铁路架桥机在阿布贾城铁施工中的应用研究

李福财

(中国土木工程集团有限公司 北京 100038)

1 前言

随着世界经济快速发展，城市在规模和人口方面也在不断扩大、增加，可供城市建设的用地越来越紧张[1]，群众的日常出行与城市公共交通建设相对滞后的矛盾日益突出，作为能为公众出行提供稳定、方便、快捷、舒适、大运量服务的城市轨道交通越来越被重视和采用，并且在未来将获得长足发展[2]。根据中国国内的统计数据显示，截止2020年仅中国大城市的城市轨道交通运营里程就超过8 000 km[3]。

由于地面线相较于高架桥梁线路和地下线路需要占用很多城市土地资源去布置线路及其附属设施，因此高架桥梁线路和地下线路是城市轨道交通经常采用的两种不同立体交叉方式，而高架桥梁线路相较于地下线路无论是建设成本，还是建成后的运营维护成本，都较为节省[4]。但是由于城市的既有公共设施以及既有建筑物的复杂性和多变性，以及大城市土地资源的稀缺性，在既有的城市范围内能为轨道交通的规划设计和建设提供的城市轨道交通走廊非常有限，因此在轨道交通的规划设计中经常会采取小半径曲线和大坡度来避开上述困难地段，这些困难地段必将给轨道交通建设中的高架桥梁架设带来不便。

2 工程概况

阿布贾城铁位于尼日利亚首都阿布贾市，规划线路总长度为101.819 km，设计和施工全部采用中国标准，其中正线及辅助线轨道采用60 kg/m钢轨，扣件采用弹条Ⅱ型扣件，轨枕采用中心间距为600 mm的新Ⅱ型混凝土轨枕[5]31。

全线高架线路总长度为1.538 km，上部结构设计为跨度32 m的标准简支T梁，梁体自重120 t，线路最小曲线半径为400 m，线路的最大限制坡度为 30‰[5]31。

3 简支T梁架设方案简述

桥梁的架设有人工架梁、机械架梁两种方式。人工架梁仅适用于预制梁数量少、桥群分散、交通不便，且建设预制梁场需要征地拆迁的工作量较大、临时工程量较大的个别情况下，在施工现场的适当位置搭设满堂式、长梁式、墩梁式或者独立支柱式的膺架并在其上预制梁片，待梁片强度达标后铺设滑道进行人工横移就位落梁，其优点是大临工程和专用设备投入较少，缺点是架设速度较慢，且对操作人员的技术水平依赖度较高。机械架梁一般在专用梁场批量预制梁片，运梁车辆运输待架梁片到达桥头，采用专用架梁设备将预制梁片吊装就位，其优点是架设速度快、安全性高，缺点是专用架梁设备的一次性投入较高，铁路简支梁一般采用专用架桥机进行机械架梁。对于以高架桥梁为主的城市轨道交通建设来讲，人工架设预制T梁远远不能满足工期和质量安全的要求，但是城市轨道交通具有曲线半径较国铁小、限制坡度较国铁大等特点，设计制作专门用于某一城市轨道交通的架桥机时间较长、费用较高，给项目的前期成本投入带来压力[6]。

4 架梁设备选型

4.1 经济性分析

尼日利亚市场既有的铁路架桥机主要为单导梁架桥机，例如DJ168型、DJ180型单导梁铁路架桥机，施工方案主要是通过铁路轮轨车辆运输铁路T梁到达待架梁的桥头适当位置，再将T梁换装到运架平车上，经运梁平车转运到待架梁位置进行喂梁、捆梁、吊装就位的运架方案[7]14-23。该类型铁路架桥机已经在尼日利亚市场成功架设了640片铁路T梁，施工工艺成熟、操作人员配备齐全。

因此选择既有市场的DJ168或DJ180型单导梁铁路架桥机，可以很好地利用既有设备、操作人员以及备品备件等资源；同时在确保安全质量的前提下，对于加快施工进度、节省工程施工成本有着举足轻重的作用，在经济上是可行的。

4.2 技术性分析

由于DJ168、DJ180型单导梁架桥机属于同类型的产品，因此本文以DJ168型单导梁铁路架桥机为例进行阐述。根据《DJ168型单导梁铁路架桥机使用说明书》中对架桥机操作过程中17个工况进行的分析，操作过程中的工况15为最不利工况，此时架桥机最后端的3号柱抬起，如图1所示[7]12。

图1 工况15条件下梁体顶部受力(单位:m)

此时作用在预制T梁上的荷载有集中荷载和分布荷载两种，分布荷载主要是由预制T梁的自重所产生，荷载大小等于单位长度上预制T梁的重量所产生的重力；集中荷载主要是作用于距离前支点13.7 m处的2号柱施加给预制T梁顶部的最大压力值P2，荷载大小等于预制T梁承受的集中荷载，即113.4 t，此处梁体抗弯能力与跨中相同，预制T梁所受弯矩等于上述两种荷载共同作用下所产生的弯矩之和。

4.2.1 集中荷载作用下预制T梁所受弯矩

根据材料力学原理，集中荷载作用下预制T梁所受弯矩按式(1)计算[8]122。

式中，M1为集中荷载作用下梁体发生竖向弯曲变形时，所产生的弯矩大小(kN·m)；P为集中荷载的大小(kN)；l为受力杆件的长度，即桥梁跨度(m)；a和b分别为集中荷载作用下，受力点距离前后两端的距离(m)。

因此，集中荷载作用下单片预制T梁所受弯矩值M1计算如下:

4.2.2 分布荷载作用下预制T梁所受弯矩

根据材料力学原理，分布荷载作用下预制T梁所受弯矩按式(2)计算[8]126。

式中，M2为分布荷载作用下梁体发生竖向弯曲变形时，所产生的弯矩大小(kN·m)；q为预制T梁自重条件下分布荷载的大小(kN)；l为受力杆件的长度，即桥梁跨度(m)。

因此，分布荷载作用下单片预制T梁所受弯矩值M2计算如下:

4.2.3 共同作用下预制T梁所受弯矩

根据材料力学原理，在集中荷载和分布荷载共同作用下，单片预制T梁在竖向所产生的弯矩M等于集中荷载作用下预制T梁所受弯矩M1与分布荷载作用下预制 T梁所受弯矩M2的总和[8]128，即4 353.42+4 704.00=9 057.42 kN·m。

综上分析，在最不利工况条件下DJ168型单导梁铁路架桥机在梁上作业时桥梁跨中弯矩值为9 057.42 kN·m，小于预制T梁设计时桥梁跨中最大允许弯矩值9 893 kN·m，满足受力要求，由此得知阿布贾城铁使用DJ168型单导梁铁路架桥机架梁是安全的。

5 运梁车通过小半径曲线的可行性分析

阿布贾城铁的预制T梁在铁路运输中属于超级超限货物，因此预制T梁在运输过程中是否能满足通过小半径曲线的各项要求，成为铁路架桥机在城市轨道交通施工中应用的成败关键之一。

阿布贾城铁的预制T梁计划采用分片式预制、分片架设的方式进行架设，即在适宜的场地内提前预制T梁并做好存储，待路基工程、桥涵工程等线下工程施工完毕后，将预制T梁通过铁路运输车推送到现场进行架设[5]36。为了安全运输长度为32 m的预制T梁，需要将长度为13.93 m的3辆N17型铁路运输平板车连挂在一起，确保运输车辆总长度大于预制T梁的长度。采用3辆N17型铁路运输平板车编组连挂在一起运输一片T梁时，两侧的平板车为承重车辆，负责支撑预制T梁的全部重量，运输平板车顶部安装有固定支座和活动支座，允许预制T梁在通过曲线地段时出现纵向移动现象；而中间的平板车为游车，不承受T梁的任何重量，仅起到连接平板车的作用[9]。

5.1 横向水平力检验

一片预制T梁被3辆连挂的铁路运输列车通过曲线地段过程中，梁体会发生横向弯曲变形并产生横向的弯矩，根据材料力学原理，弯矩数值大小按式(3)计算[8]130。

式中，M0为预制T梁的弯矩(kN·m)；E为预制T梁的弹性模量(Pa)，根据设计得知E=3.5×1010Pa；I为预制T梁的惯性矩，根据设计得知I=0.863 6 m4；R为材料的弯曲半径(m)，此时弯曲半径就等于该曲线半径大小[5]33-34。

因此，当列车通过400 m半径的曲线地段时，预制T梁的弯矩M0计算如下:

根据材料力学原理可知，预制T梁弯矩等于其所受的横向反力F与其两支点间的距离乘积得来[8]123，而两支点间的距离就约等于整个预制T梁的跨度32 m。而预制T梁所受的横向反力F会通过运梁支架经平板车的车轮传递给走行钢轨上，因此作用在钢轨上的横向反力等于预制T梁所受的横向反力F值[10]，即为75 565.00 ÷32=2 361.41 kN。

根据设计文件描述，单个弹条Ⅱ型扣件所允许的横向力为40 kN[5]37，3辆车长所占用的线路长度范围内可以布置70套弹条Ⅱ型扣件，因此该段线路扣件所允许的横向力为40×70=2 800 kN，该值大于作用在钢轨上的横向反力2 361.41 kN，由此可知预制T梁运输车可以顺利通过该段400 m半径的小半径曲线。

5.2 窜动量计算

平板车上安装有固定支座，可以起到对预制T梁进行纵、横向限位的功能。当预制T梁运输列车在曲线地段运行时，预制T梁外侧与内侧仍然维持原来的长度不变。预制T梁外侧将产生向平板车内侧的收缩变化，预制T梁内侧将产生向平板车外侧的伸长变化，这些变化会使预制T梁沿水平方向产生相对于固定支座的窜动。考虑预制T梁支撑在活动支座上所受的阻力可以忽略不计，因此预制T梁的窜动量就相当于预制T梁外侧基于轨道上方的铁路运输平板车顶面宽度中心位置的伸长量，根据材料力学原理，窜动量按式(4)计算[8]138-139。

式中，Δ为预制T梁的窜动量(m)；S为预制T梁外侧至运输列车顶面宽度中心的平面距离，等于运输车辆顶宽的一半，即1.9 m；l为预制T梁的跨度(m)；R为曲线半径(m)。

因此，预制T梁运输列车在400 m半径的小半径曲线地段运行时，预制T梁的窜动量Δ计算如下:

经过计算得到预制T梁运输车通过该段400 m半径的小半径曲线会产生最大窜动量为0.04 m，小于活动支座的最大允许值0.25 m[5]32，由此，预制T梁运输车在通过上述小半径曲线地段时可以确保预制T梁始终处于自由状态。

6 运梁车通过大坡道的可行性分析

6.1 牵引力检算

推送预制T梁进入现场的动力设备拟采用DF4B型内燃机车，其自重为108 t、机车的轮周最大启动牵引力为326.8 kN[11]。

6.1.1 机车车辆的整备质量

根据总进度计划安排，每日需要架设预制T梁2孔(折合4片)，因此每次机车将推送4片预制T梁前往施工现场，此时4片预制T梁的总重量为4×120=480 t，18辆铁路运输平板车的自重为18 ×20=360 t，机车自重 108 t。

因此机车车辆的整备质量等于所运输的预制T梁重量与12辆连挂的铁路运输平板车、机车自重的总和，即480+108+360=948 t。

6.1.2 列车全阻力

当机车推送预制T梁运输列车在曲线地段启动时，将受到坡道附加阻力、曲线附加阻力、起动附加阻力、坡道阻力的影响。在纵坡为30‰的城市轨道交通的坡道上，坡道附加阻力、曲线附加阻力、起动附加阻力等相对于坡道阻力来讲影响甚微，此处暂时忽略上述附加阻力的影响，仅考虑坡道阻力，以坡道阻力代替全阻力。

列车的全阻力与线路的最大限制坡度有关，列车的全阻力等于列车整备重量在坡道方向的分力大小，列车的全阻力方向为平行于坡道方向顺坡向下。根据《列车牵引计算规程》规定，机车车辆所受到的全阻力按式(5)计算[12]3-5。

式中，W为机车车辆所受到的全阻力(kN)；Q为机车车辆的整备重量(t)；i为最大限制坡度，此处取值为30‰；g为重力加速度。

因此，当机车推送预制T梁运输列车在纵坡为30‰的坡道上启动时，机车车辆所受到的全阻力W计算如下:

经过计算得到此时的列车阻力远远小于机车的轮周最大启动牵引力326.8 kN，由此可知机车在该曲线地段能够满足牵引力的要求，可以推送运梁车顺利通过该地段。

6.2 制动力检算

当在长大坡道线路地段行驶过程中遇有紧急事件发生，机车车辆必须进行制动刹车，此时的机车车辆应具备足够的制动力，以确保整列列车在该长大坡道地段可以紧急停车制动。因此预制T梁在运输过程中是否能满足通过长大坡道地段的制动要求，也成为铁路架桥机在城市轨道交通施工中应用的成败关键之一。

为了确保在坡道上行驶的机车车辆在制动情况下不再沿着坡道下滑，其制动力B应大于或等于机车车辆的整备重量在坡道方向的分力W，即B≥W。

6.2.1 列车单位制动力

根据《列车牵引计算规程》规定，列车的单位制动力按式(6)计算[12]10。

式中，b为列车的单位制动力(N/kN)；φ为换算摩擦系数，取值为0.402；ψ为列车换算制动率，取值为0.28。

因此，在阿布贾城铁工程线路上行驶的列车，其单位制动力b值为1 000×0.402×0.28=112.56 N/kN。

6.2.2 列车制动力

根据《列车牵引计算规程》规定，此时列车的制动力按式(7)计算[12]5-14。

式中，B为列车的制动力(kN)；Q为机车车辆的整备重量(t)；g为重力加速度；b为列车的单位制动力(N/kN)。

因此，预制T梁运输列车在阿布贾城铁工程线路上行驶时，列车的制动力B计算如下:

经过计算得知列车制动力远远大于列车整备重量沿坡道方向的分力278.71 kN，由此在遇到特殊情况需要制动刹车时，机车车辆具备足够的制动力。

7 结束语

上述分析从理论的角度研究了DJ168型单导梁铁路架桥机在尼日利亚首都阿布贾城铁施工中应用的可行性，可以为类似的施工项目提供借鉴和参考。

由于建设工程项目的时间跨度长、外界影响因素较多，铁路架桥设备在类似城市轨道交通的规划设计和施工中应用时，应结合项目具体情况、工程的难易程度等因素，充分考虑拟选用架桥设备的经济性和技术可行性，特别是针对架桥设备在预制T梁上作业时的各种施工工况，以及不同预制T梁的运输方式进行理论分析，最终选择合理可行的架桥设备、施工工艺和方法，为项目建设创造了更好的社会效益和经济效益。