跨既有地鐵線蓋梁支架設(shè)計(jì)與分析

摘要：新建成都至資陽(yáng)地鐵線以3個(gè)門式墩蓋梁上跨既有地鐵18號(hào)線，受既有地鐵線接觸網(wǎng)的影響，為確保支架距離接觸網(wǎng)有足夠的安全距離，支架設(shè)計(jì)采用中承式雙層加強(qiáng)型貝雷梁結(jié)構(gòu)形式。由于跨線施工存在較高的施工風(fēng)險(xiǎn)，不能采用傳統(tǒng)支架預(yù)壓方式驗(yàn)證支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性，故采用有限元分析及應(yīng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警方法確保混凝土澆筑過程中支架的安全。詳細(xì)介紹了跨既有地鐵線蓋梁支架設(shè)計(jì)分析過程及監(jiān)測(cè)對(duì)比結(jié)果。

關(guān)鍵詞：跨既有地鐵線路； 門式墩蓋梁支架設(shè)計(jì)； 中承式貝雷梁； 有限元分析

中國(guó)分類號(hào)：TU312+.1A

［定稿日期］2023-03-23

［基金項(xiàng)目］中鐵二十三局集團(tuán)有限公司科技研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2022-07C）

［作者簡(jiǎn)介］王飛（1977—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事項(xiàng)目管理和交通土建專業(yè)技術(shù)方面工作。

0 引言

近些年隨著城市地鐵線路的不斷發(fā)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(jìn)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(fēng)險(xiǎn)大，不能通過支架預(yù)壓方式去驗(yàn)證支架安全性，本文通過有限元計(jì)算分析及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警方式確保施工過程中支架體系的安全穩(wěn)定，下面進(jìn)行具體論述。Symbol`@@

1 工程概況

中鐵二十三局集團(tuán)軌道交通工程有限公司施工的成都至資陽(yáng)地鐵線正線總長(zhǎng)27.76 km，線路從地鐵18號(hào)線福田站起，先與既有18號(hào)線并行，然后軌道交通資陽(yáng)線從18號(hào)線右線以7.9°交角上跨，上跨采用3個(gè)門式墩蓋梁，門式墩墩號(hào)分別為B17、B18、B19號(hào)。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(hào)線接觸網(wǎng)27.5kV雙支加強(qiáng)線最小距離5.61 m，與接觸網(wǎng)頂架空地線最小距離3.65 m。18號(hào)線接觸網(wǎng)側(cè)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(guān)系如圖1所示。

成都地鐵18號(hào)線于2020年9月27日開通運(yùn)營(yíng)，資陽(yáng)線上跨18號(hào)線門式墩蓋梁施工對(duì)運(yùn)營(yíng)中的成都地鐵18號(hào)線影響很大。新建門式墩與運(yùn)營(yíng)18號(hào)線很近，最近處距離18號(hào)線右線梁體5.43 m，影響里程：YDK77+525.594 ～YDK77+670.594，影響長(zhǎng)度145 m。

2 支撐體系設(shè)計(jì)

上跨18號(hào)線蓋梁長(zhǎng)23.4 m，寬2.6 m，高2.5 m。蓋梁支架體系設(shè)計(jì)承載力不小于6 800 kN，受18號(hào)線接觸網(wǎng)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(hù)相關(guān)文件規(guī)定，不能設(shè)置額外支架基礎(chǔ)，業(yè)主又提出支架防護(hù)要作到滴水不漏的嚴(yán)苛要求，因此支架設(shè)計(jì)難度極大。本設(shè)計(jì)方案采用有限元方法開展分析研究，并進(jìn)行優(yōu)化迭代，最終選擇了鋼立柱+中承式雙層加強(qiáng)型貝雷梁支架結(jié)構(gòu)形式［2］。支架結(jié)構(gòu)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(chǔ)放置于現(xiàn)有兩側(cè)墩柱承臺(tái)上，蓋梁模板采用鋼模板，防護(hù)平臺(tái)采用型鋼+鋁模板搭設(shè)［3］。

B17～B19蓋梁支架將現(xiàn)有承臺(tái)作為鋼管立柱基礎(chǔ)，承臺(tái)長(zhǎng)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(shè)4排，靠近既有線路一側(cè)立柱按3根一排，立柱間距為2.15 m；遠(yuǎn)離既有線路一側(cè)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(yù)埋鋼板進(jìn)行連接，間隔6 m連接一道。鋼立柱腳部預(yù)埋或植筋16根C18的鋼筋，預(yù)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(shè)置40 cm卸荷砂箱［4］。靠近既有線路一側(cè)沙箱上設(shè)置6 m長(zhǎng)雙拼I56a工字鋼作為橫梁，遠(yuǎn)離既有線路一側(cè)設(shè)置6 m長(zhǎng)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(shè)12片雙層加強(qiáng)型貝雷片，貝雷片間距為（5×22.5+317.6+5×22.5） cm。雙層加強(qiáng)型貝雷片下層橫向鋪設(shè)40根9 m長(zhǎng)I10工字鋼橫梁，作為防護(hù)棚架橫梁［5］，雙層加強(qiáng)型貝雷片中層橫向鋪設(shè)24組長(zhǎng)6 m的雙拼I25a工字鋼、6根6 m長(zhǎng)的I25a工字鋼，作為承重分配梁。

蓋梁模板采用鋼模板［6］，側(cè)模面板采用6 mm鋼板，底模面板采用8 mm鋼板，側(cè)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(duì)拉加固。

防護(hù)平臺(tái)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(hù)欄桿也均使用鋁模板拼接而成。貝雷梁下層及上層均搭設(shè)防護(hù)平臺(tái)。支架搭設(shè)實(shí)景如圖2所示。

3 模型建立及計(jì)算結(jié)果分析

3.1 模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)所用的材料和截面參數(shù)，支架力學(xué)模型建立如下，模型中的構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M。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(dòng)以及沿桿單元軸線方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(zhuǎn)動(dòng)，鋼立柱腳邊界條件采用固結(jié)約束［8］。

通過對(duì)實(shí)體支架體系進(jìn)行簡(jiǎn)化建模分析，建立起三維有限元分析模型，共計(jì)12 917個(gè)梁?jiǎn)卧?80個(gè)板單元和10 448個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(qiáng)型貝雷梁、I56a工字鋼橫梁，鋼管立柱最終傳遞到門式墩基礎(chǔ)承臺(tái)上，其中各型鋼構(gòu)件自重由軟件自動(dòng)計(jì)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(dòng)荷載有施工人員及設(shè)備自重及下部列車經(jīng)過時(shí)所產(chǎn)生的行車風(fēng)荷載，需要考慮的水平動(dòng)荷載有泵送、傾倒混凝土產(chǎn)生的水平荷載。

3.2.1 荷載取值

依據(jù)設(shè)計(jì)文件說明以及相關(guān)規(guī)范，鋼模板自重標(biāo)準(zhǔn)值按0.75 kN/m2考慮，預(yù)應(yīng)力混凝土自重標(biāo)準(zhǔn)值按26 kN/m3考慮，施工人員及設(shè)備荷載標(biāo)準(zhǔn)值按2.5 kN/m2考慮，泵送、傾倒混凝土水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值按1.3 kN/m2考慮，豎向、橫向行車風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值均按0.5 kN/m2考慮［9］，自然風(fēng)的基本風(fēng)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(zhuǎn)換成面荷載進(jìn)行施加。

3.2.2 工況分析

跨既有地鐵18號(hào)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(qiáng)度驗(yàn)算以及正常使用狀態(tài)下的變形驗(yàn)算之外，還應(yīng)考慮支架體系在澆筑前的抗傾覆穩(wěn)定性以及澆筑完成后的抗傾覆穩(wěn)定性，以鋼立柱柱腳不出現(xiàn)負(fù)反力為判定條件。除此之外，為防止?jié)仓^程中出現(xiàn)爆模的最不利情況出現(xiàn)，還應(yīng)對(duì)防護(hù)棚架的承載力進(jìn)行驗(yàn)算，要求防護(hù)棚架的防護(hù)能力可以承載10 cm厚混凝土以及上部傳下來的人員及設(shè)備荷載。因此提出了5種工況：

（1）工況一：承載能力極限狀態(tài)下支架安全性驗(yàn)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(fēng)荷載））。

（2）工況二：正常使用極限狀態(tài)下支架變形驗(yàn)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(wěn)定性驗(yàn)算。

0.9×（支架+模板）+1.1×1.5×0.9自然風(fēng)荷載。

（4）工況四：混凝土澆筑時(shí)支架穩(wěn)定性驗(yàn)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(chǎn)生的水平荷載［10］。

（5）工況五：承載能力極限狀態(tài)下防護(hù)棚架安全性驗(yàn)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(jì)算結(jié)果匯總分析

根據(jù)計(jì)算分析，將I25工字鋼橫梁、雙層加強(qiáng)型貝雷梁、I56a工字鋼的應(yīng)力和變形，鋼管立柱的應(yīng)力、變形和反力值，防護(hù)棚架I10工字鋼橫梁的應(yīng)力和變形等結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

3.3.1 I25a工字鋼橫梁計(jì)算結(jié)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(yīng)力出現(xiàn)在跨中，其承載能力極限狀態(tài)下最大組合應(yīng)力值為138.93 MPa，小于Q235鋼材允許應(yīng)力值，強(qiáng)度滿足要求（圖4）。

3.3.2 貝雷梁計(jì)算結(jié)果匯總分析

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

3.3.3 I56a工字鋼橫梁計(jì)算結(jié)果匯總分析

I56a工字鋼橫梁由于立柱布置較密，所受彎曲應(yīng)力較小，剪力較大，其承載能力極限狀態(tài)下最大剪切應(yīng)力值為69.22 MPa，小于Q235鋼材允許應(yīng)力值，強(qiáng)度滿足要求。為了防止I56a工字鋼出現(xiàn)翼緣板局部失穩(wěn)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(wěn)定性（圖6）。

3.3.4 與傳統(tǒng)內(nèi)力法計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

為了驗(yàn)證實(shí)體建模計(jì)算結(jié)果，也對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)力法等效計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，將3片一組的雙層加強(qiáng)型貝雷梁參數(shù)化，通過給定轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Ix=6894390 mm4和截面抵抗矩Wx= 45962.6 mm3將其等效成一根均質(zhì)的梁［11］，再通過有限軟件計(jì)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(qiáng)度滿足要求，抗剪強(qiáng)度不滿足要求的結(jié)論，建議增加貝雷片數(shù)或進(jìn)行局部加強(qiáng)。這一結(jié)果與未做豎桿加強(qiáng)前的實(shí)體建模計(jì)算結(jié)果相符。

4 計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)比分析

現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑前，根據(jù)力學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果，對(duì)跨既有線蓋梁支架受力較大的I25a工字鋼、雙層加強(qiáng)型貝雷梁豎桿、斜桿分別進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)，設(shè)定了應(yīng)力預(yù)警閥值，確保在澆筑過程中的風(fēng)險(xiǎn)可控［12］。

具體應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，監(jiān)測(cè)結(jié)果與力學(xué)計(jì)算模型中混凝土荷載作用下應(yīng)力值增量較為相符。

5 結(jié)論與建議

為了滿足跨既有地鐵18號(hào)線蓋梁施工安全的要求，本工程利用有限元軟件對(duì)多種支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計(jì)算，依據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷優(yōu)化，最終選定了鋼立柱+中承式雙層加強(qiáng)型貝雷梁支架結(jié)構(gòu)形式。通過計(jì)算結(jié)果可知，支架承載能力極限狀態(tài)下支架最大應(yīng)力為244 MPa，在正常使用極限狀態(tài)下支架最大變形為13.1 mm，表明支架各部位強(qiáng)度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。通過將實(shí)體建模計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)內(nèi)力法等效計(jì)算結(jié)果比較，實(shí)體建模在計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)考慮了不同構(gòu)件間剛度對(duì)荷載分配影響，計(jì)算結(jié)果更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，也更安全。在現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑過程中對(duì)支架體系中關(guān)鍵桿件進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測(cè)，并提出了預(yù)警值，確保了支架體系安全。事后將計(jì)算理論值和實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算模型準(zhǔn)確性。目前成都軌道交通資陽(yáng)線上跨18號(hào)線門式墩蓋梁工程已施工完成，施工過程中未發(fā)生任何掉物事件，完全達(dá)到業(yè)主的目標(biāo)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(jià)值。

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