高速铁路中等跨度抢修钢梁结构型式及架设方法研究

谢爱华

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)



高速铁路中等跨度抢修钢梁结构型式及架设方法研究

谢爱华

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

摘要：随着高速铁路的大发展，既有抢修钢梁难以满足高速铁路桥梁的抢修要求，因此提出了3种高速铁路中等跨度桥梁抢修器材的结构方案，分别为板梁结合梁、U型结合梁与钢箱梁。通过技术参数比较，推荐钢箱梁为优选方案，该方案更加整体化、模块化，避免了桥面以及其它琐碎零件，在结构受力和快速拼架上更有优势。同时对架设方法进行了研究，提出了一种下承式导梁架桥机设想方案，这种专用(新式)架桥机有简单的搬运拼装功能，结构轻便小巧，能够适用于多跨连续架设工况。所提出的结构型式及架设方法是对采用大节段拼装，利用大型机具及专用设备拼装架设的新型抢修理念的一次深入探索。

关键词：高速铁路；抢修钢梁；结构型式；架设方法

我国铁路客运专线及高速铁路、客货共线快速铁路已经逐渐形成平时铁路运输的主体网络，也是战时交通的重要通道，应该有适合这些铁路应急抢修和短期使用的桥梁抢修器材。既有抢修钢梁因为通车速度太低、横向刚度较弱并不适于高速铁路中等跨度桥梁的抢修。本文依托中国铁路总公司科技研究开发计划项目《高速铁路中等跨度桥梁防灾救援技术深化研究》成果，针对高速铁路中等跨度抢修钢梁的结构型式及架设方案进行研究分析。

1 高速铁路中等跨度抢修钢梁结构拟定

1.1 抢修梁布线形式拟定

由于该抢修器材主要用于客运专线及高速铁路中等跨度桥梁的抢修，因此对时速250/350 km、跨度23.5 m/31.5 m双线混凝土箱梁尺寸表进行了汇总，见图1、表1，其中无砟轨道的梁高按CRTS I型板选取。

从以上对客运专线及高速铁路中等跨度桥梁的分析可以看出，上承式的双线箱梁桥面较宽，列车时速越快、线间距越大，时速 250 km的线间距为4.6 m，时速350 km的线间距为5.0 m。从应急抢修角度，抢修梁以分线为宜，可以先抢通一线，恢复通车，缩短抢修时间。而客运专线及高速铁路线间距较大，两个单线抢修梁可依照原线路中心线进行布置，为先抢修一线提供了可能。

图1 时速250/350 km、跨度23.5/31.5 m双线混凝土箱梁主要尺寸图示

1.2 抢修梁梁高、梁宽、支座宽度拟定

梁高：根据表1混凝土箱梁轨顶至梁底的距离，24 m无砟轨道箱梁的最小高度为3.092 m，32 m无砟轨道箱梁的最小高度3.692 m；高铁所用钢轨为75 kg/m钢轨，轨高0.192 m，再考虑到桥面板的高度以及经济性原因，则高速铁路中等跨度抢修梁的高度宜为2.3～2.5 m。

梁宽：从运输的角度来看，梁体总宽度控制在2.5 m以内，采用公路铁路运输均不超限。

支座宽度：支座宽度关系到抢修梁的梁宽，且与既有高铁桥墩墩帽尺寸有关。高铁桥墩多为圆端形桥墩，中部有一U型槽，两块垫石布于U型槽两侧，相邻两跨共用。因为墩顶墩帽尺寸的限制，单侧抢修梁支座的横向间距拟定为2 m。

1.3 抢修梁梁型及桥面拟定

既有中等跨度抢修钢梁，如六四梁、拆装梁；大跨钢梁，如八七梁，均采用钢枕或木枕的明桥面，梁型为桁架式结构。本次研究主要针对高速铁路防灾救援使用，因此抢修梁的桥面拟采用混凝土桥面板或整体钢面板的型式，考虑到刚度、运输及拼装方便等因素，梁型拟采用板梁、U型梁与箱型梁结构。

表1 时速250/350 km、跨度23.5/31.5 m双线混凝土箱梁尺寸表 m

时速跨度桥面梁宽梁高轨顶至梁底线间距支座间距250km23.5有砟12.22.6863.31(轨底至梁底)4.64.431.5有砟12.22.89(跨中),3.09(支点)3.7(轨底至梁底)4.64.7350km23.5/31.5无砟12.62.6353.3074.64.423.5无砟12.62.4353.0925.04.831.5无砟12.63.0353.6925.04.5

1.4 高速铁路中等跨度抢修钢梁主要技术指标

抢修钢梁作为临时结构，有其特殊性，难以达到高速铁路桥梁标准要求，因此其主要设计标准参照《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)规定进行，其主要设计指标为：设计时速，货列80 km/h、客车120 km/h；材质/弯曲应力/疲劳应力，Q345qE/240 MPa/190 MPa；竖向刚度，L/900(L为跨度)；横向刚度，主梁中心距>L/20；横向力作用下水平挠度≤L/4 000；横向自振频率>60/L0.8(Hz)。

2 结构方案

2.1 板梁结合梁方案

板梁结合梁由钢板梁与钢筋混凝土桥面板构成。基本部件15种(见图2、表2)，其中主梁节3种，拼接板3种，联结系4种，桥面系4种，支座1种。

图2 板梁结合梁断面图(单位：mm)

主梁为2片工字型梁，高2.5 m，横向间距2.0 m。主梁分段，基本梁节用于跨中，长度12 m，跨端段长6.3 m和10.3 m两种，可拼成总长度为20.6 m、24.6 m、28.6 m和32.6 m的桥梁。基本梁节与端梁节主要是翼缘厚度不同。竖向加劲肋基本为2m一道，用以连接断面联结系杆件；竖向加劲肋下端与腹板间设有下平联节点板，连接下平纵联杆件。钢筋混凝土桥面板3种，宽度均为3 200 mm，厚度140 mm。其上设置双块式短枕，厚100 mm。4.3 m桥面板用于主梁端部；接头桥面板和基本桥面板长4 m，分别用于主梁接头位置处和主梁中部位置。桥面板的端部设置为斜面，以钢板封边，两块桥面板之间形成上宽下窄的缝隙，采用楔形钢板插入顶紧，使其沿桥轴线方向上可传递压力。桥面板与主梁采用套管螺栓连接，以达到可反复拆装的目的[1]。

表2 板梁结合梁基本部件表

2.2 U型结合梁方案

U型结合梁方案由U型梁与钢筋混凝土桥面板组成。基本部件13种(见图3、表3)，其中主梁节3种，拼接板5种，桥面系4种，支座1种。

主梁为U型梁，主梁高2.3 m，上翼缘宽480 mm，厚20 mm，底板宽2 480 mm，厚24 mm，两腹板的横向间距2.0 m。竖向加劲肋基本为2 m一道，腹板内侧为U型横向联结板，厚度10 mm，端部支座处厚20 mm，每隔6 m在U型隔板上加焊交叉角钢∠100 mm×100 mm×10 mm。主梁分段以及桥面板型式与板梁结合梁相同。

图3 U型结合梁断面图(单位：mm)

分类部件名称钢号单元质量/kg使用部位主梁12m基本梁节Q345qE14194.0主梁中段6.3m端梁节Q345qE8240.724m主梁端部10.3m端梁节Q345qE12724.632m主梁端部拼接板翼缘外拼接板Q345qE73.7翼板拼接翼缘内拼接板Q345qE32.0翼板拼接底板内拼接板Q345qE184.9底板拼接底板外拼接板Q345qE239.5底板拼接腹板拼接板Q345qE56.4腹板拼接桥面系基本桥面板C505030.0主梁中间,钢筋混凝土材料接头桥面板C505031.0主梁接头处,钢筋混凝土材料4.3m桥面板C505345.0主梁梁端,钢筋混凝土材料钢楔板Q345qE206.0桥面板接头顶紧支座弧形支座铸钢181.3

2.3 箱型梁方案

钢箱梁方案，基本部件12种(见图4、表4)，其中主梁节3种，拼接板8种，支座1种。

图4 钢箱梁断面图(单位：mm)

主梁为箱型梁，两个腹板为斜腹板呈八字型，腹板底部最外侧的横向间距为2.0 m，腹板顶部最外侧间距为1.52 m。主梁分段与前两个方案相同。主梁高2 500 mm，顶板宽2 050 mm，厚24 mm；底板宽2 450 mm，厚20 mm；在接头位置处翼板有10 mm的补强板。竖向加劲肋基本为2 m一道，腹板内侧设横向联结板，其中端部支座处厚20 mm，其余位置为10 mm，且每隔6 m在横隔板上加焊交叉角钢∠100 mm×100 mm×10 mm。该方案桥面板即钢箱梁的顶板，分开式扣件及钢轨直接安装在顶板上，两者之间采用螺栓连接。

表4 箱型梁基本部件表

图5、图6分别为24 m和32 m钢箱梁方案的立面和平面布置总图。

图5 24 m钢箱梁方案的立面和平面布置总图(单位：mm)

图6 32 m钢箱梁方案的立面和平面布置总图(单位：mm)

2.4 方案比选

近年来钢混结合梁的应用越来越多，板梁结合梁与U型结合梁的横竖向刚度较好，混凝土桥面板上轨道的行车性能也比较好，而且结构不复杂，部件种类不多，其中U型结合梁较板梁结合梁的零部件更少，整体性也更强一些。这两种结合梁方案相比，U型结合梁的优势要更大一些。钢箱梁方案的桥面板即为钢箱梁的顶板，钢轨及扣件直接安装在顶板上，无桥面板的安装时间。箱形梁整体刚度好，拼装简单，配合大型机械吊装拼装，是非常有竞争力的方案，该方案为高速铁路中等跨度抢修钢梁的推荐方案。三种方案主要技术参数共性方面有：

(1)都适用于客运专线、高速铁路、客货共线快速铁路战时和平时突发事件中铁路中等跨度桥梁的应急抢修(建)和短期使用。

(2)线路条件，标准轨距，单线，直线，大半径曲线。

(3)适用于20 m、24 m、28 m、32 m跨度。

(4)设计基本活载，ZK活载。

(5)疲劳次数均为30万次。

(6)钢板梁中心距2.0 m。

(7)支座均为弧形钢支座。

(8)钢梁的拼接均用螺栓、螺母、垫圈连接；钢梁与混凝土板用螺栓、钢套管、螺母、垫圈连接。

三种方案其他方面的比较见表5～表8。

表5 高速铁路中等跨度抢修梁各设计方案技术参数比较

表6 高速铁路中等跨度抢修梁各设计方案技术的基本部件

表7　高速铁路中等跨度抢修梁各设计方案动力学参数

表8 高速铁路中等跨度抢修梁各设计方案梁体质量　t

3 架设方案

结合梁可以首先架设钢梁，再安装混凝土桥面板。客运专线及高速铁路上大量的中等跨度桥梁是墩高不大、桥下无水的架空结构，利用大型起重机械，现场分片分段组装后整体吊装最方便。在桥下有水或墩身很高的情况下，既有的900 t铁路架桥机及铁路救援起重机不适用于抢修钢梁架设，建议以桥头预拼、纵向拖拉或顶推架设作为通用方法，采用专用架桥机架设为推荐方案。

在此提出一种下承式导梁架桥机设想方案，该方案可进行单跨和多跨连续架设，主要由运架车和下承式导梁组成。运架车宽4 m、高5 m，单轴轴重控制在35 t以内，具有搬运、辅助安装、架设等功能；导梁共设4个支腿，以便连续架梁时使用，见图7和图8，图9以多跨架设为例。钢梁在桥头拼装后，由运架车搬运至桥跨前端，进行导梁的前行就位工作，当导梁其中3个支腿落地后，运架车沿导梁行进至待架桥跨的上方，刹车锁紧后，导梁向前推进一跨，运架车下放抢修梁至设计位置。若需连续架设，运架车回退搬运下孔抢修梁至桥位，此时导梁进行支腿更换后继续向前推进一跨，运架车下放抢修梁完成第2孔架设，第3孔、第4孔等架设以此类推。该设想方案能够实现抢修梁的快速架设。

图7 运架车

图8 下承式导梁

图9 架梁主要过程图

4 结束语

随着高速铁路的大发展，以及高技术战争条件下的列车快速通行、快速修复的需求，抢修技术及抢修器材也应根据时代的需要不断完善和更新，与时俱进。整体箱型梁方案更加单元化、模块化，避免了桥面以及其它琐碎零件，配合专用(新式)架桥机架设方案，为高速铁路应急抢修和短期使用的桥梁研制提供了一种新思路，同时也对采用大节段拼装、利用大型机具及专用设备拼装架设的新型抢修理念进行了一次深入的探索。

参考文献

[1]高占军.快速铁路桥梁抢修器材研制关键技术探讨[J].国防交通工程与技术，2013(5):25-27

On the Structural Types of and the Erection Methods for the Rush-Repairing Steel Beams for Medium-Span Bridges of High-Speed Railways

Xie Aihua

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd.，Beijing 102600，China)

Abstract:With the rapid development of high-speed railways,the existing rush-repair can hardly meet the requirements for rush-repairing steel beams of high-speed railway bridges in which case put forward in the paper are three structural schemes of the medium-span bridge-rush-repairing equipment for high-speed railway bridges,respectively the plate-girder-combined beam,the U-type combined beam and the steel box beam.Through comparing their technical parameters,the steel box girder is recommended as the optimal choice because this scheme is more integrated and modular,and avoids the provision of the deck as well as other trivial parts, thus enjoying more advantages in the structure of forces and quick erection. Meanwhile,the erection method for the steel box beam is also studied,with the scheme of a through-type guide beam bridge erector suggested in the paper.Being simple and quick in moving and assembling,and light,convenient and smart in structure, this new and special type of bridge erector is applicable to continuously erecting multi-span bridges.The structural type and the erection method for it mentioned above will be assembled with large sections.The trial in this aspect is a deep exploration into the new-type rush-repair notion— rush-repairing or assembling and erecting bridges with large-type equipment and machines as well as special equipment.

Key words:high-speed railway;rush-repairing steel beams;structural type;erection method

中图分类号：U455.75；U448.36

文献标识码：A

文章编号：1672-3953(2016)02-0008-05

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.02.003

作者简介：谢爱华(1981—)，女，高级工程师，主要从事交通战备研究工作

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2014G008-B)

收稿日期：2015-12-08