刘吉元 王 丽
（中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京 100081）
摘 要：为适应岔区线路加固的需要，将既有D16型施工便梁的横梁由4.4m加长至5.505m，截面相应加高并增强了与纵梁间的连接。根据岔区线路上列车实际运行情况，从强度、刚度及连接三方面对便梁进行了验算。验算结果表明：横向加宽后D16型施工便梁的构件应力、静活载挠跨比及连接螺栓抗剪强度均能满足相关规范要求，横向刚度较大，能够满足列车限速45km/h的通过要求，可以在岔区线路加固中使用。
关键词：施工便梁；岔区；线路加固；应用
京包线K606+004处2-3.0m盖板涵位于车站内，为满足新的防洪要求，计划将其扩建为2-5.0m+ 1-4.0m+1-8.0m框构涵。改造后的框构涵上共包含3股线路（京包上、下行线与安全线）及两组12号单开道岔（4号和6号），如图1所示。
根据工点处线路特点，先用D16型施工便梁对非道岔区线路进行加固［1］，顶进中间1-4.0m框构涵，施工完成后再以此框构涵作为一侧支点，用D16型施工便梁加固两侧道岔区线路后再顶进2-5.0m和1-8.0m框构涵。为满足京包下行线上两组单开道岔转辙机操作空间的要求，需要将中间的D16型便梁进行加宽改造，经计算施工便梁的横梁长度由原来的4.4m加长至5.505m即可满足要求。
同时，对加固范围内的混凝土轨枕间进行木枕加密，支墩间线路增设“3-5-3”扣轨梁，加密木枕、既有枕木与“3-5-3”扣轨梁间通过U形螺栓、扣铁固定，与施工便梁横梁间通过U形螺栓、角钢固定。架设各股道便梁时，在支墩、既有框构涵与便梁接触处均设置限位装置，以防便梁横向滑动。施工期间列车限速45km/h。
图1 岔区线路加固施工示意 m
横梁加长后的D16型施工便梁的纵、横梁及斜杆能否满足受力要求，便梁与加固后的轨排形成的组合结构能否满足线上列车运营要求，均需进行详细的检算。
改造后的施工便梁由纵梁、横梁及斜杆组成，其中纵梁为箱型截面，共计2根，单根长度16.4m，跨中8.0m范围内上、下缘设有加强盖板；横梁为工字形截面，共计25根，单根长度5.505m，通过牛腿和节点板与纵梁相连；斜杆为角钢，单根长度0.814m，通过螺栓连于横梁下缘，如图2、图3所示，纵梁、横梁及斜杆的截面特性见表1。施工便梁横梁截面改变，自重增大，且线路在便梁上的横向位置偏向一侧致使纵横梁连接处的受力增大，因此重新设计了连接构造，如图4所示。
图2 便梁构造轮廓示意
图3 便梁主要构件截面（未示加劲肋）
图4 D16型施工便梁纵、横梁连接示意
表1 主要构件截面特性
部位 截面面积A/cm2形心高度y/cm截面惯性矩I/cm4A-A截面B-B截面C-C截面D-D截面斜杆463.2 556.8 105.2 98.0 14.0 43.80 45.00 14.60 15.60 2.24 620 379.9 804 910.5 161 57.0 147 25.1 72.5
3.1 恒 载
1）自重。Q345B钢材重力密度为78.5kN/ m3，木枕重力密度为9.0kN/m3。
2）二期恒载。60kg钢轨；Ⅱ型枕及岔枕，纵向间距按0.66m计；加密木枕宽0.2m，高0.22m，长3.5m，纵向间距按0.66m计；“3-5-3”扣轨梁，由5kN钢轨组成；转辙机每个重2kN。将钢轨、轨枕、加密木枕、扣轨荷载换算为作用在横梁上（2.5m范围内）的均布荷载，非岔区与岔区范围内每根横梁上的均布荷载分别为3.432，3.656kN/ m；将转辙机荷载换算为集中力作用在相邻2根横梁上，每根横梁上的集中力为1.0kN，距线路中心2.55m。
3.2 活 载
1）活载：中-活载［2］。按文献［3］，当列车限速v=45km/h过桥时，动力系数可按式（1）计算：
对于纵梁，L按计算跨度取值，L=16.08m，动力系数1+μ=1.281；对于横梁及斜杆，L按影响线长度取值，L=6.7m，动力系数1+μ=1.337。
2）横向摇摆力：100kN集中力，以最不利位置水平方向垂直线路中心线作用于钢轨顶面。
3）离心力：列车速度取45km/h，12号道岔的曲线半径取350m，则对集中活载的离心力FN=10.02kN，对分布活载的离心力Fq=4.19kN/m，均水平向外作用于轨顶以上2.0m处。
3.3 附加力
附加力中仅考虑风荷载的影响。按文献［2］计算作用在纵梁上的横向风荷载为：桥上有车时q1= 1.095kN/m，桥上无车时q2=1.369kN/m。列车受风面积按3.0m高长方带计算，则作用在列车上的横向风荷载为q0=3.651kN/m，作用点在轨顶以上2.0m高度处。
3.4 荷载工况及组合
结合本工点两处施工便梁加固京包下行线的情况，列车共有3种运行方式经过横梁加长后的施工便梁，由此建立相应活载工况。1）工况1：直线进入，直线驶出；2）工况2：6号道岔进入，直线驶出；3）工况3：直线进入，4号道岔驶出。
进行验算的荷载组合有：1）按结构的主受力方向（竖向）进行强度验算组合“自重+二期恒载+活载”，其中活载按各工况分别计算；2）横向刚度验算组合“横向摇摆力+离心力（曲线工况）+风力”。
3.5 计算模型
采用MIDAS CIVIL软件建立空间有限元模型，根据结构整体受力特点，将结构模拟为纵横梁和轨排两个体系（图5），体系之间按仅受压连接考虑。模型中轨排体系不作为受力构件，只考虑其在计算活载效应时对竖向力的分配作用。
图5 模型轨排及纵横梁体系
在纵横梁体系中，共包含结点304个，梁单元375个。纵梁长16.4m，中间8.0m范围内采用带加强盖板的截面，其余采用不带加强盖板的截面，不考虑加劲肋。横梁长5.505m，采用工字形截面，横梁与纵梁之间按铰接考虑。斜杆采用角钢截面，与横梁共节点连接。边界条件按一端固定、一端活动考虑。
在轨排体系中，共包含结点295个，梁单元486个。木枕长3.5m，间距0.67m，共计25根，对应支撑在横梁上；混凝土枕长2.5m，为方便建模混凝土枕也按间距0.67m布置，共计24根；扣轨长16.08m，截面简化为矩形截面（按刚度等效），与木枕、混凝土枕相连；钢轨采用虚拟梁单元，不考虑其对结构整体受力的影响。
二期恒载中，转辙机荷载作为集中力加载到横梁上，其余二期恒载作为均布荷载施加到以线路中心线为中心的2.5m范围内横梁上。活载通过轨排体系中的虚拟车道加载；横向摇摆力、离心力和风力均换算到横梁平面上加载。
4.1 强度验算
D16型施工便梁的纵、横梁材质均为Q345B，按文献［4］钢材的基本容许应力为200MPa，但作为临时结构可按文献［3］取容许应力为240MPa。施工便梁纵、横梁及斜杆在中-活载作用下的最大弯矩计算结果见表2，纵梁最大弯矩出现在靠近线路一侧纵梁的跨中位置，横梁的最大弯矩出现在端横梁的跨中位置。
由表2可知，工况2作用下纵梁、斜杆组合弯矩最大，工况1作用时横梁组合弯矩最大。分别按最不利工况计算纵、横梁及斜杆的上、下缘应力，拉力为正值，压力为负值，计算结果见表3。
表2 梁部结构最大弯矩值kN·m
注：普通活载为机车辆的重量；特种活载为机车某些集中轴重。
位置工况自重二期恒载中-活载（含冲击）组合普通活载特种活载1 252.8 245.3 2 729.8 1 826.0 3 227.9 2 324.1纵梁工况2 252.8 245.3 2 740.4 1 826.9 3 238.5 2 325.0工况3 252.8 237.4 2 729.9 1 826.0 3 220.1 2 316.2工况普通活载特种活载工况1 3.1 9.2 180.5 205.0 192.8 217.3横梁工况2 3.1 8.6 178.6 201.4 190.3 213.1工况3 3.1 8.6 180.5 205.0 192.2 216.7工况3 0.023 0.043 0.865 0.910 0.931 0.976 1 0.023 0.045 0.875 0.918 0.943 0.986斜杆工况2 0.023 0.045 0.877 0.920 0.945 0.988工况
表3 梁部结构上、下缘应力
MPa
位置自重二期恒载中-活载组合普通活载特种荷载普通活载特种荷载纵梁上缘-13.4-13.0-152.4-100.9-178.8-127.3（工况2）下缘13.3 12.8 149.9 99.8 176.0 125.9横梁上缘-2.7-8.3-163.1-185.9-174.1-196.9（工况1）下缘2.9 8.3 163.1 184.5 174.3 195.7斜杆上缘-0.7-1.4-27.1-28.5-29.2-30.6（工况2）下缘1.7 3.3 63.7 66.7 68.7 71.7
验算结果表明，D16型施工便梁纵梁最大拉应力176.0MPa，横梁最大拉应力195.7MPa，斜杆最大拉应力71.7MPa，均小于文献［3］中的限值。
端横梁跨中截面下缘同时开有2个φ20mm的孔（图3中D-D面）时，开孔对横梁截面产生削弱，横梁截面受力最不利。经计算不考虑开孔周围应力集中时，开孔截面与未开孔截面在荷载弯矩相同时截面下缘的应力之比为1.172，即开孔截面比未开孔截面的下缘应力大17.2%，故考虑开孔影响后的横梁下缘最大应力为195.7×1.172=229.4MPa＜240MPa，亦能满足文献［3］要求。
4.2 刚度验算
4.2.1 竖向刚度
文献［2］规定：梁式桥跨结构由于列车竖向静活载所引起的竖向挠度Δ≤L/900，其中，L为跨度。计算钢梁的挠度时不考虑平联及桥面系共同作用的影响。文献［5］规定：梁部结构由列车竖向静活载（不计列车竖向动力作用）所引起的竖向挠度允许值（工字钢梁、板梁、桁梁）当速度30～45km/h时，Δ≤L/400。
中-活载作用下施工便梁纵梁、横梁及整个上部结构的竖向刚度验算结果见表4。
表4 中-活载作用下竖向刚度验算结果
注：梁部结构最大静活载挠度为纵梁、横梁及斜杆组合挠度的最大值。
荷载静活载挠度/mm 纵梁竖向纵梁横梁梁部结构436普通荷载工况2 37.08 12.93 42.50 1/434工况3 36.91 12.84 42.44 1/436工况1 22.90 14.59 29.90 1/挠跨比工况1 36.90 12.92 42.43 1/ 702特种荷载工况2 22.91 14.54 29.91 1/702工况3 22.90 14.59 29.90 1/702参考限值40.20 1/400
检算结果表明，D16型施工便梁（5 505mm横梁）的纵梁在中-活载作用下竖向挠度满足文献［5］中竖向挠跨比小于1/400的要求。
4.2.2 横向刚度
文献［2］规定：在列车摇摆力、离心力和风力的作用下，梁体的水平挠度应小于或等于梁体计算跨度的1/4 000。对于临时结构的横向刚度限值，现行铁路规范中未见相关规定，在此仅根据文献［1］的方法对施工便梁的横向刚度进行计算，而限值仅作参考。在横向摇摆力、离心力（曲线工况）和风力（按桥上有车考虑）作用下，施工便梁横向刚度验算结果见表5。
表5 横向刚度验算结果
工况摇摆力作用时横向挠度/mm离心力作用时横向挠度/mm风力作用时横向挠度/mm横向挠度合计/mm横向挠跨比工况1工况2工况3参考限值3.08 3.08 3.08 0.00 1.24 0.60 1.22 1.22 1.22 4.30 5.54 4.90 4.02 1/3 736 1/2 901 1/3 282 1/4 000
验算结果表明，D16型施工便梁（5 505mm横梁）在横向摇摆力、离心力和风力作用下，梁部结构的横向挠跨比直线工况时为1/3 736，曲线工况时最大为1/2 901，施工便梁横向刚度较大。
4.3 纵横梁连接检算
横梁端部与纵梁通过牛腿和连接板相连，各构件之间均用M22高强螺栓连接，见图4。考虑到D型便梁作为临时结构会多次使用，高强螺栓的性能也会有所损耗而达不到原设计标准，为安全起见，横梁梁端抗剪检算时按精制螺栓考虑，经计算单个螺栓的抗剪承载力为83.6kN。
工况2作用下、特种活载组合时横梁梁端的组合剪力最大，Q=191.4kN，按文献［3］连接纵、横梁腹板角钢肢上的栓（钉）数量按简支反力增加10%计算，故横梁的梁端剪力为：1.1Q=1.1×191.4= 210.5kN＜3×83.6=250.8kN，横梁的腹板螺栓抗剪强度满足要求。
对D16型施工便梁（5.505m横梁）验算的主要结论如下：
1）纵梁、横梁及斜杆最大拉应力均小于规范限值；
2）静活载作用下纵梁的最大竖向挠跨比为1/434，满足要求；
3）在列车摇摆力、离心力和风力的作用下，梁部结构的横向挠跨比最大为1/2 901，横向刚度较大。
4）横梁与纵梁连接处螺栓的抗剪强度满足要求。
综上，横梁加长至5.505m的D16型施工便梁能够满足列车限速45km/h通过时的受力要求。基于以上分析，提出如下建议：
1）斜杆对保证结构的整体受力和稳定性起重要作用，需严格按照便梁使用说明进行安装。
2）为防止便梁在承载过程中受扭以致对某些杆件受力或连接产生不利影响，便梁架设时应保证4个支点位于同一水平面上，并在施工过程中加强观测、及时调整。
参考文献：
［1］ 中铁宝桥天元实业发展有限公司.D型施工便梁使用说明书［R］.宝鸡：中铁宝桥集团有限公司，2004.
［2］ TB 10002.1-2005 铁路桥涵设计基本规范［S］.
［3］ 铁运函［2004］120号 铁路桥梁检定规范［S］.
［4］ TB 10002.2-2005 铁路桥梁钢结构设计规范［S］.
［5］ 铁计［2002］100号 铁路桥梁抢修（建）技术规程（试行）［S］.
APPLICATION OF THE WIDENED D16 TEMPORARY CONSTRUCTION BEAM IN SWITCH AREA REINFORCEMENT
Liu Jiyuan Wang Li
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）
ABSTRACT：In order to meet the need of switch area reinforcement，the transverse beam length of the temporary beam model D16for construction was increased from 4.4mto 5.505m，the section and connection were also reinforced.According to actual operation situation of a train on the line，the strength，stiffness and connection of the widened beam were checked.The results show that component stress of the beam，the ratio of deflection to span under static and live loads and shear strength of the connection bolts can meet the requirements of the code，the lateral stiffness is enough to meet the requirements of the train with a speed of 45km/h.The widened D16beam can be used in switch area lines for strengthening.
KEY WORDS：temporary beam for construction；switch area；reinforcement of railway；application
DOI：10.13206/j.gjg201504010
第一作者：刘吉元，男，1983年出生，硕士，助理研究员。
Email：Liujiy@126.com
收稿日期：2014-09-16
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