钢梁架设临时墩结构强度计算

张 勇

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）

在铁路钢桁架梁的架设过程中，需根据施工的需求及载荷特点设置临时墩结构，用以承载施工过程中的主梁结构重量及各种施工载荷，如塔吊、悬拼吊机的安装调试及各种施工材料设备。临时墩结构在主梁施工未完成前起着“桥墩”的作用，其结构是否安全可靠关系到整个桥梁施工过程能否顺利进行。随着有限元软件的功能趋于完善，其广泛被应用于结构计算中［1－3］。本文采用有限元计算程序［4］对某铁路桥施工过程中设置的临时墩结构的强度进行了计算，评估了临时墩结构的承载情况及承载能力贮备。在计算过程中，对临时墩结构历经的各种承载情况进行了详细的受力分析。

1 工程概况

主桥墩2边跨（281～282号、285～286号）各节点设临时墩，并安装大吨位塔吊，2辅跨（282～283号、284～285号）中间搭设2个临时墩。钢桁梁散件运至辅墩塔吊处，用塔吊安装281～282号、285～286号墩中间各3个钢桁梁节段，并完成2台悬拼吊机安装及调试，然后从282号和285号墩位置分别向跨中悬拼钢桁梁至主跨合龙段处合龙，临时墩布置见图1。2组钢管桩组成1个临时墩，钢管桩上做桩帽，在桩帽上放置分配梁，在分配梁上放置垫梁及起顶装置。每个横断面临时墩由左右2组临时墩组成，分别位于2主桁下弦杆正下方的临时墩之间用直径360 mm、壁厚8 mm的4根螺旋焊管连接，增加临时墩的整体稳定性。其中1，2号临时墩设置在281～282号之间，3，4号临时墩设置在282～283号之间。

图1 临时墩布置图

2 临时墩结构强度计算

2.1 有限元模型

采用大型有限元计算程序对1～4号临时墩以及上部横梁、桁架结构建模，模型见图2。模型中主要采用板壳单元、梁单元，板单元为四边形单元。板壳（shell）单元用于离散横梁加筋板，梁（beam）单元用以模拟管柱及连接系。

图2 临时墩及桁架结构整体模型图

2.2 计算载荷

计算载荷包括在每种工况下临时墩以上部分结构（桁架梁及桥面系）的重量；架桥机在对临时墩最不利载荷情况的位置以及起吊构件的重量，由此得到对临时墩最不利情况下架桥机前支腿和后支腿对上弦杆的反力。这个反力将作为计算载荷来评估临时墩的强度。

按照钢桁梁架设的顺序及架桥机所在的位置，确定对临时墩的最不利载荷工况，校核临时墩的应力；同时，为了评估钢桁梁在横向调整时对临时墩的作用力，计算调整工况下临时墩的轴向力并乘以0.06的摩擦系数作为横向调整工况时临时墩受到的横向荷载。

根据以下4种工况，对每个临时墩在最不利载荷下的强度进行直接计算。

2.2.1 临时墩不利工况载荷

（1）工况1。塔吊架设36 m边跨钢梁第三节间完成，第二个临时墩受力最不利。该工况下作用在临时墩上的载荷包括：

①钢桁架梁各构件的重量，这部分载荷通过对每个杆件的重量统计得到（以每个节间为统计单位），并以均布线载荷的形式施加到下弦杆上。

②桥面板的重量以均布载荷施加在计算模型中每个节间的板单元上。

③在上弦杆和下弦杆上分别施加1 k N／m的施工载荷。

④根据不同架设工况下架桥机的位置，计算得到架桥机在架设对应杆件时前后支点对上弦杆的作用反力，以集中力的形式施加在上弦杆的对应位置。

（2）工况2。架桥机架钢梁到第三个临时墩处，即E6节点，但还未上第三个临时墩时，此时钢桁梁架设端部处于最大悬臂状态，将对1，2号临时墩产生不利载荷。对于第六个节间，该状态下只架设了上弦杆、下弦杆及桥面系，将下弦杆的重量以均布线荷载施加到下弦杆上；将上弦杆的重量以均布线荷载施加到上弦杆上；桥面系的载荷以均布压力载荷的形式施加在桥面板单元上。

该工况下作用在临时墩上的载荷包括：

①钢桁架梁各构件的重量，这部分载荷通过对每个杆件的重量统计得到（以每个节间为统计单位），并以均布线载荷的形式施加到下弦杆上。

②桥面板的重量以均布载荷施加在计算模型中每个节间的的板单元上。

③在上弦杆和下弦杆上分别施加1 k N／m的施工载荷。

④架桥机起吊E5－E6节间重量最大杆件时，架桥机前后支点对上弦杆的作用反力以集中力的形式施加在上弦杆的对应位置。

（3）工况3。架桥机架设钢梁到第4个临时墩处，即E9节点，但还未上第四个临时墩时，此时钢桁梁架设端部处于最大悬臂状态，将对3号临时墩产生不利载荷。对于第九个节间，该状态下只架设了上弦杆、下弦杆及桥面系，将下弦杆的重量以均布线荷载施加到下弦杆上；将上弦杆的重量以均布线荷载施加到上弦杆上；桥面系的载荷以均布压力载荷的形式施加在桥面板单元上。载荷统计及施加方式如工况1，2。

该工况下作用在临时墩上的载荷包括：

①钢桁架梁各构件的重量，这部分载荷通过对每个杆件的重量统计得到（以每个节间为统计单位），并以均布线载荷的形式施加到下弦杆上。

②桥面板的重量以均布载荷施加在计算模型中每个节间的的板单元上。

③在上弦杆和下弦杆上分别施加1 k N／m的施工载荷。

④架桥机起吊E8－E9节间重量最大杆件时，架桥机前后支点对上弦杆的作用反力以集中力的形式施加在上弦杆的对应位置。

（4）工况4。架桥机架设钢梁到第283号永久墩处，即E10节点，但还未上第四个临时墩时，此时钢桁梁架设端部处于最大悬臂状态，将对4号临时墩产生不利载荷。根据钢桁架梁架设顺序图，该工况下计算模型载荷施加情况见图3。对于第九个节间，该状态下只架设了上弦杆、下弦杆及桥面系，将下弦杆的重量以均布线荷载施加到下弦杆上；将上弦杆的重量以均布线荷载施加到上弦杆上；桥面系的载荷以均布压力载荷的形式施加在桥面板单元上。载荷统计及施加方式如工况1，2。

图3 工况4加载示意图

该工况下作用在临时墩上的载荷包括：

①钢桁架梁各构件的重量，这部分载荷通过对每个杆件的重量统计得到（以每个节间为统计单位），并以均布线载荷的形式施加到下弦杆上。

②桥面板的重量以均布载荷施加在计算模型中每个节间的的板单元上。

③在上弦杆和下弦杆上分别施加1 k N／m的施工载荷。

④架桥机起吊E9－E10节间重量最大杆件时，架桥机前后支点对上弦杆的作用反力以集中力的形式施加在上弦杆的对应位置。

2.2.2 钢桁梁横移调整工况

在钢桁梁架设过程中，为保证设计要求需要对其位置做适当的横向调整。横向调整工况包括以下4种：

（1）横向调整工况1。钢梁架设至282号墩时调增横向位置。

（2）横向调整工况2。钢梁架设至3号墩时调增横向位置。调整时E5－E6节间的上弦杆、下弦杆以及桥面都安装到位。

（3）横向调整工况3。钢梁架设至4号墩时调增横向位置。调整时E8－E9节间的上弦杆、下弦杆以及桥面都安装到位。

（4）横向调整工况4。钢梁架设至283号墩时调增横向位置，见图4。

图4 横移调整工况4示意图

在以上各调整工况下，相对滑移面为不锈钢板和四氟板平移，两者之间的摩擦系数取0.06，起顶时对临时墩产生水平载荷。首先计算各调整工况下临时墩所受到的垂向力，再乘以滑动摩擦系数0.06即得到临时墩所受的横向力。再将横向力施加在有限元模型上，计算校核临时墩的强度。

2.3 计算结果

各种工况下临时墩梁单元和分配梁板单元的应力见表1～4。从结果可以看出，临时墩在不利工况3时其梁单元组合应力及分配梁板单元应力最大，强度应力储备相对较低，但许用应力满足相关规范要求。在各种调整工况下结构的应力水平较低，结构的强度储备较大。

表1 临时墩不利工况梁单元应力及位移

表2 临时墩不利工况分配梁板单元应力

表3 调整工况临时墩梁单元应力

表4 调整工况分配梁板单元应力

3 结语

本文采用有限元计算程序对某铁路桥施工过程中设置的临时墩结构的强度进行了计算，评估了临时墩结构的承载情况及承载能力贮备。在计算过程中，对临时墩结构历经的各种承载情况进行了详细的受力分析。从计算结果来看，临时墩在不利工况3时其梁单元组合应力及分配梁板单元应力最大，安全储备相对较小，在施工过程中需引起重视。本文的分析过程及方法可为以后类似工程问题提供借鉴。

［1］ 李建慧，李爱群，罗世东，等.广珠城际西江特大桥主桥空间受力分析［J］.东南大学学报：自然科学版，2009，39（1）：96－100.

［2］ 周里鸣，彭益华，唐必刚.梧州西江四桥主桥结构涉及及受力分析［J］.桥隧工程，2012（8）：25－29.

［3］ 史文杰，曾明根，苏庆田，等.九堡大桥主桥受力分析［J］.桥梁建设，2010（6）：37－39.

［4］ 刘兵山，黄 聪，PATRAN从入门到精通［M］.北京：中国水利水电出版社，2002.