侧位现浇梁钢门式墩横移力学性能与施工控制研究

王瑞

摘 要：为保证侧位现浇梁横移顶推安全且有效地进行，结合某铁路桥梁工程实例，选取滑道梁、钢盖梁、钢管立柱等结构，用有限元软件对多处结构进行力学性能研究，提出了侧位现浇梁钢门式墩施工技术要点。分析结果表明，增设2片厚度均为1 cm的加劲板，借助此类辅助材料达到了均匀过渡滑道梁刚度的效果，避免了刚度突变现象。

关键词：铁路桥梁；滑道梁；门式墩；有限元分析；优化措施

中图分类号：U445.5                               文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2023）11-0102-03

0 引言

当前，与横移顶推相关的研究主要围绕临近既有线的顶推横移施工而进行，对小角度跨越既有铁路的多跨箱梁侧位现浇、钢门式墩横移顶推的考虑相对有限，相关研究资料较少。此方面的横移顶推属于工程中的重点内容，有必要对其进行研究，掌握侧位现浇梁钢门式墩横移的特性。根据有限元分析结果加以優化，有利于提升施工技术的可行性，实现工程施工安全、质量、经济性多项目标。

1 工程概况

某铁路特大桥全长1 650.21 m，在10#～16#墩处以钢门式墩呈8°的小角度跨越既有铁路线，而既有铁路线运行繁忙，在较小交叉角度以及交通繁忙的特殊条件下顺利完成跨越成为工程的重难点内容。工程采用侧位现浇的简支梁，对结构做张拉、脱模处理，随后横移顶推至指定位置，顺利施工成型。

2 横移过程分析

2.1 有限元模型的建立

为获得具有代表性的有限元模型以及可靠性分析结果，对本桥梁横移长度最大的32 m简支箱梁进行建模分析。现浇梁位于13#～14#门式墩间，横移施工按19个阶段考虑，逐个阶段依次进行，最终横移到位。横移总长度为17.5 m，其中首个阶段为简支梁成型，最后一个阶段横移量取0.5 m，其他各阶段每次均横移1 m。简支箱梁用实体单元模拟，梁盖板用板单元模拟，加劲板厚12 mm，横隔板、顶板、底板的厚度均为20 mm，腹板厚28 mm，钢管立柱、连接系、滑道梁均用梁单元模拟。滑道梁与钢管立柱及钢盖梁为刚性连接，目的在于使结构共同变形。钢管立柱与钢门式墩底部固结[1]。

2.2 滑道梁分析

随着横移距离的变化，滑道梁最大正应力、剪应力、挠度均有所改变。相比Q235钢材的容许应力215 MPa、容许剪应力125 MPa，滑道梁的最大正应力81.8 MPa、最大剪应力55.75 MPa均更小；相比L/400（L为跨度，计算后得6.25 mm），最大竖向挠度0.55 mm更小。

随着横移距离的增加，滑道梁正应力呈先减、后增的阶段性变化趋势。原因在于横移初期钢管立柱完全承担简支梁的质量，横移距离持续加大后，质量逐步转为由钢门式墩承担，受力条件的变化带来滑道梁应力的降低。而达到较大的横移距离后，钢门式墩将完全承受简支梁的质量，滑道梁与钢盖梁共同变形，至此开始表现出滑道梁应力增加。随着横移的进一步进行，在简支梁接近垫石部位时，滑道应力开始降低，此变化则与钢盖梁横隔板加密布置有关[2]。

在横移期间，滑道梁的最大剪应力和最大挠度变化趋势具有趋同性。首次横移时，简支梁的自重承担对象逐步由钢管立柱转到滑道梁，进而继续向钢管立柱和门式墩立柱转移，因此两项指标均呈现出增加的变化趋势。随着横移的持续进行，简支梁接近钢门式墩时，呈现出先减小、后增加的最大剪应力和最大挠度变化趋势。进一步横移至钢盖梁上时，剪应力和挠度进入整个变化过程中的平缓段，此现象与横隔板均匀布置有关[3]。

2.3 钢管立柱分析

不同横移距离时钢管立柱最大正应力，如图1所示。根据图1可知：相比Q235钢材的容许应力215 MPa，钢管立柱的最大正应力94.99 MPa更小。横移时，钢管受力不均匀现象将由于主梁的移动而变得愈发明显，从而产生最大正应力峰值。在此基础上继续横移，主梁持续接近钢门式墩，最大正应力表现出降低的变化趋势，最终此项指标具有近似水平的变化特征。

2.4 钢门式墩分析

两侧的钢门式墩在主梁横移时的受力性能存在差异，为此分两种工况，分别对钢门式墩展开分析。工况1为钢门式墩临近跨简支梁横移到位。工况2为钢门式墩仅承受横移的简支梁荷载。

两种工况下不同横移距离的门式墩钢盖梁正应力、剪应力和挠度的最大值的变化趋势，如图2所示。分析发现，相比Q345qD钢材的容许应力300 MPa、容许剪应力175 MPa，滑道梁的最大正应力87.35 MPa、最大剪应力44.92 MPa均更小，最大竖向挠度为9.33 mm，小于62.5 mm。

根据图2a、图2b可知：在横移过程中，主梁于钢管立柱、门式墩立柱和钢盖梁间交替，此横移阶段呈现出上升、下降依次交替的钢盖梁最大正应力和最大剪应力变化特征，而在所述的两种工况中，表现出的变化趋势具有趋同性。但有所区别的是，工况2在后期的变化具有跳跃性，此差异的出现与两种工况最大正应力和剪应力发生时对应部位的不同有关。

根据图2c可知：钢盖梁前期最大位移在两种工况时均较为平缓，未见明显的变化。但随着主梁横移的持续进行，表现出钢盖梁最大挠度增加的变化特点[4]。

3 钢管立柱-门式墩钢盖梁过渡段的优化策略

根据受力分析结果可知，钢管立柱-门式墩过渡段的刚度，在主梁由钢管立柱横移至门式墩钢盖梁时发生大幅度的改变，基于此特性，提出减缓过渡段刚度突变的策略。方法是准备厚度为10 mm、外形尺寸为435 mm×635 mm且形态呈直角三角形、材质为Q345qD钢的加劲板，以焊接的方法将其稳定布设在滑道梁下方和钢盖梁侧边，以增设加劲板的方法，减缓钢管立柱-门式墩钢盖梁过渡段滑道梁下方的刚度突变。在有限元模拟分析时，用板单元模拟加劲板，其与滑道梁和钢盖梁呈刚性连接。

随着横移距离的变化，滑道梁过渡截面的正应力和剪应力发生改变，具体变化特征又与加劲板的数量有关，以1片、2片、3片加劲板和无加劲板为例，各自的变化如图3所示。注意：由于横移距离达到5 m后主梁基本处于钢盖梁上，在图3中仅给出横移5 m的应力变化信息。

根据图3可知，加劲板的数量发生改变后，对刚度突变的缓解效果存在差异。仅设置1片加劲板时，刚度突变问题仍较为明显；加劲板的数量增加至2片后，正应力和剪应力均有大幅降低的变化；若持续增加加劲板的数量，正应力和剪应力虽然有所变化但变幅减小。兼顾刚度突变控制和成本控制两项要求，设置2片加劲板是较为合适的方式。

4 侧位现浇梁钢门式墩施工技术

4.1 钢门式墩立柱、盖梁的安装

安装设备采用130 t的汽车起重机，在人工辅助下，将由钢管混凝土组成的钢门式墩立柱整体吊装到位。盖梁的安装分阶段完成，要先按照工程要求在工厂分节段预制，确认各节段的质量无误后运至现场拼装成整体，对结构做全方位的检查，用650 t履带起重機将拼装成型的结构整体吊装到位[5]。

4.2 主梁横移

以顶推的方法将32 m简支梁经由天窗点顶推横移，运动路径为从侧位的钢管立柱到达钢门式墩处。

4.2.1 现浇梁横移

横移过程中，技术人员应不断在滑道上涂抹黄油并反复观测滑座与滑道的变化，按照13 cm/min匀速滑动。为保证两端滑移距离和速度相同，采用激光位移传感器和滑道刻度尺进行同步监测双控，每当一端滑移10 cm时箱梁两端进行校核，若一端滑移距离超出，可通过减小牵引力的方式使两端基本平衡滑移。

4.2.2 横移就位

横移基本到位时（距设计位置0.2 m处），采取点动组合（30 s、20 s、10 s、5 s、2 s）操作，并与技术人员配合确认点动后剩余滑动距离。横移到位后，测量人员应对箱梁平面位置进行复核。

4.2.3 横移监测

为了确保预应力混凝土简支梁横移施工的顺利实施，施工过程中需要对钢管临时墩、滑道和钢门式墩盖梁进行应力和挠度的实时监测，以保障施工过程中的安全性和稳定性。

4.3 主梁落梁

在结束主梁横移作业的基础上，分别在两端配置2台顶升千斤顶，4台设备共同配合，平稳地将主梁落梁。由于本工程箱梁存在纵坡，落梁高度存在高低端，因此分两端进行落梁作业。

当支座初步安装完成后，箱梁底部两端千斤顶开始同步顶升，抽出箱梁支撑30 mm厚钢板；千斤顶回油，保持高度和速度一致落梁30 mm。待箱梁稳定后，继续进行箱梁顶升，抽出箱梁支撑30 mm厚钢板，落梁30 mm。依次往复，每次落梁30 mm，直至低端落梁到位。箱梁低端落梁到位后，临时连接低端支座，进行高端落梁。高端千斤顶顶升箱梁，抽出箱梁支撑30 mm厚钢板，千斤顶回油，高端落梁30 mm，待箱梁稳定后，继续进行箱梁顶升，抽出箱梁支撑30 mm厚钢板，落梁30 mm。依次往复，每次落梁30 mm，直至高端落梁到位。

5 结束语

本文分析了侧位现浇梁钢门式墩横移力学特性，根据分析结果提出优化横移作业条件的策略，具体有以下3点：①滑道梁、钢管立柱和门式墩的应力和挠度，在现浇梁侧位横移各阶段均得到有效控制，在许可范围内。②横移初始阶段，滑道梁、钢管立柱和钢盖梁的应力较大，属于横移全过程中作业状态较差、异常状况发生率较高阶段，施工人员必须予以充分的关注，加强对受力状态分析，采取必要的控制措施。③为缓解滑道梁刚度突变现象，建议在钢管立柱-门式墩过渡段设置加劲板，此材料的厚度以1cm为宜，数量适中，否则数量过少将影响刚度突变的减缓效果，过多将导致成本攀升。为兼顾工程效果和成本控制的要求，以2片为宜。

参考文献

[1] 陈海涛，邓运清，石鲁宁.郑济高铁40m整孔预制简支箱梁应用研究[J].铁道标准设计，2020（z1）：174-179.

[2] 沈惠军，王浩，荀智翔，等.临近既有线钢桁梁高空横移施工临时支墩安全性分析[J].铁道标准设计，2019（1）：20-22.

[3] 赵利民，李浩.88 m钢-混凝土组合桁架梁施工方案研究[J].铁道建筑，2018（2）：90-91.

[4] 张晓强.上跨既有线侧位现浇横移顶推箱梁施工技术[J].工程技术研究，2021（9）：43-46.

[5] 韩三平.软土地区上跨既有铁路转体梁施工技术研究[J].铁道建筑技术，2021（3）：17-19.