铁路站场跨线桥耐候钢箱梁设计与施工

李伟

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

上跨铁路站场的跨线桥等市政通道一般狭窄且数量少，随着交通流量急剧增加，汽车、非机动车和行人通行能力严重不足，站场区域跨线桥梁往往成为交通瓶颈，不能满足路网规划和通行需求。解决这一问题的方法主要有2种：新建通道和加宽改建既有桥梁。由于前期规划滞后，在站场区域新建通道受控因素繁多，对运营铁路影响大，与市政路网规划衔接不易，且往往要求一跨跨越，施工难度大，投资费用高。因此，结合场地条件，在既有桥梁两侧已经形成的空间范围内适当加宽改建可满足通行需求，成为解决铁路站场区域该类交通问题的优选方案。

铁路站场跨线桥空间及地下边界条件复杂，控制因素多，受铁路运营影响，施工时间短，安全要求高，后期维修养护困难，合理的结构设计和施工方法至关重要［1］。本文结合银川市贺兰山路跨银川车站加宽改建工程，对站场区域既有桥两侧新建加宽钢箱梁辅桥的边界条件、静动力计算、材料选型、免涂装耐候钢设计要点和施工方法进行介绍，可供今后类似跨铁路线项目借鉴参考。

1 工程概况

1.1 项目简介

银川市贺兰山路跨银川车站加宽改建工程位于银川市火车站北侧约1 km 处。既有桥梁全长503.8 m，包括主桥和引桥。主桥为51.2 m 钢管混凝土系杆拱桥，总宽35.9 m。引桥根据地形限制条件配孔20.0，27.4，28.0 和30.0 m 的预应力空心板梁，标准宽度为32.5 m。为满足市政交通需求，将既有桥按照双向八车道、5 m非机动车道和5 m人行道（双侧布置）进行拓宽。工程平面和断面布置如图1所示。

图1 工程平面和断面布置（单位：cm）

主要设计内容为：

1）既有桥梁改造工程。拆除既有桥梁主桥外侧1～2 块行车道板和引桥空心板边梁，按防护要求原位新建行车道板和空心板边梁，同时设置交通安全设施、排水设施、栏杆、铁路安全防护（异物侵限和防护网）、管线通道等相关附属结构，以满足高速铁路跨线桥防护等要求。

2）新建辅桥工程。在既有桥两侧新建辅桥，供非机动车及行人通行，单幅桥宽11 m，两侧设置栏杆、防撞栏杆和防护网。

1.2 控制因素

既有桥梁跨铁路站场区域加宽改建工程涉及已有主体景观桥梁、铁路现状及规划、桥下接触网、地下管线等多个边界条件，控制因素繁多，主要包括：

1）新建辅桥与既有桥净距仅1.4 m，应充分考虑景观效果、主梁施工条件和基础开挖防护措施。

2）桥梁从东到西分别跨越2条预留工区线、3条动走线、2 条普走线、包兰左右线和银西高速铁路双线。既有站场改造和新建银西铁路正处于施工阶段。设计须满足铁路规划限界及高速铁路跨线桥桥面防护的相关要求。

3）跨线桥横向总宽度达61 m，桥下接触网立柱和硬横跨密布。硬横跨高度基本与既有梁底齐平，且接触网改移不超出桥梁宽度范围。新建辅桥设计须对接触网进行改造，采用小型硬横跨，降低桥下净空要求，同时采用梁高较小的结构形式。

4）桥址范围内主要有铁路站场排水渠、电缆槽、通信信号等地下管线。桥墩基础设置应尽量减小对其的影响，避免线路迁改。

5）由于桥下运营铁路繁忙，天窗时间短，必须采用合理、安全、快速的施工方案，且应在全寿命周期内最大限度地减小后期养护维修内容和次数。

2 结构设计

2.1 设计标准

道路等级：城市主干道。

道路功能：供非机动车及行人通行。

荷载等级：按照CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》考虑上跨铁路荷载1.3倍放大系数。

纵坡：最大纵坡3%，人字坡。

桥面横坡：1%单面坡。

横向布置：与两侧道路设计断面对应，桥面结构宽11 m，桥面净宽10 m。

2.2 总体设计

综合考虑净空要求、施工方法和景观要求，本桥设计采用三跨等高连续钢箱梁，顶推法施工。根据控制因素不同，南北侧新建辅桥孔跨布置分别为（28+52+28）m 和（31+52+31）m，52 m 主跨与既有系杆拱桥对孔布置，一跨跨越6线站区。

两联钢梁均采用相同的截面尺寸，单箱双室结构，箱梁顶宽11.0 m，底宽5.9 m，梁高1.8 m，挑臂1.95 m。沿纵桥向每隔2 m 设置1 道空腹隔板，每隔6 m 设置1 道实腹隔板。为平衡边支座负反力，梁端1.46 m范围内填充C30微膨胀混凝土。

箱梁顶板在距中支点7 m、梁端1.8 m范围内板厚18 mm，其余范围内板厚14 mm；箱梁底板在距中支点5 m范围内板厚28 mm，距中支点2.5～6.5 m板厚20 mm，距梁端1.8 m范围内板厚18 mm，中跨底板板厚16 mm，边跨底板板厚14 mm；腹板在距中支点约12 m 范围内板厚16 mm，其余范围为14 mm。顶底板及腹板加劲均采用板式加劲肋，有14×160 mm，16×190 mm两种类型。

2.3 静力计算

采用MIDAS/Civil 软件建立全桥模型（图2）对结构进行静力分析，计算内容主要包括成桥及运营状态下结构的内力、应力和变位。

图2 计算模型

在承载能力极限状态基本组合作用下考虑剪力滞和局部受压稳定折减后截面最大正应力约200 MPa，剪应力70 MPa，均满足规范要求。抗倾覆安全系数为4.9（大于2.5）。按结构力学的方法并采用不计冲击力的汽车车道荷载频遇值计算竖向挠度，边跨跨中为16 mm，中跨跨中为44 mm，均满足限值L/600（L为计算跨度）的要求。

2.4 舒适性分析

人行专用桥为避免共振，减少行人不安全感，特别是对于采用钢结构刚度小的桥梁，动力舒适性设计已成为突出问题［2-3］。CJJ 69—95《城市人行天桥与人行地道技术规范》［4］规定天桥上部结构竖向自振频率不应小于3 Hz，但该规定在较多采用大跨度轻质高强材料的人行桥很难满足，且其评价标准过于单一，对不能满足频率调整要求的人行桥振动适用性评价没有提供建议和方法，未考虑严重的横向振动稳定问题。

对于行人舒适性控制，目前各国规范和研究主要采用频率调整法和限制动力响应值法，对英国、欧洲、法国、德国等多国规范从荷载模型、舒适度指标等方面进行综合分析，认为德国规范考虑全面，指标适中，可操作性强［5-7］。结合德国规范的敏感频率评价准则，竖向（纵向）1 阶和2 阶敏感频率范围分别为1.25～2.30 Hz 和2.5～4.6 Hz，横向自振的敏感频率范围为0.50～1.20 Hz，如桥梁频率位于敏感频率范围应进行人致振动分析和舒适度评价［8］。

本桥纵向和横向自振频率分别为0.76，1.36 Hz，均在敏感范围之外，竖向1 阶、2 阶自振频率分别为2.44，4.03 Hz，2 阶频率位于上述敏感频率范围内。利用MIDAS/Civil建立跨线桥有限元模型，将按TC5级行人密度1.5 人/m2计算的人群谐波荷载施加到模型中并进行时程分析，得到竖向2 阶模态下加速度时程曲线，见图3。可知，峰值加速度最大值为0.096 m/s2（小于0.5 m/s2），属于CL1 最佳舒服度，满足舒适性使用要求。

图3 竖向2阶模态下加速度时程曲线

3 耐候钢设计

3.1 材料选择

目前钢结构现有的防护方法尚不能做到一次处理即达到设计使用寿命，长效防腐体系基本可维持15～20 年，设计年限内最少需要 4～5 次涂装，成本高，危害健康，污染环境。跨线桥钢结构的防腐涂装、维护和修理需要花费大量的时间、人力和物力，甚至可能中断铁路运输。因此，跨铁路桥梁采用免涂装耐候钢材是解决钢结构全寿命周期防腐问题的重要途径。

耐候钢是介于普通钢材和不锈钢材之间的低合金钢，在钢中加入合金元素，如Cu，P，Cr，Ni等，其在一定环境条件下表面锈蚀后会形成一层致密的非晶态锈层组织，可以防止钢材进一步锈蚀，对基层起到了持久保护作用［9］。国外已大量使用耐候钢，尤其是美国、日本和加拿大［10-11］。我国高性能耐候钢近些年才在桥梁上大规模使用，尚无设计规范和施工标准，但根据外国规范和国内相关试验研究结果，已经在部分桥梁使用［12］。国内部分耐候钢桥使用情况见表1。

表1 国内部分耐候钢桥使用情况

由于耐候钢在国内生产和使用已趋于成熟，且本桥桥址无严重大气污染，属于非潮湿的地区，使用耐候钢环境适宜。为减小铁路站场上方跨线桥养护工作量，节约全寿命周期成本，保护生态环境，本桥主体钢材及焊接钢材均采用免涂装Q345qENH耐候钢。

3.2 材料性能

国内关于耐候钢材料的规范主要有GB/T 4171—2008《耐候结构钢》，GB/T 714—2015《桥梁结构用钢》。耐候钢一般采用耐大气腐蚀性指数确定性能，要求其值在6.0及以上。本桥Q345qENH钢化学成分和耐候指数见表2。交货状态为TMCP（thermomechanical processed），其耐腐蚀指数达到6.2，按6.0控制；最小焊材耐腐蚀指数为6.51，按6.5控制。根据设计文件涵盖的焊接接头形式对接接头、全熔透T形接头、T形接头（无坡口）共11组焊接工艺进行评定，均满足相关要求。

表2 本桥Q345qENH耐候钢化学成分及指标

3.3 涂装体系

根据桥址环境耐候钢涂装情况基本分为涂装使用、半涂装使用和免涂装使用。耐候钢最为常用且经济的使用方式是裸露使用。本桥地处西北，气候干燥，采用了钢箱梁外表面免涂装、内部涂装的体系。伸缩缝处考虑雨水影响，梁端外表面采用长效型涂装的整体涂装体系。

钢箱梁外表面采用喷砂清理，清理等级sa2.0。首先将钢箱梁表面氧化铁皮、油污、尘土等杂物清理干净，然后采用喷淋表面处理液使之形成统一锈层。耐候钢出厂时在其表面喷涂加速稳定液，与钢基体反应形成一层均匀、致密的保护性锈层，可缩短施工周期，使出厂时外观颜色一致，服役期颜色均匀，防止初期锈液污染环境。钢结构表面形貌如图4所示。

图4 钢结构表面形貌

3.4 经济性能

耐候钢被推广使用的一个重要原因是其全寿命周期的经济性。它不仅减少了工厂和现场涂装，加快建造速度，而且降低了维修养护的要求，节约了费用。日本建设省土木研究所推算，耐候钢桥与普通钢桥的费用指数相比，使用100 年后的普通钢桥费用为耐候钢桥的 2 倍以上［9］。本桥涂装总面积约 15 700 m2，其中外表面4 838 m2免涂装。由于耐候钢价格较普通钢贵约1 000 元/t，建设初期采用耐候钢成本较普通钢贵约11%，但普通钢全寿命周期成本约为耐候钢的1.8倍，该指标还尚未考虑采用普通钢环保所增加的成本、中断或干扰铁路交通运营带来的附加成本，以及耐候钢锈蚀小、重建回收价值利用率高等因素。可见采用耐候钢在铁路跨线桥的应用经济效益十分显著。

3.5 后期管理养护

耐候钢桥后期管理养护的重点是对钢表面进行灰尘和垃圾清理，保证排水系统顺畅，检查和维护连接部位，对锈层形成情况进行评定［13］。需注意3方面：

1）箱梁外观尘土、赃污和垃圾的积聚会促进腐蚀，应采用低压水清除，但不可破坏锈层。

2）避免在钢桥上及周围使用除冰盐、融雪剂等，防止其对钢材的腐蚀。

3）在相同部位设置测点，采用目测评价法测量锈层厚度和锈层电化学特性、稳定相检测法定期检测锈层形成情况和耐腐蚀性能，综合评价锈层是否达到稳定状态。建议每1～2 年目测检查锈层的表面状况、伸缩缝处排水及箱梁内部情况，每6 年检测关键部位钢腐蚀率，第18年综合评定锈层形成情况。

4 顶推施工

跨线桥梁施工常采用吊装法、转体法、顶推法［14］。本桥主跨上跨包兰线、站区普走线等6条运营铁路，且与既有桥梁距离过近，吊装和转体施工均不便实施，因此采用安全系数高、施工便捷的多点同步步履式顶推法施工［15］。

4.1 施工方案

以南侧新建辅桥为例，顶推立面布置如图5所示。钢箱梁采用工厂预制、节段支架拼装，节段长度为10～14 m。在铁路限界外布设临时支墩以减小顶推跨径，顶推最大悬臂42.5 m，导梁长25 m。3#，5#，7#，8#支架上墩顶横向各布设2 个竖向400 t、纵横向60 t 可三向协同调位的步履式千斤顶。4#，6#支架为组拼支架，9#支架为滑移支撑支架。总体施工步骤为：铁路防护→支架搭设→节段拼装→导梁安装→（步履式顶推→节段拼装，循环此步骤）→梁端就位→导梁拆除→整体落梁（落梁高度1.5 m）。

图5 顶推立面布置（单位：m）

4.2 顶推分析

对顶推全过程进行数值分析，最大悬臂状态时钢箱梁最大应力约为65 MPa，满足要求。当钢箱梁端到达8#支架时为最大支反力状态。为避免顶推时箱梁腹板局部失稳，在箱梁2 个斜腹板内侧间隔50 cm 设置1块厚12 mm的梯形加劲板。采用欧洲规范EN 1993-1-5和GB 50017—2017《钢结构设计规范》对腹板进行检算，考虑短加劲影响，其局部稳定性均满足规范要求。

采用MIDAS FEA 有限元软件建立施工阶段局部板壳模型进行屈曲模态分析，得出斜腹板局部1 阶屈曲模态为沿腹板上下部纵向加劲肋面外反对称弯曲，稳定系数为4.82，满足安全要求。

本桥已于2018年底顺利完成全桥施工，为我国首个采用免涂装耐候钢的跨铁路线桥梁（图6）。

图6 桥梁竣工图

5 结论

本文介绍了银川市贺兰山路跨铁路站场人行和非机动车跨线桥耐候钢箱梁的设计和施工关键点，得到以下结论：

1）大跨度钢结构人行专用桥刚度小，自振频率很难满足国内现行规范要求，须结合国外规范进行人致振动舒适性分析。

2）跨线桥受后期维修养护限制，考虑养护便利、环保、全寿命周期成本等因素，建议在桥址环境允许的情况下采用免涂装耐候钢，同时注意耐候钢设计、施工和管理养护的相关要点。

3）跨线桥顶推施工要充分考虑施工条件，综合分析板件的局部受力情况，避免失稳，应加强高位落梁的线形和安全性控制。