鋼橫梁施工方案對(duì)鋼-混組合門式墩受力性能的影響

陳方舟 曾勇 張磊 馬登秋

（1.遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州遵義 563006；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031；3.無錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇無錫 214023）

當(dāng)新建線路與既有線路交叉時(shí)，往往采用加大主梁跨度的方式，但交叉角度較小時(shí)，增大主梁跨度會(huì)增加新建橋梁的設(shè)計(jì)和施工難度。因此，采用門式墩能夠大大減小跨越既有線橋梁的跨度，降低施工難度，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

門式墩由墩柱和橫梁構(gòu)成，按橫梁結(jié)構(gòu)形式劃分為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)合結(jié)構(gòu)；按墩柱結(jié)構(gòu)形式劃分為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)合結(jié)構(gòu)；按墩梁連接形式劃分為橫梁與墩柱固結(jié)、橫梁與墩柱鉸接、橫梁與墩柱一端固結(jié)一端鉸接等。門式墩采用鉸接時(shí)墩柱一般為受壓柱，受力簡(jiǎn)單，可釋放梁傳給墩柱的彎矩，但是鉸接連接構(gòu)造較復(fù)雜，造價(jià)昂貴且耐久性不好，因此鐵路橋梁門式墩常采用剛接。

由于優(yōu)異的力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性，門式墩在實(shí)際工程中得到大量應(yīng)用，如京哈線上跨哈大客運(yùn)專線門式墩[1]、蘭州至中川機(jī)場(chǎng)線跨蘭新鐵路門式墩[2]等。既有高速鐵路門式墩常常跨越路基或低高度橋梁的線路，門式墩墩高普遍在30 m以下，30 m以上高門式墩研究較少。

目前，國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)門式墩的受力性能及使用性能進(jìn)行了較多的設(shè)計(jì)研究。陳杰［3]對(duì)采用墩梁一次固結(jié)方式的鋼橫梁門式墩受力性能進(jìn)行了研究；商耀兆［4]結(jié)合實(shí)際工程探討了不同墩頂固結(jié)方式對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力性能的影響；王樹旺［5]介紹了鋼橫梁與混凝土立柱先鉸結(jié)后剛接的體系轉(zhuǎn)換形式，提出了新型臨時(shí)支撐-鋼球鉸的理念，并闡述了墩梁結(jié)合處的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)；孫智峰［6]對(duì)高速鐵路鋼箱門式墩的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究；邢懷海［7]對(duì)鋼梁與鋼筋混凝土橋墩剛節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究和分析，并介紹了常用的連接方式；陳亮［8]和萬明［9]結(jié)合實(shí)際工程探討了地質(zhì)參數(shù)m值對(duì)結(jié)構(gòu)整體的影響，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)剛度對(duì)門式墩內(nèi)力有較大影響；荀嘉雷［10]對(duì)京石客運(yùn)專線左聯(lián)特大橋38.5 m 混凝土實(shí)心墩柱框架墩進(jìn)行了驗(yàn)算和動(dòng)力仿真分析。盡管這些文獻(xiàn)研究分析了橫梁、墩柱連接方式對(duì)門式墩受力性能的影響，但是缺乏橫梁施工方案對(duì)門式墩具體受力性能的對(duì)比分析，以及墩梁固結(jié)時(shí)機(jī)對(duì)橫梁、墩柱受力性能的影響分析。橫梁的不同施工方案使得門式墩結(jié)構(gòu)體系發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致門式墩結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的受力特性較為復(fù)雜。

本文以江蘇南沿江城際鐵路跨越寧杭高速鐵路橋梁為研究對(duì)象，綜合分析墩柱、橫梁的施工方案對(duì)門式墩受力性能的影響。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

江蘇南沿江城際鐵路跨越寧杭高速鐵路橋梁上鋪設(shè)有砟軌道，線間距5.0 m，設(shè)計(jì)速度350 km/h，城際鐵路與寧杭高速鐵路斜交角度為6°。為減小對(duì)既有線路的影響，若采用大跨度橋梁跨越既有線路，則跨度為128 m，且墩高達(dá)35 m；若采用門式墩，橫梁跨度僅需26 m 即可滿足相關(guān)要求。為保證寧杭高速鐵路的運(yùn)營(yíng)安全，橫梁采用鋼橫梁結(jié)構(gòu)，墩柱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)澆墩柱、整體吊裝橫梁的施工方式。門式墩布置如圖1所示。

圖1 門式墩布置（單位：cm）

1.2 結(jié)構(gòu)介紹

上部結(jié)構(gòu)為24 m 單箱單室截面簡(jiǎn)支箱梁，橋面寬12.6 m，梁高3.052 m，支座中心距4.5 m，采用預(yù)制架設(shè)的施工方式。門式墩橫橋向計(jì)算跨度26 m，高35 m，墩柱為矩形空心截面，橫橋向采用等坡形式，縱橋向采用變坡形式，具體構(gòu)造如圖2所示。

圖2 門式墩構(gòu)造（單位：cm）

鋼橫梁采用Q370qE 鋼材。頂?shù)装逶O(shè)置3 道加勁板肋，間距850 mm；腹板設(shè)置2 道加勁板肋，間距1728 mm；加勁肋尺寸為240 mm×24 mm。鋼橫梁內(nèi)部每隔2 m 設(shè)置1 道橫隔板，并在支座處對(duì)橫隔板加強(qiáng)處理。普通截面和橫隔板處截面如圖3所示。

圖3 普通截面和橫隔板處截面（單位：mm）

墩柱與橫梁采用鋼混結(jié)合段剛性連接的方式，立柱采用C35 混凝土，內(nèi)側(cè)、外側(cè)配單排HRB400 鋼筋，直徑28 mm，間距10 cm。柱頂處設(shè)置1 m 外包鋼板，鋼板厚32 mm，鋼板內(nèi)為現(xiàn)澆混凝土，通過剪力釘與墩柱頂相連。柱頂構(gòu)造如圖4所示。

圖4 柱頂構(gòu)造

2 設(shè)計(jì)荷載

2.1 恒載

1）結(jié)構(gòu)自重。框架自重：橫梁鋼材重度取78.5 kN/m3，考慮焊縫的重量及施工臨時(shí)荷載，自重系數(shù)取1.1；墩柱混凝土重度取26 kN/m3。上部簡(jiǎn)支梁恒載：按照簡(jiǎn)支梁的恒載反力加載，見表1。

表1 簡(jiǎn)支梁恒載反力 kN

2）混凝土收縮徐變。參考JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［11]第4.2.4條計(jì)算。

3）基礎(chǔ)變位影響力。單柱底不均勻沉降按1 cm考慮。

2.2 活載

1）列車活載。采用ZK-活載進(jìn)行計(jì)算，不同工況下活載反力見表2。其中，以壓力為正。

表2 簡(jiǎn)支梁活載反力 kN

2）離心力和橫向搖擺力。按TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》［12]第7.2.11～7.2.12條計(jì)算。

2.3 附加力

1）制動(dòng)力或牽引力。按TB 10621—2014 第7.2.13條計(jì)算。

2）風(fēng)荷載。按TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》［13]第4.4.1 條計(jì)算，基本風(fēng)壓值W0為500 Pa，各部位風(fēng)荷載強(qiáng)度見表3。

表3 各部位風(fēng)荷載強(qiáng)度 Pa

3）溫度作用。溫度梯度：根據(jù)BS5400英國(guó)橋梁規(guī)范計(jì)算，橫梁豎向升溫、降溫梯度分別為24，6 ℃，均按折線計(jì)。整體升降溫：墩柱整體升溫25 ℃，降溫30 ℃；鋼橫梁整體升溫40 ℃，降溫45 ℃。日照溫差：左右立柱溫差為5 ℃。

2.4 施工荷載

考慮運(yùn)梁車、架橋機(jī)工況，產(chǎn)生的支點(diǎn)反力見表4。

表4 支點(diǎn)反力 kN

2.5 長(zhǎng)鋼軌縱向力

伸縮力按40 kN/軌計(jì)算，斷軌力按590.4 kN/軌計(jì)算。

2.6 荷載組合

根據(jù)主力、主力+附加力、主力+特殊荷載進(jìn)行荷載組合，見表5。

表5 荷載組合

3 有限元模型建立

3.1 基礎(chǔ)剛度

根據(jù)實(shí)際地質(zhì)資料計(jì)算基礎(chǔ)等效剛度，樁基布置形式為10根直徑1.25 m，縱橋向和橫橋向水平剛度分別為7.21×105，9.17×105kN/m，豎向剛度為8.52×106kN/m，橫橋向和縱橋向彎曲剛度分別7.13×107，1.31×108kN·m/rad，扭轉(zhuǎn)剛度為1.93×107kN·m/rad。

3.2 有限元模型

采用有限元軟件MIDAS/Civil 建立全橋三維空間有限元模型（圖5），全橋墩柱、橫梁均采用空間梁?jiǎn)卧M。

圖5 有限元模型

4 結(jié)果分析

4.1 施工方案

根據(jù)墩柱、橫梁及上部結(jié)構(gòu)的施工順序，施工方案可分為3 種情況：①墩梁一次固結(jié)。施工順序?yàn)闈仓罩茉O(shè)橫梁（墩梁鉸接）→轉(zhuǎn)化體系（墩梁固結(jié)）→架設(shè)主梁→運(yùn)梁→主梁橋面系施工→成橋。②墩梁先鉸接后固結(jié)1。施工順序?yàn)闈仓罩茉O(shè)橫梁（墩梁鉸接）→架設(shè)主梁→轉(zhuǎn)化體系（墩梁固結(jié)）→運(yùn)梁→主梁橋面系施工→成橋。③墩梁先鉸接后固結(jié)2。施工順序?yàn)闈仓罩茉O(shè)橫梁（墩梁鉸接）→架設(shè)主梁→運(yùn)梁→主梁橋面系施工→轉(zhuǎn)化體系（墩梁固結(jié)）→成橋。

4.2 橫梁應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)不同施工方案對(duì)鋼橫梁主力、主力+附加力下的正應(yīng)力、剪應(yīng)力及換算應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見表6。可知：不同施工方案對(duì)橫梁剪應(yīng)力幾乎沒有影響；墩梁先鉸接后固結(jié)時(shí)橫梁截面正應(yīng)力、換算應(yīng)力均大于墩梁一次固結(jié)，且增幅明顯；不同施工方案下鋼橫梁應(yīng)力滿足TB 10091—2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［14]的要求。從橫梁受力的角度而言，墩梁一次固結(jié)優(yōu)于墩梁先鉸接后固結(jié)。

4.3 墩柱內(nèi)力結(jié)果

根據(jù)不同施工順序?qū)Χ罩捉孛嬷髁Α⒅髁?附加力下的內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見表7。可知：墩梁先鉸接后固結(jié)時(shí)墩身橫向彎矩均小于墩梁一次固結(jié)；僅考慮墩柱受力的情況時(shí)，墩柱先鉸接后固結(jié)優(yōu)于墩梁一次固結(jié)，二期恒載在墩梁固結(jié)前施工優(yōu)于二期恒載在墩梁固結(jié)后施工。

表6 橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

表7 墩柱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)論

1）不同施工方案和荷載工況下鋼橫梁應(yīng)力滿足TB 10091-2017《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求。

2）鋼橫梁不同施工方案對(duì)門式墩整體受力性能有較大影響，架梁完成后實(shí)施墩梁固結(jié)可保證橫梁受力的合理性，減少對(duì)后期工序的影響。

3）墩梁先鉸接后固結(jié)的施工方案有利于改善墩柱受力性能，該施工方案已應(yīng)用于江蘇南沿江鐵路工程中。