馬坤全， 孫運(yùn)通， 陳 昊

( 同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系，上海 200092)

0 引言

某鐵路大型車站改建工程，為確保大規(guī)模軟土深基坑開(kāi)挖期間營(yíng)業(yè)線的運(yùn)營(yíng)安全，盡可能減小施工對(duì)列車運(yùn)營(yíng)的影響，該工程施工設(shè)計(jì)時(shí)采用臨時(shí)便橋結(jié)構(gòu)滿足本站臨時(shí)過(guò)站正線的安全運(yùn)營(yíng)需要，最終實(shí)現(xiàn)南北基坑區(qū)基坑一次開(kāi)挖的總體目標(biāo)。該方案成功實(shí)現(xiàn)了一次架空雙線鐵路干線，上跨大規(guī)模基坑工程的目標(biāo)，有效地克服了傳統(tǒng)的便梁方案跨度有限、單股道架空、限速較低等對(duì)行車產(chǎn)生較大影響的缺點(diǎn)，從而達(dá)到縮短工程建設(shè)總工期、減少深基坑施工對(duì)臨時(shí)過(guò)站正線行車影響、提高工程施工及營(yíng)業(yè)線運(yùn)營(yíng)安全度的最終目標(biāo)。

臨時(shí)鐵路便橋采用鋼格構(gòu)柱+支撐+現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板連續(xù)剛構(gòu)體系，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為133．6 m，寬度為12．9 m?；A(chǔ)采用鉆孔灌注樁，內(nèi)插L200 ×200 ×20 mm 四肢角鋼加工而成的綴板式格構(gòu)柱［1］，插入深度6 m，鋼格構(gòu)柱伸入梁體85 cm，鋼格構(gòu)柱最大外露高度約22 m，立柱縱向間距最大為6．0 m，最小3．8 m，共24 跨，鐵路便橋結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該便橋結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式明顯不同于常見(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)［2］，也不同于傳統(tǒng)的鋼便梁結(jié)構(gòu)［3］，且其結(jié)構(gòu)體系伴隨深基坑挖土施工而不斷發(fā)生變化，因此，對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行系統(tǒng)分析對(duì)于結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)和深基坑的挖土施工有著重要的參考價(jià)值和理論意義。

圖1 臨時(shí)鐵路便橋立面圖

1 分析工況

根據(jù)臨時(shí)鐵路便橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及土方開(kāi)挖和支撐施工順序，擬對(duì)如下5 個(gè)便橋施工狀態(tài)進(jìn)行全橋體系動(dòng)力特性分析。

狀態(tài)Ⅰ:臨時(shí)鐵路便橋橋面澆筑完畢，并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在便橋區(qū)域土方平衡開(kāi)挖至-5．70 m 處( 圖2) 。

狀態(tài)Ⅱ:便橋區(qū)域土方開(kāi)挖至-8．30 m 處，焊接完第1 層剪刀撐，并澆筑完第1 層圈梁( 圖3) 。

圖2 狀態(tài)Ⅰ便橋結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 狀態(tài)Ⅱ便橋結(jié)構(gòu)示意圖

狀態(tài)Ⅲ:便橋區(qū)域土方開(kāi)挖至-14．45 m，焊接完第2 層剪刀撐，并澆筑完第2 層圈梁( 圖4) 。

狀態(tài)IV:便橋區(qū)域土方開(kāi)挖至-20．45 m，焊接完第3 層剪刀撐，并澆筑完第3 層圈梁。

狀態(tài)V:臨時(shí)鐵路便橋區(qū)域土方平衡開(kāi)挖至坑底，隨挖隨澆300 mm 厚C40 早強(qiáng)混凝土加筋墊層，并焊接第4 層剪刀撐( 圖5) 。

圖4 狀態(tài)Ⅲ便橋結(jié)構(gòu)示意圖(單位:mm)

圖5 狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)示意圖

2 便橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算模型及參數(shù)

2．1 動(dòng)力計(jì)算模型

采用MIDAS/CIVIL 建立便橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算模型，并計(jì)算全橋體系動(dòng)力特性。鋼筋混凝土板梁及墊層混凝土采用空間板殼單元模擬，鋼格構(gòu)柱、剪刀撐及圈梁均采用空間桿單元模擬; 鋼格構(gòu)柱與板梁固結(jié)，連續(xù)墻對(duì)板梁的支撐按縱向活動(dòng)鉸支座考慮;樁基對(duì)墩梁體系的彈性約束作用通過(guò)在柱底( 樁頂) 施加彈性剛度矩陣加以考慮，基礎(chǔ)等效彈性剛度矩陣采用自編的Pile 程序按照實(shí)際土層資料根據(jù)“m”法進(jìn)行計(jì)算［4］;橋上軌道結(jié)構(gòu)( 道砟、軌枕、鋼軌等構(gòu)件) 等二期恒載作為附加質(zhì)量施加在板梁上。典型施工狀態(tài)對(duì)應(yīng)的便橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算模型如圖6 ～圖8 所示。

圖6 狀態(tài)I 便橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算模型

圖7 狀態(tài)III 便橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算模型

圖8 狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算模型

2．2 主要計(jì)算參數(shù)

板梁、圈梁及混凝土墊層均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，考慮到混凝土的彈性模量在多次重復(fù)荷載作用后降低約20% ～25%［5］，因此，板梁、圈梁及混凝土墊層的彈性模量取為0．8E = 2．72 ×104MPa。

3 便橋動(dòng)力特性

3．1 臨時(shí)鐵路便橋結(jié)構(gòu)方案

為了計(jì)算分析不同便橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，從而為干線鐵路便橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供優(yōu)化方案，參考某大型鐵路車站改建工程臨時(shí)鐵路便橋的設(shè)計(jì)擬定了以下四種便橋結(jié)構(gòu)方案。

(1) 有連續(xù)墻支撐，采用鋼筋混凝土圈梁，即為鐵路車站改建工程鐵路臨時(shí)便橋設(shè)計(jì)方案，便橋結(jié)構(gòu)借用了深基坑圍護(hù)設(shè)置的連續(xù)墻。

(2) 無(wú)連續(xù)墻支撐，采用鋼筋混凝土圈梁，即模擬無(wú)深基坑圍護(hù)用連續(xù)墻對(duì)便橋結(jié)構(gòu)的支撐( 約束) 作用情況。

(3) 有連續(xù)墻支撐，圈梁采用28a 槽鋼( 同剪刀撐型號(hào)) 。

(4) 無(wú)連續(xù)墻支撐，圈梁采用28a 槽鋼( 同剪刀撐型號(hào)) 。

其中第(3) 、(4) 方案采用28a 槽鋼取代鋼筋混凝土圈梁，可大大縮短圈梁的施工周期，從而縮短便橋區(qū)域土體開(kāi)挖對(duì)列車運(yùn)營(yíng)影響的時(shí)間，并便于圈梁拆除及回收。

3．2 方案1 便橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

表1 為狀態(tài)V 便橋體系前5 階及梁體豎向1 階自振特性;圖9 ～圖13 為狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)的典型主振型。表2 所示方案1 便橋結(jié)構(gòu)5 個(gè)典型狀態(tài)豎、橫向基頻計(jì)算值。

表1 狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)自振特性

圖9 狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)縱飄振型(f=3．09 Hz)

圖10 狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)一階橫向撓曲振型(f=4．57 Hz)

圖11 狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)二階橫向撓曲振型(f=4．77 Hz)

圖12 狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)剪刀撐局部振動(dòng)模態(tài)(f=4．77 Hz)

圖13 狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)一階豎向撓曲模態(tài)(f=7．88 Hz)

表2 典型狀態(tài)便橋結(jié)構(gòu)豎、橫向基頻 Hz

由表2 可知，方案1 便橋結(jié)構(gòu)豎向剛度大于橫向剛度。

從表2 可看出，由于方案1 便橋結(jié)構(gòu)有兩個(gè)橫向剛度很大的連續(xù)墻對(duì)便橋的鋼筋混凝土板梁形成強(qiáng)大的橫向約束作用，且該便橋?yàn)殡p線橋( 板梁寬度達(dá)12．9 m) ，該便橋結(jié)構(gòu)的橫向剛度主要由上部結(jié)構(gòu)( 鋼筋混凝土梁體) 的橫向剛度控制，下部結(jié)構(gòu)( 包括鋼格構(gòu)柱及樁基礎(chǔ)) 橫向剛度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)整體橫向剛度影響不大，5 個(gè)便橋狀態(tài)的最大與最小橫向基頻相差低于5%。

分析表2 還可知，從狀態(tài)I 至狀態(tài)V，由于鋼格構(gòu)柱露出地面的長(zhǎng)度( 暴露于土體之外部分) 越來(lái)越長(zhǎng)，立柱的縱向剛度逐漸減小，因此，便橋結(jié)構(gòu)的豎向基頻呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律。

3．3 方案2 便橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

表3 表示方案2( 無(wú)連續(xù)墻支撐) 便橋結(jié)構(gòu)5 個(gè)典型狀態(tài)豎、橫向基頻計(jì)算值;圖14 為狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)一階橫向撓曲振型。

圖14 狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)一階橫向撓曲振型(f=2．29 Hz)

表3 方案2 典型狀態(tài)便橋結(jié)構(gòu)豎、橫向基頻 Hz

從表3 同樣可看出，方案2 便橋結(jié)構(gòu)( 無(wú)連續(xù)墻對(duì)鋼筋混凝土板梁的支撐) 豎向剛度明顯大于橫向剛度。

比較表3 與表2 可知，方案2 便橋結(jié)構(gòu)的橫向基頻較方案1 的相應(yīng)值明顯降低，兩個(gè)方案便橋結(jié)構(gòu)的豎向基頻則相差不大。

由圖15 可知，鋼格構(gòu)柱對(duì)便橋體系橫向振動(dòng)的參與作用是非常明顯的。

分析表3 可知，由于方案2 便橋結(jié)構(gòu)取消了兩個(gè)用作圍護(hù)深基坑的連續(xù)墻對(duì)鋼筋混凝土板梁的橫向約束作用，使得便橋上部結(jié)構(gòu)( 鋼筋混凝土板梁) 的橫向剛度大大降低，也顯著改變了便橋上、下部結(jié)構(gòu)的橫向剛度比，從而導(dǎo)致便橋下部結(jié)構(gòu)( 包括鋼格構(gòu)柱及樁基礎(chǔ)) 的橫向剛度對(duì)整個(gè)便橋體系的橫向剛度的作用明顯增強(qiáng)，方案2 便橋結(jié)構(gòu)從狀態(tài)I 至狀態(tài)V，由于鋼格構(gòu)柱露出地面的長(zhǎng)度( 暴露于土體之外部分)越來(lái)越長(zhǎng)，墩柱的橫向剛度逐漸減小，因此，便橋結(jié)構(gòu)的橫向基頻也出現(xiàn)較快減小的現(xiàn)象，狀態(tài)V 便橋的橫向基頻僅為狀態(tài)I 結(jié)構(gòu)相應(yīng)值的68．8%。同理，方案2 便橋結(jié)構(gòu)從狀態(tài)I 至狀態(tài)V，其豎向基頻也呈現(xiàn)逐漸減小的規(guī)律，狀態(tài)V 便橋的豎向基頻為狀態(tài)I 結(jié)構(gòu)相應(yīng)值的69．7%。

3．4 方案3 便橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

表4 表示方案3 便橋結(jié)構(gòu)5 個(gè)典型狀態(tài)豎、橫向基頻計(jì)算值。

比較表4 與表2 可知，盡管槽鋼的軸向及抗彎剛度略小于鋼筋混凝土圈梁，但其質(zhì)量也低于混凝土圈梁，因此，方案3 便橋結(jié)構(gòu)的豎、橫向基頻與方案1 的相應(yīng)值相差不大，且從狀態(tài)I 至狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)頻率的變化規(guī)律也基本一致。

表4 方案3 便橋結(jié)構(gòu)豎、橫向基頻 Hz

3．5 方案4 便橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

表5 表示方案4 便橋結(jié)構(gòu)5 個(gè)典型狀態(tài)豎、橫向基頻計(jì)算值。

比較表5 與表3 可知，方案4 便橋結(jié)構(gòu)的豎、橫向基頻與方案2 的相應(yīng)值相差不大，且從狀態(tài)I 至狀態(tài)V 便橋結(jié)構(gòu)頻率的變化規(guī)律也相差無(wú)幾。

表5 方案4 便橋結(jié)構(gòu)豎、橫向基頻 Hz

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)臨時(shí)鐵路便橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的計(jì)算分析，得到如下初步結(jié)論與建議。

(1) 便橋結(jié)構(gòu)的豎向計(jì)算頻率明顯大于其橫向頻率，該橋的動(dòng)力性能主要由其橫向剛度控制。

(2) 某鐵路車站改建工程臨時(shí)鐵路便橋設(shè)計(jì)方案( 方案1) 有效利用了兩個(gè)橫向剛度很大的連續(xù)墻對(duì)便橋的鋼筋混凝土板梁的強(qiáng)大橫向約束作用，使得該便橋上部結(jié)構(gòu)( 鋼筋混凝土板梁) 的橫向剛度明顯提高，大大弱化了下部結(jié)構(gòu)( 包括鋼格構(gòu)柱及樁基礎(chǔ)) 橫向剛度對(duì)便橋結(jié)構(gòu)整體橫向剛度的影響，從而顯著提高了全橋體系的橫向剛度，結(jié)構(gòu)橫向基頻達(dá)到4．57 Hz。

(3) 如無(wú)圍護(hù)基坑的連續(xù)墻對(duì)便橋梁體的橫向約束作用，則便橋下部結(jié)構(gòu)的橫向剛度對(duì)全橋體系的橫向剛度有著較大的影響，隨著基坑的逐步開(kāi)挖，墩柱的橫向剛度逐漸減小，使得便橋結(jié)構(gòu)的橫向頻率不

斷降低;無(wú)連續(xù)墻支撐便橋體系的橫向基頻僅為2．29 Hz( 對(duì)應(yīng)于基坑設(shè)計(jì)最大開(kāi)挖深度狀態(tài)) ，但仍大于參考《鐵路橋梁檢定規(guī)范》按等效剛度法計(jì)算的橋墩橫向自振頻率通常值1．80 Hz。

(4) 采用型鋼( 如與剪刀撐型號(hào)相同的槽28a) 代替橫、縱向鋼筋混凝土圈梁，對(duì)便橋結(jié)構(gòu)的整體橫向剛度影響甚微，而結(jié)構(gòu)豎向頻率略有提高( 型鋼質(zhì)量明顯小于混凝土圈梁) ;但這一方案可大大加快圈梁的施工速度，從而縮短便橋區(qū)域土體開(kāi)挖對(duì)列車運(yùn)營(yíng)影響的時(shí)間，并利于圈梁的拆除及回收。

(5) 我國(guó)目前的《檢規(guī)》及《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的橋墩或橋跨結(jié)構(gòu)橫向最低頻率和橫向振幅限值或通常值主要適用于混凝土實(shí)腹橋墩或簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，而該上跨軟土深基坑臨時(shí)鐵路便橋?yàn)殇摳駱?gòu)柱連續(xù)剛構(gòu)體系，因此，有關(guān)規(guī)范并不能直接用來(lái)評(píng)判該便橋的橫向剛度，有必要進(jìn)行客貨列車與便橋系統(tǒng)的空間耦合振動(dòng)分析，依據(jù)列車通過(guò)便橋全過(guò)程的運(yùn)營(yíng)性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)值對(duì)便橋結(jié)構(gòu)的豎、橫向剛度進(jìn)行綜合評(píng)估。

［1］沈祖炎，陳揚(yáng)驥，陳以一．鋼結(jié)構(gòu)基本原理［M］．2 版．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005．

［2］夏禾．橋梁工程［M］． 北京:高等教育出版社，2011．

［3］劉旭偉．貝雷梁便橋的檢算及安全使用方法［J］． 貴州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009(1) :120-123．

［4］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院．TB 10002．5—2005 鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．

［5］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院．TB 10002．1—2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范［S］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2005．