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摘要：本文以阜北联络线桩板结构为背景，介绍了工程背景和设计思路。采用梁格法并引入型钢混凝土的计算原理，通过有限元软件模拟型钢混凝土桩板结构的受力状态，对计算结果进行分析研究，验证了型钢混凝土满足铁路运营的各项性能，最后简述了该结构在施工中的优越性，表明型钢混凝土桩板结构具有广阔的应用前景。
关键词：运营铁路；型钢混凝土；桩板结构；设计；应用
1工程背景
本工程属于阜阳北扩能改造工程的一个工点。该处京九线为上跨桥梁结构，阜北联络线下穿，改建后为双线铁路，改建后的青阜线线路中线距离京九线桥墩承台基础较近。设计桩板结构使青阜线运营荷载直接通过板梁及桩基础传到地基深部，避免对京九线桥墩产生影响，桥址平面图如1所示。
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图1 桥址平面图
桩板结构是一种新型地基加固结构形式，它充分发挥桩～土、板～土之间的相互作用，介于桥梁与路基之间结构形式，在铁路路基上应用较为普遍[1-5]，同时在公路或市政道路下穿高速铁路的加固方面也较为普遍。型钢混凝土结构是在型钢结构的外面包裹一层混凝土外壳形成的钢-混凝土组合结构，除材料本身特点外，通过型钢还可有效控制隐蔽结构的裂缝，目前型钢混凝土结构主要集中应用在高层建筑上。结合型钢混凝土和桩板结构的特点，将型钢混凝土应用于铁路桩板结构，在国内尚属首例。
2工程设计概况
2.1工程难点
受外部场地条件限制，对本工程的设计和施工都带来极大的困难，主要存在三大不利因素：一是穿越条件复杂，存在京九线桥墩为异形墩、桥下净空较低、铁路线路为曲线且斜交穿越京九铁路桥梁等复杂情况；二是施工条件积极困难，线路中线距离京九线桥墩承台基础边缘的最小距离不足2m，受既有线运营列车繁多的影响，不能中断线路运营施工，而传统的桩板结构为普通钢筋混凝土结构，线下绑扎钢筋时间长、风险大，即使架设便梁，也面临施工空间不足的问题；三是结构设计复杂，为了今后的运营不会对京九铁路桥墩产生变形、偏位等不利影响，需要采用新型的承载结构。
2.2设计概况
桩板结构位于既有阜北联络线FBLK0+848处下穿京九下行正线位置，桩板结构全长18.3m，宽12.7m，其中跨径组合2×8.0m。板梁顶宽9.2m，底宽4.73m，梁高1.0m，线间距4.23m，挑臂厚0.4m。板梁为型钢混凝土结构，型钢采用Q345，型钢采用焊接钢板拼装，型钢底板厚12mm，底板厚16mm，腹板厚10mm，宽度405mm，高度700mm。横梁为矩形梁，长12.7m，截面为2.3×2.0m的矩形，边横梁与板梁正交且关于板梁对称，中横梁与板梁斜角角度为64°。桩基采用C35钢筋混凝土钻孔灌注桩，边横梁下设两根φ1.25m钻孔桩，中横梁下设四根φ1.0m钻孔桩，桩长均为34m。
图3 结构跨中处横断面图(单位：cm)
3结构计算分析
3.1 设计参数
（1）结构自重：混凝土容重26kN/m3。
（2）二期恒载：合计153kN/m。
（3）中-活载：纵向及横向考虑多种组合，取最不利效应。考虑冲击系数。
（4）列车横向摇摆力：横向摇摆力取100kN，作为一个集中活载作用于桥梁结构最不利位置，其作用点在垂直线路中线的钢轨顶面。
（5）整体升、降温：分别按整体升温15°C和整体降温15°C验算。
（6）支座沉降：按照5mm考虑。
（7）顶板升降温：运营荷载验算时，顶板升温按5°C考虑。
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图4有限元计算模型示意图
3.2有限元模型建立
采用有限元通用软件Midas Civil建立桩板结构模型，为了模拟板结构的受力特性，采用梁格法[19]来建模。板梁采用施工阶段联合截面进行建模，对型钢的应力水平进行分析。桩基采用弹性连接来模拟。结构计算模型见图4。
3.3计算结果和分析
运营阶段的板梁在主力作用下的弯矩图如图5、图6所示；板梁在主力+附加力作用下的弯矩图如图7、图8所示。运营阶段板梁在最大静活载作用下竖向位移如图9所示。参照组合结构设计规范的相关要求，根据有限元软件Midas Civil中提取弯矩计算值和型钢应力水平，型钢截面的正截面受弯承载力计算结果如表1所示，型钢的应力水平如表2所示。
图9双线静活载作用下的竖向位移
表1 承载力计算结果
由以上图表可知，可以看出无论是在主力作用下还是在主+附作用下，均满足板梁的承载力设计值，具有较高的安全富余。且峰值均位于中横梁和板梁相交的位置，由于斜交角较大，容易造成应力集中，设计中采用加强斜向配筋，防止混凝土开裂。
根据《组合结构设计规范》公式得出裂缝计算值，在主力作用下裂缝最大值为0.098mm，主+附作用下裂缝最大值为0.218mm，均满足铁路规范的有关裂缝要求，具有较高的安全富余，表明在双线列车的作用下型钢混凝土桩板结构表面不开裂，耐久性较好。此外，主力作用下的裂缝最值和主+附作用下的裂缝最值大部分都不在相同位置，这主要是由于型钢翼缘作用的钢筋应变不均匀造成的。
同时，型钢混凝土桩板结构板梁的竖向位移、转角、横向位移均满足规范要求，且有较大富裕，表明设计的桩板结构能够满足双线铁路正常运营的刚度和横向稳定性的要求。
4施工方案简介
根据现场场地条件，结合营业线施工的特点，设计合理的施工公式，主要的施工步骤如下：
（1）施工桩板结构8根钻孔灌注桩；
（2）架设两组D16型便梁，施工便梁支墩，支墩采用φ150cm的钻孔桩保证结构安全可靠；
（3）拆除D16型便梁，架设D24型便梁，在铁路限速运营下施工横梁，预留型钢预埋件；
（4）场地外，构造钢筋分块绑扎，型钢分段预制焊接。底板构造钢筋分块就位，型钢通过汽车吊装至场地，并设置横向、纵向滑道，将型钢就位，与预埋件栓接，并完成横向联系的施工。
（5）顶板构造钢筋就位，浇筑混凝土，完成主体结构施工。
采用型钢混凝土桩板结构，既能满足结构的受力要求，又能避免了长时间绑扎受力钢筋，仅需一层构造钢筋，同时预制型钢，快速吊装施工，极大缩短了施工人员线下施工周期，降低了施工人员的营业线线下工作安全风险。型钢混凝土桩板结构是一种新型的结构形式，将在快速安全的线下施工中得到更广泛的应用。
5研究结论
型钢混凝土桩板结构是一种新型的桩板结构，为国内铁路上首次运用，通过计算分析表明该结构满足铁路荷载作用下的各项性能要求，其快速安全的施工方式为运营铁路线下施工提供了一条新的思路，拥有广阔的应用前景。
参考文献
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[5]魏永幸．客运专线无砟轨道桩-板结构路基[J]．铁道工程学报，2008(4):19-22
作者简介
刘振宇 (1991—)，男， 2015年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，工程师。