框架桥顶进既有线道岔区纵横梁加固体系空间结构受力分析

杨 伟

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

随着我国城市道路建设的快速发展，新建框架桥与铁路立交工程不断增加。为了不中断铁路运营，目前普遍采用顶进法下穿既有铁路线。在顶进框架桥施工中，为确保列车运行及施工安全必须进行铁路线路的加固。目前框架桥顶进施工通常采用的线路加固方法有D型便梁加固法和扣轨纵横梁加固法。顶进施工按环境复杂程度可分为在普通线路顶进和在道岔区顶进两种。在铁路普通正线顶进框架桥采用纵横梁加固法加固的工程应用已较多，技术已成熟，而道岔区由于岔区设备多，轨道变形敏感，纵横梁加固方法应用在道岔区顶进施工还需要进行更精细的计算分析来保证施工安全。赵延波对应用在道岔区以横梁为主要受力构件的纵横梁加固法进行了检算，分析了针对纵梁、横梁和钢轨的有限元模型最不利加载工况下纵横梁的强度和刚度计算结果。章有德等利用纵抬横梁法防护道岔区线路，对比分析了加固体系中不同纵梁、横梁的型号的应力和位移及轨道的变形，指出道岔区钢轨竖向位移为主要控制因素。王聪以北海路地道桥下穿站场咽喉区为依托，研究了3-5-3扣轨及纵横工字钢梁加固的布置方案。现有对框架桥顶进既有线道岔区加固方法的研究多集中在加固施工方案的设计层面，鲜有对道岔区线路加固体系进行详细计算分析，然而由于岔区设备复杂且施工难度大，以往应用在普通正线铁路相对成熟的纵横梁加固体系需要进行理论受力分析以评价其安全性。

文章以某三孔框架桥下穿既有线道岔区为工程背景，建立了包含列车-钢轨-扣轨-纵横梁加固体系-框架桥结构-土体的空间有限元分析模型，考虑横梁和纵梁支撑段沉降的影响，研究加固体系的力学性能，验证加固体系的安全性。

1 工程概况

工点采用3～15 m三孔框架桥，桥位处既有铁路9股道和6组12号单开道岔，从东往西铁路名称依次为京沪下行、石德上行、京沪上行、石德下行、6道～8道，4组道岔位于京沪、石德正线上，另外2组为站线道岔。线路加固采用由3-5-3扣轨和横抬纵挑法布置的工字钢纵横梁以及路基防护桩、支撑桩、抗横移桩组成的“纵横梁加固体系”。沿线路两侧采用I45b工字钢纵梁，一般位置处采用双根一束I45b布置，在道岔处受限界影响无法布置纵梁导致纵梁横向间距较大时，该部分纵梁采用三根一束I45b布置。横梁采用I40b工字钢，托既有轨枕底，横梁间距按（1×0.6+1.2）m设置，横梁一端置于支撑桩上，另一端至于框架桥顶面上，并用Φ22-U型螺栓与纵梁联结一起，纵梁两端置于枕木垛基础上。

2 加固体系检算

2.1 计算假定

（1）轨道路基及下部土体质地均匀，且呈水平层状分布；（2）土体是连续的、各向同性的弹塑性材料；（3）考虑支撑横梁的土体和框架桥的变形；（4）纵横梁之间按刚性连接，横梁与路基弹性连接，钢轨与轨枕之间按弹性连接处理。

2.2 设计参数

①列车活载：采用ZKH荷载，计算考虑列车竖向活载动力作用；②列车速度：列车侧向通过速度为30 km/h，正向通过速度为45 km/h；③地基系数取10000 kPa/m2。

2.3 安全评价指标

（1）横梁挠度：按《铁路工务安全规则》（铁运[2006]177号）相关规定，横梁挠度容许值为，应力容许值为170 MPa；（2）钢轨挠度：按《普速铁路线路修理规则》（铁总工电[2019]34号）取Vmax≤80 km/h正线及到发线下10 m弦长限值9 mm（临时修补）；（3）尖轨尖端与基本轨水平间隙：按《普速铁路线路修理规则》（铁总工电[2019]34号）相关规定取限值为1 mm。

2.4 计算模型

采用MIDAS/Civil 2020建立纵横梁加固体系的空间有限元模型，如图1所示。为了反映加固体系中横梁支撑端的变形对计算结果的影响，引入支撑加固体系横梁的支座，包括土体和顶桥。纵梁、横梁、钢轨及框架桥均采用梁单元模拟，各构件之间采用弹性连接，纵梁端部边界按简支处理。

图1 纵横梁加固体系空间有限元模型

2.5 工况分析

为了验证列车荷载作用下道岔区纵横梁加固体系的可靠性，考虑变化不同参数对两种加固设计方案的横梁挠度和强度、钢轨变形、尖轨尖端与基本轨水平间隙进行分析。变换的参数包括：横梁工字钢的型号、横梁的悬空跨度。模型工况设计如表1所示。ZKH荷载按车轮作用在基本轨跨中附近横梁和尖轨跨中附近横梁两种位置加载，荷载组合工况如表2所示。

表1 计算模型工况

表2 荷载组合设计

2.6 结果分析

2.6.1 加固体系横梁和钢轨安全评价

分别提取了各工况关于横梁挠度、强度、钢轨挠度三个安全评价指标在设计荷载组合下的计算结果如表3所示。

表3 横梁挠度、应力和钢轨挠度计算结果

由表3可知，在主力+附加力作用下，不管是采用I40b还是I45b横梁，随着悬空跨度的增大，横梁应力逐渐增大。横梁应力最大值发生横梁与土体相交处（挖与非挖交界面处）即刚度突变处，在悬空跨度为3 m时，I40b横梁最大应力为159.2 MPa，小于容许应力170 MPa，安全系数1.07。

相同悬空跨度情况下，横梁最大挠度均发生在直向过岔速度为45 km/h。随着悬空跨度的增大，横梁最大挠度也逐渐增大，但与容许挠度（L/400）相比，安全系数却在逐渐增大。横梁工字钢型号采用I40b，考虑主力+附加力，最小安全系数为0.84，发生悬空跨度2 m直向过岔速度为45 km/h。仅考虑活载+附加力，最小安全系数为1.34，同样发生悬空跨度2 m直向过岔速度为45 km/h。横梁工字钢型号采用I45b，考虑主力+附加力，最小安全系数为0.92，发生悬空跨度2 m直向过岔速度为45 km/h。仅考虑活载+附加力，最小安全系数为1.50，同样发生悬空跨度2 m直向过岔速度为45 km/h。随着悬空跨度的增大，钢轨最大竖向位移也逐渐增大。

2.6.2 轨道不平顺性计算结果

提取了工况2在荷载组合2作用下主股左右轨道的高低和轨向位移图分别如图2和图3所示。

图2 主股左右轨道高低位移图

图3 主股左右轨道轨向位移图

由图2和图3可知：

（1）由于横梁与钢轨、横梁与纵梁等相连接部位横向刚度大于其余部位，列车活载侧向过岔时，钢轨轨向（即横向位移）不连续现象较为显著，刚度越弱位移越大。通过分析，特别是列车活载轴重作用的位置（ZKH荷载图示集中荷载作用下对应的横梁）变化最为明显。

（2）在考虑列车的制动力和摇摆力情况下，钢轨轨向（即横向位移）较小，这说明加固体系各构件的连接较为牢固可靠。尖轨与翼轨之间的水平相对位移也较小，最大不超过0.08 mm，小于1 mm的限值要求。

（3）在悬空跨度3 m下活载作用在框架桥15 m主股上引起轨道的竖向位移达到最大值为7.98 mm，但10 m弦长高低最大值为5.04 mm，轨向最大0.07 mm，水平最大值为1.62 mm，三者均小于《普速铁路线路修理规则》（铁总工电[2019]34号）中Vmax≤80 km/h正线及到发线下10 m弦长限值9 mm（临时修补）。

3 结论

（1）经计算得知，横梁应力最大值发生横梁与土体相交处（挖与非挖交界面处）即刚度突变处，与按简支梁体系检算横梁的应力最大位置明显不同。提高横梁工字钢型号可以减小加固体系及钢轨的受力和变形。横梁悬空长度越大，最不利荷载工况下横梁的挠度越大，框架桥下穿顶进道岔区应减小横梁悬空长度，保证线路安全。

（2）框架桥顶进既有道岔区采用纵横梁加固体系，经计算可知横梁挠度和应力、纵梁和钢轨的挠度能够满足安全评价指标。由于岔区线路加固施工难度较大，变形敏感，在线路加固方案具体设计时，应建立精细的有限元模型对纵横梁加固体系进行详细受力分析。

（3）根据道岔区轨道不平顺计算结果可知，列车活载侧向过岔时，钢轨轨向不连续现象较为显著，列车活载轴重作用处变化最为明显。在岔区加固施工中，应对钢轨变形进行实时监测，保证施工过程的轨道变形在要求范围内。