跨既有地鐵線蓋梁支架設計與分析

摘要：新建成都至資陽地鐵線以3個門式墩蓋梁上跨既有地鐵18號線，受既有地鐵線接觸網的影響，為確保支架距離接觸網有足夠的安全距離，支架設計采用中承式雙層加強型貝雷梁結構形式。由于跨線施工存在較高的施工風險，不能采用傳統支架預壓方式驗證支架結構強度及穩定性，故采用有限元分析及應力監測預警方法確保混凝土澆筑過程中支架的安全。詳細介紹了跨既有地鐵線蓋梁支架設計分析過程及監測對比結果。

關鍵詞：跨既有地鐵線路； 門式墩蓋梁支架設計； 中承式貝雷梁； 有限元分析

中國分類號：TU312+.1A

［定稿日期］2023-03-23

［基金項目］中鐵二十三局集團有限公司科技研發計劃項目（項目編號：2022-07C）

［作者簡介］王飛（1977—），男，本科，高級工程師，主要從事項目管理和交通土建專業技術方面工作。

0 引言

近些年隨著城市地鐵線路的不斷發展，新建地鐵線路與已有地鐵線路交叉施工不可避免，采用門式墩蓋梁形式進行上跨地鐵線路的工程案例也越來越多［1］。跨既有地鐵線路由于施工過程中風險大，不能通過支架預壓方式去驗證支架安全性，本文通過有限元計算分析及現場監測預警方式確保施工過程中支架體系的安全穩定，下面進行具體論述。Symbol`@@

1 工程概況

中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司施工的成都至資陽地鐵線正線總長27.76 km，線路從地鐵18號線福田站起，先與既有18號線并行，然后軌道交通資陽線從18號線右線以7.9°交角上跨，上跨采用3個門式墩蓋梁，門式墩墩號分別為B17、B18、B19號。蓋梁寬2.6 m，高2.5 m，跨度均為23.4 m，底部距地面為23.5/24 m，與立柱采用剛性連接。蓋梁底與既有地鐵18號線接觸網27.5kV雙支加強線最小距離5.61 m，與接觸網頂架空地線最小距離3.65 m。18號線接觸網側邊回流線與新建門式墩最小距離為5.33 m，與既有線位置關系如圖1所示。

成都地鐵18號線于2020年9月27日開通運營，資陽線上跨18號線門式墩蓋梁施工對運營中的成都地鐵18號線影響很大。新建門式墩與運營18號線很近，最近處距離18號線右線梁體5.43 m，影響里程：YDK77+525.594 ～YDK77+670.594，影響長度145 m。

2 支撐體系設計

上跨18號線蓋梁長23.4 m，寬2.6 m，高2.5 m。蓋梁支架體系設計承載力不小于6 800 kN，受18號線接觸網高壓帶電體的影響，又限制了支架高度不能大于2 m，受地鐵保護相關文件規定，不能設置額外支架基礎，業主又提出支架防護要作到滴水不漏的嚴苛要求，因此支架設計難度極大。本設計方案采用有限元方法開展分析研究，并進行優化迭代，最終選擇了鋼立柱+中承式雙層加強型貝雷梁支架結構形式［2］。支架結構由底部鋼支柱、工字鋼橫梁、貝雷片縱梁、工字鋼分配梁組成，基礎放置于現有兩側墩柱承臺上，蓋梁模板采用鋼模板，防護平臺采用型鋼+鋁模板搭設［3］。

B17～B19蓋梁支架將現有承臺作為鋼管立柱基礎，承臺長6.5 m，寬6.5 m，高3 m。鋼管柱采用609 mm、壁厚δ為16 mm，共設4排，靠近既有線路一側立柱按3根一排，立柱間距為2.15 m；遠離既有線路一側立柱按2根一排，立柱間距為4.301 m；鋼管立柱縱向間距為（4.5+15+4.5） m。鋼立柱之間采用［10槽鋼桁架連接系連接，并與墩柱預埋鋼板進行連接，間隔6 m連接一道。鋼立柱腳部預埋或植筋16根C18的鋼筋，預埋或植筋深度不小于0.4 m，鋼筋上部車絲，通過套筒與鋼立柱法蘭盤連接。

鋼管柱上設置40 cm卸荷砂箱［4］。靠近既有線路一側沙箱上設置6 m長雙拼I56a工字鋼作為橫梁，遠離既有線路一側設置6 m長單根I56a工字鋼作為橫梁，在工字鋼橫梁與沙箱接觸位置焊接3道1 cm厚肋板。

橫梁上架設12片雙層加強型貝雷片，貝雷片間距為（5×22.5+317.6+5×22.5） cm。雙層加強型貝雷片下層橫向鋪設40根9 m長I10工字鋼橫梁，作為防護棚架橫梁［5］，雙層加強型貝雷片中層橫向鋪設24組長6 m的雙拼I25a工字鋼、6根6 m長的I25a工字鋼，作為承重分配梁。

蓋梁模板采用鋼模板［6］，側模面板采用6 mm鋼板，底模面板采用8 mm鋼板，側模骨架主要采用矩管□120×80×5和12 mm鋼板，底模骨架主要采用工字鋼I12和12 mm鋼板，焊接3根I25a工字鋼；端模采用8 mm鋼板，骨架主要采用矩管□160×80×5和12 mm鋼板，蓋梁中部和頂板采用25 mm精軋螺紋鋼對拉加固。

防護平臺采用鋁模板拼接而成，鋁模板之間采用承插銷接方式［7］。鋁模板光面豎直向下，帶肋一面朝上，防護欄桿也均使用鋁模板拼接而成。貝雷梁下層及上層均搭設防護平臺。支架搭設實景如圖2所示。

3 模型建立及計算結果分析

3.1 模型建立

根據設計所用的材料和截面參數，支架力學模型建立如下，模型中的構件均采用梁單元模擬。型鋼之間搭接采用彈性連接模擬約束X、Y、Z方向上的平動以及沿桿單元軸線方向的轉動，貝雷梁各組件間的螺栓連接也采用彈性連接模擬，約束全部釋放螺栓方向的轉動，鋼立柱腳邊界條件采用固結約束［8］。

通過對實體支架體系進行簡化建模分析，建立起三維有限元分析模型，共計12 917個梁單元、680個板單元和10 448個節點，詳見圖3。

3.2 荷載取值及工況分析

門式墩蓋梁施工過程中荷載依次通過I25a工字鋼橫梁、雙層加強型貝雷梁、I56a工字鋼橫梁，鋼管立柱最終傳遞到門式墩基礎承臺上，其中各型鋼構件自重由軟件自動計算。因此需要考慮的豎向靜荷載有鋼模板自重、混凝土自重、蓋梁鋼筋自重，需要考慮的豎向動荷載有施工人員及設備自重及下部列車經過時所產生的行車風荷載，需要考慮的水平動荷載有泵送、傾倒混凝土產生的水平荷載。

3.2.1 荷載取值

依據設計文件說明以及相關規范，鋼模板自重標準值按0.75 kN/m2考慮，預應力混凝土自重標準值按26 kN/m3考慮，施工人員及設備荷載標準值按2.5 kN/m2考慮，泵送、傾倒混凝土水平荷載標準值按1.3 kN/m2考慮，豎向、橫向行車風荷載標準值均按0.5 kN/m2考慮［9］，自然風的基本風壓按0.3 kN/m2考慮，并考慮地基粗糙（成都為B類），以上荷載均轉換成面荷載進行施加。

3.2.2 工況分析

跨既有地鐵18號線門式墩蓋梁支架因距離行駛中的列車較近，因此除通常的承載力工況下強度驗算以及正常使用狀態下的變形驗算之外，還應考慮支架體系在澆筑前的抗傾覆穩定性以及澆筑完成后的抗傾覆穩定性，以鋼立柱柱腳不出現負反力為判定條件。除此之外，為防止澆筑過程中出現爆模的最不利情況出現，還應對防護棚架的承載力進行驗算，要求防護棚架的防護能力可以承載10 cm厚混凝土以及上部傳下來的人員及設備荷載。因此提出了5種工況：

（1）工況一：承載能力極限狀態下支架安全性驗算。

1.1×（1.3（支架+鋼筋混凝土+模板）+1.5×0.9（施工荷載+行車風荷載））。

（2）工況二：正常使用極限狀態下支架變形驗算。

（支架+鋼筋混凝土+模板）+施工荷載。

（3）工況三：混凝土澆筑前支架穩定性驗算。

0.9×（支架+模板）+1.1×1.5×0.9自然風荷載。

（4）工況四：混凝土澆筑時支架穩定性驗算。

0.9×（支架+鋼筋混凝土+模板）+1.1×1.5×0.9泵送、傾倒混凝土等因素產生的水平荷載［10］。

（5）工況五：承載能力極限狀態下防護棚架安全性驗算。

1.1×{1.3［支架+鋼筋混凝土（2.4 m高）+模板］+1.3棚架鋼筋混凝土（0.1 m高）+1.5×0.9棚架施工荷載}。

3.3 計算結果匯總分析

根據計算分析，將I25工字鋼橫梁、雙層加強型貝雷梁、I56a工字鋼的應力和變形，鋼管立柱的應力、變形和反力值，防護棚架I10工字鋼橫梁的應力和變形等結果匯總如表1所示。

3.3.1 I25a工字鋼橫梁計算結果匯總分析

I25a工字鋼受到下部貝雷梁變形的影響，最大組合應力出現在跨中，其承載能力極限狀態下最大組合應力值為138.93 MPa，小于Q235鋼材允許應力值，強度滿足要求（圖4）。

3.3.2 貝雷梁計算結果匯總分析

雙層加強型貝雷梁由于采用中間承力的形式，內側貝雷梁受力大于外側貝雷梁，連接花窗一定程度上限制了貝雷梁的變形，導致連接處出現應力集中，最大組合應力出現在跨中花窗連接處，其承載能力極限狀態下最大組合應力值為244.83 MPa，小于貝雷梁鋼材允許應力值，強度滿足要求。除此之外，懸桿的最大拉應力出現在最內側貝雷梁跨中下懸桿處，最大壓應力出現在最內側貝雷梁跨中上懸桿處。貝雷梁豎桿的最大應力值出現在支座附近，因此焊接雙拼［10槽鋼對豎桿進行加強，加強后豎桿強度滿足要求。貝雷梁斜桿的最大應力值出現在下層靠近支座附近，小于貝雷梁鋼材允許應力值，強度滿足要求（圖5）。

3.3.3 I56a工字鋼橫梁計算結果匯總分析

I56a工字鋼橫梁由于立柱布置較密，所受彎曲應力較小，剪力較大，其承載能力極限狀態下最大剪切應力值為69.22 MPa，小于Q235鋼材允許應力值，強度滿足要求。為了防止I56a工字鋼出現翼緣板局部失穩情況，在工字鋼橫梁與沙箱接觸位置焊接了3道1 cm厚肋板，確保其局部穩定性（圖6）。

3.3.4 與傳統內力法計算結果對比分析

為了驗證實體建模計算結果，也對傳統內力法等效計算進行對比，將3片一組的雙層加強型貝雷梁參數化，通過給定轉動慣量Ix=6894390 mm4和截面抵抗矩Wx= 45962.6 mm3將其等效成一根均質的梁［11］，再通過有限軟件計算得到這根梁的彎矩M=2925.82≤9618.8 kN·m，剪力值V=1081.93≥698.9 kN，得出貝雷梁抗彎強度滿足要求，抗剪強度不滿足要求的結論，建議增加貝雷片數或進行局部加強。這一結果與未做豎桿加強前的實體建模計算結果相符。

4 計算結果與現場實測對比分析

現場混凝土澆筑前，根據力學模型的計算結果，對跨既有線蓋梁支架受力較大的I25a工字鋼、雙層加強型貝雷梁豎桿、斜桿分別進行了應力監測，設定了應力預警閥值，確保在澆筑過程中的風險可控［12］。

具體應力監測結果如表2所示，從表中數據可以看出，監測結果與力學計算模型中混凝土荷載作用下應力值增量較為相符。

5 結論與建議

為了滿足跨既有地鐵18號線蓋梁施工安全的要求，本工程利用有限元軟件對多種支架結構進行建模計算，依據計算結果對支架結構進行不斷優化，最終選定了鋼立柱+中承式雙層加強型貝雷梁支架結構形式。通過計算結果可知，支架承載能力極限狀態下支架最大應力為244 MPa，在正常使用極限狀態下支架最大變形為13.1 mm，表明支架各部位強度及穩定性均滿足規范要求。通過將實體建模計算結果與傳統內力法等效計算結果比較，實體建模在計算結構內力時考慮了不同構件間剛度對荷載分配影響，計算結果更符合現場實際，也更安全。在現場混凝土澆筑過程中對支架體系中關鍵桿件進行了應力監測，并提出了預警值，確保了支架體系安全。事后將計算理論值和實際監測值進行了對比，驗證了計算模型準確性。目前成都軌道交通資陽線上跨18號線門式墩蓋梁工程已施工完成，施工過程中未發生任何掉物事件，完全達到業主的目標要求，為今后上跨既有地鐵線路門式墩蓋梁施工提供了成功案例，具有重要借鑒、參考價值。

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