李偉

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043）

上跨鐵路站場的跨線橋等市政通道一般狹窄且數(shù)量少，隨著交通流量急劇增加，汽車、非機(jī)動(dòng)車和行人通行能力嚴(yán)重不足，站場區(qū)域跨線橋梁往往成為交通瓶頸，不能滿足路網(wǎng)規(guī)劃和通行需求。解決這一問題的方法主要有2種：新建通道和加寬改建既有橋梁。由于前期規(guī)劃滯后，在站場區(qū)域新建通道受控因素繁多，對運(yùn)營鐵路影響大，與市政路網(wǎng)規(guī)劃銜接不易，且往往要求一跨跨越，施工難度大，投資費(fèi)用高。因此，結(jié)合場地條件，在既有橋梁兩側(cè)已經(jīng)形成的空間范圍內(nèi)適當(dāng)加寬改建可滿足通行需求，成為解決鐵路站場區(qū)域該類交通問題的優(yōu)選方案。

鐵路站場跨線橋空間及地下邊界條件復(fù)雜，控制因素多，受鐵路運(yùn)營影響，施工時(shí)間短，安全要求高，后期維修養(yǎng)護(hù)困難，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方法至關(guān)重要［1］。本文結(jié)合銀川市賀蘭山路跨銀川車站加寬改建工程，對站場區(qū)域既有橋兩側(cè)新建加寬鋼箱梁輔橋的邊界條件、靜動(dòng)力計(jì)算、材料選型、免涂裝耐候鋼設(shè)計(jì)要點(diǎn)和施工方法進(jìn)行介紹，可供今后類似跨鐵路線項(xiàng)目借鑒參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

銀川市賀蘭山路跨銀川車站加寬改建工程位于銀川市火車站北側(cè)約1 km 處。既有橋梁全長503.8 m，包括主橋和引橋。主橋?yàn)?1.2 m 鋼管混凝土系桿拱橋，總寬35.9 m。引橋根據(jù)地形限制條件配孔20.0，27.4，28.0 和30.0 m 的預(yù)應(yīng)力空心板梁，標(biāo)準(zhǔn)寬度為32.5 m。為滿足市政交通需求，將既有橋按照雙向八車道、5 m非機(jī)動(dòng)車道和5 m人行道（雙側(cè)布置）進(jìn)行拓寬。工程平面和斷面布置如圖1所示。

圖1 工程平面和斷面布置（單位：cm）

主要設(shè)計(jì)內(nèi)容為：

1）既有橋梁改造工程。拆除既有橋梁主橋外側(cè)1～2 塊行車道板和引橋空心板邊梁，按防護(hù)要求原位新建行車道板和空心板邊梁，同時(shí)設(shè)置交通安全設(shè)施、排水設(shè)施、欄桿、鐵路安全防護(hù)（異物侵限和防護(hù)網(wǎng)）、管線通道等相關(guān)附屬結(jié)構(gòu)，以滿足高速鐵路跨線橋防護(hù)等要求。

2）新建輔橋工程。在既有橋兩側(cè)新建輔橋，供非機(jī)動(dòng)車及行人通行，單幅橋?qū)?1 m，兩側(cè)設(shè)置欄桿、防撞欄桿和防護(hù)網(wǎng)。

1.2 控制因素

既有橋梁跨鐵路站場區(qū)域加寬改建工程涉及已有主體景觀橋梁、鐵路現(xiàn)狀及規(guī)劃、橋下接觸網(wǎng)、地下管線等多個(gè)邊界條件，控制因素繁多，主要包括：

1）新建輔橋與既有橋凈距僅1.4 m，應(yīng)充分考慮景觀效果、主梁施工條件和基礎(chǔ)開挖防護(hù)措施。

2）橋梁從東到西分別跨越2條預(yù)留工區(qū)線、3條動(dòng)走線、2 條普走線、包蘭左右線和銀西高速鐵路雙線。既有站場改造和新建銀西鐵路正處于施工階段。設(shè)計(jì)須滿足鐵路規(guī)劃限界及高速鐵路跨線橋橋面防護(hù)的相關(guān)要求。

3）跨線橋橫向總寬度達(dá)61 m，橋下接觸網(wǎng)立柱和硬橫跨密布。硬橫跨高度基本與既有梁底齊平，且接觸網(wǎng)改移不超出橋梁寬度范圍。新建輔橋設(shè)計(jì)須對接觸網(wǎng)進(jìn)行改造，采用小型硬橫跨，降低橋下凈空要求，同時(shí)采用梁高較小的結(jié)構(gòu)形式。

4）橋址范圍內(nèi)主要有鐵路站場排水渠、電纜槽、通信信號等地下管線。橋墩基礎(chǔ)設(shè)置應(yīng)盡量減小對其的影響，避免線路遷改。

5）由于橋下運(yùn)營鐵路繁忙，天窗時(shí)間短，必須采用合理、安全、快速的施工方案，且應(yīng)在全壽命周期內(nèi)最大限度地減小后期養(yǎng)護(hù)維修內(nèi)容和次數(shù)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

道路等級：城市主干道。

道路功能：供非機(jī)動(dòng)車及行人通行。

荷載等級：按照CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮上跨鐵路荷載1.3倍放大系數(shù)。

縱坡：最大縱坡3%，人字坡。

橋面橫坡：1%單面坡。

橫向布置：與兩側(cè)道路設(shè)計(jì)斷面對應(yīng)，橋面結(jié)構(gòu)寬11 m，橋面凈寬10 m。

2.2 總體設(shè)計(jì)

綜合考慮凈空要求、施工方法和景觀要求，本橋設(shè)計(jì)采用三跨等高連續(xù)鋼箱梁，頂推法施工。根據(jù)控制因素不同，南北側(cè)新建輔橋孔跨布置分別為（28+52+28）m 和（31+52+31）m，52 m 主跨與既有系桿拱橋?qū)撞贾?，一跨跨?線站區(qū)。

兩聯(lián)鋼梁均采用相同的截面尺寸，單箱雙室結(jié)構(gòu)，箱梁頂寬11.0 m，底寬5.9 m，梁高1.8 m，挑臂1.95 m。沿縱橋向每隔2 m 設(shè)置1 道空腹隔板，每隔6 m 設(shè)置1 道實(shí)腹隔板。為平衡邊支座負(fù)反力，梁端1.46 m范圍內(nèi)填充C30微膨脹混凝土。

箱梁頂板在距中支點(diǎn)7 m、梁端1.8 m范圍內(nèi)板厚18 mm，其余范圍內(nèi)板厚14 mm；箱梁底板在距中支點(diǎn)5 m范圍內(nèi)板厚28 mm，距中支點(diǎn)2.5～6.5 m板厚20 mm，距梁端1.8 m范圍內(nèi)板厚18 mm，中跨底板板厚16 mm，邊跨底板板厚14 mm；腹板在距中支點(diǎn)約12 m 范圍內(nèi)板厚16 mm，其余范圍為14 mm。頂?shù)装寮案拱寮觿啪捎冒迨郊觿爬?，?4×160 mm，16×190 mm兩種類型。

2.3 靜力計(jì)算

采用MIDAS/Civil 軟件建立全橋模型（圖2）對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，計(jì)算內(nèi)容主要包括成橋及運(yùn)營狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力和變位。

圖2 計(jì)算模型

在承載能力極限狀態(tài)基本組合作用下考慮剪力滯和局部受壓穩(wěn)定折減后截面最大正應(yīng)力約200 MPa，剪應(yīng)力70 MPa，均滿足規(guī)范要求。抗傾覆安全系數(shù)為4.9（大于2.5）。按結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法并采用不計(jì)沖擊力的汽車車道荷載頻遇值計(jì)算豎向撓度，邊跨跨中為16 mm，中跨跨中為44 mm，均滿足限值L/600（L為計(jì)算跨度）的要求。

2.4 舒適性分析

人行專用橋?yàn)楸苊夤舱瘢瑴p少行人不安全感，特別是對于采用鋼結(jié)構(gòu)剛度小的橋梁，動(dòng)力舒適性設(shè)計(jì)已成為突出問題［2-3］。CJJ 69—95《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》［4］規(guī)定天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz，但該規(guī)定在較多采用大跨度輕質(zhì)高強(qiáng)材料的人行橋很難滿足，且其評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)過于單一，對不能滿足頻率調(diào)整要求的人行橋振動(dòng)適用性評價(jià)沒有提供建議和方法，未考慮嚴(yán)重的橫向振動(dòng)穩(wěn)定問題。

對于行人舒適性控制，目前各國規(guī)范和研究主要采用頻率調(diào)整法和限制動(dòng)力響應(yīng)值法，對英國、歐洲、法國、德國等多國規(guī)范從荷載模型、舒適度指標(biāo)等方面進(jìn)行綜合分析，認(rèn)為德國規(guī)范考慮全面，指標(biāo)適中，可操作性強(qiáng)［5-7］。結(jié)合德國規(guī)范的敏感頻率評價(jià)準(zhǔn)則，豎向（縱向）1 階和2 階敏感頻率范圍分別為1.25～2.30 Hz 和2.5～4.6 Hz，橫向自振的敏感頻率范圍為0.50～1.20 Hz，如橋梁頻率位于敏感頻率范圍應(yīng)進(jìn)行人致振動(dòng)分析和舒適度評價(jià)［8］。

本橋縱向和橫向自振頻率分別為0.76，1.36 Hz，均在敏感范圍之外，豎向1 階、2 階自振頻率分別為2.44，4.03 Hz，2 階頻率位于上述敏感頻率范圍內(nèi)。利用MIDAS/Civil建立跨線橋有限元模型，將按TC5級行人密度1.5 人/m2計(jì)算的人群諧波荷載施加到模型中并進(jìn)行時(shí)程分析，得到豎向2 階模態(tài)下加速度時(shí)程曲線，見圖3?？芍逯导铀俣茸畲笾禐?.096 m/s2（小于0.5 m/s2），屬于CL1 最佳舒服度，滿足舒適性使用要求。

圖3 豎向2階模態(tài)下加速度時(shí)程曲線

3 耐候鋼設(shè)計(jì)

3.1 材料選擇

目前鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的防護(hù)方法尚不能做到一次處理即達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，長效防腐體系基本可維持15～20 年，設(shè)計(jì)年限內(nèi)最少需要 4～5 次涂裝，成本高，危害健康，污染環(huán)境?？缇€橋鋼結(jié)構(gòu)的防腐涂裝、維護(hù)和修理需要花費(fèi)大量的時(shí)間、人力和物力，甚至可能中斷鐵路運(yùn)輸。因此，跨鐵路橋梁采用免涂裝耐候鋼材是解決鋼結(jié)構(gòu)全壽命周期防腐問題的重要途徑。

耐候鋼是介于普通鋼材和不銹鋼材之間的低合金鋼，在鋼中加入合金元素，如Cu，P，Cr，Ni等，其在一定環(huán)境條件下表面銹蝕后會(huì)形成一層致密的非晶態(tài)銹層組織，可以防止鋼材進(jìn)一步銹蝕，對基層起到了持久保護(hù)作用［9］。國外已大量使用耐候鋼，尤其是美國、日本和加拿大［10-11］。我國高性能耐候鋼近些年才在橋梁上大規(guī)模使用，尚無設(shè)計(jì)規(guī)范和施工標(biāo)準(zhǔn)，但根據(jù)外國規(guī)范和國內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)研究結(jié)果，已經(jīng)在部分橋梁使用［12］。國內(nèi)部分耐候鋼橋使用情況見表1。

表1 國內(nèi)部分耐候鋼橋使用情況

由于耐候鋼在國內(nèi)生產(chǎn)和使用已趨于成熟，且本橋橋址無嚴(yán)重大氣污染，屬于非潮濕的地區(qū)，使用耐候鋼環(huán)境適宜。為減小鐵路站場上方跨線橋養(yǎng)護(hù)工作量，節(jié)約全壽命周期成本，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，本橋主體鋼材及焊接鋼材均采用免涂裝Q345qENH耐候鋼。

3.2 材料性能

國內(nèi)關(guān)于耐候鋼材料的規(guī)范主要有GB/T 4171—2008《耐候結(jié)構(gòu)鋼》，GB/T 714—2015《橋梁結(jié)構(gòu)用鋼》。耐候鋼一般采用耐大氣腐蝕性指數(shù)確定性能，要求其值在6.0及以上。本橋Q345qENH鋼化學(xué)成分和耐候指數(shù)見表2。交貨狀態(tài)為TMCP（thermomechanical processed），其耐腐蝕指數(shù)達(dá)到6.2，按6.0控制；最小焊材耐腐蝕指數(shù)為6.51，按6.5控制。根據(jù)設(shè)計(jì)文件涵蓋的焊接接頭形式對接接頭、全熔透T形接頭、T形接頭（無坡口）共11組焊接工藝進(jìn)行評定，均滿足相關(guān)要求。

表2 本橋Q345qENH耐候鋼化學(xué)成分及指標(biāo)

3.3 涂裝體系

根據(jù)橋址環(huán)境耐候鋼涂裝情況基本分為涂裝使用、半涂裝使用和免涂裝使用。耐候鋼最為常用且經(jīng)濟(jì)的使用方式是裸露使用。本橋地處西北，氣候干燥，采用了鋼箱梁外表面免涂裝、內(nèi)部涂裝的體系。伸縮縫處考慮雨水影響，梁端外表面采用長效型涂裝的整體涂裝體系。

鋼箱梁外表面采用噴砂清理，清理等級sa2.0。首先將鋼箱梁表面氧化鐵皮、油污、塵土等雜物清理干凈，然后采用噴淋表面處理液使之形成統(tǒng)一銹層。耐候鋼出廠時(shí)在其表面噴涂加速穩(wěn)定液，與鋼基體反應(yīng)形成一層均勻、致密的保護(hù)性銹層，可縮短施工周期，使出廠時(shí)外觀顏色一致，服役期顏色均勻，防止初期銹液污染環(huán)境。鋼結(jié)構(gòu)表面形貌如圖4所示。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)表面形貌

3.4 經(jīng)濟(jì)性能

耐候鋼被推廣使用的一個(gè)重要原因是其全壽命周期的經(jīng)濟(jì)性。它不僅減少了工廠和現(xiàn)場涂裝，加快建造速度，而且降低了維修養(yǎng)護(hù)的要求，節(jié)約了費(fèi)用。日本建設(shè)省土木研究所推算，耐候鋼橋與普通鋼橋的費(fèi)用指數(shù)相比，使用100 年后的普通鋼橋費(fèi)用為耐候鋼橋的 2 倍以上［9］。本橋涂裝總面積約 15 700 m2，其中外表面4 838 m2免涂裝。由于耐候鋼價(jià)格較普通鋼貴約1 000 元/t，建設(shè)初期采用耐候鋼成本較普通鋼貴約11%，但普通鋼全壽命周期成本約為耐候鋼的1.8倍，該指標(biāo)還尚未考慮采用普通鋼環(huán)保所增加的成本、中斷或干擾鐵路交通運(yùn)營帶來的附加成本，以及耐候鋼銹蝕小、重建回收價(jià)值利用率高等因素?？梢姴捎媚秃蜾撛阼F路跨線橋的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

3.5 后期管理養(yǎng)護(hù)

耐候鋼橋后期管理養(yǎng)護(hù)的重點(diǎn)是對鋼表面進(jìn)行灰塵和垃圾清理，保證排水系統(tǒng)順暢，檢查和維護(hù)連接部位，對銹層形成情況進(jìn)行評定［13］。需注意3方面：

1）箱梁外觀塵土、贓污和垃圾的積聚會(huì)促進(jìn)腐蝕，應(yīng)采用低壓水清除，但不可破壞銹層。

2）避免在鋼橋上及周圍使用除冰鹽、融雪劑等，防止其對鋼材的腐蝕。

3）在相同部位設(shè)置測點(diǎn)，采用目測評價(jià)法測量銹層厚度和銹層電化學(xué)特性、穩(wěn)定相檢測法定期檢測銹層形成情況和耐腐蝕性能，綜合評價(jià)銹層是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。建議每1～2 年目測檢查銹層的表面狀況、伸縮縫處排水及箱梁內(nèi)部情況，每6 年檢測關(guān)鍵部位鋼腐蝕率，第18年綜合評定銹層形成情況。

4 頂推施工

跨線橋梁施工常采用吊裝法、轉(zhuǎn)體法、頂推法［14］。本橋主跨上跨包蘭線、站區(qū)普走線等6條運(yùn)營鐵路，且與既有橋梁距離過近，吊裝和轉(zhuǎn)體施工均不便實(shí)施，因此采用安全系數(shù)高、施工便捷的多點(diǎn)同步步履式頂推法施工［15］。

4.1 施工方案

以南側(cè)新建輔橋?yàn)槔?，頂推立面布置如圖5所示。鋼箱梁采用工廠預(yù)制、節(jié)段支架拼裝，節(jié)段長度為10～14 m。在鐵路限界外布設(shè)臨時(shí)支墩以減小頂推跨徑，頂推最大懸臂42.5 m，導(dǎo)梁長25 m。3#，5#，7#，8#支架上墩頂橫向各布設(shè)2 個(gè)豎向400 t、縱橫向60 t 可三向協(xié)同調(diào)位的步履式千斤頂。4#，6#支架為組拼支架，9#支架為滑移支撐支架。總體施工步驟為：鐵路防護(hù)→支架搭設(shè)→節(jié)段拼裝→導(dǎo)梁安裝→（步履式頂推→節(jié)段拼裝，循環(huán)此步驟）→梁端就位→導(dǎo)梁拆除→整體落梁（落梁高度1.5 m）。

圖5 頂推立面布置（單位：m）

4.2 頂推分析

對頂推全過程進(jìn)行數(shù)值分析，最大懸臂狀態(tài)時(shí)鋼箱梁最大應(yīng)力約為65 MPa，滿足要求。當(dāng)鋼箱梁端到達(dá)8#支架時(shí)為最大支反力狀態(tài)。為避免頂推時(shí)箱梁腹板局部失穩(wěn)，在箱梁2 個(gè)斜腹板內(nèi)側(cè)間隔50 cm 設(shè)置1塊厚12 mm的梯形加勁板。采用歐洲規(guī)范EN 1993-1-5和GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對腹板進(jìn)行檢算，考慮短加勁影響，其局部穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

采用MIDAS FEA 有限元軟件建立施工階段局部板殼模型進(jìn)行屈曲模態(tài)分析，得出斜腹板局部1 階屈曲模態(tài)為沿腹板上下部縱向加勁肋面外反對稱彎曲，穩(wěn)定系數(shù)為4.82，滿足安全要求。

本橋已于2018年底順利完成全橋施工，為我國首個(gè)采用免涂裝耐候鋼的跨鐵路線橋梁（圖6）。

圖6 橋梁竣工圖

5 結(jié)論

本文介紹了銀川市賀蘭山路跨鐵路站場人行和非機(jī)動(dòng)車跨線橋耐候鋼箱梁的設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵點(diǎn)，得到以下結(jié)論：

1）大跨度鋼結(jié)構(gòu)人行專用橋剛度小，自振頻率很難滿足國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范要求，須結(jié)合國外規(guī)范進(jìn)行人致振動(dòng)舒適性分析。

2）跨線橋受后期維修養(yǎng)護(hù)限制，考慮養(yǎng)護(hù)便利、環(huán)保、全壽命周期成本等因素，建議在橋址環(huán)境允許的情況下采用免涂裝耐候鋼，同時(shí)注意耐候鋼設(shè)計(jì)、施工和管理養(yǎng)護(hù)的相關(guān)要點(diǎn)。

3）跨線橋頂推施工要充分考慮施工條件，綜合分析板件的局部受力情況，避免失穩(wěn)，應(yīng)加強(qiáng)高位落梁的線形和安全性控制。