吕涵
深圳广铁土木工程有限公司 广东深圳 518000
摘要：在运营高速铁路上建设跨线构筑物，因施工对铁路运输造成较大影响，铁路部门一般禁止采用现浇方式。然而受客观条件限制，很多时候搭设支架采用现浇传统工艺却是唯一方式。高速列车风荷载对临近结构物的影响是一个非常复杂的过程，国内理论研究借助于大型结构分析软件对其有深入的研究，其成果也是硕果累累。然而在工程（土建）的具体应用中，结构物对高速列车风荷载的响应若都采用大型结构分析软件进行计算，不仅增加了成本，而且大多数工程技术人员也不具备专业技术知识，面对这一情况，如何来快速解决此类问题，本文基于理论并结合深圳市东部过境高速公路跨越厦深铁路具体工程实例，做以深入浅出的探讨。
关键词：高速列车风压；结构响应；支架设计
随着我国高速铁路的快速发展，高铁网在全国广泛覆盖，极大地便利了群众出行。然而很多基建项目如市政或公路桥梁很早立项，但却在高铁建成后尚未进行施工或受高铁建设影响而暂时搁浅施工步伐，都将无可避免的面临上跨高速铁路的尴尬局面。一般而言公跨铁项目均采用一次跨越，工法多样，但无论是受力结构还是防护结构都受到铁路设备和高速列车风的影响，若施工中未充分考虑，可能会造成不可估量的损失，下文立足于理论并结合实例对跨越高速铁路现浇箱梁支架设计及支架在高速列车风作用下的受力工况进行研究探讨。
一、高速列车风特点
列车运行时带动列车周围空气随之运动，使空气产生弹性波动，继而在邻近列车结构上产生列车风和风压。随着列车速度的不断提升，这种作用将更加明显。一般而言高速列车引起的风场可分为三个区域：①列车头部的势流区②列车侧面的边界层流区③列车后尾部的层流区。试验资料表明，列车头部的势流区对邻近结构的影响要比尾部及侧部层流区要大的多，列车通过结构时，头部势流区对邻近结构产生正压力，离开时则产生负压力，通行过程中，正负压同时出现。查相关资料可知高速列车作用下，最大正压影响系数为0.095，最大负压影响系数为0.135。为方便工程应用，以下做几个假设：
1.空气静止假设
列车通过前，假设列车前方的空气处于原静止状态，列车通过时带动空气运动，这样假设可以简化复杂的有旋流动成相对较为简单的无旋流动。
2.空气无粘性假设
由于高速列车作用与空气产生巨大的摩擦力，受摩阻力影响，列车表面与周围空气形成拉扯作用，因高速列车车型流线型较好，头部势流区域边界层比较薄，此外上跨结构满足铁路限界要求，宽度也不是很大，绕流空气在上跨及邻近列车结构上的边界层也很薄，列车通过空间可视为开阔空间，空气粘性作用较小，可忽略不计。
3.空气的不可压缩假设
如假设2所述一样，列车通过范围可视为开阔空间，空气随列车运行可自由流动，列车周围空气体积在列车通行前后保持不变，即可忽略空气可压缩特性，一方面方便简化计算，一方面更加接近于实际情况。
4.空气的弹性假设
列车通过时，带动结构物间的空气流动产生风压，因空气为不可压缩的弹性体，风压以不增减方式传递给周边结构物。
二、空气与风速的相互关系
当风以一定的速度向前运动遇到阻塞时，将对阻塞物产生压力，当阻塞物面积较大时，将形成高压气幕，使得外围气流改向扩大，故而阻塞物受到的压力是不均匀的，以中间一束受压最大，这一束压力即日常所定义的风压。
跨铁路箱梁平面图
2、门洞式支撑架方案
为减小支架纵梁跨度，跨越铁路纵梁与厦深铁路采用正交模式，即与现浇箱梁采用15度斜交模式。钢纵梁采用Q345高性能结构钢。在确保铁路限界及设备安全的前提下，门洞式支架采用条形基础及桩基础，采用钢管立柱做支撑柱，支撑柱顶横放I450工字钢及H588型钢做横梁，横梁顶安装H588型钢作为跨越线路纵梁。纵梁顶铺设方木，满铺夹板及防电绝缘胶，再搭设钢管架做箱梁支撑架。
①正线两侧（I、II线）采用条形基础，基础下宽250cm，上宽120cm，高80cm，采用超筋配备方案以增加整体刚度。
②5道、6道外侧路肩采用挖孔桩及条形组合基础，桩径120cm，长5-8m，桩端采用扩大头形式。条形基础宽100cm，高80cm。采用超筋配备方案以增加整体刚度。
③总体采用φ300@1cm、Q235钢管双立柱，立柱高度分9m和9.5m两种规格。采用预埋螺栓固定在基础之上。
④柱顶横梁分别采用2片H588*300及2片I450型钢，长度为12m、9m、6m、10.3m四种规格。横梁与钢立柱上法兰点焊牢固连接，不平顺时用1mm、2mm、3mm调平。
⑤跨越铁路纵梁采用Q345H588*300型钢，长度分14m及12m两种规格。最大净跨度11.5m，纵梁均布布置，每米一道。
⑥纵梁顶采用10*10cm松木，30cm一道。方木顶满铺5mm钢板，钢板上满铺高性能防电绝缘胶。
Ⅱ道外侧支架断面图
⑦支架设计及施工重点
A.箱梁荷载极重，同时受铁路限界影响，现浇梁支撑架一方面要满足强度和稳定性要求，一方面要满足刚度需求。所以选取合适的构件至关重要。受力支架整体质量必须保证。
B.支架地基为厦深铁路新建铁路路基，为防止支架基础的不均匀沉降，确保正线两侧条形基础整体刚度是关键。
C.5道外侧桩基础坐落在铁路路基坡顶，为防止桩基受力后对既有铁路高路基边坡行成剪切力，破坏边坡，桩基础应挖至路基坡脚以下或至持力层。
D.因箱梁过重（每延米33.4t），H588型钢纵梁在布设时，严格控制间距，14m接长部位质量是关键。
E.本项目工期异常紧张，受厦深线试运行时间限制，全部支架（含基础）施工只有25天时间，钢构件安装质量及安全是控制关键。
F.运营线上施工，事先与铁路各设备管理单位签订安全协议，按铁路要求办理施工许可证，是确保安全的首要条件。
G.综合利用铁路天窗作业时间，合理安排工序，积极充分协调各相关单位配合，是涉铁项目顺利开展的前提。
四、组合高速列车风荷载下的支架结构响应计算分析
以最大跨度最不利位置，即跨越正线一跨腹板下支撑架纵梁、横梁、钢立柱进行组合风荷载计算分析
1.荷载分析（斜交情况下的荷载组成）
永久性荷载分析：
2.11.5m跨度组合高速列车风压下H588纵梁负荷响应
高速列车通过支架区域后，列车尾部对支架产生吸力，增加了H588纵梁负荷，结合《建筑结构风荷载设计规范》及上文相关假设，按照最大负压系数0.135计算出风压负压为0.49kN/m2。
Q345H588钢梁结构特性W＝4020cm3；I＝118000cm4；b=2.4cm；S=2154.45cm3
取[σ]＝300Mpa；[τ]=80Mpa；[γ]=0.029m
①受力计算模型
②响应分析
q1=（Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8）*1*1.4+Q9*1*1.2=26.891kN/m
跨中最大弯矩M=0.25*11.5*q+0.125*q1*11.5*11.5=736.36kN.m
最大剪力Ra=0.5*（q1*1*11.5+q）=205.368kN
最大弯曲应力σ=M/W=183.174MPa<[σ]
最大剪应力τ=RSx/Ib=7.812MPa<[τ]
最大扰度γ=5（Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8+Q9）*11.5^4/384EI+
+q1*11.5^3/48EI=0.02m<[γ]
③响应结果
可知，在考虑高速风压荷载作用下，结构满足强度及稳定性要求。
列车通过时，列车头部高速列车风压（正压）对支架产生顶推作用，因结构较重，故而推力可忽略不计。然而对非承重式防护支架而言，棚架自重不宜太轻，应考虑到列车风正压影响。
3.支架施工过程中立柱在高速列车风压下的响应分析
只考虑钢立柱安装好之后，组合高速列车风压效应及立柱自身效应。
Ф300@10mm钢立柱结构特性：A=91.106cm2，IX=9588.926cm4，ix=10.259cm，自重0.715kN/m
①计算模型
②荷载分析
D.列车风压作用在钢立柱上均布力：q=0.648*0.3*1=0.2kN/m
E.钢立柱计算高度：h=9.5m
③组合荷载下钢立柱响应分析
A.钢立柱自重作用下的立柱底断面压应力σ=9.5*0.715/A=0.75MPa；
结构方案的选择和设计也关系到整体的施工，因此，在进行结构设计时，要注重选择一个切实可行的结构形式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷。同时，在结构体系的设计中，还要注意，结构单元相同的情况下，结构体系也应该保持一致，地震区应力求做到平面和竖向的规则。从整体上来讲，在进行结构设计时，需要综合考虑多方面的因素，这些因素包括：工程施工的环境特点，具体的地质条件，工程的材料需求和供应情况，以及工程的设计要求等等内容。结构方案的选择综合多方面因素设计和管理，只有这样才能形成一个全面合理的结构方案。
B.高速列车风压作用下钢立柱底部响应
最大弯矩M=0.125qh2=2.3kN.m
最大弯曲应力σ拉=σ压=Mh/2IX=3.6MPa
最大剪切力：R=0.5qh=0.95kN
C.组合效应下钢立柱底部响应
最大拉应力σmax拉=σ拉-σ=2.8MPa
最大压应力σmax压=σ拉+σ=4.25MPa
④.响应结果
由以上分析可知，对于施工过程中的独立柱而言，高速列车风压对结构的锚固方式及弯压产生一定的影响，在理论分析时，高压风载不容忽视。
五．结束语
在承重式支架设计中，高速列车风压（正压、负压）对于结构整体影响不大，然而在非承重式防护支架设计中，列车风压必须予以考虑；高速铁路线路旁独立立柱如电气化立柱或信号灯的设计及锚固方式，必须考虑到列车风压作用。
参考文献：
[1]中华人民共和国行业标准.公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011）.北京：人民交通出版社，2011。
[2]中华人民共和国工程建设国家标准.钢结构设计规范（GBJ17-88）.中国建筑工业出版社北京.1988。
[3]《建筑结构荷载设计规范》（GB50009-2012）
[4]《临近铁路营业线施工安全管理实施细则》（广运发[2010]125号）。
[5]《铁路营业线施工安全管理实施细则》（广运发[2010]165号）。
论文作者:吕涵
论文发表刊物:《基层建设》2015年19期供稿
论文发表时间:2015/12/30
标签：列车论文; 风压论文; 结构论文; 立柱论文; 支架论文; 荷载论文; 空气论文; 《基层建设》2015年19期供稿论文;