铁路钢筋混凝土异型刚构桥加宽加固设计

2018-05-30张夫健

铁道勘察 2018年2期

高策李昊张夫健

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

钢筋混凝土刚构桥可有效降低结构高度，桥墩角度及位置可以根据桥下被跨越物的具体情况灵活布置。和框架桥相比，刚构桥无底板，跨越市政道路时，道路下方可埋设管道，后期道路改造时亦不影响铁路运营。处于咽喉区时，可以根据股道情况灵活布置成变宽形式[1-4，11]。某铁路项目由于站场改造，调整了股道布置，抬高了纵断面高程，需对咽喉区内既有刚构桥进行加宽加固设计。

1 设计资料及边界条件

1.1 铁路主要技术标准(既有/新建)

铁路等级：国铁Ⅰ级及站线/高速铁路及站线；

设计速度：时速120 km/时速250 km，道岔通过时速不大于80 km；

设计活载：中-活载/ZK活载；

曲线半径：R≥2 000 m；

线间距：7 m/4.4 m；

轨道类型：有砟轨道、无缝线路。

1.2 结构形式及参数

既有桥为(13+24+13) m刚构，分左右两幅，左幅桥面等宽(13.2 m)，右幅桥为变宽(11.6～18.8 m)。两幅桥间有2 cm断缝。原设计左幅桥上有双线铁路，线间距为7 m，右幅桥有三线铁路。该桥竣工于2008年，为钢筋混凝土结构，主梁及刚构桥墩采用C40混凝土，主筋为HRB335钢筋。两侧为U形桥台，群桩基础，桥台处设置盆式橡胶支座。桥址处地层主要为细砂、中砂、细圆砾土，基础均按摩擦桩设计。

原设计为中-活载标准，轨底至梁顶距离为0.65 m，梁高1.3 m，桥墩厚度为1.2 m。桥下为运营城市道路(见图1)。

图1 既有桥立面(单位：cm)

根据站场改造要求，原有股道全部拆除，新建线路左幅桥上为正线，线间距4.7～5 m，由直线及半径2 000 m的圆曲线组成。右幅桥上三股道向外侧偏移，其中最外侧股道位于刚构桥外缘2.2 m处。受外部因素控制，线路纵断面较原设计抬高60～70 cm(如图2所示)。

图2 既有桥及原设计股道布置平面(单位：cm)

2 设计方案

本桥建成时间较短，桥梁运营状态良好，本着充分利用、减少浪费的原则，主要考虑利用既有桥。

最右侧新建股道3位于原刚构桥范围以外，股道2到既有桥右侧边缘不满足到挡砟墙内侧2.2 m的距离要求，且股道2部分位于既有悬臂板上方，无法承受列车及轨道荷载。因此，决定在右侧新建一幅刚构桥(完全与既有桥对孔布置)，施工时需切除既有桥右侧悬臂板，新建桥面与切除悬臂后的桥面间设2 cm缝隙。

车站附近刚构桥下方城市道路一般为“V”形纵断面，且桥下净高富余量有限，刚构桥横桥向两端梁底下缘处一般为道路净空的控制点，设计时应充分核实加宽桥梁对桥下机动车道、非机动车道净空的影响，保证通行需要。

本桥位于车站内，附近道岔较多。《铁路无缝线路设计规范》[13]中要求“无缝道岔不应设在路桥过渡段上”，“正线道岔不应跨越梁缝，站线道岔不宜跨越梁缝；困难条件下跨越梁缝时应满足道岔使用及桥梁安全要求”。

根据上述规范条文及相关专业意见，调整了站场布置，将正线道岔移出了过渡段。

站线股道2穿越加宽桥与既有右幅桥间的缝隙。经轨道专业调整，道岔导曲线、转辙器及辙叉部分避开了梁缝。梁体为刚构梁，整个道岔与梁体之间保证了良好的整体性。经计算，快速制动位移满足相关规范要求，桥梁墩台纵向水平刚度、桥梁的刚度等可保证道岔转换设备的正常使用；在路桥过渡段位置采取了加强措施，以确保道岔刚度、弹性均匀合理。本线为有砟轨道，工后沉降可通过道砟调整。因此，股道2可以穿越缝隙，满足相关要求(如图3)。

图3 新建线路及桥梁平面布置

线路纵断面较原设计抬高60～70 cm。如果直接通过填筑道砟达到设计轨面高度，轨下道砟厚度过大(1 m左右)，轨道结构不稳定。如直接采用实体混凝土结构，既有桥无法承受增加后的二期恒载。因此，采用了桥上设置钢筋混凝土空心道砟槽板的方案，以达到提高轨道高度、减小二期恒载增量的目的。以正线所在左幅桥为例，空心道砟槽板较填筑道砟方案二期恒载减小5%，较实体混凝土道砟槽二期恒载减小20%。

3 新建加宽桥

加宽桥梁平行于既有桥右侧边缘，桥面宽度按线路中心至挡砟墙内侧不小于2.2 m等宽设计(垂直宽度为8.1 m)，右侧设置1.3 m宽悬臂，悬臂板上方设置混凝土电缆槽及盖板。加宽桥梁顶面高程与既有桥基本一致，并顺应既有桥设置横向1%排水坡，向右侧排水。桥面最低点位于悬臂板上方，并设置泄水管、集水管排水。由于既有桥右侧悬臂已切除，可在既有桥顶板上方桥墩附近开孔，排出桥面雨水。

新建梁部按钢筋混凝土受弯构件计算，结构自重采用26 kN/m3。二期恒载包括钢轨、道砟、轨枕、防水层、保护层、人行道遮板、栏杆、挡砟墙、接触网支柱、电缆槽竖墙及盖板、空心道砟槽板等。基础不均匀沉降按0.01 m计，采用midas civil软件建立模型。本桥横向尺寸较小，可按照梁单元计算梁部及桥墩内力，根据内力配置钢筋(见表1)，主筋直径为28 mm，顶底面采用双肢布置，墩顶上缘弯矩较大处按双层布置，桥墩按钢筋混凝土偏心受压构件计算[6-7，12]。

表1 新建加宽桥梁部纵向配筋主力计算

既有承台横向尺寸大于既有刚壁墩尺寸，而新建梁部紧邻切除悬臂后的既有梁部，新建刚壁墩及基础无法按照梁部中心居中布置。故将新建桥梁承台紧邻既有桥承台布置，使桩基满足最小桩间距(2.5倍桩径)的要求。将刚壁墩内侧与承台内侧对齐，外侧与悬臂根部对齐(见图4)。此时梁部桥墩相对于承台有一定偏心(墩身横向偏心为0.42 m)，考虑横向偏心弯矩影响，采用了4根φ1.25 m桩基。新建桥梁基础紧邻既有桥，应适当增加钢护筒长度，加强施工管理，以避免坍孔，影响既有桥结构安全。

图4 新建加宽桥与既有桥横向关系(单位：cm)

既有桥桥台与公路桥台类似，为空心U形台(台顶设置搭板，台长4.5 m)。考虑到U形台台内填料不易压实、台高仅5 m的实际情况，加宽段采用实体一字台(台长3 m)，按照主动土压力计算台身受力并配置基础。为与刚构梁部桥面顺接，台顶也设置了相同高度的道砟槽。

4 空心道砟槽板

4.1 空心道砟槽板设计

为了满足轨道结构要求，减轻二期恒载，桥上设置了空心道砟槽板。道砟槽板采用矩形孔并设置倒角改善受力。全桥共设置3类道砟槽，正线左右线下方为A1型，宽9.9 m；股道2和股道3下方、既有桥右幅上方为A2型，宽7.6～10.5 m。A3型道砟槽板设于新建加宽桥上，宽6.7 m(见图5)。

道砟槽板高度应能保证正线轨枕下方道砟厚度不小于35 cm，并在道砟槽横向两侧设置挡砟墙。空心矩形孔横向尺寸最大为1.12 m，高0.35 m，顶板厚20 cm。道砟槽按钢筋混凝土受弯构件计算并配置钢筋(见表2)。

为避免道砟槽与既有刚构桥纵向共同受力，道砟槽顺桥向每2 m设置一道断缝。

表2 道砟槽顶板主力配筋计算

图5 桥上空心道砟槽板横断面(单位：cm)

4.2 既有桥顶面植筋

为保证道砟槽与既有桥有效连接，避免发生水平位移，施工前，应对既有桥顶面进行植筋。浇筑时，在新建加宽桥顶面预埋钢筋。

植筋施工时应避开原梁体钢筋，并将结构保护层凿除，形成垂直操作面后再钻孔植筋，其钻孔深度应从操作面算起。施工时应结合具体植筋胶特性，对钢筋的锚固性能进行确认。

在规定的初凝时间内进行植筋安装，使得植筋胶均匀地附着在钢筋的表面及缝隙中，固化后再进行焊接、绑筋等工作，在固化期内禁止扰动钢筋[14]。

二次浇筑混凝土前，应对新旧混凝土接触表面进行湿润、凿毛处理，涂刷界面剂。植筋采用16 mm直径钢筋，间距为30 cm(见图6)。

图6 现场桥面植筋后

5 既有桥检算

既有桥梁较宽(横向宽度接近或大于边跨跨度)，为了反映桥梁实际受力特点，采用midas civil程序建立模型(见图7)，按照板单元计算内力。选取各截面最不利内力进行配筋计算。采用板单元可以准确反映支座反力和支座附近的梁部横向受力状态[15]，但其内力计算较为复杂。

设计活载由中活载变为ZK活载，活载减小对于既有桥利用是一个有利因素。二期恒载主要包括轨道结构、道砟、空心道砟槽板、防水层保护层、电缆槽及电缆等重量。

图7 右幅桥计算模型

结合竣工资料进行计算，纵向配筋均满足要求，但右幅下缘横向超限，主力下最大钢筋应力为205 MPa，裂缝宽度为0.26 mm，因此，需对该幅桥梁下缘横向部分进行加固。经检算，桥墩配筋及基础、刚度、梁端折角均满足要求(见表3、表4)。

表3 变宽桥主力纵向配筋计算

表4 变宽桥下缘主力横向配筋检算

对各支座反力进行计算(见表5)，按照支座实际承载力最大容许超出5%设计承载力的标准，质量为2 600 kN、2 300 kN的三个支座承载力不满足要求，需更换为质量2 900 kN的支座。

表5 主力下超限支座情况一览

6 既有桥加固

为了满足横向受力需要(见表6)，于中跨下缘跨中附近顺桥向10 m范围内布置横向钢板(通长布置)，与右幅桥底同宽，顺桥向间距为20 cm，每根钢板宽10 cm。施工时采用粘钢胶粘贴于梁底[5]。

表6 变宽桥加固后下缘主力横向检算

粘钢胶必须采用专门配制的改性环氧树脂胶粘剂，粘钢胶的性能应符合国家标准要求[14]。

粘贴钢板流程为：混凝土表面处理-钻孔植埋螺栓-待粘贴钢板打孔与表面处理-配制结构胶和粘贴钢板-加压固定-钢板表面防腐处理。

植入螺栓应有配套螺母，粘贴钢板后交替拧紧各螺母进行加压，使多余的胶沿板边挤出，以达到钢板与结构密贴粘合的目的。

7 附属结构及其他

本项目为电气化铁路，需设置接触网立柱。一般而言，如刚构桥跨度较小，无其他控制因素时，尽量将接触网立柱设于路基范围内，避免增加桥上荷载。当桥上设有道岔时，接触网立柱一般设于岔心附近，立柱形式为一般腕臂柱或硬横跨。对于既有桥，需根据立柱位置植筋，设置立柱基础。确定植筋位置时应注意立柱腕臂与受电股道基本垂直。立柱距临近线路距离应满足规范要求，距离过小会造成侵限，距离过大会超出供电范围。

道岔前后一般设有转辙机，转辙机有一定的工作及维护空间要求，如线间距较大时，宜将转辙机设置于线路内侧。如只能设置在外侧时，则应根据其空间要求，必要时增加结构悬臂，将电缆槽适当外绕(一般横向加宽1 m即可满足要求)。悬臂长度增大后，应根据计算增加配筋或增大截面高度。为便于电缆弯折顺接，加宽段两端一般宜设置1 m以上的宽度渐变段。