新建铁路钢横梁门式墩静力性能分析

焦道宽

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 概述

当新建铁路和既有线交叉时，可通过加大主梁跨度实现对既有线的跨越，但这种方式会相应增加主线的设计、施工难度，提高工程造价，当新建铁路与既有线交叉角度较小时，目前主流的方式是采用钢横梁以及钢筋混凝土墩柱相结合形成框架结构，即钢横梁门式墩跨越既有线路，钢横梁一般为工厂预制、现场吊装的施工方式，施工周期短，对既有线影响较小，有效降低施工风险，提高安全等级。

对于双柱式门式墩，根据钢-混结合段连接方式，可以分为两端铰接、一端铰接一端刚接以及两端刚接几种形式。为了更利于整体结构的受力，国内学者还研究了先铰接后刚接的连接方式，提出新型钢球铰的理念。但考虑到施工规范化、标准化，且铰接连接形式相对复杂，后期维护成本相对较高，故对于新建铁路桥梁，钢横梁门式墩更多采用两端刚接的连接方式。

文章以新建铁路连云港至镇江线（连镇线）宁淮引入淮安东上跨京沪高速公路特大桥为工程实践，介绍3～6号钢横梁门式墩的结构设计形式，通过Midas进行有限元分析得到最不利荷载工况，并利用通用有限元软件，对门式墩钢-混结合段处进行局部静力分析（最不利荷载工况下），保证结构设计合理性、安全性，并阐述本项目中钢横梁门式墩的施工关键技术。

2 工程实例

2.1 工程概况

新建铁路连云港至镇江线（连镇线）为单线高速铁路，上跨京沪高速公路，交叉角度较小，设计速度为250 km/h，门式墩平面上均位于直线上，3～6号门式墩处桥面纵坡为-17.588%。上部梁型为有砟轨道简支梁，3～6号墩两侧布置均为32+32 m（小里程侧～大里程侧）。为了减小对既有高速公路的影响，各个墩柱采用常规法施工，钢横梁采用工厂预制，现场吊装的施工方案，缩短施工周期。

2.2 结构介绍

连镇线3～6号门式墩结构型式如图1所示，墩柱纵向按60：1放坡，横向为直坡，墩高均为34 m，线路中心距离左墩中心距离为13.5 m，以3号门式墩钢横梁为例，其基本结构尺寸如表1所示。

表1 钢横梁的基本结构尺寸

图1 门式墩结构型式（单位：cm）

3 有限元分析

3.1 Midas整体模型

采用有限元软件Midas建立钢横梁门式墩模型，基础考虑桩-土作用效应。通过查看混凝土柱顶梁单元的最大弯矩，确定对应的最不利荷载工况为：自重+梁部荷载+二期+双重车+横风。

3.2 通用有限元软件局部分析

除了根据规范验算相关内容，因钢-混结合段处受力较为复杂，对其进行局部静力分析。使用通用有限元软件，建立实体分析模型，混凝土采用实体单元C3D8R，钢横梁及钢立柱采用壳单元S4R，并按照实际考虑横隔板及闭合加劲的分布，如图2所示。在混凝土墩柱中钢柱的插入段，进行充分切割，建立蒙皮特性，赋予其钢材属性，较为合理地模拟门式墩钢-混结合处的实际刚接情况。荷载采用最不利工况进行考虑，如图3所示，承台底部的边界条件与Midas模型保持一致，充分考虑桩土作用效应，并且在钢混结合段处划分较为细致的网格以确保该位置处的计算精度。

图2 钢横梁及钢立柱局部模型

图3 荷载施加情况

4 结果分析

4.1 计算分析结果

在实体分析模型中，钢混结合段处的处理方式较为复杂，为判断模型的合理性，查看自重条件下钢横梁的等效应力云图，如图4所示，最大应力为11 MPa，出现在钢立柱根部应力集中位置；门式墩结构的变形云图，如图5所示，最大竖向位移为0.99 mm，出现在钢横梁中部位置处；底部参考点的约束反力与工程量计算结果相符，并查看实体分析模型的传力路径，符合力学原理，证明此有限元模型比较合理。

图4 自重下等效应力云图（单位：MPa）

图5 自重下变形云图（单位：mm）

在实体模型中激活施加的全部荷载，提取钢横梁的等效应力云图，如图6所示，最大应力为158 MPa，出现在钢横梁顶部的垫石位置处；钢立柱根部应力为127.8 MPa，存在应力集中现象；嵌入混凝土部分的钢立柱应力分布在20～40 MPa；混凝土桥墩的压应力主要分布在1～2.6 MPa，在墩顶位置处的钢混结合段端部，混凝土最大拉应力为1.238 MPa，小于1.3 MPa，如图7所示；门式墩结构竖向位移最大为7.17 mm，出现在钢横梁顶板垫石位置处。

图6 最不利荷载工况下钢横梁等效应力云图（单位：MPa）

图7 最不利荷载工况下混凝土等效应力云图（单位：MPa）

根据以上分析，本项目钢横梁门式墩在设计荷载下整体应力水平较低，应力分布情况较为理想，在插入混凝土墩柱的钢立柱长度为3 m的情况下，结合段处混凝土拉应力较小，结构设计较为合理。

4.2 施工关键技术

门式墩钢混结合段处构造如图8所示，插入混凝土墩柱的钢立柱长度为3 m，图中N1为墩柱钢筋，与钢混结合处预埋钢板N2b双面焊接，钢结构插入段底板设置高强度大六角头锚栓，起到连接和锚固作用，确保钢横梁与墩柱混凝土的刚接连接形式。

图8 钢混结合段构造图

为了减小施工对跨越既有线路的影响，桩基、墩柱采用现浇施工，钢横梁采用工厂预制施工，施工关键步骤如图9所示。

图9 钢横梁门式墩施工关键步骤图

图8和图9，混凝土墩柱首先浇至立柱混凝土一次浇筑线位置，注意预埋钢板N2b以及预埋锚栓（序号1），将预制完成的钢横梁进行吊装，并精准对位，待钢横梁就位后将钢板N2和N2b对齐，并用预埋螺栓拧紧，四周焊接两钢板以形成临时固结（序号2）。然后灌注钢立柱内外混凝土，过程中注意充分振捣，形成永久性固结，将钢横梁顶板预留孔洞用钢板焊接封死（序号3），待施工完支承垫石后，吊装简支梁梁体就位（序号4）。

5 结论

新建连镇线铁路与所跨越既有线交叉角度较小，3～6号墩采用钢横梁门式墩结构跨越京沪高速，可降低对既有线的影响。通过局部静力分析，在最不利荷载设计工况下，结构的整体应力水平较低，且结构形式复杂的钢混结合段处混凝土拉应力较小，整体门式墩设计较为合理。文章阐述了门式墩钢混结合段关键施工技术以及主要施工步骤，降低施工风险，确保施工安全。