上跨铁路站场钢桁架输煤栈桥加固设计

尹贻新

济青高速铁路有限公司，山东 济南 250014

0 引言

上跨电气化铁路站场施工一直是工程建设的难题。例如：钢桁架栈桥加固施工时，大量施工内容需在既有铁路上方完成，对铁路运营带来较大影响。根据铁路管理部门的要求，应在天窗点内或封锁线路的条件下对侵占铁路运营限界及影响铁路运营安全的项目进行施工，但施工效率大大降低，施工周期长、成本高[1-3]。为减少对下方铁路的影响，向兴军等[4-8]设计了跨铁路的防护棚架确保下方铁路安全，但在铁路上方搭设、拆除防护棚架构件同样需对铁路进行防护，也影响铁路运营。

根据跨越铁路钢桁架栈桥加固施工内容，本文设计了一种在铁路影响范围外安装的专用钢桁架检修车，其可沿钢桁架运行，方便加固、更换结构部件施工，不影响下方铁路的正常运营，可为上跨铁路的钢结构加固提供参考。

1 工程概况

1.1 结构现状

某煤矿钢桁架输煤栈桥位于铁路站场内，共跨越站场9股道，除煤厂装车线外均为电化线路。栈桥最低点距正线轨顶12.555 m，距站线外侧接触网支柱架空地线2.309 m。其中跨铁路正线、装车线为桁架GB，跨度为40 m，结构高度为2.5 m；跨铁路站线、存车线为桁架GA，跨度为51.86 m，结构高度为3.2 m。栈桥宽度均为4.1 m，钢桁架结构，桁架上下弦、竖杆、斜腹杆均采用双角钢“T”形截面。屋面板及墙面板均采用夹芯板，楼面板为预制钢筋混凝土槽形板。钢桁架栈桥见图1(图中单位为mm)。

图1 钢桁架栈桥立面示意图

该钢桁架输煤栈桥已建成投入使用超过10 a，因建成时间较长且使用期间缺乏维修养护，目前结构锈蚀严重，输煤栈桥出现围护墙板材锈蚀、支架钢筋锈胀、楼面板锈蚀等现象。栈桥位于电气化铁路上方，铁路运输繁忙，常规维修加固方法需要申请封锁点施工，对铁路运输影响较大，工期较长。

1.2 结构鉴定

钢桁架栈桥结构检测、鉴定结果表明：受使用环境影响，杆件及围护结构锈蚀类型为化学腐蚀[9]，所测区域钢桁架普遍存在锈蚀受损，局部锈蚀较重。钢桁架栈桥的锈蚀特点为：1)桁架斜腹杆及竖杆与挡水台交界处(距离桁架下端靠近下弦杆约 0.40 m 范围内)普遍存在锈蚀现象，局部锈蚀较重；2)桁架下弦杆靠近支座处部分杆件因污水渗漏普遍出现锈蚀；3)围护结构大部分夹芯板内侧钢板已出现锈透现象，尤其是夹芯板与墙檩连接部位及夹芯板与挡水台交界处，围护墙板的外侧根部也存在明显的锈蚀，部分板材已锈透；4)屋面板复合压型钢板存在轻微的下挠现象，屋面板拼接处存在轻微的锈蚀现象。

围护结构及屋面板已无法有效保护钢桁架主体结构，如不进行更换，将加剧主体结构的腐蚀，进一步削弱其承载力，产生安全隐患。同时，栈桥下方为铁路站场，通过及停靠列车较多，运输繁忙，上部栈桥锈蚀剥落的碎片、杂物影响过往列车运营。因此，急需加固钢桁架杆件，更换围护结构及屋面板，保证栈桥下方铁路运输安全。

2 检修车设计

钢桁架杆件加固及围护结构、屋面板更换期间，不得影响铁路的正常运营，施工不得对铁路造成干扰。钢桁架杆件加固及围护结构、屋面板更换施工无法采用防护棚架、吊车等设施进行施工[9]。针对电气化铁路上方施工的相关要求，设计了一种跨越铁路钢桁架栈桥的检修车，其剖面见图2(图中单位为mm)。

图2 检修车剖面示意图

为减轻结构自质量，检修车构件采用铝合金结构制作。检修车宽6.7 m，高7.8 m，长6.0 m，高度可以根据GA、GB两种钢桁架结构高度进行调整。检修车由3道横梁、2道纵向轨道、6条竖杆组成主体结构，桁架检修车在原有栈桥上部钢梁上设置滚轴设备，滚轴设备采用变速机电力驱动。检修车自带动力装置，刹车装置安全可靠，可抗强风。作业操作平台采用3 mm厚防滑铝板、全封闭防火密目安全网，检修车最底部设置防电板。在铁路影响范围外组装完成后，顺桁架方向推进施工。加固钢桁架杆件，拆除并更换围护结构及屋面板，本段施工完成后，检修车向前推进，更换下一段，直至更换完成。

经结构计算，检修车受力满足检修需要。在铁路外侧栈桥上进行试拼装运行，可以对栈桥下方进行良好的防护，同时满足加固、更换施工作业要求。

3 钢桁架结构计算

本栈桥为矿区唯一的输煤栈桥，无法进行停产检修，检修时需考虑检修作业的附加荷载。钢桁架结构杆件存在不同程度的锈蚀，检修时需控制杆件的应力。

3.1 荷载及作用参数

按照文献[10]的有关规定设计参数。结构自重、楼面恒载、屋面荷载可视为永久作用载荷，可变作用载荷包括皮带加人群荷载、风荷载和检修车，其中皮带加人群荷载视为均布荷载3.0 kN/m2，风荷载按照结构承受风压计算，检修车双轴质量为2.08 kg，间距为2.45 m计算。

3.2 荷载组合

按照文献[10]，荷载组合分别按照活载控制组合、恒载控制组合分成4种组合形式，各承载组合及分项系数如表1所示。

表1 承载组合及分项系数

3.3 计算模型

采用MIDAS CIVIL有限元软件进行建模，主桁采用空间梁单元建立模型，横向联系及下连杆采用桁架单元模拟，桁架GA共计248个节点，483个单元；桁架GB共计227个节点，434个单元，有限元计算模型见图3。

图3 钢桁架有限元模型

3.4 结构应力

采用MIDAS CIVIL有限元软件计算基本组合下钢桁架拉杆应力、主桁应力、主桁剪应力，如图4～6所示(图中单位为MPa)。根据文献[11]规定，设计钢材抗拉、抗压、抗弯强度fd=215 MPa，设计剪应力fvd=125 MPa。计算表明，最不利工况下，桁架构件应力均满足规范要求且有安全储备。

图4 钢桁架拉杆应力

图5 钢桁架主桁应力

图6 钢桁架主桁剪应力

3.5 结构挠度及局部压应力

根据文献[11]，钢桁架容许挠度不大于L/400(L为跨径)，标准组合作用钢桁架GA结构最大竖向容许挠度和计算挠度分别为12.9、9.8 cm，钢桁架GA结构最大竖向容许挠度和计算挠度分别为10.0、8.2 cm，均满足设计要求。

检修车轮直接作用于上弦杆上，其腹板局部压应力σc=0.98 MPa，满足规范要求。

4 主体结构加固

4.1 加固方案

该栈桥钢桁架杆件、围护结构等均存在不同程度的锈蚀，更换围护结构前需对结构杆件进行加固处理。加固钢结构可采用直接加固与间接加固2种方法，直接加固可分为增大截面加固法、粘贴钢板加固法和组合加固法[12-13]。钢桁架结构位于铁路站场上方，为全封闭结构，内部为湿热环境。为确保加固的耐久性，采用增大截面法加固杆件。加固结构一般采用负荷加固、卸荷加固和拆除更换新构件等方法。考虑煤矿生产需要，采用负荷法进行加固。钢结构加固一般采用焊接加固，方法简单，设备简易，作业条件容易达到，施工进度快。根据结构的应力计算结果，杆件受力均满足要求，为保证加固过程中的安全，加固结构杆件时采用倒链或支撑的方式对杆件进行必要的卸载，并作为结构加固施工过程中的安全储备。外力应施加在相邻两节点间，保证卸载效果，力的大小可参照桁架杆件自重荷载作用下杆件的内力。根据现场的具体情况选择卸载方式，并处理加载点，使所加荷载均匀传递给既有结构，防止应力集中造成杆件局部强度超限或失稳。卸载应对称进行，防止结构扭转[14-16]。

为确保输煤栈桥下铁路运营安全，当检修车位于铁路上方时，尽量利用铁路天窗点进行施工。如在天窗点内无法完成，需按照既有线作业的要求进行要点施工，尽量减少对既有线运营的影响[17-18]。

4.2 主体结构加固

加固杆件临时卸载后，加固栈桥主体结构时需严格控制单跨栈桥内的施工人员、施工设备和材料总质量。

1)焊接加固

受热钢材在150 ℃以上的力学性能随着温度的上升而下降，焊接补强钢板时高于150 ℃以上的热影响区的面积不大于被补强钢构件横截面的20%，焊接电流不大于120 A。杆件加固先用点焊固定补强钢板，焊缝不大于10 mm，相邻点焊间距须大于30 mm，严禁在原构件上连续施焊，防止造成应力集中[19-20]。完成点焊后，连续焊接补强钢板时需实施降温措施。焊接工作尽量对称、分散进行[21-22]。

2)节点板区域加固

锈蚀的结构主要集中在节点板区域0.5 m范围内，因此加固工作主要集中在此区域。节点区域采用10 mm厚U形钢板加强，钢板与既有节点板周边围焊，见图7(图中单位为mm)。两板之间用20 mm长焊缝间隔300 mm焊接固定，再由焊缝边缘向中间施焊。应采用分区段焊接的方式，每段长度不大于70 mm，有多条焊缝时应交错顺序施焊，尽量减少对节点连接的影响。

图7 节点板区域加固示意图

3)结构杆件加固

采用增大构件截面的方法加固结构杆件，可增强构件的稳固程度[23]。锈蚀面积占杆件截面面积大于5%的钢构件，先除锈再焊接补强钢板或角钢，钢桁架斜腹杆、竖杆锈蚀程度相对较轻且受力较小，加固方式如图8所示，补强钢板厚8 mm，角钢宽15 mm，焊缝宽度大于6 mm。下弦杆锈蚀程度相对较重且受力较大，采用角钢焊接加固，补强角钢设置如图9所示。

图8 斜腹杆、竖杆加固示意图 图9 下弦杆加固示意图

在栈桥内部进行栈桥主体结构的加固，减少防护工作量。加固节点板、杆件时，应采用切割机分块切割预制混凝土楼板与栈桥间填充的水泥膨胀珍珠岩，切割前采取固定措施，防止切除的物体掉落。加固焊接前，应在加固区下部设置隔离网进行防护，以确保栈桥下方铁路运营安全。

4.3 防腐涂装及检修车拆除

钢桁架输煤栈桥防腐涂装大部分已经失效，需对结构重新进行防腐涂装。采用RG-21防水防腐涂料，可增加防腐涂装的使用时间。结构防腐涂装尽量在栈桥内部进行，以减少对铁路的影响。外部结构防腐涂装应在检修车防护下进行。

加固施工完成后可拆除检修车。设定检修车为检修栈桥时自高端安装、低端拆除。当所有杆件加固、防腐涂装、更换围护结构完成后，将检修车运行至铁路影响范围外拆除。

5 结语

钢桁架输煤栈桥位于铁路站场上方，无法停产对输煤栈桥进行加固施工，根据电气化铁路上方施工安全及技术要求，设计了一种专用检修车，并对栈桥运营过程中附加检修荷载进行计算，结果表明：最不利工况下，桁架应力、挠度均满足规范要求。考虑主体结构焊接加固时对既有杆件的影响较大，对焊接加固杆件及节点区域进行针对性设计，确保了钢桁架加固质量，保证了栈桥下方铁路站场的正常运营。