跨越既有铁路线的支架设计

(中铁十八局集团有限公司 勘察设计院，天津 300308)

跨既有铁路线桥梁的施工具有施工空间狭小、施工安全压力大及既有线施工封锁时间短等特点[1]。目前国内外对于常规现浇支架设计已经很成熟，国内最常见的支架形式为碗扣钢管支架、贝雷梁、大直径钢管柱等，适用于有稳定地基的施工[2]，但对于跨越既有铁路线的支架设计研究十分稀少。支架一般分为满堂式和梁柱式，梁柱式支架结构应由基础、支墩(含支墩顶分配梁和落架装置)、纵梁、横梁、模板等部分组成[3]。承重纵梁结合支架支墩间跨度，支架搭设净空控制要求一般采用型钢、六四式及加强型六四式军用梁、贝雷梁、钢板梁或钢箱梁等。贝雷梁由贝雷架组装而成，是一种桁梁结构，为确保整体稳定，以“花窗”作为连接构件，将贝雷架连接起来，并用螺栓固定[4]。因此，为满足既有线不停运且不同位置净空要求，针对中梁山站跨铁路线煤泥水槽工程，对不同支架形式和基础工况及新建渡槽承重支架进行了系统设计，为相关工程的建设提供参考。

1 位置与地质概况

2 系统设计与优化

2.1 整体设计

结合水槽结构实际情况，对支架和基础进行选型：

(1)对于中间需一孔跨越多条铁路线，中间无立支墩条件，而净空较富裕的位置,采用钢管贝雷梁式组合支架。

(2)对于边跨仅跨越单条铁路线，由于降坡，对净空要求又比较严格的，采用钢管型钢式组合支架。

(3)对于基础选型，首先钢管柱底能坐落于既有承台的，优先置于承台上；其次地质条件满足机械打入钢管桩要求的，采用机械打入钢管桩；最后靠近铁路线，又无法采用以上方式的，采用薄壁沉井防护人工挖孔桩原则，开展设计。

(4)对于钢管立柱无法坐落于既有承台，又没有空间设置机械打入钢管桩和人工挖孔桩基础的，采用在煤泥水槽墩柱预埋锚筋钢板锚固件并结合插入抗剪销形式，提供竖向支撑。

2.2 支架体系

根据工程的系统分析，新建渡槽采用支架承重兼防护，面板均采用8 mm厚钢板。

支架贝雷纵梁搭设形式从下至上依次为：桩基础—钢管桩—平联剪刀撑—墩柱连接杆—双拼I56a钢横梁—贝雷梁纵梁—I25a横向分配梁—满铺8 mm钢板。

支架型钢纵梁搭设形式从下至上依次为：桩基础—钢管桩—平联剪刀撑—墩柱连接杆—双拼I56a钢横梁—I50a型钢纵梁—满铺8 mm钢板。

整个支架体系的纵断面布置情况如图1所示，中跨支架横断面布置情况如图2所示，边跨支架横断面布置情况如图3所示。为了评估本施工支架体系的安全性，按各支架体系的结构及受力特点，采用杆系有限元方法进行评估。

图1 支架纵断面布置图(单位：mm)

图3 边跨支架横断面布置图(单位：mm)

3 支架计算模型

3.1 有限元模型

采用MIDAS Cvil软件对贝雷梁支架体系进行计算，对中跨贝雷梁式支架和边跨型钢纵梁式支架分别建立模型进行分析。模型主要采用了梁单元。坐标约定：X坐标方向为顺桥向，Y坐标方向为横桥向，Z坐标方向为竖向。根据支架体系的实际设计，边界条件设置时，钢管柱底部固结约束，承台上钢管桩与墩身通过Φ426×9 mm钢管连接。对于结构面板与横向分配梁、横向分配梁与贝雷梁、贝雷梁与桩顶承重梁、桩顶承重梁与钢管立柱、型钢纵梁与上部横向分配梁、型钢纵梁与下部桩顶承重梁之间均采用弹性连接。

3.2 构件截面及材料性能

本支架体系各主要构件的截面形式如表1所示。构件材料的强度设计指标均按规范[6]要求执行，保证结构各项计算结果满足设计要求。

表1 支架体系各主要构件截面类型

图4 梁截面混凝土荷载面积分区(单位：m2)

3.3 计算荷载及工况

3.3.1 计算荷载

通过分析，该支架体系主要考虑的荷载有：①支架自重，模型按实际质量计算；②混凝土振捣荷载取2.0 kN/m2；③混凝土倾倒荷载取2.0 kN/m2；④混凝土施工机具、人员荷载取2.5 kN/m2；⑤风荷载基本风压取0.40 kN/m2，风压高度变化系数1.0，风荷载体系系数1.4。梁部混凝土荷载所取截面如图4所示。

支架体系所承受的荷载根据面域条分法，加载在计算模型上。

3.3.2 计算工况

本次计算主要考虑如下工况：①工况1，强度计算1.2×(混凝土+模板自重+支架自重)+1.4×(砼振捣+砼倾倒+施工机具、人员+风荷载)；②工况2，刚度计算1.0×(混凝土+模板自重+支架自重)；③工况3，稳定性计算1.2×(混凝土+模板自重+支架自重)+1.4×(砼振捣+砼倾倒+施工机具、人员+风荷载)。通过以上3个工况评估支架系统的刚度、强度及稳定性是否满足要求。

4 中跨贝雷梁支架计算结果

4.1 挠度计算结果

图5 贝雷梁支架整体竖向挠度图

贝雷梁支架在自重、混凝土荷载作用下最大竖向变形如图5所示，最大变形值为24.15 mm，考虑国产新贝雷销接处错孔产生挠度f=0.05Δ(n2-1)=1.2 cm影响后，总挠度变形值为36.15 mm，满足规范不大于L/400=18 710 mm/400=46.775 mm的要求。

4.2 构件应力计算结果

钢管柱最大组合应力值为-81.2 MPa，小于设计值，满足要求。贝雷梁下部承重双I56a型钢的最大组合应力值为-56.2 MPa，剪应力为-56.2 MPa，小于设计值，挠度变形值最大为0.759 mm，小于L/400=2 275 mm/400=5.69 mm。贝雷梁上部分配梁最大组合应力值为-38.8 MPa，最大剪应力值为-12.4 MPa，均小于设计值。贝雷梁最大组合应力值为-240.57 MPa，最大剪应力值为63.7 MPa，均小于设计值。贝雷梁支架钢管柱间连接平联及剪刀撑均采用[20a，钢管间平联剪刀撑最大组合应力值为-30.2 MPa，最大剪应力值为2.1 MPa，小于设计值，满足要求。贝雷梁框架上平杆和下平杆采用∠90×56×6不等边角钢，框架竖杆采用∠50×4等边角钢，框架斜杆采用∠30×4等边角钢，框架材质均为Q345。贝雷梁框架的最大组合应力值为211.5 MPa，最大剪应力值为-3.07 MPa，均小于设计值，满足要求。

图6 钢面板最大组合应力图(单位：MPa)

4.3 面板应力计算结果

贝雷支架顶层采用8 mm厚钢板，钢面板的最大组合应力值为98.5 MPa，如图6所示，小于设计值，满足要求。

4.4 中跨钢管立柱稳定性验算

图7 型钢支架整体竖向挠度图

5 边跨型钢支架计算结果

5.1 挠度计算结果

型钢支架在自重、混凝土荷载作用下最大竖向变形为5.72 mm，如图7所示，满足不大于L/400=7 900 mm/400=19.75 mm的要求。

5.2 应力计算结果

钢管柱采用Φ630×12 mm无缝钢管，其最大组合应力值为-50.1 MPa，小于设计值，满足要求。型钢纵梁下部双I56a型钢的最大组合应力值为53.0 MPa，小于设计值，剪应力为-22.2 MPa，小于设计值，挠度变形值最大为0.5 mm，小于L/400=2 275 mm/400=5.69 mm。

主横梁上部I50a纵梁的最大组合应力值为-78.4 MPa，最大剪应力值为20.2 MPa，均小于设计值，挠度变形值最大为5.754 mm，小于L/400=7 900 mm/400=19.75 mm，均满足要求。型钢支架钢管柱间连接平联及剪刀撑均采用[20a，平联剪刀撑最大组合应力值为24.4 MPa，最大剪应力值为1.56 MPa，小于设计值，满足要求。

图8 钢面板最大组合应力图(单位：MPa)

5.3 面板应力计算结果

型钢纵梁顶层采用8 mm厚钢板，钢面板的最大组合应力值为42.3 MPa，如图8所示，小于设计值，满足要求。

5.4 边跨钢管立柱稳定性验算

6 支架基础设计

6.1 支架基础计算

支架钢管桩支撑在混凝土桩基础上部，按最不利桩位计算入土深度。钢管桩直接坐落于混凝土桩顶部位置，不存在偏心，结合模型计算柱底反力结果，钢管柱支反力最大值658.8 kN。按[σ]=N/A=658 800 N/(3.14×500 mm×500 mm)=0.84 MPa。采用C30桩身混凝土可满足受压要求。

Z1～Z21先沉井后桩基形式，单桩竖向承载力计算(按柱桩考虑，不考虑桩周侧摩阻，最小入完整中风化岩层深度不低于1.0 m)：Ra=qA，其中，q为桩端岩石承载力特征值；A桩底端横截面面积。

因桩端均嵌入完整中风化岩层不小于1 m，取值结合地勘报告和主体设计图纸，中风化泥岩frk≥6.10 MPa，按6.10 MPa计算柱桩。A=3.14×450 mm×450 mm=635 850 mm2,得Ra=6.1×635 850 N=3 878 685 N=3 878.685 kN。

桩底最大支反力658.8 kN，考虑16 m长桩身重=25×3.14×0.6×0.6×16=452.16 kN。

综合得658.8 kN+452.16 kN=1 110.96 kN。单桩竖向承载力值远大于此，故满足受力要求。

G1～G8基础采用通过打入钢管桩实现。打入桩底反力最大为383.8 kN，按单根桩承受500 kN设计，因现场地质连线起伏较大，较为复杂，打入完成后逐根进行单桩承载力试验，单桩承载力最低均满足不小于500 kN。 依据现场实际地层情况，拟定打入钢管桩入土深度16 m，且满足最小入完整中风化岩层深度不低于1 m。

6.2 承台局部受压验算

支架钢管桩部分坐落于承台上部。由于承台下部基础为桩基，此施工阶段验算承台局部混凝土承压强度。通过以上计算结果可知，承台上坐落钢管桩最大反力为427.2 kN。预埋铁板为1.0 m×1.0 m，承台混凝土C30，fc=14.3 MPa。按局部受压承载力进行计算[7]。Fl≤1.35βcβlfcAln，其中，βc=1.0,βl=1.0,Aln=1 000 mm×1 000 mm=106mm2,代入计算得Fl=19 305 kN>427.2 kN，满足规范设计要求。

图9 沉井整体受力(单位：MPa)

6.3 沉井结构验算

沉井结构外径1 200 mm，壁厚150 mm，采用C30砼，该地段根据地勘报告地下水较贫乏，经分析，沉井下放到位后，未填筑桩身混凝土前，列车经过此工况最不利。采用板单元模拟薄壁沉井，深度结合地质剖面线，入完整中风化岩层1 m，按15 m深沉井计算，并考虑列车附加荷载。

C30抗压强度设计值fc=14.3 MPa；土容重结合报告取20 kN/m3，按15 m深建立模型并加载。

列车附加荷载由于现阶段运营仍然为旧铁路，一个特种荷载值为250 kN[8]，故特种荷载=250/1.5/2.5=66.67 kN/m2；沉井计算结果如图9所示，最大压应力为2.0 MPa。

7 主体墩身预埋要求

8 结论

以中梁山站跨铁路线煤泥水槽工程为例，根据实际工况，采用MIDAS Cvil软件对跨越既有线路的支架进行了系统分析，得到的初步结论如下：

(1)根据系统设计，贝雷梁支架在自重、混凝土荷载作用下最大竖向变形为24.15 mm，小于规范46.775 mm，满足要求；钢管最大组合应力均满足规范要求。

(2)型钢支架在自重、混凝土荷载作用下最大竖向变形为5.72 mm，满足不大于L/400=19.75 mm的要求。

(3)支架钢管桩支撑在混凝土桩基础上部，按最不利桩位计算入土深度，采用C30桩身混凝土可满足受压要求。

(4)墩柱预埋铁板在预埋时预埋锚筋间距10 cm布置，每处安装一个直径Φ50 mm材质、30CrMnTi抗剪销，可满足要求。

综上研究发现，针对于不同跨度、不同净空要求和下部基础场地情况，进行不同类型支架结构和基础选型设计十分重要。项目的成功实施,验证了支架模型模拟计算的正确性和支架体系针对不同外界因素控制情况下选择的合理性，可为今后类似跨越既有铁路线支架结构体系设计和施工提供有益的参考和借鉴。