南同蒲铁路黄河桥48m明桥面钢箱梁设计研究

杨永明 郭子煜 韩晓方

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

一些老旧铁路桥梁梁体由于建造年代久远、环境条件差、标准低、行车密度大等原因,会出现严重病害,故换梁施工成为铁路桥梁改造项目中的一项常见内容。根据以往工程经验,钢梁桥的换梁改造一般有以下3种方式[1-4]。

(1)更换同规模同型式的钢梁方案。该方案适用于由于梁体出现了类如支承位置开裂等重要局部病害而引起的换梁,梁型本身刚度、强度满足要求。

(2)更换小跨度混凝土梁方案。该方案桥梁跨度减小,需增加桥墩数量,梁体强度、刚度提升,一般可不对既有桥墩及基础进行加固处理,但新增桥墩及基础引起下部结构工程量增加较多。

(3)更换同跨度混凝土梁方案。混凝土梁通常比等跨度相同梁高的钢梁刚度更大,因此,本方案同样能够提升梁跨结构的刚度,但由于梁重增加较多,一般需对既有桥墩及基础进行帮宽加固处理。

当改造项目为涉河涉水桥梁时,水务管理部门往往不允许对墩身及基础尺寸进行帮宽,这种情况下的桥梁换梁应结合工程特点研究寻求更为合适的梁型方案和改造方法。以下基于前人的研究,对南同蒲铁路黄河桥改造方案进行研究。

1 概述

1.1 设计背景

南同蒲铁路黄河桥位于黄河和渭河汇合口下游约3km处,是南同蒲—陇海联络线上的一座大型桥梁[4]。桥梁北端为山西省风陵渡,南端为陕西省潼关古城。桥梁建成于1969 年,全桥共计24孔48m上承式简支拆装式桁梁[5],桥梁全长1199.6m。桥面为直线平坡,无上拱度。桁梁长49.1m,桁高5.0m;主桁采用两片菱形桁架,中心距为2.2m,采用明桥面布置。

自2001年5月起,南同蒲铁路黄河桥限速25km/h。桥梁技术检定试验结论表明,主桁横向刚度严重不足,存在横联上横杆端部裂纹、高强度螺栓折断、横向振幅过大、桁梁死挠度等病害,目前已危及行车安全,亟需对该桥进行彻底整治[6-7]。鉴于以上原因,在南同蒲铁路风陵渡至华山段电气化改造工程中,实施对既有黄河桥的“换梁改造”[7]。既有南同蒲铁路黄河桥概貌见图1,既有拆装梁断面布置示意见图2。

图1 既有南同蒲铁路黄河桥概貌

图2 既有拆装梁断面布置示意(单位:mm)

1.2 主要技术标准

铁路等级:Ⅰ级;

正线数目:单线;

设计速度:85km/h,同全线速度目标值;

线路情况:直线平坡段;

设计活载:中-活载;

轨道结构类型:明桥面木枕。

1.3 设计概况

南同蒲铁路黄河桥采用改造墩台顶帽、更换梁体的改造方案,将24孔48m拆装桁梁更换为明桥面钢箱梁。

钢箱梁为单箱单室等高度梁,采用木枕明桥面轨道结构。计算跨度48.0m,梁长49.1m;钢箱梁总高4.2m,其中,箱体高4.0m,承枕小纵梁高0.2m;钢箱梁腹板中心距为3.8m,顶板总宽4.2m(含悬臂横梁接头)、底板宽4.04m。钢箱梁内部间隔设置横隔板和竖向加劲肋,其顶板、腹板和底板分别设置板式纵向加劲肋。钢箱梁支点断面布置示意见图3。

图3 钢箱梁支点断面布置示意(单位:mm)

钢箱梁分段制造,现场吊装就位后栓焊连接,顶板采用工地对接焊,腹板及底板采用高强螺栓拼接。箱体外侧设置悬臂横梁,悬臂横梁与钢箱主梁采用焊接。

2 关键技术问题

结合工程技术特点及所处环境限制条件,换梁改造工程需要解决以下关键技术问题。

(1)选用适合的梁型方案和桥面结构方案。由于主管部门提出“不同意对洪水位以下桥墩设施进行帮宽、加固等缩小河道过流能力的措施”,故改造方案需利用既有墩身和基础,受其承载能力限制,上部结构必须选择重量相对较轻的梁型方案和桥面结构方案。

(2)明桥面轨道结构与钢箱梁的连接问题。以往的铁路桥梁设计,明桥面轨道结构多搭配钢桁梁或钢板梁使用,明桥面木枕直接布设在纵梁或主梁上翼缘板上,明桥面轨道结构与钢箱梁的连接无相关参考经验。

(3)合理选择施工方案。本桥跨越黄河,合理的施工方法有利于减少涉水作业和施工临时措施的使用,节约工程造价,降低施工期间对河道行洪的影响。

3 结构设计及施工方案

3.1 梁型的选择

(1)上承式明桥面钢桁梁方案

TB10002.1—2005《铁路桥涵设计基本规范》规定:“新建铁路不得采用上承式钢桁梁,慎用上承式钢板梁和半穿式钢桁梁”;另外,TG/GW103—2010《铁路桥隧建筑物修理规则》规定:“新建或改建桥梁不应采用上承式钢桁梁、上承式钢板梁,不宜采用半穿式钢桁梁”。因此,上承式明桥面钢桁梁方案不满足相关规范的规定[8-9]。

(2)钢箱结合梁方案

钢箱结合梁方案一般均采用整体式桥面[10],桥面系、梁体本身质量均相对较大,经检算,该方案地震组合工况下桩基承载力不足,需对基础进行加固,涉河工作量大。

(3)下承式明桥面钢桁梁方案

下承式明桥面钢桁梁方案桥梁宽度大[11],既有墩身横桥向尺寸明显不足,需要对桥墩墩身进行帮宽、对基础进行加固。

(4)明桥面钢箱梁方案

明桥面钢箱梁方案质量轻,箱形截面能够提供较大的横向刚度,利于行车稳定性[12],既有下部结构受力满足要求,仅需对桥墩顶帽进行改造。

综上所述,上承式明桥面钢桁梁方案不满足相关规范,钢箱结合梁和下承式明桥面钢桁梁方案需对基础进行加固处理,不符合换梁改造的基本原则,故最终选用“明桥面钢箱梁”方案。

3.2 桥面结构形式

为达到利用既有墩身及基础的目的,明桥面结构质量应较轻,且能满足列车平稳运行的要求。

(1)现浇纵向承轨台方案

现浇纵向承轨台式道床结构方案中[13],采用C40混凝土现场浇筑,混凝土道床通过剪力钉与钢梁桥面板连成一体[14]。轨道结构设计高度为540mm;承轨台沿桥梁纵向每间隔3～4m分块并设置1道断缝,断缝尺寸为100mm;两纵向承轨台横桥向内侧间距370mm,中间无横向联结。现浇纵向承轨台方案断面示意见图4。

图4 现浇纵向承轨台方案断面(单位:mm)

该类型轨道结构在国内城市轨道交通高架线中应用较多,但道床结构均为与混凝土结构连接,与钢梁连接尚无应用实例。

(2)木枕轨道结构方案

木枕在我国明桥面铁路建设中普遍采用,技术相对较为成熟。明桥面木枕轨道由钢轨、轨枕、扣件、走行板、护木、连接零件等组成[15]。钢轨采用60kg/m焊接长钢轨,轨枕采用3.0m长木枕,截面为22cm×24cm,间距为350mm。轨道结构高度为440mm,木枕与承枕小纵梁上翼缘接触面积范围内,木枕作10mm深度刻槽处理,轨面到钢箱梁梁顶最高点的距离为630mm。

承枕小纵梁于制造厂与钢箱梁一同制造,其上放置枕木,枕木上方两侧纵桥向设置护木,通过“长螺栓+扣压板”将护木、枕木及承枕小纵梁上翼缘连接成整体,从而实现道床结构与钢箱梁的连接。明桥面木枕轨道结构方案断面示意见图5。

图5 木枕轨道结构方案断面(单位:mm)

(3)推荐方案

现浇纵向承轨台方案轨道结构刚度大,列车运行平稳,养护工作量相对较少,但其与钢桥连接方式存在一定风险,且无工程应用实例,对施工质量要求较高(需要重点保证钢混结合面结合紧密,避免雨水侵蚀);木枕轨道结构具有一定的弹性,轨道荷载轻,可实施性好,在国内明桥面钢桥上应用广泛。从工程可靠度、难易度方面考虑,最终选择木枕轨道结构方案。

3.3 梁高

(1)适当减少桥墩接高量

既有拆装桁梁梁高5.0m,适当加大梁高可减少桥墩墩帽的接高量。综合考虑桥址公路运输条件,梁高拟定为4.2m(含承枕小纵梁)。钢箱梁与既有拆装梁高差约0.8m,通过墩帽加宽的同时,适当加高墩帽实现轨面高程的前后一致。改造前后墩帽加宽加高示意见图6。

(2)新旧规范梁高计算对比

分别按TB 10002.1—2005《铁路桥涵设计基本规范》和TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》对48m简支钢箱梁梁高进行计算[16],具体结果见表1。

表1 钢箱梁梁高及相关计算结果

由表1可知,由于17版规范对单线梁的刚度要求提升较多,其梁高计算结果明显高于05版规范;17版规范情况1较05版规范增加梁高0.9m,用钢量增加11.03%;情况2较05规范增加梁高0.3m,但用钢量增加45.35%。考虑本桥为改建项目,需利用既有的墩身和基础,质量增加过多对既有墩身和基础影响较大,最终采用4.2m梁高方案。

3.4 梁宽

根据05版和17版规范要求,简支钢板梁宽跨比不应小于1/15,横向宽度不应小于2.2m。钢箱梁初拟腹板中心距为3.6m,其动力仿真分析结论表明[17],当C70货车以50～90km/h的速度通过桥梁时,桥梁动力响应、车体竖向振动加速度均不满足要求,需通过增加桩基刚度、主梁刚度或主梁恒载等方式改善桥梁的动力特性及列车走行性。

增加桩基刚度、增加主梁恒载都需要对基础进行加固,不满足本次改造的基本原则;受运输条件限制,4.2m已为最大梁高,钢箱梁梁宽受动力仿真分析控制,最终采用3.8m的腹板间距。

3.5 承枕小纵梁

承枕小纵梁为明桥面枕木的支承构件,采用T形截面。承枕小纵梁位于钢箱梁顶板上方,间距为2.0m,小纵梁总高200mm(钢箱梁梁顶最高点算起),顶板宽240mm,顶板厚24mm,腹板厚16mm。

承枕小纵梁沿桥梁纵向每间隔3～4m设置1道10cm断缝,以解决桥面排水问题;承枕小纵梁腹板两侧成对设置竖向加劲肋,两小纵梁间间隔设置横向拉杆,保证承枕小纵梁的横向稳定性,以确保列车运行平稳。

3.6 箱内纵梁

箱内设置2道倒T形纵梁,间距2.0m,与箱顶承枕小纵梁位置对应。纵梁高600mm,腹板、底板厚16mm,底板宽240mm。

3.7 悬臂横梁

对应隔板和竖肋位置,在箱梁外侧设置悬臂横梁,作为员工走道及管线的支承受力构件。悬臂横梁在工厂单独制造,运输至现场后,工地现场与钢箱部分连接成整体。

3.8 施工方案

针对南同蒲铁路黄河桥的实际特点,钢箱梁采用新、旧钢梁首尾相连的纵向整体拖拉施工方案,在拆除、移出旧梁的同时安装新梁。不仅能够节约断道时间,还能省去安装新梁时的导梁,简化临时梁场功能。主要施工步骤如下。

(1)施工准备。

(2)拆除既有桥面系,在既有桥墩上搭设施工托架。在前两孔及最后两孔搭设施工平台,并在前后施工平台上各安装两台龙门吊机。

(3)在前两孔及最后两孔既有梁主桁架上设置吊架,起顶此四孔梁,并拆除支座,利用跨线龙门吊机拆除此四孔梁。

(4)在剩余钢梁上安装侧向支撑装置,起顶各孔钢梁,进行墩台顶帽加宽加高施工。

(5)在各桥墩墩顶安装滑道梁、墩顶锚固块等牵引设备,各孔间采用临时杆件连接牢靠。

(6)在第二孔位置的施工平台上架设钢箱梁,新旧梁之间通过临时杆件连接。向大里程侧整体牵引钢梁,当旧梁牵引至后施工平台上后,将其拆除。同时在前施工平台上架设新的钢箱梁,将新的钢箱梁之间用临时连梁构造相连。施工步骤示意见图7。

图7 施工步骤示意

(7)重复步骤(6),继续向大里程整体牵引梁体,直至旧梁拆除完毕。

(8)通过龙门架架设小里程侧剩余两孔钢箱梁,取消各孔梁间临时连接,拆除滑道梁等牵引设备,钢梁落梁至设计标高。

(9)桥面及附属施工。拆除龙门吊机及施工平台。

4 技术创新

4.1 明桥面钢箱梁技术方案

水务管理部门要求改造工程不得对桥梁既有墩身及基础进行帮宽加固,下部结构承载能力有限。为尽量减轻桥梁上部结构自重,避免对既有墩身及基础进行帮宽加固,研究通过对多种梁型质量进行对比,采用了单线明桥面钢箱梁梁型方案。该方案结构质量轻,可有效解决既有墩身、基础承载力不足的问题,实现了仅做桥墩顶帽改造和换梁施工即可提升列车运行速度和铁路通行能力的目标。

箱形截面主梁横、竖桥向刚度均相对较大,消除了既有梁存在的横向振幅过大、竖向死挠度问题,有利于行车稳定性的提升。

4.2 新型明桥面连接技术

钢箱梁顶板采用正交异性钢桥面板,明桥面木枕无法与其直接连接,需参照以往明桥面钢桁梁纵梁设置具有一定宽度上翼缘的连接过渡构造,既要便于连接枕木,同时也要解决连接构造对桥面横向排水造成的影响,研究了承枕小纵梁构造,配合护木、“长螺栓+扣压板”的使用,可实现明桥面木枕与钢箱梁的有效连接;通过小纵梁纵向间隔设置断缝的方式,解决了桥面横向排水问题,为钢箱梁采用铁路明桥面轨道结构形式提供了有力保障,丰富了明桥面轨道结构与钢箱梁结构的连接形式。

4.3 安全、环保施工方案

钢箱梁采用新、旧梁首尾相连的整体拖拉施工技术,施工方案安全、环保。该方案无需设置导梁、临时墩及栈桥等涉水临时措施,降低工程造价的同时,减少了涉水作业,减小对河道行洪的影响。

5 结语

(1)换梁改造项目梁部设计需综合考虑既有桥现状、桥址环境、下部结构承载能力,涉河涉水等情况,选择合适的梁型方案。

(2)桥梁结构细节尺寸的确定不仅受静力、动力计算结果的控制,还应考虑桥址处运输条件、架设条件的影响。

(3)施工方法应优选安全、环保的技术方案,减少临时措施的使用,减少对自然环境的影响。