鐵路架橋機(jī)在阿布賈城鐵施工中的應(yīng)用研究

李福財(cái)

(中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038)

1 前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市在規(guī)模和人口方面也在不斷擴(kuò)大、增加，可供城市建設(shè)的用地越來(lái)越緊張[1]，群眾的日常出行與城市公共交通建設(shè)相對(duì)滯后的矛盾日益突出，作為能為公眾出行提供穩(wěn)定、方便、快捷、舒適、大運(yùn)量服務(wù)的城市軌道交通越來(lái)越被重視和采用，并且在未來(lái)將獲得長(zhǎng)足發(fā)展[2]。根據(jù)中國(guó)國(guó)內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截止2020年僅中國(guó)大城市的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程就超過(guò)8 000 km[3]。

由于地面線相較于高架橋梁線路和地下線路需要占用很多城市土地資源去布置線路及其附屬設(shè)施，因此高架橋梁線路和地下線路是城市軌道交通經(jīng)常采用的兩種不同立體交叉方式，而高架橋梁線路相較于地下線路無(wú)論是建設(shè)成本，還是建成后的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，都較為節(jié)省[4]。但是由于城市的既有公共設(shè)施以及既有建筑物的復(fù)雜性和多變性，以及大城市土地資源的稀缺性，在既有的城市范圍內(nèi)能為軌道交通的規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)提供的城市軌道交通走廊非常有限，因此在軌道交通的規(guī)劃設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)采取小半徑曲線和大坡度來(lái)避開(kāi)上述困難地段，這些困難地段必將給軌道交通建設(shè)中的高架橋梁架設(shè)帶來(lái)不便。

2 工程概況

阿布賈城鐵位于尼日利亞首都阿布賈市，規(guī)劃線路總長(zhǎng)度為101.819 km，設(shè)計(jì)和施工全部采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，其中正線及輔助線軌道采用60 kg/m鋼軌，扣件采用彈條Ⅱ型扣件，軌枕采用中心間距為600 mm的新Ⅱ型混凝土軌枕[5]31。

全線高架線路總長(zhǎng)度為1.538 km，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為跨度32 m的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支T梁，梁體自重120 t，線路最小曲線半徑為400 m，線路的最大限制坡度為 30‰[5]31。

3 簡(jiǎn)支T梁架設(shè)方案簡(jiǎn)述

橋梁的架設(shè)有人工架梁、機(jī)械架梁兩種方式。人工架梁僅適用于預(yù)制梁數(shù)量少、橋群分散、交通不便，且建設(shè)預(yù)制梁場(chǎng)需要征地拆遷的工作量較大、臨時(shí)工程量較大的個(gè)別情況下，在施工現(xiàn)場(chǎng)的適當(dāng)位置搭設(shè)滿堂式、長(zhǎng)梁式、墩梁式或者獨(dú)立支柱式的膺架并在其上預(yù)制梁片，待梁片強(qiáng)度達(dá)標(biāo)后鋪設(shè)滑道進(jìn)行人工橫移就位落梁，其優(yōu)點(diǎn)是大臨工程和專用設(shè)備投入較少，缺點(diǎn)是架設(shè)速度較慢，且對(duì)操作人員的技術(shù)水平依賴度較高。機(jī)械架梁一般在專用梁場(chǎng)批量預(yù)制梁片，運(yùn)梁車(chē)輛運(yùn)輸待架梁片到達(dá)橋頭，采用專用架梁設(shè)備將預(yù)制梁片吊裝就位，其優(yōu)點(diǎn)是架設(shè)速度快、安全性高，缺點(diǎn)是專用架梁設(shè)備的一次性投入較高，鐵路簡(jiǎn)支梁一般采用專用架橋機(jī)進(jìn)行機(jī)械架梁。對(duì)于以高架橋梁為主的城市軌道交通建設(shè)來(lái)講，人工架設(shè)預(yù)制T梁遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足工期和質(zhì)量安全的要求，但是城市軌道交通具有曲線半徑較國(guó)鐵小、限制坡度較國(guó)鐵大等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制作專門(mén)用于某一城市軌道交通的架橋機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)、費(fèi)用較高，給項(xiàng)目的前期成本投入帶來(lái)壓力[6]。

4 架梁設(shè)備選型

4.1 經(jīng)濟(jì)性分析

尼日利亞市場(chǎng)既有的鐵路架橋機(jī)主要為單導(dǎo)梁架橋機(jī)，例如DJ168型、DJ180型單導(dǎo)梁鐵路架橋機(jī)，施工方案主要是通過(guò)鐵路輪軌車(chē)輛運(yùn)輸鐵路T梁到達(dá)待架梁的橋頭適當(dāng)位置，再將T梁換裝到運(yùn)架平車(chē)上，經(jīng)運(yùn)梁平車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn)到待架梁位置進(jìn)行喂梁、捆梁、吊裝就位的運(yùn)架方案[7]14-23。該類型鐵路架橋機(jī)已經(jīng)在尼日利亞市場(chǎng)成功架設(shè)了640片鐵路T梁，施工工藝成熟、操作人員配備齊全。

因此選擇既有市場(chǎng)的DJ168或DJ180型單導(dǎo)梁鐵路架橋機(jī)，可以很好地利用既有設(shè)備、操作人員以及備品備件等資源；同時(shí)在確保安全質(zhì)量的前提下，對(duì)于加快施工進(jìn)度、節(jié)省工程施工成本有著舉足輕重的作用，在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

4.2 技術(shù)性分析

由于DJ168、DJ180型單導(dǎo)梁架橋機(jī)屬于同類型的產(chǎn)品，因此本文以DJ168型單導(dǎo)梁鐵路架橋機(jī)為例進(jìn)行闡述。根據(jù)《DJ168型單導(dǎo)梁鐵路架橋機(jī)使用說(shuō)明書(shū)》中對(duì)架橋機(jī)操作過(guò)程中17個(gè)工況進(jìn)行的分析，操作過(guò)程中的工況15為最不利工況，此時(shí)架橋機(jī)最后端的3號(hào)柱抬起，如圖1所示[7]12。

圖1 工況15條件下梁體頂部受力(單位:m)

此時(shí)作用在預(yù)制T梁上的荷載有集中荷載和分布荷載兩種，分布荷載主要是由預(yù)制T梁的自重所產(chǎn)生，荷載大小等于單位長(zhǎng)度上預(yù)制T梁的重量所產(chǎn)生的重力；集中荷載主要是作用于距離前支點(diǎn)13.7 m處的2號(hào)柱施加給預(yù)制T梁頂部的最大壓力值P2，荷載大小等于預(yù)制T梁承受的集中荷載，即113.4 t，此處梁體抗彎能力與跨中相同，預(yù)制T梁所受彎矩等于上述兩種荷載共同作用下所產(chǎn)生的彎矩之和。

4.2.1 集中荷載作用下預(yù)制T梁所受彎矩

根據(jù)材料力學(xué)原理，集中荷載作用下預(yù)制T梁所受彎矩按式(1)計(jì)算[8]122。

式中，M1為集中荷載作用下梁體發(fā)生豎向彎曲變形時(shí)，所產(chǎn)生的彎矩大小(kN·m)；P為集中荷載的大小(kN)；l為受力桿件的長(zhǎng)度，即橋梁跨度(m)；a和b分別為集中荷載作用下，受力點(diǎn)距離前后兩端的距離(m)。

因此，集中荷載作用下單片預(yù)制T梁所受彎矩值M1計(jì)算如下:

4.2.2 分布荷載作用下預(yù)制T梁所受彎矩

根據(jù)材料力學(xué)原理，分布荷載作用下預(yù)制T梁所受彎矩按式(2)計(jì)算[8]126。

式中，M2為分布荷載作用下梁體發(fā)生豎向彎曲變形時(shí)，所產(chǎn)生的彎矩大小(kN·m)；q為預(yù)制T梁自重條件下分布荷載的大小(kN)；l為受力桿件的長(zhǎng)度，即橋梁跨度(m)。

因此，分布荷載作用下單片預(yù)制T梁所受彎矩值M2計(jì)算如下:

4.2.3 共同作用下預(yù)制T梁所受彎矩

根據(jù)材料力學(xué)原理，在集中荷載和分布荷載共同作用下，單片預(yù)制T梁在豎向所產(chǎn)生的彎矩M等于集中荷載作用下預(yù)制T梁所受彎矩M1與分布荷載作用下預(yù)制 T梁所受彎矩M2的總和[8]128，即4 353.42+4 704.00=9 057.42 kN·m。

綜上分析，在最不利工況條件下DJ168型單導(dǎo)梁鐵路架橋機(jī)在梁上作業(yè)時(shí)橋梁跨中彎矩值為9 057.42 kN·m，小于預(yù)制T梁設(shè)計(jì)時(shí)橋梁跨中最大允許彎矩值9 893 kN·m，滿足受力要求，由此得知阿布賈城鐵使用DJ168型單導(dǎo)梁鐵路架橋機(jī)架梁是安全的。

5 運(yùn)梁車(chē)通過(guò)小半徑曲線的可行性分析

阿布賈城鐵的預(yù)制T梁在鐵路運(yùn)輸中屬于超級(jí)超限貨物，因此預(yù)制T梁在運(yùn)輸過(guò)程中是否能滿足通過(guò)小半徑曲線的各項(xiàng)要求，成為鐵路架橋機(jī)在城市軌道交通施工中應(yīng)用的成敗關(guān)鍵之一。

阿布賈城鐵的預(yù)制T梁計(jì)劃采用分片式預(yù)制、分片架設(shè)的方式進(jìn)行架設(shè)，即在適宜的場(chǎng)地內(nèi)提前預(yù)制T梁并做好存儲(chǔ)，待路基工程、橋涵工程等線下工程施工完畢后，將預(yù)制T梁通過(guò)鐵路運(yùn)輸車(chē)推送到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行架設(shè)[5]36。為了安全運(yùn)輸長(zhǎng)度為32 m的預(yù)制T梁，需要將長(zhǎng)度為13.93 m的3輛N17型鐵路運(yùn)輸平板車(chē)連掛在一起，確保運(yùn)輸車(chē)輛總長(zhǎng)度大于預(yù)制T梁的長(zhǎng)度。采用3輛N17型鐵路運(yùn)輸平板車(chē)編組連掛在一起運(yùn)輸一片T梁時(shí)，兩側(cè)的平板車(chē)為承重車(chē)輛，負(fù)責(zé)支撐預(yù)制T梁的全部重量，運(yùn)輸平板車(chē)頂部安裝有固定支座和活動(dòng)支座，允許預(yù)制T梁在通過(guò)曲線地段時(shí)出現(xiàn)縱向移動(dòng)現(xiàn)象；而中間的平板車(chē)為游車(chē)，不承受T梁的任何重量，僅起到連接平板車(chē)的作用[9]。

5.1 橫向水平力檢驗(yàn)

一片預(yù)制T梁被3輛連掛的鐵路運(yùn)輸列車(chē)通過(guò)曲線地段過(guò)程中，梁體會(huì)發(fā)生橫向彎曲變形并產(chǎn)生橫向的彎矩，根據(jù)材料力學(xué)原理，彎矩?cái)?shù)值大小按式(3)計(jì)算[8]130。

式中，M0為預(yù)制T梁的彎矩(kN·m)；E為預(yù)制T梁的彈性模量(Pa)，根據(jù)設(shè)計(jì)得知E=3.5×1010Pa；I為預(yù)制T梁的慣性矩，根據(jù)設(shè)計(jì)得知I=0.863 6 m4；R為材料的彎曲半徑(m)，此時(shí)彎曲半徑就等于該曲線半徑大小[5]33-34。

因此，當(dāng)列車(chē)通過(guò)400 m半徑的曲線地段時(shí)，預(yù)制T梁的彎矩M0計(jì)算如下:

根據(jù)材料力學(xué)原理可知，預(yù)制T梁彎矩等于其所受的橫向反力F與其兩支點(diǎn)間的距離乘積得來(lái)[8]123，而兩支點(diǎn)間的距離就約等于整個(gè)預(yù)制T梁的跨度32 m。而預(yù)制T梁所受的橫向反力F會(huì)通過(guò)運(yùn)梁支架經(jīng)平板車(chē)的車(chē)輪傳遞給走行鋼軌上，因此作用在鋼軌上的橫向反力等于預(yù)制T梁所受的橫向反力F值[10]，即為75 565.00 ÷32=2 361.41 kN。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件描述，單個(gè)彈條Ⅱ型扣件所允許的橫向力為40 kN[5]37，3輛車(chē)長(zhǎng)所占用的線路長(zhǎng)度范圍內(nèi)可以布置70套彈條Ⅱ型扣件，因此該段線路扣件所允許的橫向力為40×70=2 800 kN，該值大于作用在鋼軌上的橫向反力2 361.41 kN，由此可知預(yù)制T梁運(yùn)輸車(chē)可以順利通過(guò)該段400 m半徑的小半徑曲線。

5.2 竄動(dòng)量計(jì)算

平板車(chē)上安裝有固定支座，可以起到對(duì)預(yù)制T梁進(jìn)行縱、橫向限位的功能。當(dāng)預(yù)制T梁運(yùn)輸列車(chē)在曲線地段運(yùn)行時(shí)，預(yù)制T梁外側(cè)與內(nèi)側(cè)仍然維持原來(lái)的長(zhǎng)度不變。預(yù)制T梁外側(cè)將產(chǎn)生向平板車(chē)內(nèi)側(cè)的收縮變化，預(yù)制T梁內(nèi)側(cè)將產(chǎn)生向平板車(chē)外側(cè)的伸長(zhǎng)變化，這些變化會(huì)使預(yù)制T梁沿水平方向產(chǎn)生相對(duì)于固定支座的竄動(dòng)?？紤]預(yù)制T梁支撐在活動(dòng)支座上所受的阻力可以忽略不計(jì)，因此預(yù)制T梁的竄動(dòng)量就相當(dāng)于預(yù)制T梁外側(cè)基于軌道上方的鐵路運(yùn)輸平板車(chē)頂面寬度中心位置的伸長(zhǎng)量，根據(jù)材料力學(xué)原理，竄動(dòng)量按式(4)計(jì)算[8]138-139。

式中，Δ為預(yù)制T梁的竄動(dòng)量(m)；S為預(yù)制T梁外側(cè)至運(yùn)輸列車(chē)頂面寬度中心的平面距離，等于運(yùn)輸車(chē)輛頂寬的一半，即1.9 m；l為預(yù)制T梁的跨度(m)；R為曲線半徑(m)。

因此，預(yù)制T梁運(yùn)輸列車(chē)在400 m半徑的小半徑曲線地段運(yùn)行時(shí)，預(yù)制T梁的竄動(dòng)量Δ計(jì)算如下:

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到預(yù)制T梁運(yùn)輸車(chē)通過(guò)該段400 m半徑的小半徑曲線會(huì)產(chǎn)生最大竄動(dòng)量為0.04 m，小于活動(dòng)支座的最大允許值0.25 m[5]32，由此，預(yù)制T梁運(yùn)輸車(chē)在通過(guò)上述小半徑曲線地段時(shí)可以確保預(yù)制T梁始終處于自由狀態(tài)。

6 運(yùn)梁車(chē)通過(guò)大坡道的可行性分析

6.1 牽引力檢算

推送預(yù)制T梁進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)力設(shè)備擬采用DF4B型內(nèi)燃機(jī)車(chē)，其自重為108 t、機(jī)車(chē)的輪周最大啟動(dòng)牽引力為326.8 kN[11]。

6.1.1 機(jī)車(chē)車(chē)輛的整備質(zhì)量

根據(jù)總進(jìn)度計(jì)劃安排，每日需要架設(shè)預(yù)制T梁2孔(折合4片)，因此每次機(jī)車(chē)將推送4片預(yù)制T梁前往施工現(xiàn)場(chǎng)，此時(shí)4片預(yù)制T梁的總重量為4×120=480 t，18輛鐵路運(yùn)輸平板車(chē)的自重為18 ×20=360 t，機(jī)車(chē)自重 108 t。

因此機(jī)車(chē)車(chē)輛的整備質(zhì)量等于所運(yùn)輸?shù)念A(yù)制T梁重量與12輛連掛的鐵路運(yùn)輸平板車(chē)、機(jī)車(chē)自重的總和，即480+108+360=948 t。

6.1.2 列車(chē)全阻力

當(dāng)機(jī)車(chē)推送預(yù)制T梁運(yùn)輸列車(chē)在曲線地段啟動(dòng)時(shí)，將受到坡道附加阻力、曲線附加阻力、起動(dòng)附加阻力、坡道阻力的影響。在縱坡為30‰的城市軌道交通的坡道上，坡道附加阻力、曲線附加阻力、起動(dòng)附加阻力等相對(duì)于坡道阻力來(lái)講影響甚微，此處暫時(shí)忽略上述附加阻力的影響，僅考慮坡道阻力，以坡道阻力代替全阻力。

列車(chē)的全阻力與線路的最大限制坡度有關(guān)，列車(chē)的全阻力等于列車(chē)整備重量在坡道方向的分力大小，列車(chē)的全阻力方向?yàn)槠叫杏谄碌婪较蝽樒孪蛳隆８鶕?jù)《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》規(guī)定，機(jī)車(chē)車(chē)輛所受到的全阻力按式(5)計(jì)算[12]3-5。

式中，W為機(jī)車(chē)車(chē)輛所受到的全阻力(kN)；Q為機(jī)車(chē)車(chē)輛的整備重量(t)；i為最大限制坡度，此處取值為30‰；g為重力加速度。

因此，當(dāng)機(jī)車(chē)推送預(yù)制T梁運(yùn)輸列車(chē)在縱坡為30‰的坡道上啟動(dòng)時(shí)，機(jī)車(chē)車(chē)輛所受到的全阻力W計(jì)算如下:

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到此時(shí)的列車(chē)阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)車(chē)的輪周最大啟動(dòng)牽引力326.8 kN，由此可知機(jī)車(chē)在該曲線地段能夠滿足牽引力的要求，可以推送運(yùn)梁車(chē)順利通過(guò)該地段。

6.2 制動(dòng)力檢算

當(dāng)在長(zhǎng)大坡道線路地段行駛過(guò)程中遇有緊急事件發(fā)生，機(jī)車(chē)車(chē)輛必須進(jìn)行制動(dòng)剎車(chē)，此時(shí)的機(jī)車(chē)車(chē)輛應(yīng)具備足夠的制動(dòng)力，以確保整列列車(chē)在該長(zhǎng)大坡道地段可以緊急停車(chē)制動(dòng)。因此預(yù)制T梁在運(yùn)輸過(guò)程中是否能滿足通過(guò)長(zhǎng)大坡道地段的制動(dòng)要求，也成為鐵路架橋機(jī)在城市軌道交通施工中應(yīng)用的成敗關(guān)鍵之一。

為了確保在坡道上行駛的機(jī)車(chē)車(chē)輛在制動(dòng)情況下不再沿著坡道下滑，其制動(dòng)力B應(yīng)大于或等于機(jī)車(chē)車(chē)輛的整備重量在坡道方向的分力W，即B≥W。

6.2.1 列車(chē)單位制動(dòng)力

根據(jù)《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》規(guī)定，列車(chē)的單位制動(dòng)力按式(6)計(jì)算[12]10。

式中，b為列車(chē)的單位制動(dòng)力(N/kN)；φ為換算摩擦系數(shù)，取值為0.402；ψ為列車(chē)換算制動(dòng)率，取值為0.28。

因此，在阿布賈城鐵工程線路上行駛的列車(chē)，其單位制動(dòng)力b值為1 000×0.402×0.28=112.56 N/kN。

6.2.2 列車(chē)制動(dòng)力

根據(jù)《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》規(guī)定，此時(shí)列車(chē)的制動(dòng)力按式(7)計(jì)算[12]5-14。

式中，B為列車(chē)的制動(dòng)力(kN)；Q為機(jī)車(chē)車(chē)輛的整備重量(t)；g為重力加速度；b為列車(chē)的單位制動(dòng)力(N/kN)。

因此，預(yù)制T梁運(yùn)輸列車(chē)在阿布賈城鐵工程線路上行駛時(shí)，列車(chē)的制動(dòng)力B計(jì)算如下:

經(jīng)過(guò)計(jì)算得知列車(chē)制動(dòng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于列車(chē)整備重量沿坡道方向的分力278.71 kN，由此在遇到特殊情況需要制動(dòng)剎車(chē)時(shí)，機(jī)車(chē)車(chē)輛具備足夠的制動(dòng)力。

7 結(jié)束語(yǔ)

上述分析從理論的角度研究了DJ168型單導(dǎo)梁鐵路架橋機(jī)在尼日利亞首都阿布賈城鐵施工中應(yīng)用的可行性，可以為類似的施工項(xiàng)目提供借鑒和參考。

由于建設(shè)工程項(xiàng)目的時(shí)間跨度長(zhǎng)、外界影響因素較多，鐵路架橋設(shè)備在類似城市軌道交通的規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目具體情況、工程的難易程度等因素，充分考慮擬選用架橋設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)可行性，特別是針對(duì)架橋設(shè)備在預(yù)制T梁上作業(yè)時(shí)的各種施工工況，以及不同預(yù)制T梁的運(yùn)輸方式進(jìn)行理論分析，最終選擇合理可行的架橋設(shè)備、施工工藝和方法，為項(xiàng)目建設(shè)創(chuàng)造了更好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。