考虑到施工方案的实际性，选择方案三为本工程的实际施工方案。

4 梯形钢管桁架结构的设计及检算

4.1 主要结构的施工材料

防护棚的材料均为Q235，主桁架加强弦杆采用φ219×16，其余弦杆采用φ245×16，主桁架腹杆采用φ146×10和φ83×5两种型号的钢管，次桁架弦杆采用∠80×8，次桁架腹杆采用I8和I6.3两种槽钢，立柱采用φ720×12钢管。

4.2 荷载计算

4.2.1 恒荷载

面板由压型钢板、2层绝缘橡胶组成，经计算，其面荷载为0.063 kN/m2。计算模型时，应将层面荷载转化为线荷载，并施加到主桁架上；层盖以下结构的质量由程序自动计算，并施加到有限元模型上。

4.2.2 活荷载

防护棚面板施工荷载的标准值为1 kN/m2，依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）中的5.5.1，集中荷载的标准值为1 kN。此外，均布活荷载不与雪荷载和风荷载同时组合。

4.2.3 雪荷载

郑州地区近50年的基本雪压为0.4 kN/m2。考虑到积雪荷载分布不均匀的情况，并结合施工实际，积雪系数取1.25.

4.2.4 风荷载

依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）的附录，郑州地区近50年的基本风压为0.45 kN/m2。因此，杆件的风振系数、体型系数、风压高度变化系数均取1，并在横向迎风面的前2榀桁架杆件上施加风荷载。

4.2.5 温度作用

结合郑州地区的实际气候变化情况，钢结构施工安装时的校准温度与使用过程中的温度的最大差值为±25 ℃。

4.3 计算分析软件

整体建模分析软件采用Midas Civil2013，有限元模型只针对扩大基础以上的部分钢结构进行验算、分析，并根据实际起拱情况建模。模型中所有的杆件均采用梁单元模拟，杆件之间的连接均采用刚接。

4.4 荷载组合

依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）中的相关条款，结合临时结构的特点，设计了以下10种组合：①1.2恒+1.2施工荷载；②1.2恒+25 ℃；③1.2恒-25 ℃；④1.2恒+1.3风；⑤1.2恒+1.3风-25 ℃；⑥1.2恒+1.3雪+1.0风；⑦1.2恒+1.3雪+1.0风-25 ℃；⑧1.2恒+1.3风+1.0雪；⑨1.2恒+1.3风+1.0雪-25 ℃；⑩1.0恒+1.0风。

4.5 结构构造的方式

4.5.1 立柱与主桁下弦之间的连接

在计算模型中，立柱与主桁下弦杆采用“双直角三角形”的连接形式，即在跨度方向立柱的两侧各设1根斜杆，斜杆与下弦杆、立柱之间通过耳板连接。

4.5.2 次桁架与主桁架之间的连接

跨营业线施工的时间较短。为了最大限度地减少施工对铁路运营的干扰，施工方应加快施工速度。因此，应采用在主桁架弦杆上直接焊接构件、用螺栓连接次桁架与构件的施工方式，从而缩短施工周期。

5 计算结果

5.1 主桁架结构的计算结果

经过有限元计算和分析，主桁架加强上弦的应力范围为69.9～146.8 MPa，其余上弦的应力范围为55.3～114.8 MPa；主桁架加强下弦的应力范围为89.2～189.9 MPa，其余上弦的应力范围为47.0～189.8 MPa；腹杆的应力范围为70.8～186.4 MPa，立柱的应力范围为91.9～174.3 MPa。

组合10中下主桁架变形平面内的竖向位移为94.2 mm，挠跨比为1∶624.2；主桁架变形平面的横向位移为18.2 mm，挠度比为1∶3 230.7.

5.2 支架结构整体稳定性的计算

在恒载和活载作用下，为了防止整体结构失稳，应选取科学的屈曲荷载系数k.屈曲荷载等于屈曲荷载系数乘以所施加的荷载，即屈曲荷载=1.0×（恒载+屈曲荷载系数×活载）。在屈曲荷载的作用下，支架结构前5阶的整体屈曲荷载系数为2.64，4.59，7.37，8.08，8.59.由此可见，支架结构的整体屈曲荷载系数可满足设计要求。

6 结束语

本防护棚属于大跨度临时钢结构工程，通过对设计方案的优化对比，并结合跨营业线施工的特点，主桁架采用梯形钢管桁架结构后，有效地降低了施工成本，为净空受限的跨越电气化铁路同类工程提供了一定的参考和借鉴。通过建立整体结构的有限元模型，找到了立柱与主桁架下弦之间的合理的连接形式，即“双直角三角形”的连接形式，并在主桁架弦杆上采用了焊接的方式连接构件，采用螺栓连接了次桁架与构件，从而为快速施工创造了条件，缩短了施工周期。

〔编辑：张思楠〕