钢横梁施工方案对钢-混组合门式墩受力性能的影响

陈方舟 曾勇 张磊 马登秋

（1.遵义师范学院工学院，贵州遵义 563006；2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；3.无锡地铁集团有限公司，江苏无锡 214023）

当新建线路与既有线路交叉时，往往采用加大主梁跨度的方式，但交叉角度较小时，增大主梁跨度会增加新建桥梁的设计和施工难度。因此，采用门式墩能够大大减小跨越既有线桥梁的跨度，降低施工难度，产生明显的经济效益。

门式墩由墩柱和横梁构成，按横梁结构形式划分为普通钢筋混凝土结构、预应力混凝土结构、钢结构、钢混结合结构；按墩柱结构形式划分为普通钢筋混凝土结构和钢混结合结构；按墩梁连接形式划分为横梁与墩柱固结、横梁与墩柱铰接、横梁与墩柱一端固结一端铰接等。门式墩采用铰接时墩柱一般为受压柱，受力简单，可释放梁传给墩柱的弯矩，但是铰接连接构造较复杂，造价昂贵且耐久性不好，因此铁路桥梁门式墩常采用刚接。

由于优异的力学性能及经济性，门式墩在实际工程中得到大量应用，如京哈线上跨哈大客运专线门式墩[1]、兰州至中川机场线跨兰新铁路门式墩[2]等。既有高速铁路门式墩常常跨越路基或低高度桥梁的线路，门式墩墩高普遍在30 m以下，30 m以上高门式墩研究较少。

目前，国内研究人员对门式墩的受力性能及使用性能进行了较多的设计研究。陈杰［3]对采用墩梁一次固结方式的钢横梁门式墩受力性能进行了研究；商耀兆［4]结合实际工程探讨了不同墩顶固结方式对结构整体受力性能的影响；王树旺［5]介绍了钢横梁与混凝土立柱先铰结后刚接的体系转换形式，提出了新型临时支撑-钢球铰的理念，并阐述了墩梁结合处的节点设计与施工关键技术；孙智峰［6]对高速铁路钢箱门式墩的关键结构进行了设计研究；邢怀海［7]对钢梁与钢筋混凝土桥墩刚节点结构形式进行了研究和分析，并介绍了常用的连接方式；陈亮［8]和万明［9]结合实际工程探讨了地质参数m值对结构整体的影响，发现基础刚度对门式墩内力有较大影响；荀嘉雷［10]对京石客运专线左联特大桥38.5 m 混凝土实心墩柱框架墩进行了验算和动力仿真分析。尽管这些文献研究分析了横梁、墩柱连接方式对门式墩受力性能的影响，但是缺乏横梁施工方案对门式墩具体受力性能的对比分析，以及墩梁固结时机对横梁、墩柱受力性能的影响分析。横梁的不同施工方案使得门式墩结构体系发生变化，会导致门式墩结构关键部位的受力特性较为复杂。

本文以江苏南沿江城际铁路跨越宁杭高速铁路桥梁为研究对象，综合分析墩柱、横梁的施工方案对门式墩受力性能的影响。

1 工程实例

1.1 工程概况

江苏南沿江城际铁路跨越宁杭高速铁路桥梁上铺设有砟轨道，线间距5.0 m，设计速度350 km/h，城际铁路与宁杭高速铁路斜交角度为6°。为减小对既有线路的影响，若采用大跨度桥梁跨越既有线路，则跨度为128 m，且墩高达35 m；若采用门式墩，横梁跨度仅需26 m 即可满足相关要求。为保证宁杭高速铁路的运营安全，横梁采用钢横梁结构，墩柱采用钢筋混凝土结构，采用现浇墩柱、整体吊装横梁的施工方式。门式墩布置如图1所示。

图1 门式墩布置（单位：cm）

1.2 结构介绍

上部结构为24 m 单箱单室截面简支箱梁，桥面宽12.6 m，梁高3.052 m，支座中心距4.5 m，采用预制架设的施工方式。门式墩横桥向计算跨度26 m，高35 m，墩柱为矩形空心截面，横桥向采用等坡形式，纵桥向采用变坡形式，具体构造如图2所示。

图2 门式墩构造（单位：cm）

钢横梁采用Q370qE 钢材。顶底板设置3 道加劲板肋，间距850 mm；腹板设置2 道加劲板肋，间距1728 mm；加劲肋尺寸为240 mm×24 mm。钢横梁内部每隔2 m 设置1 道横隔板，并在支座处对横隔板加强处理。普通截面和横隔板处截面如图3所示。

图3 普通截面和横隔板处截面（单位：mm）

墩柱与横梁采用钢混结合段刚性连接的方式，立柱采用C35 混凝土，内侧、外侧配单排HRB400 钢筋，直径28 mm，间距10 cm。柱顶处设置1 m 外包钢板，钢板厚32 mm，钢板内为现浇混凝土，通过剪力钉与墩柱顶相连。柱顶构造如图4所示。

图4 柱顶构造

2 设计荷载

2.1 恒载

1）结构自重。框架自重：横梁钢材重度取78.5 kN/m3，考虑焊缝的重量及施工临时荷载，自重系数取1.1；墩柱混凝土重度取26 kN/m3。上部简支梁恒载：按照简支梁的恒载反力加载，见表1。

表1 简支梁恒载反力 kN

2）混凝土收缩徐变。参考JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》［11]第4.2.4条计算。

3）基础变位影响力。单柱底不均匀沉降按1 cm考虑。

2.2 活载

1）列车活载。采用ZK-活载进行计算，不同工况下活载反力见表2。其中，以压力为正。

表2 简支梁活载反力 kN

2）离心力和横向摇摆力。按TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［12]第7.2.11～7.2.12条计算。

2.3 附加力

1）制动力或牵引力。按TB 10621—2014 第7.2.13条计算。

2）风荷载。按TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》［13]第4.4.1 条计算，基本风压值W0为500 Pa，各部位风荷载强度见表3。

表3 各部位风荷载强度 Pa

3）温度作用。温度梯度：根据BS5400英国桥梁规范计算，横梁竖向升温、降温梯度分别为24，6 ℃，均按折线计。整体升降温：墩柱整体升温25 ℃，降温30 ℃；钢横梁整体升温40 ℃，降温45 ℃。日照温差：左右立柱温差为5 ℃。

2.4 施工荷载

考虑运梁车、架桥机工况，产生的支点反力见表4。

表4 支点反力 kN

2.5 长钢轨纵向力

伸缩力按40 kN/轨计算，断轨力按590.4 kN/轨计算。

2.6 荷载组合

根据主力、主力+附加力、主力+特殊荷载进行荷载组合，见表5。

表5 荷载组合

3 有限元模型建立

3.1 基础刚度

根据实际地质资料计算基础等效刚度，桩基布置形式为10根直径1.25 m，纵桥向和横桥向水平刚度分别为7.21×105，9.17×105kN/m，竖向刚度为8.52×106kN/m，横桥向和纵桥向弯曲刚度分别7.13×107，1.31×108kN·m/rad，扭转刚度为1.93×107kN·m/rad。

3.2 有限元模型

采用有限元软件MIDAS/Civil 建立全桥三维空间有限元模型（图5），全桥墩柱、横梁均采用空间梁单元模拟。

图5 有限元模型

4 结果分析

4.1 施工方案

根据墩柱、横梁及上部结构的施工顺序，施工方案可分为3 种情况：①墩梁一次固结。施工顺序为浇筑墩柱→架设横梁（墩梁铰接）→转化体系（墩梁固结）→架设主梁→运梁→主梁桥面系施工→成桥。②墩梁先铰接后固结1。施工顺序为浇筑墩柱→架设横梁（墩梁铰接）→架设主梁→转化体系（墩梁固结）→运梁→主梁桥面系施工→成桥。③墩梁先铰接后固结2。施工顺序为浇筑墩柱→架设横梁（墩梁铰接）→架设主梁→运梁→主梁桥面系施工→转化体系（墩梁固结）→成桥。

4.2 横梁应力结果

根据不同施工方案对钢横梁主力、主力+附加力下的正应力、剪应力及换算应力进行对比分析，计算结果见表6。可知：不同施工方案对横梁剪应力几乎没有影响；墩梁先铰接后固结时横梁截面正应力、换算应力均大于墩梁一次固结，且增幅明显；不同施工方案下钢横梁应力满足TB 10091—2017《铁路桥梁钢结构设计规范》［14]的要求。从横梁受力的角度而言，墩梁一次固结优于墩梁先铰接后固结。

4.3 墩柱内力结果

根据不同施工顺序对墩柱底截面主力、主力+附加力下的内力进行对比分析，计算结果见表7。可知：墩梁先铰接后固结时墩身横向弯矩均小于墩梁一次固结；仅考虑墩柱受力的情况时，墩柱先铰接后固结优于墩梁一次固结，二期恒载在墩梁固结前施工优于二期恒载在墩梁固结后施工。

表6 横梁应力计算结果 MPa

表7 墩柱内力计算结果

5 结论

1）不同施工方案和荷载工况下钢横梁应力满足TB 10091-2017《铁路桥梁钢结构设计规范》的相关要求。

2）钢横梁不同施工方案对门式墩整体受力性能有较大影响，架梁完成后实施墩梁固结可保证横梁受力的合理性，减少对后期工序的影响。

3）墩梁先铰接后固结的施工方案有利于改善墩柱受力性能，该施工方案已应用于江苏南沿江铁路工程中。