基于铁路工程的新型钢构台车设计与应用

赵 攀

（中铁十一局集团汉江重工有限公司，湖北襄阳 441046）

0 引言

2020年8月，国铁集团出台了《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，规划至2035年，全国铁路网20万km左右，其中高速铁路7万km左右。随着国家“交通强国，铁路先行”战略的大力推进，我国将迎来新一轮的高速铁路建设高潮。在新建铁路项目中，由于既有公路、铁路、桥梁、河流等诸多影响施工因素的存在，使修建新线铁路有着诸多困难。同时，随着铁路跨越式发展加快，高密、快速、重载列车对线路设备的破坏随之加重，在既有线上进行大中修施工项目也日益增多，运输与施工的矛盾愈加突出。如何优质、高效、安全地完成施工任务，实现运输与施工的最佳结合是当前的突出问题。

由于铁路既有线施工属于一项难度很大的工程，在工程施工过程中，需要使用更多的新技术、新设备、新工艺以及新方法，以减少对铁路行车的干扰和营业线施工的安全风险。在息高速公路跨京九铁路分离式立交桥跨铁路架梁及桥面系施工中，陈锋[1]采用滑动式防护棚，大大缩减了棚架的整体尺寸，在节约了型钢用量的同时，也给整体吊装及拆除棚架提供了条件，缩短了施工工期，施工难度及现场安全卡控的安全风险也得到了降低；严仁才[2]和杨桂林等根据多年从事工程项目的实践经验，着重对现有的既有线施工常遇到的一些安全风险管理问题进行总结，并提出相关风险的应对措施；李清立、王宏坤、姜洁[3]根据安全系统工程以及风险管理理论依据，着重从PDCA循环的理念入手，对现有的铁路既有线电气化建设提出了具体的安全措施。

本文基于蒙华铁路邓皓下行线跨焦柳线特大桥施工技术要求，研究类似工程施工经验及衬砌台车[4-5]、钢模台车[6]设计经验，研究设计了新型钢构台车。新型钢构台车成功应用，解决了既有线施工带来的诸多问题，全面提升铁路既有线施工现场风险管理水平，对保障施工顺利实施有着非常重要的现实意义。

1 技术方案

1.1 工程技术要求

蒙华铁路邓皓下行线跨焦柳线特大桥，位于蒙西至华中地区煤运铁路第三测段内，主要为跨越G207、规划216、焦柳铁路而设。桥址于DGXDK-515.6～DGXDK-584处跨越焦柳铁路。技术要求主要包括：（1）保证既有线正常通行；（2）台车通行空间满足：净高×净宽＞8.41 m×9.75 m；（3）满足曲线半径1 990 m的刚构桥施工；（4）考虑风载及列车高速通过造成的影响等。

1.2 钢构台车方案及组成

根据工程技术要求，设计钢构台车由走行机构、门架、内侧模脱模机构、横移起升机构、模板、支撑丝杠、底梁千斤顶、附属机构组成。技术方案如图1所示。

图1 钢构台车方案

技术方案中走行机构设置12组（6组主动、6组从动），行走电机自带制动器，在坡道上保证整机在坡道上安全制动。采用宽大行走轮，配7316E轴承、32A链条以保证台车使用安全，避免了跳轨、变形、断链打滑等对衬砌施工的影响。

门架主要由横梁、立柱及底梁通过螺栓联接而成，各横梁与立柱之间通过连接梁及斜拉杆联接，是整个台车的主要受力部件。门架的横梁、立柱由钢板焊接成工字型截面，底梁由钢板焊接成箱形截面，保证门架有足够的刚度、强度及稳定性。

模板系统为空间钢构的成型关键，分为内模和外模、通风窗模板、端头模板组成，其中，内模主要包括顶模、拐角模及侧模3个部分，是承载混凝土浇筑时产生的自重和振捣力，保证下侧通行列车的安全等功能；外模系统（平模）主要是通过拉杆配合内模完成混凝土桥的形状成型；通风窗模板主要用于刚构桥侧墙通风，由于各个施工节段通风窗口位置不同，故通风窗口设计施工时布置于内模和外模之间，根据现场实际位置进行定位及加固；端模主要用于刚构桥施工各节段端部封堵。

内侧模板脱模机构采用平移滑动结构进行脱模，由于内侧模与门架立柱之间距离较近，且侧模长度比较长，无法采用翻转脱模。

台车共设置12组横移起升机构，分别位于门架底梁下侧，主要用于台车标高及中心线调整。

1.3 安全防护方案

由于跨既有线施工，为保证下部列车通行安全，台车门架下部空间要进行封闭。在门架横梁之间采用50 mm×25 mm×3 mm矩形方管做背劲，间距按500 mm布置，用1.5 mm板做防护面板，防护面板与矩形管采用自攻丝连接。

钢构台车下部结构距离接触网距离较近（0.55 m），为保证施工安全，在台车横梁下部靠近接触网区域内安装绝缘板进行防护。

目前国内铁路上接触网带点最高电压为2.75万V，防电板选材时，应该能满足抗高压3.3万V（1.2倍安全系数）的要求，其次应具备耐高温、不易燃烧的特性。3 240环氧酚醛层压玻璃布板质地较硬，且具有较高的机械和介电性能，5 mm厚防电板经击穿试验，最高可抗5万V高压。

在台车横梁下部接触网周边安装防电板，相邻防电板密贴，为预防两块防电板之间间隙，用20 cm宽条形防电板将两块防电板接缝处覆盖，用8#螺栓连接；另外用5 cm×5 cm的防电板块（防电板块厚15 mm，内钻一直径18 mm、深10 mm的圆）将螺帽防护起来，防电板块与防电板用环氧树脂胶粘贴。

由于台车迎风面积较大，同时列车在高速通过台车时对台车造成的冲击载荷较大。基于上述载荷考虑，在台车走行基础上预埋张拉筋，将台车底梁通过扁担梁锚固在地面上，以保证大风天气及列车高速通过台车时，台车能够安全施工。

2 工况分析及仿真计算

2.1 工况分析

根据钢构台车应用工况及设计规范等，根据主结构受力，可分为以下3种工况。

工况一：浇筑侧墙对侧模产生的压力，主要为侧压力。

工况二：为顶模浇筑时的受力状况，顶模浇筑时侧模部分混凝土已凝固，此时台车受到1.2 m混凝土的重力和新浇筑混凝土对模板的侧压力。

工况三：单元结构吊装时，吊装单元值承受自身机构重力。

2.2 仿真计算

分析上述3种工况，以最不利工况为例（工况二）进行模拟仿真验算。

（1）受力计算

工况二受力包括侧压力、顶部混凝土重力和顶部浇筑压力等。

侧压力：

式中：γ为混凝土的表观密度，γ=25 kN/m3；H1为有效压头高度因素，H1=2 m。

混凝土重力：

式中：H2为顶部混凝土厚度，H2=1.2 m。

人工、机具等载荷：G2=4 kN/m2。

浇筑混凝土压力：F2=1.2G1+1.4G2=41.6 kN/m2。

（2）有限元模型

钢构台车采用大型通用有限元软件[7-10]建立模型，并根据金属结构及工况进行了简化，门架和模板部分采用Shell63单元模拟，丝杠和支撑采用beam188单元模拟，钢构台车有限元模型如图2所示。底梁通过假单元与地面连接来模拟实际情况，并通过将接地点全约束实现对底梁的约束，内模板和外模板约束竖直方向的移动。模型长度单位为mm；力单位为N；应力单位为MPa；位移单位为mm。

图2 有限元模型

（3）结果分析

钢构台车材料采用Q235B，屈服极限235 MPa，按照《钢结构设计规范》[11]、《建筑施工模板安全技术规范》[12]，安全系数取1.34时，许用应力为175 MPa。

图3 台车应力

图4 台车刚度

根据有限元分析结果图3可以看出，工况二最大单元应力位于底梁，应力值为168.8 MPa，小于许用应力175 MPa；根据图4可以看出，钢构台车结构最大变形为6.8 mm，满足施工要求。同时还进行了风载荷、列车通行冲击载荷进行了模拟仿真，均满足设计要求。

3 工程应用

设备已成功应用于蒙华铁路跨焦柳铁路既有线空间刚构桥施工，解决以往类似工程采用脚手架+小模板、钢梁+小模板等施工方法所存在安全风险大、劳动强度高、施工成本高、施工效率低等问题。现场施工效果如图5所示。

图5 现场施工效果

钢构台车施工优势主要体现为：（1）采用线下拼装、线上整体吊装的结构形势，减少线上组装时间，降低施工给线路运行带来的安全风险；（2）采用整体模板台车进行施工，能够在线路运行天窗点迅速完成收模、移位及立模，提高施工效率，减少因天窗点施工导致施工进度缓慢及对线路运行影响；（3）台车内部采取全封闭隔离并设置有防电措施，既保证施工安全，又保证列车通行安全。

4 结束语

本文根据工程项目技术要求及施工工况，研制了新型刚构台车，并成功投入应用。该钢构台车采用分段吊装结构形式，可一次吊装完成后，整机移动及收立模，减少了在既有线上设备安装时间，提高了整体施工效率，降低了劳动强度等。该设备的研制创新了施工工艺，降低了安全风险及生产成本等，带来了良好的经济效益及社会效益。该设备成功经验可推广应用到明涵洞施工、隧道施工以及地铁施工等领域，通用性强。