D24型便梁在4.0 m线间距区段的应用与计算

马福臣

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250022)

1 概述

南水北调东线一期工程鲁北段输水线路穿越铁路工程在京九线K387+909处采用框架桥穿越， 框架桥孔径为12 m+12 m+7 m，两孔12 m框架结构净高6.4 m，为输水而设；一孔7 m框架结构净高7.2 m，为通行而设。采用不中断行车顶进法施工，桥位处铁路为双线、直线，线间距为4.0 m，拟建输水框架与铁路夹角15°。

本工程位于山东临清市东南，桥址处地势平坦，两侧为农田，既有京九铁路轨面比自然地面高3 m左右。根据《岩土工程勘察报告》，在钻探深度范围内地层自上往下依次为①粉土，中密、潮湿，层厚1.80～3.70 m，基本承载力σ0=100 kPa；②粉质黏土，软塑—硬塑，层厚2.1～4.70 m，基本承载力σ0=120 kPa；③粉土，中密—密实层厚1.70～5.10 m，基本力承载力σ0=110 kPa； ④粉质黏土，软塑，层厚0.95～1.95 m，基本承载力σ0=110 kPa；⑤粉土，中密—密实，层厚2.40～6.40 m，基本力承载力σ0=150 kPa；⑥粉质黏土，硬塑，层厚5.45～10.5 m，基本承载力σ0=160 kPa；⑦粉土，密实，层厚1.90～3.0 m，基本力承载力σ0=150 kPa；⑧粉质黏土，硬塑，层厚1.95～5.45 m，基本承载力σ0=160 kPa。框架基底落在②粉质黏土层上，框架设计最大应力145 kPa，基底地基采用高压旋喷桩加固处理。

桥址处地下水埋藏较浅，主要为第四系孔隙潜水，水位随季节性变化明显。勘探期间埋深为0.90～2.65 m，地下水水位年最大变幅为2.00～3.00 m。

2 原设计线路加固方案简述

桥址处线间距现场实测只有4.0 m，不满足D24便梁直线双线段架设最小线间距(≥4.51 m)的要求。如果采用D24便梁需将对既有京九线改造加宽，改线较长，且距本桥约196 m处有一座3-16 m铁路梁桥(京九线K388+105.22 小运河中桥)也需要改建，改线方案不仅工期长、投资大，且对铁路运输的干扰也较 大。经过工程前期方案设计阶段对线路加固方案的探讨、研究和实地踏勘，一致同意采用加强型纵挑横抬梁法加固线路，挖孔桩做基础，顶进施工，见图1。

图1 加强型纵挑横抬梁法加固平面(单位：cm)

3 超低位架设便梁线路加固方案设计

施工期间，由于京九线运输繁忙，原设计方案需要向铁路部门要点，封锁线路次数较多，不能满足工期安排，在原设计挖孔桩基础已施工一半的情况下，施工单位强烈要求将现有线路加固方式改为架设D24便梁防护线路，分孔顶进，加快施工进度。经和有关单位共同探讨，确定将D24便梁大纵梁与钢枕连接处的上下牛腿互换，即上牛腿S12与下牛腿S3互换，使大纵梁在D24便梁通用图《上桥5009-桥》低位架设(丁式)基础上进一步上移15 cm(即轨顶至便梁顶距离由29.9 cm缩减至14.9 cm)，以满足铁路限界“建限-1”的要求。D24便梁双线超低位架设横断面如图2所示。

图2 D24便梁双线超低位架设横断面(单位：mm)

线路中心线与便梁架设时结构中心线偏距达到49 cm，导致线路内侧的纵梁受力进一步加大，超出便梁原设计适用范围，如果施工时采用这种方式架设，必须对其进行强度、剪应力及下挠度等进行检算。

3.1 D24便梁结构简述

施工中所采用的D24便梁为上海铁路局设计院设计，宝鸡铁路桥梁工厂生产，便梁结构长度24.5 m，计算跨径24.12 m。便梁主要由两片纵梁和36根钢枕组成，每片纵梁宽48 cm，高130 cm，便梁纵梁有效截面分别如图3所示，其中纵梁支点处(K0)、距支点1/8处(K0.125)、1/4处(K0.25)、1/8处(K0.375)、1/2处(K0.5)的截面其对形心处X轴的截面，惯性矩可利用 AutoCAD查寻得到，分别是：IX0=0.020 8 m4，IX0.125=0.017 1 m4，IX0.5(0.25、0.375)=0.024 4 m4。

图3 便梁纵梁有效截面示意(单位：mm)

3.2 D24便梁双线超低位架设设计采用荷载标准

(1)恒载

据《上桥5009-桥》图纸说明中有关规定，计算时恒载采用单片纵梁均布重量11.43 kN/m；

(2)活载

铁路活载按换算均布活载计算，根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1-2005)中附录C “铁路标准活载的换算均布活载及加载规定”。

冲击系数：冲击系数(1+μ)=1+28/(40+L)，设计按列车限速45 km/时考虑，根据(铁路桥梁检定规范)2004(4.0.10)公式，μ折减系数m=0.75×(v/60) =0.75×(45/60)=0.562 5，1+mμ=1+0.75×0.75×28/(40+24.12)=1.246。

内力偏距增大系数：由于便梁的偏心架设，内侧纵梁内力偏距增大系数根据杠杆分配法，可按下述公式1+§=(4.46×0.5+0.49)(4.46×0.5)=1.22。

3.3 纵梁内力计算

(1)弯矩

将D24便梁分成八等分，求各截面的最大弯矩值，如表1。

表1 D24便梁最大弯矩计算

(2)剪力

支点处恒载剪力：Q恒=0.5pL=0.5×11.43×24.12=137.85 kN

支点处活载剪力：Q活=0.5×0.5×K(1+§)(1+mμ)=0.5×0.5×123.7×1.246×1.22=1 133.87 kN

所以：Qmax=137.85+1 133.87=1 271.72 kN

3.4 便梁纵梁截面检算

(1)弯曲应力

各个截面设计弯曲应力计算结果如表2。

表2 D24便梁内力计算

纵梁各个截面设计弯曲应力均能满足规范要求，说明纵梁强度可以满足要求。

(2)剪应力

(3)下挠度

静活载在跨中所产生的下挠度fkmax=(5/384)×0.5KL4/(EIX0.5))=(5/384)×(0.5×104×103×24.124)/(2.1×1011×0.024 4)=0.055 m<[f]=24.12/400=0.060 3 m(临时结构最大挠度容许值)。

结论： 经过对D24便梁超低位架设后的纵梁的最大弯曲应力、最大剪应力、跨中最大下挠度的分析计算，其结果均在规范容许范围内，此方案可行。

4 超低位架设加固施工步骤简述

施工时，主要分为以下六个步骤，将3孔箱体顶进就位。

第一步：分别架设D16及D24施工便梁，施工线间挖孔桩，浇筑便梁基础盖梁A、B及条形基础C。

图5

第二步：纵移D16及D24便梁，施工I号箱体侧及箱体基底旋喷桩。

第三步：吃土顶进I号箱体，施工I号箱体出入口外U型框架。

第四步：纵移D16及D24便梁，架设D16便梁，施工Ⅲ号箱体侧及箱体基底旋喷桩。

第五步：吃土顶进Ⅲ号箱体，施工出入口外八字墙。

第六步：纵移D24便梁，拆卸16便梁，施工Ⅱ号箱体侧基底旋喷桩，拆除影响的桩基及盖梁，顶进Ⅱ号箱体。

箱体全部就位后，拆卸D24便梁，恢复线路正常运行。

5 结束语

本工程线路加固方式经以上变更后，大大加快施工进度，现在工程已施工完毕并已顺利通过验收。设计调整便梁上下牛腿设置，超底位架设便梁，克服了D24型便梁仅适用直线、双线线间距需大于4.51 m的限值，进一步拓宽了D24型便适用范围，为今后类似工程积累了经验。

[1] TB10002.1—2005 铁路桥涵设计基本规范[S]

[2] TB10002.2—2002 铁路桥梁钢结构设计规范[S]