基于钢门式墩的现浇梁侧位横移力学性能研究

王振浩

(中铁十六局集团有限公司 北京 100018)

1 引言

近年来，随着我国城镇化水平提高以及城市群发展，对交通基础设施的需求日趋强劲，导致上跨铁路既有线的新建桥梁施工日益增多[1-3]。为此，如何在有限天窗点内确保桥梁结构架设安全并减少对铁路既有线的影响显得尤为重要。

目前针对上跨铁路既有线的桥梁施工方法主要有悬臂浇筑法、转体跨线法、顶推跨线法、门式墩侧位横移跨越法等[4-7]。其中门式墩侧位横移跨越法由于对既有线影响小，在新建铁路跨既有线施工中应用广泛。与传统施工方法相比，门式墩侧位横移跨越法主要有以下几个优点:(1)施工周期短，顶推作业仅需1个天窗点；(2)主梁横移顶推时受力状态与成桥状态基本一致；(3)施工环境良好，施工质量有保障，施工安全、可靠。对于主梁横向顶推施工，已有学者开展了相应的研究。沈惠军等[8]探讨了临高铁既有线钢桁梁横移顶推施工过程中内摩擦系数和桩长对临时支墩的影响。王飞球等[9]进一步分析了钢桁梁横移施工对周围土体变形的影响。崔文科[10]探讨了跨高铁营运线132 m钢桁梁在横移顶推过程中临时墩的受力变化。赵利民等[11]实现了88 m简支钢-混凝土组合桁架单跨侧位现浇、顶推横移落梁就位。可以看出，目前针对横移顶推施工的研究成果中大多集中在临近既有线的顶推横移施工，虽有单跨跨越既有线的钢桁梁横移施工技术的相关介绍和研究，但对于小角度跨既有铁路的多跨预应力混凝土箱梁侧位现浇、钢门式墩横移顶推施工就位方面的研究仍不多见。

本文以新建赣深铁路某特大桥上跨既有高铁32 m预应力混凝土简支梁桥为工程背景，基于有限元程序建立了空间有限元模型，对侧位现浇简支箱梁整体横移顶推过程中滑道梁、钢管立柱和钢盖梁等构件的力学性能开展了研究，并从受力角度优化了滑道梁与钢门式墩过渡段的连接构造。

2 工程背景

赣深高铁某特大桥全长1 650.21 m，通过钢门式墩小角度跨越(与既有铁路线夹角仅为8°)既有铁路线，图1为新建赣深铁路与既有铁路平面位置关系图。

图1 新建赣深铁路与既有铁路平面位置关系

在本工程中，考虑到新建线路与既有铁路交叉角度较小且既有线路为繁忙铁路干线，简支梁采取侧位现浇，张拉脱模后横移顶推的方式施工就位，相应的施工流程为:

(1)钢门式墩立柱的安装

钢门式墩立柱为钢管混凝土结构，采用130 t汽车吊进行整体吊装就位。

(2)钢门式墩盖梁的吊装

钢门式墩盖梁在工厂内分块加工后再在现场组装拼成整体，最后采用650 t履带吊进行整体吊装。

(3)侧位现浇梁支架的搭设

侧位现浇支架采用墩外盘扣满堂支架与墩侧ϕ630×10 mm钢管立柱横移支架相结合的方式，其中横移钢管立柱支架与邻近墩身固结。

(4)滑道系统安装

滑道梁采用双拼H型钢焊接而成，安装在钢管立柱与钢门式墩上。

(5)简支梁侧位浇筑

32 m现浇梁养护到位后张拉预应力脱模，形成支撑在钢管立柱支架上的简支梁。

(6)主梁横移施工

将钢管支架上的32 m简支梁在有限天窗点内通过顶推的方式从侧位的钢管立柱顶推到钢门式墩设计位置。

(7)主梁落梁与纠偏

横移完成后，主梁通过4台顶升千斤顶(单端各2台)实现主梁落梁，并通过垫石周围安装的反力支架，结合YD200-250千斤顶进行纠偏。

图2为13＃钢门式墩侧位现浇梁横移示意图，图中门式墩横移系统由滑道、滑靴、MGE滑板、反力座、连续千斤顶、液压泵站、PLC控制系统及锚具夹片组成，滑靴内嵌2 cm厚高强度的MGE滑板；现浇梁为单箱单室预应力混凝土简支箱梁，梁长32.6 m，梁高2.5 m，梁宽7.6 m，重约500 t。考虑到横移过程中顶推系统将会对横移钢管临时支架和门式墩产生较大的水平推力，为确保主梁侧位横移施工安全，本文将对其横移顶推施工过程力学性能开展研究。

图2 预制梁横移路径(单位:cm)

3 横移施工过程分析

3.1 有限元模型

选取赣深铁路下行疏解线福龙路特大桥横移长度最大的32 m简支箱梁，结合有限元程序，建立有限元模型，如图3所示。模型中现浇梁位于13＃～14＃门式墩之间，相应的横移长度为17.5 m，横移施工到位按19个施工阶段来考虑，其中第一个施工阶段为32 m简支梁成型阶段，后续阶段按每次前进1 m设置，最后一个施工阶段按前进0.5 m考虑。为准确分析横移过程中各构件的受力性能，简支箱梁采用实体单元模拟；钢盖梁采用板单元模拟，其中腹板厚28 mm，顶底板厚20 mm，加劲板厚12 mm，横隔板厚20 mm；滑道梁、钢管立柱和连接系均用梁单元进行模拟。为确保滑道梁与钢管立柱和钢盖梁共同变形，滑道梁与钢管立柱以及钢盖梁采用刚性连接；钢管立柱与钢门式墩底部均采用固结。滑道梁、钢管立柱和钢盖梁分析时，模型中未考虑滑道梁与钢盖梁之间的局部加劲处理。

图3 有限元模型示意

3.2 滑道梁分析

图4给出滑道梁最大正应力、剪应力和挠度随横移距离的变化曲线。从图中可以看出，滑道梁最大正应力为81.8 MPa，小于Q235钢材容许应力215 MPa；滑道梁最大剪应力为55.75 MPa，小于Q235钢材容许剪应力125 MPa；滑道梁最大竖向挠度为0.55 mm，小于6.25 mm(L/400，L为跨度)[12]7-8。

图4 滑道梁最大正应力、剪应力和挠度随横移距离变化

从图4a中可以看出，滑道梁正应力随着横移距离的增大表现出先减少后增大的趋势，这是由于简支梁在初始横移的过程中其重量全部由钢管立柱承担开始逐渐转向由钢门式墩承担，导致滑道梁应力逐渐减少；随着横移距离的增大，当简支梁全部横移到钢门式墩上后，{由于简支梁在横移过程中距门式墩立柱距离逐渐增大，滑道梁与钢盖梁共同变形，导致滑道梁应力逐渐增大；当简支梁接近垫石位置时，由于钢盖梁横隔板布置加密，导致滑道梁应力出现显著下降。

从图4b和图4c可以看出，滑道梁在横移过程中最大剪应力和最大挠度变化趋势基本一致，在首次横移时原本由钢管立柱承担的部分简支梁自重逐渐由滑道梁承担再传递给钢管立柱和门式墩立柱，进而导致滑道梁最大剪应力和最大位移出现了增大；随着简支梁逐渐向钢门式墩靠拢，滑道梁最大剪应力和挠度出现先减少后增大的趋势；当全部到达钢盖梁上后，由于横隔板间隔均匀布置，剪应力和挠度出现了相对平缓段；当简支梁接近垫石位置时，滑道梁最大剪应力和最大挠度与最大正应力变化趋势相同。

3.3 钢管立柱分析

图5给出钢管立柱最大正应力随横移距离的变化曲线。从图中可以看出，钢管立柱最大正应力为94.99 MPa，小于Q235钢材容许应力215 MPa[12]7-8；当横移开始时，随着主梁的移动，钢管立柱受力不均匀性加剧，导致钢管立柱的最大正应力出现了峰值；随着横移的不断增大，主梁逐渐从钢管立柱横移至钢门式墩，钢管立柱最大正应力逐渐下降并在主梁到达钢门式墩后出现近似水平的平台。

图5 钢管立柱最大正应力随横移距离变化

考虑到钢管立柱在较大的竖向荷载作用下可能发生钢管局部屈曲，为此表1给出了前5个施工阶段下对应的前3阶失稳模态阶数以及各个阶数的临界荷载和稳定安全系数。由于主梁在横移5 m时已大部分横移至门式墩上，故表中仅取前5个施工阶段进行分析。从表中可以看出，钢管立柱最小的稳定安全系数达到8.91，相应临界荷载为23 898 kN，安全富余较大。

表1 滑道梁钢管临时墩屈曲验算

3.4 钢门式墩分析

考虑到主梁横移过程中，两侧的钢门式墩受力性能不一致，其中一侧钢门式墩临近跨简支梁已经就位，而另一侧钢门式墩仅承受横移的主梁荷载，故在对钢门式墩进行分析时，按以下2种工况考虑:

(1)工况1:钢门式墩临近跨简支梁已横移就位(将就位的简支梁自重转换为面荷载布置在相应垫石位置)。

(2)工况2:钢门式墩仅承受横移的简支梁荷载。

图6给出两种工况下门式墩钢盖梁最大正应力、剪应力和挠度随横移距离的变化曲线。从中可以看出，门式墩钢盖梁最大正应力为87.35 MPa，小于Q345qD钢材容许应力300 MPa；门式墩钢盖梁最大剪应力为44.92 MPa，小于Q345qD钢材容许剪应力175 MPa；门式墩钢盖梁最大竖向挠度为9.33 mm，小于62.5 mm(L/400，L为跨度)[12]7-8。

图6 钢盖梁最大正应力、剪应力和挠度随横移距离变化

从图6a和图6b可以看出，随着主梁在钢管立柱，门式墩立柱和钢盖梁之间的交替，导致钢盖梁最大正应力和最大剪应力出现了上升、下降和上升的交替趋势，且两种工况变化趋势基本一致；但相对于工况1，工况2在后期出现了跳跃趋势，这是由于工况2相对于工况1最大正应力和剪应力出现的位置不统一所致。

从图6c可以看出，两种工况下钢盖梁前期最大位移较为平缓，但随着主梁逐渐横移到位，钢盖梁最大挠度逐渐增大。

4 钢管立柱-门式墩钢盖梁过渡段优化

主梁从钢管立柱横移至门式墩钢盖梁的过程中，钢管立柱-门式墩过渡段将发生较大的刚度变化。为确保横移施工的安全，在钢管立柱-门式墩钢盖梁过渡段滑道梁下方设置加劲板减缓两者之间的刚度突变，加劲板采用Q345qD钢，外形尺寸为435 mm×635 mm的直角三角形，厚度为10 mm，分别焊接在滑道梁下方和钢盖梁侧边。分析时，加劲板采用板单元模拟，与滑道梁和钢盖梁刚性连接。

图7给出了不同加劲板数量时滑道梁过渡截面的正应力和剪应力随横移距离的变化。考虑到主梁横移5 m后已大部分位于钢盖梁上，图中仅示出5 m的横移距离。从图中可以看出，在钢管立柱和门式墩过渡段布置1片加劲板效果并不明显，而在布置2片加劲板后正应力和剪应力下降明显，随着加劲板数量继续增加，滑道梁过渡截面正应力和剪应力变化不大。为此，对于本工程建议在钢管立柱-门式墩过渡段设置2片厚1 cm的加劲板，以实现结构适用性和经济性的统一。

图7 滑道梁过渡截面正、剪应力随横移距离变化

5 结论

本文以跨越既有铁路的新建赣深高铁某特大桥单线简支梁桥为工程背景，通过选取最大横移距离的32 m现浇预应力混凝土箱梁，对基于钢门式墩的现浇梁侧位横移力学性能开展研究，得到以下结论:

(1)现浇梁侧位横移过程中，滑道梁、钢管立柱和门式墩的应力和挠度均满足相关规范要求，且钢管立柱最小的稳定安全系数达到8.91，从受力角度表明32 m现浇梁侧位横移就位是可行的。

(2)滑道梁、钢管立柱和钢盖梁在侧位横移初始阶段应力较大，表明整个体系在横移开始时处于最不利的情况，在施工时应重点关注此时的受力状态。

(3)综合考虑结构的适用性和经济性，建议在钢管立柱-门式墩过渡段设置2片厚1 cm的加劲板实现滑道梁刚度的均匀过渡。