鋼梁架設臨時墩結構強度計算

張 勇

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 武漢 430063）

在鐵路鋼桁架梁的架設過程中，需根據施工的需求及載荷特點設置臨時墩結構，用以承載施工過程中的主梁結構重量及各種施工載荷，如塔吊、懸拼吊機的安裝調試及各種施工材料設備。臨時墩結構在主梁施工未完成前起著“橋墩”的作用，其結構是否安全可靠關系到整個橋梁施工過程能否順利進行。隨著有限元軟件的功能趨于完善，其廣泛被應用于結構計算中［1－3］。本文采用有限元計算程序［4］對某鐵路橋施工過程中設置的臨時墩結構的強度進行了計算，評估了臨時墩結構的承載情況及承載能力貯備。在計算過程中，對臨時墩結構歷經的各種承載情況進行了詳細的受力分析。

1 工程概況

主橋墩2邊跨（281～282號、285～286號）各節點設臨時墩，并安裝大噸位塔吊，2輔跨（282～283號、284～285號）中間搭設2個臨時墩。鋼桁梁散件運至輔墩塔吊處，用塔吊安裝281～282號、285～286號墩中間各3個鋼桁梁節段，并完成2臺懸拼吊機安裝及調試，然后從282號和285號墩位置分別向跨中懸拼鋼桁梁至主跨合龍段處合龍，臨時墩布置見圖1。2組鋼管樁組成1個臨時墩，鋼管樁上做樁帽，在樁帽上放置分配梁，在分配梁上放置墊梁及起頂裝置。每個橫斷面臨時墩由左右2組臨時墩組成，分別位于2主桁下弦桿正下方的臨時墩之間用直徑360 mm、壁厚8 mm的4根螺旋焊管連接，增加臨時墩的整體穩定性。其中1，2號臨時墩設置在281～282號之間，3，4號臨時墩設置在282～283號之間。

圖1 臨時墩布置圖

2 臨時墩結構強度計算

2.1 有限元模型

采用大型有限元計算程序對1～4號臨時墩以及上部橫梁、桁架結構建模，模型見圖2。模型中主要采用板殼單元、梁單元，板單元為四邊形單元。板殼（shell）單元用于離散橫梁加筋板，梁（beam）單元用以模擬管柱及連接系。

圖2 臨時墩及桁架結構整體模型圖

2.2 計算載荷

計算載荷包括在每種工況下臨時墩以上部分結構（桁架梁及橋面系）的重量；架橋機在對臨時墩最不利載荷情況的位置以及起吊構件的重量，由此得到對臨時墩最不利情況下架橋機前支腿和后支腿對上弦桿的反力。這個反力將作為計算載荷來評估臨時墩的強度。

按照鋼桁梁架設的順序及架橋機所在的位置，確定對臨時墩的最不利載荷工況，校核臨時墩的應力；同時，為了評估鋼桁梁在橫向調整時對臨時墩的作用力，計算調整工況下臨時墩的軸向力并乘以0.06的摩擦系數作為橫向調整工況時臨時墩受到的橫向荷載。

根據以下4種工況，對每個臨時墩在最不利載荷下的強度進行直接計算。

2.2.1 臨時墩不利工況載荷

（1）工況1。塔吊架設36 m邊跨鋼梁第三節間完成，第二個臨時墩受力最不利。該工況下作用在臨時墩上的載荷包括：

①鋼桁架梁各構件的重量，這部分載荷通過對每個桿件的重量統計得到（以每個節間為統計單位），并以均布線載荷的形式施加到下弦桿上。

②橋面板的重量以均布載荷施加在計算模型中每個節間的板單元上。

③在上弦桿和下弦桿上分別施加1 k N／m的施工載荷。

④根據不同架設工況下架橋機的位置，計算得到架橋機在架設對應桿件時前后支點對上弦桿的作用反力，以集中力的形式施加在上弦桿的對應位置。

（2）工況2。架橋機架鋼梁到第三個臨時墩處，即E6節點，但還未上第三個臨時墩時，此時鋼桁梁架設端部處于最大懸臂狀態，將對1，2號臨時墩產生不利載荷。對于第六個節間，該狀態下只架設了上弦桿、下弦桿及橋面系，將下弦桿的重量以均布線荷載施加到下弦桿上；將上弦桿的重量以均布線荷載施加到上弦桿上；橋面系的載荷以均布壓力載荷的形式施加在橋面板單元上。

該工況下作用在臨時墩上的載荷包括：

①鋼桁架梁各構件的重量，這部分載荷通過對每個桿件的重量統計得到（以每個節間為統計單位），并以均布線載荷的形式施加到下弦桿上。

②橋面板的重量以均布載荷施加在計算模型中每個節間的的板單元上。

③在上弦桿和下弦桿上分別施加1 k N／m的施工載荷。

④架橋機起吊E5－E6節間重量最大桿件時，架橋機前后支點對上弦桿的作用反力以集中力的形式施加在上弦桿的對應位置。

（3）工況3。架橋機架設鋼梁到第4個臨時墩處，即E9節點，但還未上第四個臨時墩時，此時鋼桁梁架設端部處于最大懸臂狀態，將對3號臨時墩產生不利載荷。對于第九個節間，該狀態下只架設了上弦桿、下弦桿及橋面系，將下弦桿的重量以均布線荷載施加到下弦桿上；將上弦桿的重量以均布線荷載施加到上弦桿上；橋面系的載荷以均布壓力載荷的形式施加在橋面板單元上。載荷統計及施加方式如工況1，2。

該工況下作用在臨時墩上的載荷包括：

①鋼桁架梁各構件的重量，這部分載荷通過對每個桿件的重量統計得到（以每個節間為統計單位），并以均布線載荷的形式施加到下弦桿上。

②橋面板的重量以均布載荷施加在計算模型中每個節間的的板單元上。

③在上弦桿和下弦桿上分別施加1 k N／m的施工載荷。

④架橋機起吊E8－E9節間重量最大桿件時，架橋機前后支點對上弦桿的作用反力以集中力的形式施加在上弦桿的對應位置。

（4）工況4。架橋機架設鋼梁到第283號永久墩處，即E10節點，但還未上第四個臨時墩時，此時鋼桁梁架設端部處于最大懸臂狀態，將對4號臨時墩產生不利載荷。根據鋼桁架梁架設順序圖，該工況下計算模型載荷施加情況見圖3。對于第九個節間，該狀態下只架設了上弦桿、下弦桿及橋面系，將下弦桿的重量以均布線荷載施加到下弦桿上；將上弦桿的重量以均布線荷載施加到上弦桿上；橋面系的載荷以均布壓力載荷的形式施加在橋面板單元上。載荷統計及施加方式如工況1，2。

圖3 工況4加載示意圖

該工況下作用在臨時墩上的載荷包括：

①鋼桁架梁各構件的重量，這部分載荷通過對每個桿件的重量統計得到（以每個節間為統計單位），并以均布線載荷的形式施加到下弦桿上。

②橋面板的重量以均布載荷施加在計算模型中每個節間的的板單元上。

③在上弦桿和下弦桿上分別施加1 k N／m的施工載荷。

④架橋機起吊E9－E10節間重量最大桿件時，架橋機前后支點對上弦桿的作用反力以集中力的形式施加在上弦桿的對應位置。

2.2.2 鋼桁梁橫移調整工況

在鋼桁梁架設過程中，為保證設計要求需要對其位置做適當的橫向調整。橫向調整工況包括以下4種：

（1）橫向調整工況1。鋼梁架設至282號墩時調增橫向位置。

（2）橫向調整工況2。鋼梁架設至3號墩時調增橫向位置。調整時E5－E6節間的上弦桿、下弦桿以及橋面都安裝到位。

（3）橫向調整工況3。鋼梁架設至4號墩時調增橫向位置。調整時E8－E9節間的上弦桿、下弦桿以及橋面都安裝到位。

（4）橫向調整工況4。鋼梁架設至283號墩時調增橫向位置，見圖4。

圖4 橫移調整工況4示意圖

在以上各調整工況下，相對滑移面為不銹鋼板和四氟板平移，兩者之間的摩擦系數取0.06，起頂時對臨時墩產生水平載荷。首先計算各調整工況下臨時墩所受到的垂向力，再乘以滑動摩擦系數0.06即得到臨時墩所受的橫向力。再將橫向力施加在有限元模型上，計算校核臨時墩的強度。

2.3 計算結果

各種工況下臨時墩梁單元和分配梁板單元的應力見表1～4。從結果可以看出，臨時墩在不利工況3時其梁單元組合應力及分配梁板單元應力最大，強度應力儲備相對較低，但許用應力滿足相關規范要求。在各種調整工況下結構的應力水平較低，結構的強度儲備較大。

表1 臨時墩不利工況梁單元應力及位移

表2 臨時墩不利工況分配梁板單元應力

表3 調整工況臨時墩梁單元應力

表4 調整工況分配梁板單元應力

3 結語

本文采用有限元計算程序對某鐵路橋施工過程中設置的臨時墩結構的強度進行了計算，評估了臨時墩結構的承載情況及承載能力貯備。在計算過程中，對臨時墩結構歷經的各種承載情況進行了詳細的受力分析。從計算結果來看，臨時墩在不利工況3時其梁單元組合應力及分配梁板單元應力最大，安全儲備相對較小，在施工過程中需引起重視。本文的分析過程及方法可為以后類似工程問題提供借鑒。

［1］ 李建慧，李愛群，羅世東，等.廣珠城際西江特大橋主橋空間受力分析［J］.東南大學學報：自然科學版，2009，39（1）：96－100.

［2］ 周里鳴，彭益華，唐必剛.梧州西江四橋主橋結構涉及及受力分析［J］.橋隧工程，2012（8）：25－29.

［3］ 史文杰，曾明根，蘇慶田，等.九堡大橋主橋受力分析［J］.橋梁建設，2010（6）：37－39.

［4］ 劉兵山，黃 聰，PATRAN從入門到精通［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.