側位現澆梁鋼門式墩橫移力學性能與施工控制研究

王瑞

摘 要：為保證側位現澆梁橫移頂推安全且有效地進行，結合某鐵路橋梁工程實例，選取滑道梁、鋼蓋梁、鋼管立柱等結構，用有限元軟件對多處結構進行力學性能研究，提出了側位現澆梁鋼門式墩施工技術要點。分析結果表明，增設2片厚度均為1 cm的加勁板，借助此類輔助材料達到了均勻過渡滑道梁剛度的效果，避免了剛度突變現象。

關鍵詞：鐵路橋梁；滑道梁；門式墩；有限元分析；優化措施

中圖分類號：U445.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）11-0102-03

0 引言

當前，與橫移頂推相關的研究主要圍繞臨近既有線的頂推橫移施工而進行，對小角度跨越既有鐵路的多跨箱梁側位現澆、鋼門式墩橫移頂推的考慮相對有限，相關研究資料較少。此方面的橫移頂推屬于工程中的重點內容，有必要對其進行研究，掌握側位現澆梁鋼門式墩橫移的特性。根據有限元分析結果加以優化，有利于提升施工技術的可行性，實現工程施工安全、質量、經濟性多項目標。

1 工程概況

某鐵路特大橋全長1 650.21 m，在10#～16#墩處以鋼門式墩呈8°的小角度跨越既有鐵路線，而既有鐵路線運行繁忙，在較小交叉角度以及交通繁忙的特殊條件下順利完成跨越成為工程的重難點內容。工程采用側位現澆的簡支梁，對結構做張拉、脫模處理，隨后橫移頂推至指定位置，順利施工成型。

2 橫移過程分析

2.1 有限元模型的建立

為獲得具有代表性的有限元模型以及可靠性分析結果，對本橋梁橫移長度最大的32 m簡支箱梁進行建模分析。現澆梁位于13#～14#門式墩間，橫移施工按19個階段考慮，逐個階段依次進行，最終橫移到位。橫移總長度為17.5 m，其中首個階段為簡支梁成型，最后一個階段橫移量取0.5 m，其他各階段每次均橫移1 m。簡支箱梁用實體單元模擬，梁蓋板用板單元模擬，加勁板厚12 mm，橫隔板、頂板、底板的厚度均為20 mm，腹板厚28 mm，鋼管立柱、連接系、滑道梁均用梁單元模擬?；懒号c鋼管立柱及鋼蓋梁為剛性連接，目的在于使結構共同變形。鋼管立柱與鋼門式墩底部固結[1]。

2.2 滑道梁分析

隨著橫移距離的變化，滑道梁最大正應力、剪應力、撓度均有所改變。相比Q235鋼材的容許應力215 MPa、容許剪應力125 MPa，滑道梁的最大正應力81.8 MPa、最大剪應力55.75 MPa均更??；相比L/400（L為跨度，計算后得6.25 mm），最大豎向撓度0.55 mm更小。

隨著橫移距離的增加，滑道梁正應力呈先減、后增的階段性變化趨勢。原因在于橫移初期鋼管立柱完全承擔簡支梁的質量，橫移距離持續加大后，質量逐步轉為由鋼門式墩承擔，受力條件的變化帶來滑道梁應力的降低。而達到較大的橫移距離后，鋼門式墩將完全承受簡支梁的質量，滑道梁與鋼蓋梁共同變形，至此開始表現出滑道梁應力增加。隨著橫移的進一步進行，在簡支梁接近墊石部位時，滑道應力開始降低，此變化則與鋼蓋梁橫隔板加密布置有關[2]。

在橫移期間，滑道梁的最大剪應力和最大撓度變化趨勢具有趨同性。首次橫移時，簡支梁的自重承擔對象逐步由鋼管立柱轉到滑道梁，進而繼續向鋼管立柱和門式墩立柱轉移，因此兩項指標均呈現出增加的變化趨勢。隨著橫移的持續進行，簡支梁接近鋼門式墩時，呈現出先減小、后增加的最大剪應力和最大撓度變化趨勢。進一步橫移至鋼蓋梁上時，剪應力和撓度進入整個變化過程中的平緩段，此現象與橫隔板均勻布置有關[3]。

2.3 鋼管立柱分析

不同橫移距離時鋼管立柱最大正應力，如圖1所示。根據圖1可知：相比Q235鋼材的容許應力215 MPa，鋼管立柱的最大正應力94.99 MPa更小。橫移時，鋼管受力不均勻現象將由于主梁的移動而變得愈發明顯，從而產生最大正應力峰值。在此基礎上繼續橫移，主梁持續接近鋼門式墩，最大正應力表現出降低的變化趨勢，最終此項指標具有近似水平的變化特征。

2.4 鋼門式墩分析

兩側的鋼門式墩在主梁橫移時的受力性能存在差異，為此分兩種工況，分別對鋼門式墩展開分析。工況1為鋼門式墩臨近跨簡支梁橫移到位。工況2為鋼門式墩僅承受橫移的簡支梁荷載。

兩種工況下不同橫移距離的門式墩鋼蓋梁正應力、剪應力和撓度的最大值的變化趨勢，如圖2所示。分析發現，相比Q345qD鋼材的容許應力300 MPa、容許剪應力175 MPa，滑道梁的最大正應力87.35 MPa、最大剪應力44.92 MPa均更小，最大豎向撓度為9.33 mm，小于62.5 mm。

根據圖2a、圖2b可知：在橫移過程中，主梁于鋼管立柱、門式墩立柱和鋼蓋梁間交替，此橫移階段呈現出上升、下降依次交替的鋼蓋梁最大正應力和最大剪應力變化特征，而在所述的兩種工況中，表現出的變化趨勢具有趨同性。但有所區別的是，工況2在后期的變化具有跳躍性，此差異的出現與兩種工況最大正應力和剪應力發生時對應部位的不同有關。

根據圖2c可知：鋼蓋梁前期最大位移在兩種工況時均較為平緩，未見明顯的變化。但隨著主梁橫移的持續進行，表現出鋼蓋梁最大撓度增加的變化特點[4]。

3 鋼管立柱-門式墩鋼蓋梁過渡段的優化策略

根據受力分析結果可知，鋼管立柱-門式墩過渡段的剛度，在主梁由鋼管立柱橫移至門式墩鋼蓋梁時發生大幅度的改變，基于此特性，提出減緩過渡段剛度突變的策略。方法是準備厚度為10 mm、外形尺寸為435 mm×635 mm且形態呈直角三角形、材質為Q345qD鋼的加勁板，以焊接的方法將其穩定布設在滑道梁下方和鋼蓋梁側邊，以增設加勁板的方法，減緩鋼管立柱-門式墩鋼蓋梁過渡段滑道梁下方的剛度突變。在有限元模擬分析時，用板單元模擬加勁板，其與滑道梁和鋼蓋梁呈剛性連接。

隨著橫移距離的變化，滑道梁過渡截面的正應力和剪應力發生改變，具體變化特征又與加勁板的數量有關，以1片、2片、3片加勁板和無加勁板為例，各自的變化如圖3所示。注意：由于橫移距離達到5 m后主梁基本處于鋼蓋梁上，在圖3中僅給出橫移5 m的應力變化信息。

根據圖3可知，加勁板的數量發生改變后，對剛度突變的緩解效果存在差異。僅設置1片加勁板時，剛度突變問題仍較為明顯；加勁板的數量增加至2片后，正應力和剪應力均有大幅降低的變化；若持續增加加勁板的數量，正應力和剪應力雖然有所變化但變幅減小。兼顧剛度突變控制和成本控制兩項要求，設置2片加勁板是較為合適的方式。

4 側位現澆梁鋼門式墩施工技術

4.1 鋼門式墩立柱、蓋梁的安裝

安裝設備采用130 t的汽車起重機，在人工輔助下，將由鋼管混凝土組成的鋼門式墩立柱整體吊裝到位。蓋梁的安裝分階段完成，要先按照工程要求在工廠分節段預制，確認各節段的質量無誤后運至現場拼裝成整體，對結構做全方位的檢查，用650 t履帶起重機將拼裝成型的結構整體吊裝到位[5]。

4.2 主梁橫移

以頂推的方法將32 m簡支梁經由天窗點頂推橫移，運動路徑為從側位的鋼管立柱到達鋼門式墩處。

4.2.1 現澆梁橫移

橫移過程中，技術人員應不斷在滑道上涂抹黃油并反復觀測滑座與滑道的變化，按照13 cm/min勻速滑動。為保證兩端滑移距離和速度相同，采用激光位移傳感器和滑道刻度尺進行同步監測雙控，每當一端滑移10 cm時箱梁兩端進行校核，若一端滑移距離超出，可通過減小牽引力的方式使兩端基本平衡滑移。

4.2.2 橫移就位

橫移基本到位時（距設計位置0.2 m處），采取點動組合（30 s、20 s、10 s、5 s、2 s）操作，并與技術人員配合確認點動后剩余滑動距離。橫移到位后，測量人員應對箱梁平面位置進行復核。

4.2.3 橫移監測

為了確保預應力混凝土簡支梁橫移施工的順利實施，施工過程中需要對鋼管臨時墩、滑道和鋼門式墩蓋梁進行應力和撓度的實時監測，以保障施工過程中的安全性和穩定性。

4.3 主梁落梁

在結束主梁橫移作業的基礎上，分別在兩端配置2臺頂升千斤頂，4臺設備共同配合，平穩地將主梁落梁。由于本工程箱梁存在縱坡，落梁高度存在高低端，因此分兩端進行落梁作業。

當支座初步安裝完成后，箱梁底部兩端千斤頂開始同步頂升，抽出箱梁支撐30 mm厚鋼板；千斤頂回油，保持高度和速度一致落梁30 mm。待箱梁穩定后，繼續進行箱梁頂升，抽出箱梁支撐30 mm厚鋼板，落梁30 mm。依次往復，每次落梁30 mm，直至低端落梁到位。箱梁低端落梁到位后，臨時連接低端支座，進行高端落梁。高端千斤頂頂升箱梁，抽出箱梁支撐30 mm厚鋼板，千斤頂回油，高端落梁30 mm，待箱梁穩定后，繼續進行箱梁頂升，抽出箱梁支撐30 mm厚鋼板，落梁30 mm。依次往復，每次落梁30 mm，直至高端落梁到位。

5 結束語

本文分析了側位現澆梁鋼門式墩橫移力學特性，根據分析結果提出優化橫移作業條件的策略，具體有以下3點：①滑道梁、鋼管立柱和門式墩的應力和撓度，在現澆梁側位橫移各階段均得到有效控制，在許可范圍內。②橫移初始階段，滑道梁、鋼管立柱和鋼蓋梁的應力較大，屬于橫移全過程中作業狀態較差、異常狀況發生率較高階段，施工人員必須予以充分的關注，加強對受力狀態分析，采取必要的控制措施。③為緩解滑道梁剛度突變現象，建議在鋼管立柱-門式墩過渡段設置加勁板，此材料的厚度以1cm為宜，數量適中，否則數量過少將影響剛度突變的減緩效果，過多將導致成本攀升。為兼顧工程效果和成本控制的要求，以2片為宜。

參考文獻

[1] 陳海濤，鄧運清，石魯寧.鄭濟高鐵40m整孔預制簡支箱梁應用研究[J].鐵道標準設計，2020（z1）：174-179.

[2] 沈惠軍，王浩，荀智翔，等.臨近既有線鋼桁梁高空橫移施工臨時支墩安全性分析[J].鐵道標準設計，2019（1）：20-22.

[3] 趙利民，李浩.88 m鋼-混凝土組合桁架梁施工方案研究[J].鐵道建筑，2018（2）：90-91.

[4] 張曉強.上跨既有線側位現澆橫移頂推箱梁施工技術[J].工程技術研究，2021（9）：43-46.

[5] 韓三平.軟土地區上跨既有鐵路轉體梁施工技術研究[J].鐵道建筑技術，2021（3）：17-19.