钢便梁错位架设施工方法在轨道交通中的应用

2013-09-25刘谦

城市轨道交通研究 2013年9期

刘谦

（新疆铁道勘察设计院有限公司，830011，乌鲁木齐∥工程师）

采用D型钢便梁加固线路，施工简便，对列车运行干扰少，安全度高，是目前国内运营铁路线上进行线路加固的常用方法［1－8］。但D型便梁最大跨度为24.12m，若梁下修建工程与便梁斜交角度过大，将减低便梁跨越能力。为争取其最大跨越空间，可将两片纵梁错位布置。然而，纵梁错位架设，仅为构造考虑，能否满足结构在列车荷载作用下正常安全地工作，是必须要考虑的问题。现以乌鲁木齐市市郊铁路新建1－6.0m框架桥方案设计为例，进行分析、计算。

1 工程概况

本工程位于新疆乌鲁木齐市北郊，在北疆铁路支线K20＋764.48处。该线路为单线，属于乌鲁木齐市近郊铁路，途经市区，沿线多有管线、道路穿越。本工程为规划支路下穿市郊铁路而增建框架桥，采用D24钢便梁加固既有市郊铁路线。便梁下框架桥轴线与铁路中心线交叉角度为47°57′10″，为争取最大跨越空间，将D24型钢便梁两片纵梁错位，以最接近47°57′10″的角度架设。D24型钢便梁相邻横梁间距67cm，为满足横梁与纵梁联结对应，错位6根横梁，即两片纵梁错位距离为6×67cm＝402 cm。此时，两片纵梁构成斜交角度为47°58″13″。其平面示意如图1所示。

2 钢便梁错位架设结构分析

该工程所使用的D24型钢便梁，其纵梁材质为Q345qD，横梁材质为Q345B，材料弹性模量约为206GPa，基本容许应力为240MPa，容许剪应力为145MPa，纵梁截面惯性矩为2 440 555cm4。

根据实际工况，钢便梁承受荷载为中－活载及恒载两部分。荷载传递方式为：由钢轨、横梁及连接构件，传至两侧纵梁，纵梁两端简支于开挖断面顶部。为简化计算，每单片纵梁视为承受1／2（“中－活载”＋恒载）的简支梁体系［9］。

图1 既有线路防护平面图

2.1 强度分析

2.2 刚度分析

纵梁错位布置后，垂直线路中线的对应截面，距支点的距离不相等。在列车荷载的作用下，对应截面挠度不相等。其差值影响列车运行的平稳性。如偏差过大，将增加脱轨的可能性。为便于区分，以面向九道湾方向分为右梁、左梁（见图1）；以纵梁整体错位距离402cm为单元，将每片梁划分为7个截面。图2给出了左、右梁截面的对应关系，梁上布置“中－活载”［10］。

图2 纵梁错位架设示意图

便梁的刚度检算仅与静活载挠度有关。梁上静活载采用中华人民共和国铁路标准活载［10］，每单片纵梁承受静活载应为“中－活载“标准计算图式的50%。

2.2.1 建立计算模型

纵梁为等截面简支直梁，且梁的跨度远大于横截面高度，故剪力对梁位移的影响很小，可忽略不计。梁的弯曲程度同截面弯矩成正比，根据等截面直梁中性层曲率ρ的公式，1／ρ＝M／EI，在弹性模量E、截面惯性矩I一定的情况下，弯矩M越大，梁体弯曲变形越大，即约束条件一定时，位移越大。

根据上述分析，钢便梁纵梁任一截面最大挠度，发生在该截面产生最大弯矩时，即此时活载应处于该截面弯矩最不利的荷载位置。以右梁为基准梁，按列车上、下行两个方向运行，分别布置截面1、2、3、4、5的最不利荷载位置，左梁按照右梁上的“中－活载”图式对应布置。各截面布载详见表1。

2.2.2 纵梁挠度计算

将钢便梁承受静活载分为两部分（如图3所示），分别计算不同荷载作用下的挠度。

图3 纵梁荷载示意图

以积分法求解出简支梁挠曲线近似微分方程，并推导出挠曲线方程式如下［11］。

与全样本一致，管理层能力对研发投入影响在国有组和民营组均表现为1%显著性水平的抑制作用。二者相关系数分别为-0.0755和-0.0518，这说明，虽然我们不能忽视高技术企业中国有经济占据较高比重的合理性，但国营企业繁冗的决策机制与治理架构，加之经营目标的多元性，可能使高能力管理者进行高风险创新活动的意愿更低，验证了假设1b。

表1 纵梁挠度计算表

对集中荷载：

对部分均布荷载：

式中：

P——集中力，kN；

q——均布荷载，kN／m；

L——计算跨度，m；

a、b——标注距离，m；

X——计算截面的位置，m；

Y——计算截面所求挠度值，mm。

由式（1）至式（4）的挠曲线方程，可计算出各截面分别在两类荷载单独作用下产生的挠度。再利用叠加法原理，即可求得截面在列车静活载作用下的挠度值总和。右梁、左梁各截面计算挠度值以及挠度差见表1。

根据计算结果，右梁、左梁最大挠度差值23.4mm。将其同《铁路线路修理规则》［12］中线路轨道动态质量容许偏差管理值作比较，低于以2.4 m基长度量的轨面三角坑变形值，故轨道不平顺指标小于规定限制。另查阅文献［13］：2003年6月，上海市真华路下穿铁路立交工程，成功采用D24型钢便梁错位架设施工，两片纵梁错位距离多达8m，最大挠度差达39.7mm，现场使用的效果良好。因此，本文的挠度计算结果表明，能保证列车运行安全。

2.3 控制挠度差可采取的措施

虽然D24型钢便梁错位架设在国内已有不少工程先例，且本工程的计算挠度差值也较低，但因挠度差的存在，横梁截面必然会产生正常架设所没有的多余内力，且使横梁与纵梁的联结部分剪应力加大，应考虑螺栓的加强。所以，纵梁错位架设时，还可以采取一定的加固措施，使挠度差得以减小。

2.3.1 增大梁的抗弯刚度

对于钢梁来说，各种钢材的弹性模量E相差很小。故选用高强度的优质钢材并不能有效地提高梁的抗弯刚度，而应设法增大截面的惯性矩I。

以本工程为例，可在纵梁顶部及底部分别增设2 412cm×400cm×2cm的钢板一块，以高强螺栓同纵梁联结为一体。将此加强后的横截面尺寸导入有限元软件Midas Civil进行计算，截面惯性矩可提高至3 224 695cm4，截面最大挠度差为19.9mm，抗弯刚度有了一定的提高，对轨面不平顺及行车安全有着良好的改善。

2.3.2 钢便梁底部增设支撑

由于梁的挠度与梁跨L成正比，因此减少梁的跨度将能显著减小其位移值。在本应用工程中，可在钢便梁跨中底部，增设工字钢横向支撑，工字钢一端搭设于线路外侧框架桥顶部，另一端搭设于线路另一侧预先设置的临时支座上。此方法使钢便梁简支体系增加了一个约束条件，使梁的计算跨度减少50%，对应挠度显著减少。

另外，钢便梁支承点的沉降，尤其是沉降差对便梁结构的受力及列车运营安全也有较大的影响。结合本工程实际，查阅相关规定，将便梁支承点的沉降差控制在15mm以内，便梁支承点采用边长1.5m矩形挖井灌注桩，同侧两个挖井顶部做钢筋混凝土横向联系，底部采用扩底墩，以减少基底压应力、控制沉降值，保证列车运营安全。