特殊施工荷载作用下简支轨道梁结构受力影响分析研究

王 君 （芜湖市铁路项目建设管理处，安徽 芜湖 241000）

1 项目背景

某市跨座式单轨交通工程高架车站为大悬臂独柱钢结构型式，钢柱位于城市主干道中间绿化带，受城市道路交通通行压力及施工场地受限影响，钢结构主体结构施工完成后即拆除施工围挡，后续站台层雨棚钢结构施工，需利用200t汽车吊在车站端部将QY25t汽车吊吊上结构作业（半伸支腿），在两条轨道梁上横向铺设路基箱（6m×2m×22cm）作为吊机行走通道（吊装平面及立面图见图1）。25t汽车吊自重29.4t，作业半径9m，额定起重量为5.8t（主臂17.6m），路基箱倒运吊装重量约4.5t；吊装边柱节点拼装单元时，为最大作业半径13m 吊重2t，25t汽车吊作业半径14m额定起重量2.5t，满足吊装作业需求。但在这种特殊施工荷载作用下，简支轨道梁的承载力是否能满足设计与规范要求，需进一步计算分析验算。

图1 吊装平面及立面图

2 列车荷载

根据车站主体结构设计总说明，CMRⅡ车型列车荷载（荷载图见图2），满员时活载轴重LL-LC：（动力系数取1.3）。

根据轨道梁总说明书及通用图，附属设施重DL-LC：5.5kN/m。

图2 列车荷载图

3 汽车吊荷载

3.1 计算参数

根据QY25K汽车起重机使用说明书，汽车吊自重为29.4t，没有配重，支腿的纵向距离为5.14m，横向距离为4.6m/5.3m（仅验算较小横距，更为不利）。

汽车吊自重的动力系数取1.3，吊重的动力系数取1.5，支腿偏载的放大系数取1.2。

汽车吊主机中心与支腿中心的距离较小，因此不考虑主机的偏心弯矩。

考虑到吊臂的偏心作用，吊物的偏心弯矩取1.2的放大系数。

最不利吊装工况：作业半径9m，吊重4.5t。

根据《建筑结构荷载规范》，基本风压（10年重现期）为0.25 kN/m2，地面粗糙度为B类，（汽车吊主机和吊物）风压高度变化系数取1，风振系数取1，风荷载体型系数取1.3；（吊臂）风压高度变化系数取1.39，风振系数取1.5，风荷载体型系数取0.6。

汽车吊主机的迎风面为12.36m×3.38m，挡风系数取0.4。

汽车吊吊臂，直径0.7m，臂长17.6m，最大仰角76。，最小仰角30。。

吊物的迎风面为6m×0.22m，起升高度取1m。

如图3所示，汽车吊纵向为X轴，横向为Y轴，吊臂与Y轴夹角为β。所有力向支腿中心平移，可以得到等效的竖向力V、水平力H、弯矩M。

图3 汽车吊平立面示意图

3.2 支腿反力1

支腿1反力：

支腿2反力：

支腿3反力：

支腿4反力：

F1=119kN，F2=266kN，

F3=148kN，F4=1kN

取最大支腿反力 LL-DC：F=266kN。

3.3 支腿反力2

改变吊装工况（支腿横向距离4.6m，作业半径13m，吊重2t）

F1=113kN，F2=210kN，求出

则最不利角 β0=arctan

F3=132kN，F4=34kN；

改变支腿横向距离（5.3m，作业半径9m，吊重 4.5t）

F1=137kN，F2=257kN，

F3=130kN，F4=10kN。

则，“支腿反力1”为最不利情况。

3.4 路基箱荷载

路基箱规格为2m×6m×0.22m，重量为4.5t，在轨道梁上满铺。

路基箱荷载DL-DC：

4 边界条件

轨道梁与主体结构的连接，采用一般支承模拟，约束 DX、DY、DZ。

5 轨道梁验算（吊装）

选取一跨轨道梁为研究对象，跨度为16m。

5.1 荷载工况

列车荷载，选取14种工况，步距为0.5m，从左支座开始向右移动。

吊车荷载，选取1种工况，一个支腿放置在轨道梁上（另一个支腿放置在相邻轨道梁的支座上）。

5.2 轨道梁内力

在基本组合ENV-STR-LC（列车荷载）作用下，轨道梁内力如图4、图5所示。

图4 (列车荷载)弯矩图

图5 (列车荷载)剪力图

在基本组合LCB31（吊车荷载）作用下，轨道梁内力如图6、图7所示。

图6 (吊车荷载)弯矩图

图7 (吊车荷载)剪力图

通过列车与吊车内力（内力-列车：基本组合ENV-STR-LC；内力-吊车：基本组合LCB31）对比分析可知，轨道梁内力（在吊车荷载作用下）（施工状态）≤轨道梁内力（在列车荷载作用下）（设计状态），轨道梁的承载力满足要求。

5.3 轨道梁位移

通过列车与吊车位移（位移-列车：标准组合ENV-SER-LC；位移-吊车：标准组合LCB32）对比分析可知，轨道梁位移（在吊车荷载作用下）（施工状态）≤轨道梁位移（在列车荷载作用下）（设计状态），轨道梁的变形满足要求。

5.4 支座反力

通过列车与吊车支座反力（支座反力-列车：标准组合ENV-SER-LC；支座反力-吊车：标准组合LCB32）对比分析可知，支座反力（在吊车荷载作用下）（施工状态）≤支座反力（在列车荷载作用下）（设计状态），支座反力满足要求。

5.5 局部受压承载力验算

路基箱的跨中设置有临时支撑。在吊机的行走过程中，路基箱的竖向位移很小（最大值2.92mm）。路基箱与轨道梁紧密贴合，可以均匀传力。吊机在走行时候的压力小于吊装状态时的压力，故只对吊装时进行局部受压验算。

根据《混凝土结构设计规范》6.6.1条的规定，混凝土结构，局部受压区的截面尺寸应符合下列要求：

Fl≤1.35βcβlfcAln

式中，由支腿传下来的荷载；Fl=266×1.5=399kN支腿底板，矩形1m×1m；路基箱高度为0.22m；混凝土梁强度等级C60；fc=27.5N/mm2；截面尺寸690×1600mm；强度影响系数βc=0.93。

支座处：局部受压面积

A=（1+0.22）×0.69=0.842m2

局部受压计算底面积Ab=Al

局部受压净面积Aln=Al

则 ，1.35βcβlfcAln=2907kN ≥399kN，满足要求。

其他部位：局部受压面积

Al=（1+0.22）×0.69=0.842m2

局部受压计算底面积

Ab=（1+0.22）×3×0.69=2.525m2

局部受压净面积

Aln= （1+0.22）×（0.225-0.067）×2=0.386m2

则，1.35βcβlfcAln=23083kN≥399kN，满足要求。

6 轨道梁验算（行走）

6.1 轨道梁内力

通过列车与吊车内力（内力-列车：基本组合ENV-STR-LC：内力-吊车：基本组合CENV-STR）对比分析可知，轨道梁内力（在吊车荷载作用下）（施工状态）≤轨道梁内力（在列车荷载作用下）（设计状态），轨道梁的承载力满足要求。

6.2 轨道梁位移

通过列车与吊车位移（位移-列车：标准组合ENV-SER-LC：位移-吊车：标准组合CENV-SER）对比分析可知，轨道梁位移（在吊车荷载作用下）（施工状态）≤轨道梁位移（在列车荷载作用下）（设计状态），轨道梁的变形满足要求。

7 汽车吊抗倾覆验算

验算时，选取了较大的动力系数（1.5），考虑了偏载系数（1.2），考虑了风荷载作用，并且按照吊臂最不利夹角计算（实际施工只有正前方和正后方两种情况），计算参数的选取偏保守。

由上述分析可知，汽车吊支腿反力均为正值，即稳定力矩大于倾覆力矩，则汽车吊整机是稳定的。

8 结论

本工程利用汽车吊（QY25K）在铺设于两轨道梁上的路基箱上行走和进行雨棚钢结构吊装作业，通过对不同工况下轨道梁内力和位移分析及汽车吊抗倾覆验算，轨道梁的承载力满足设计与规范要求，对受城市道路交通通行压力及施工场地受限影响的高架车站进行雨棚施工作业时，是一种经济、有效、可行的方法，值得在同类工程中进行推广。