郑焦客运专线跨京广线防护棚施工设计

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【摘 要】 针对连续梁跨越既有铁路施工的复杂环境，结合郑焦客运专线现场实际需要，对防护棚进行合理化设计，本设计重点阐述了依照现行规范进行防护棚的设计荷载取值、设计工况分析、施工要求及列车运营要求，确保施工及既有线营运安全，对既有线防护设施设计具有较好的指导意义。

【关键词】 既有线 防护棚 荷载 工况分析 施工要求 运营要求

1、工程概况

郑焦城际铁路黄河特大桥为郑焦客运专线铁路暨改建京广铁路跨越黄河的共用桥梁，为四线铁路特大桥梁。其正线北岸引桥在郑焦线DK30+492.06～D1K30+637.06及京广改线GDK30+520.79～GDK30+664.79处以三跨（40m＋64m＋40m）混凝土连续梁并行跨越京广铁路，两幅桥梁中心线与京广铁路的夹角均约为38°。

在施工上部桥梁时，为了确证既有京广客货运线的正常运营，及上部桥梁施工的安全，经研究决定在既有线顶设防护棚隔离。依据铁路界限要求、上部桥梁的施工界限、并综合现场施工的实际状况确定防护棚总长64.5m，宽20m，钢轨顶面以上高8.6m，防护棚纵向布置与既有线基本平行，棚顶与既有线夹角60°。

2、设计依据

2.1、《铁路行车线上施工技术安全规则》（TBJ412-87）

2.2、《铁路营运线施工及安全管理办法》（铁办[2007]186号）

2.3、《铁路运输安全保护条例》 （中华人民共和国国务院令第430号）

2.4、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

2.5、《京沪高速铁路设计暂行规定》

2.6、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）

2.7、《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）

2.8、《新建郑州至焦作铁路工程郑州黄河大桥施工图》

2.9、其他相关规范规程。

3、结构组成

防护棚结构自上而下由棚顶、立柱顶分配梁、立柱、联结系、斜撑、基础等部分组成。

3.1、顶棚：棚顶由H型钢及其顶铺设的钢板组成。为方便安装拆除，整个棚顶共分为29组，每组含3根型钢及其顶钢板，单组重9962 kg。

3.2、立柱顶分配梁：立柱顶分配梁为型钢梁，由普通螺栓分别与其上顶棚、其下钢管立柱相连；为便于施工，每根分配梁分为五节，最大节段重1970 kg。

3.3、立柱、联结系：防护棚立柱为钢管柱，分为两节。下节为调整节，重74kg，由人工搬运安装，并精确调位。立柱上下设置法兰与分配梁及基础预埋件相连。立柱间设置联结系，联结系与立柱间通过销轴相连。

3.4、斜撑：斜撑为可调撑杆。上部铰座焊于立柱上，下部铰座焊于斜撑基础预埋件顶上。

3.5、基础：立柱下为钢筋混凝土条形基础，斜撑下为素混凝土基础。要求基底容许承载力均不小于150kpa。

4、设计荷载选取

4.1、人群荷载

依《建筑结构荷载规范》不上人的屋面活荷载标准值取0.5kN/m2。不与雪荷载同时组合。

4.2、风荷载

依《建筑结构荷载规范》计算围护结构风荷载：

4.2.1 棚顶结构风压：

1）迎风面；

2）背风面

4.2.2 柱顶分配梁风压：

。

4.2.3 立柱风压：

。

4.2.4 立柱间连接系风压：

。

4.3、列车通过产生风压

依《京沪高速铁路设计暂行规定》，计算围护结构在动车经过时所受的风压，列车时速为250km/h。防护棚立柱安装状态时水平气动力qh=0.18（KN/m2），qv=0；防护棚工作状态时水平气动力qh=0.27（KN/m2），qv=0。

4.4、坠落物

由于0＃块施工及挂篮施工时，在防护棚上方，施工坠落物按50kg考虑；假设坠落物落于棚顶跨中位置，变形为Δx，根据动能守恒定律可得：

坠落物的势能为：U=mg（h+Δx），h为坠落高度，取10 m；

棚顶结构跨中的刚度系数为k=9.3721×105N/m，

棚顶结构的应变能为：E=（k/2）Δx2

U= E

mg（h+Δx）= （k/2）Δx2

Δx={1+[1+2h/（mg/k）]0.5} （mg/k）

可得Δx=0.10383m

坠落物的最大冲击力：F=kΔx=97311N，

按集中力作用于防护棚顶，由一根横梁承担，整个棚顶假设有两处坠落物冲击。

4.5、雪荷载

Sk= =0.4KN/m2由于活荷载与雪荷载不同时组合，所以取两者大值进行计算。

4.6、防护棚顶自重及棚顶滑动摩擦力：

每组棚顶9962kg，在安装（或拆除）时一次吊装情况下与其下分配梁间产生的滑动摩擦力为：99620N/2×0.25=12453N

5、主要设计工况及验算结果：

5.1、工况一：立柱、分配梁安装工况

此工况按照可变荷载效应控制的组合：荷载组合1=1.0×自重+0.9×1.4×风荷载+0.9×1.4×列车通过产生风压

经检算：

5.1.1 立柱安装状态：立柱锚固端所受的最大弯矩为：12.16kN.m；斜撑轴力为：9.03kN；连接系与立柱接触处的最大弯矩为：1.08kN.m、最大剪力0.79KN.

5.1.2 分配梁安装状态：立柱锚固端所受的最大弯矩为：14.2kN.m；连接系与立柱接触处的最大弯矩为：0.52kN.m。

5.2、工况二：棚顶安装工况

此工况按照可变荷载效应控制的组合计算：荷载组合2=1.0×自重+0.9×1.4×风荷载（或风荷载+人群荷载）+0.9×1.4×棚顶滑移摩阻力

经检算，本工况下各构件最大应力σmax＝42.21MPa＜[σ]＝215MPa，受力满足。

5.3、工况三：防护棚工作工况

此工况按照偶然荷载效应控制的组合计算：荷载组合3=自重+落物荷载+1.4×0.6×风荷载（立柱、连接系、分配梁）+列车通过产生风压（立柱、连接系）+1.4×0.7×人群荷载，经检算各构件应力如下：

棚顶竖向变形：fmax=-76mm 挠跨比：f/L=1/320

5.4、工况四：防护棚基础计算：

5.4.1 柱下条形地基计算：柱下条形基础为柔性基础，采用弹性地基梁法进行计算。郑州地区为黄土，取基床系数k=4x104（kN/m3）， 立柱下条形基础基底承载力计算最大支承反力：45.65KN，弹性支点每0.96米设置一个，经检算：地基基底压力为：P=55.38KN/（0.8x0.8）m2=86.53KPa，地基容许承载力为150 KPa，条形基础可满足强度需要。

5.4.2 斜撑下基础计算：斜撑最大反力：85.62KN。经检算：地基基底压力为：P=85.62KN/（0.8x0.8）m2=133.78KPa ，斜撑基础可满足强度需要。

5.5 结论：

经过检算，设计防护棚在强度刚度稳定性上都满足设计规范要求。

6、施工及营运要求：

6.1、施工要求：

6.1.1 加工前，请认真查看防护棚设计图纸，对于图中的加工制作要求，安装使用要求及使用注意事项均应严格执行，同时加工制作应严格按照规范要求办理。

6.1.2 构件在运输吊装时，应采取加固措施防止变形和损坏。

6.1.3 立柱加工要求在加工车间预拼装；立柱安装应保证定位准确、垂直度良好、柱顶标高符合设计要求。立柱安装完毕后，必须及时把柱脚与预埋件处螺栓上紧。立柱安装的允许偏差如下：

6.1.4 安装防护棚各部件时，现场施工应遵守铁路有关规定，保证安全。

6.1.5 拆除时，新浇筑梁底的棚顶结构需由现场设置转向滑轮及3t卷扬机，滑移到吊装区域，然后用履带吊吊下。

6.1.6 为了安全起见，防护棚设置有接地装置，现场测试电阻不大于30Ω。

6.1.7 防护棚绝缘采用在带电导线正上方的顶棚结构下部2m范围套绝缘橡胶，绝缘橡胶在棚顶吊装前安装到位；其余部位采取用空气绝缘，离最近带电体距离超过50cm。

6.2、运营要求：

6.2.1 列车经过本施工区域时的速度不能超过200公里/小时。

6.2.2 要经常派人对防护棚进行检查，尤其是各构件的螺栓是否有松动，基础是否有异常，定期进行基础沉降与立柱顶偏位观测。

6.2.3 严禁在防护棚顶随意摆放杂物；在棚顶拼装挂篮时，要求尽量做到起吊物体平稳轻放，不对防护棚造成大的冲击；人在桥面施工时，严禁向下乱扔杂物。

7、结束语

依照现行规范，并结合现场实际，对防护棚进行了设计、检算及施工指导，通过合理化设计确保营运线路设备与行车安全和施工安全。该设计对对既有线防护设施设计具有较好的指导意义。