既有铁路框架桥架空顶进及验算分析

刘伟生

摘 要：随着城市及乡村建设的发展和既有铁路提速的要求，需要将大量的铁路与公路平交道口改为立交道口，因上跨铁路投资较大，且受城市规划和用地限制，故在既有铁路线下采用顶进法修建框架立交桥被大量采用。为了保障铁路安全运营，研究既有铁路顶进框架桥的架空顶进对于我国交通发展有着重要的意义。

关键词：既有铁路;立交桥;架空顶进

中图分类号：U445.4   文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）2-0081-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.019

Discussion on Overhead Jacking and Checking Calculation Analysis of Existing Railway Frame Bridge

LIU Weisheng

（Zhengzhou Branch of China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000，China）

Abstract：With the development of urban and rural construction and the requirement of increasing the speed of the existing railway， it is necessary to change a large number of railway and highway level crossings into interchange crossings. Because of the large investment in the upper span railway， and restricted by urban planning and land use， the construction of frame overpasses under the existing railway by the roof method is widely adopted. In order to ensure the safety of railway operation， it is of great significance to study the overhead jacking of existing railway jacking frame Bridges for the development of China's traffic.

Keywords：existed railway;highway interchange;overhead and bridge pushing

1 工程概况

本工程设计为2～13 m钢筋混凝土框架，结构高度8.5 m，框架桥顺铁路线路方向长42.03 m，框架边缘伸出铁路路肩垂直铁路线路方向长16.0 m。框架结构总高10.5 m，结构净高8.4 m，顶板厚1.0 m，底板厚1.1 m，边墙厚1.0 m，中墙厚1.0 m;顶板加腋采用0.5 m×1.5 m，底板加腋采用0.2 m×0.2 m。框架桥采用斜交正做正顶（边孔补正法）。道路中心线与既有铁路下行线夹角为61.2°，框架桥顶板顶面至既有铁路轨底最小距离为1.0 m。既有线为双线电气化铁路、无缝线路，轨道为60 kg/m钢轨，Ⅲ型钢筋混凝土轨枕，1 667根/km，固定列车对数为123对，线路允许列车时速105 km/h。桥址处陇海铁路上、下行平面均为直线，线路纵坡5‰，向小里程方向为下坡，桥址处铁路处于路堤段，东侧路基高约5.4 m，西侧路基高约3 m。框架桥基底置于黏土层上，褐黄色，硬塑状态，结构密实，地基容许承载力为180 kPa，钻探20 m范围内无地下水。

2 既有铁路架空加固形式

在顶进桥涵施工中，为确保行车及施工安全必须进行铁路线路的加固。选择合适的线路加固方式应以对运输干扰小、确保铁路运营安全、施工简便易行为原则。此外，还应根据路基土质、顶进桥涵的结构尺寸、涵顶以上覆土厚度，以及施工季节和地下水变化情况等综合考虑后决定。

吊轨、扣轨梁加固法适用于小桥涵顶进，且铁路位于直线并通过列车较少、路基土质较好时，可采用43 kg/m或50 kg/m钢轨组合成轨束梁，采用线上吊轨或线下扣轨的形式进行线路加固，一般运行速度不超过25 km/h，在施工前应对其强度、刚度、稳定性经计算后确定[1]。

横梁加固法和纵梁加固法适用于顶板以上无覆土或覆土很薄时的顶进，特别適用于大型框架桥的顶进，无论顶进方向与线路正交还是斜交均可使用[1]。此法加固线路后，行车比较安全可靠，故被广泛采用。

工字钢束梁加固法适用于顶进较大跨度框架桥时的架空线路，并可用于短期修复桥跨结构，要求其构造形式轻便，施工方法简单。单层跨度可达15 m，多层可达20 m，但多层需要焊接，又会增加建筑高度，不得已才使用[1]。工字钢束梁一般和钢轨位置相对称，其中心距为1.5 m左右。束梁间应有纵横联结，一般用斜撑木。支座处应设座木，一般用200 mm×200 mm的方木2根，以Φ19螺栓串联成整体。当线路坡度大于4‰时须用螺栓将束梁与座木扣牢，座木再固定于墩台上。

便梁加固法适用于软土地基较大型框架桥顶进，铁路干线地段应采用低高度便梁进行线路加固，列车慢行速度为45 km/h。D型施工便梁的型号按设计跨度分类有D12、D16、D20、D24共四种，最常用的是D16和D24[1]。D型施工便梁为下承式板梁，由纵梁、横梁、牛腿、连接板、挡砟板、斜拉杆、横梁安装辅助定位角钢、钢轨扣件和各种联结零件组成。根据顶进框架桥的宽度、线路状况、土质条件及施工安全、便梁来源等综合因素来确定。采用何种跨度型号的施工便梁，再按现场线路情况，对照便梁“现场组装设置图”选择便梁的布置方式。一般尽可能采用“高位架设”，若线间距不够，则应先拨道加宽，以满足铁路限界要求。D型施工便梁适用于直线和曲线半径R≥400 m的单线或复线地段，复线地段根据便梁不同跨度和不同曲线半径，还应满足相应的线间距S的要求。另外，便梁的轨底至梁底的建筑高度H应满足框架桥顶进对净空的要求，适用的钢轨类型不轻于43 kg/m。

由于本项目顶板以上覆土很薄，故采用纵横梁加固法。

3 线路架空加固验算

本项目线路架空加固采用纵横向一次架空。普通横梁采用Ⅰ45工字钢，间距0.65 m，作为纵梁支点的横梁组采用5根Ⅰ45组成，从钢轨底穿过，横梁（组）与钢轨间必须可靠绝缘。纵梁采用Ⅰ100 工字钢，分别置于铁路中心线外侧的横梁（组）上。架空系统沿线路方向最大间隔9.0 m设置一道橫抬梁组，横抬梁组下为支撑桩或滑动支点。横梁与其所抬的钢轨、纵梁与其所挑的横梁使用专用配件可靠联接、固定。整个架空装置在安装、使用期间满足限界要求。

设计荷载传力路径为：钢轨→横梁→纵梁→支撑和钢轨→横抬梁组→支撑。为精确了解该桥架空结构的受力性能，建立空间有限元模型，对整个架空上部结构进行整体分析[2-7]。

3.1 模型建立

随着顶进过程的逐步进行，架空装置的受力状况也在不断发生变化（如滑动支点的设置与解除、对影响顶进的支撑桩的挖除）。

结构计算采用通用有限元分析软件MIDAS civil，单元类型采用一般梁单元。对架空完成后运营状态进行检算。

3.2 单元划分

纵梁、横梁、横抬梁、钢轨均按照实际尺寸或等代截面进行建模，在各杆件交叉位置分割单元。模型划分节点共计2 490个、单元4 223个。模型如图1所示。

3.3 边界

各支撑桩、滑动支点位置均为一般竖向支承，只约束其竖向位移，各方向转动完全放开。组成一道横梁组的5根Ⅰ45端部为具有相同竖向位移的刚性连接。

3.4 荷载

荷载分为架空设备恒载及铁路机车活载两部分。使用特载、ZKH活载沿线路纵向进行动态加载，并考虑动载冲击作用。滑动支点枕木垛以弹性支撑来模拟。ZKH活载图式如图2所示。

3.5 结果输出

3.5.1 支点反力。最大支反力为2011.0 kN，支反力结果如图3所示。

3.5.2 梁单元应力。纵梁Ⅰ100最大应力为113.738 MPa<[容许应力值185 MPa]，满足要求。应力图如图4所示。

普通横梁Ⅰ45最大应力为142.768 MPa<[容许应力值185 MPa]，满足要求。应力图如图5所示。

横梁组Ⅰ45最大应力为128.936 MPa<[容许应力值185 MPa]，满足要求。应力图如图6所示。

3.5.3 位移变形。纵梁Ⅰ100最大竖向位移为7.62 mm<[梁体竖向挠度容许值L/400=25 mm]，满足要求。位移图如图7所示。

普通横梁Ⅰ45最大竖向位移为22.54 mm<[梁体竖向挠度容许值L/400=25 mm]，满足要求。位移图如图8所示。

通过有限元软件模拟铁路架空系统，经验算，该线路架空系统上部受力满足规范要求。

4 结语

本文对铁路架空加固形式作了简单的介绍，明确了各个架空加固法的适用范围，并着重介绍了纵横梁加固法的施工工艺，并结合工程实例运用有限元软件模拟了纵横梁加固法的施工过程及纵、横梁的受力状态，通过计算施工阶段不同工况下结构的受力、位移，得出该纵横梁加固法满足铁路运营安全要求，为其他类似项目纵横梁的布置提供一定的参考。

参考文献：

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