新建鐵路鋼橫梁門式墩靜力性能分析

焦道寬

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 概述

當(dāng)新建鐵路和既有線交叉時，可通過加大主梁跨度實現(xiàn)對既有線的跨越，但這種方式會相應(yīng)增加主線的設(shè)計、施工難度，提高工程造價，當(dāng)新建鐵路與既有線交叉角度較小時，目前主流的方式是采用鋼橫梁以及鋼筋混凝土墩柱相結(jié)合形成框架結(jié)構(gòu)，即鋼橫梁門式墩跨越既有線路，鋼橫梁一般為工廠預(yù)制、現(xiàn)場吊裝的施工方式，施工周期短，對既有線影響較小，有效降低施工風(fēng)險，提高安全等級。

對于雙柱式門式墩，根據(jù)鋼-混結(jié)合段連接方式，可以分為兩端鉸接、一端鉸接一端剛接以及兩端剛接幾種形式。為了更利于整體結(jié)構(gòu)的受力，國內(nèi)學(xué)者還研究了先鉸接后剛接的連接方式，提出新型鋼球鉸的理念。但考慮到施工規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，且鉸接連接形式相對復(fù)雜，后期維護(hù)成本相對較高，故對于新建鐵路橋梁，鋼橫梁門式墩更多采用兩端剛接的連接方式。

文章以新建鐵路連云港至鎮(zhèn)江線（連鎮(zhèn)線）寧淮引入淮安東上跨京滬高速公路特大橋為工程實踐，介紹3～6號鋼橫梁門式墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，通過Midas進(jìn)行有限元分析得到最不利荷載工況，并利用通用有限元軟件，對門式墩鋼-混結(jié)合段處進(jìn)行局部靜力分析（最不利荷載工況下），保證結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性、安全性，并闡述本項目中鋼橫梁門式墩的施工關(guān)鍵技術(shù)。

2 工程實例

2.1 工程概況

新建鐵路連云港至鎮(zhèn)江線（連鎮(zhèn)線）為單線高速鐵路，上跨京滬高速公路，交叉角度較小，設(shè)計速度為250 km/h，門式墩平面上均位于直線上，3～6號門式墩處橋面縱坡為-17.588%。上部梁型為有砟軌道簡支梁，3～6號墩兩側(cè)布置均為32+32 m（小里程側(cè)～大里程側(cè)）。為了減小對既有高速公路的影響，各個墩柱采用常規(guī)法施工，鋼橫梁采用工廠預(yù)制，現(xiàn)場吊裝的施工方案，縮短施工周期。

2.2 結(jié)構(gòu)介紹

連鎮(zhèn)線3～6號門式墩結(jié)構(gòu)型式如圖1所示，墩柱縱向按60：1放坡，橫向為直坡，墩高均為34 m，線路中心距離左墩中心距離為13.5 m，以3號門式墩鋼橫梁為例，其基本結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 鋼橫梁的基本結(jié)構(gòu)尺寸

圖1 門式墩結(jié)構(gòu)型式（單位：cm）

3 有限元分析

3.1 Midas整體模型

采用有限元軟件Midas建立鋼橫梁門式墩模型，基礎(chǔ)考慮樁-土作用效應(yīng)。通過查看混凝土柱頂梁單元的最大彎矩，確定對應(yīng)的最不利荷載工況為：自重+梁部荷載+二期+雙重車+橫風(fēng)。

3.2 通用有限元軟件局部分析

除了根據(jù)規(guī)范驗算相關(guān)內(nèi)容，因鋼-混結(jié)合段處受力較為復(fù)雜，對其進(jìn)行局部靜力分析。使用通用有限元軟件，建立實體分析模型，混凝土采用實體單元C3D8R，鋼橫梁及鋼立柱采用殼單元S4R，并按照實際考慮橫隔板及閉合加勁的分布，如圖2所示。在混凝土墩柱中鋼柱的插入段，進(jìn)行充分切割，建立蒙皮特性，賦予其鋼材屬性，較為合理地模擬門式墩鋼-混結(jié)合處的實際剛接情況。荷載采用最不利工況進(jìn)行考慮，如圖3所示，承臺底部的邊界條件與Midas模型保持一致，充分考慮樁土作用效應(yīng)，并且在鋼混結(jié)合段處劃分較為細(xì)致的網(wǎng)格以確保該位置處的計算精度。

圖2 鋼橫梁及鋼立柱局部模型

圖3 荷載施加情況

4 結(jié)果分析

4.1 計算分析結(jié)果

在實體分析模型中，鋼混結(jié)合段處的處理方式較為復(fù)雜，為判斷模型的合理性，查看自重條件下鋼橫梁的等效應(yīng)力云圖，如圖4所示，最大應(yīng)力為11 MPa，出現(xiàn)在鋼立柱根部應(yīng)力集中位置；門式墩結(jié)構(gòu)的變形云圖，如圖5所示，最大豎向位移為0.99 mm，出現(xiàn)在鋼橫梁中部位置處；底部參考點的約束反力與工程量計算結(jié)果相符，并查看實體分析模型的傳力路徑，符合力學(xué)原理，證明此有限元模型比較合理。

圖4 自重下等效應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖5 自重下變形云圖（單位：mm）

在實體模型中激活施加的全部荷載，提取鋼橫梁的等效應(yīng)力云圖，如圖6所示，最大應(yīng)力為158 MPa，出現(xiàn)在鋼橫梁頂部的墊石位置處；鋼立柱根部應(yīng)力為127.8 MPa，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象；嵌入混凝土部分的鋼立柱應(yīng)力分布在20～40 MPa；混凝土橋墩的壓應(yīng)力主要分布在1～2.6 MPa，在墩頂位置處的鋼混結(jié)合段端部，混凝土最大拉應(yīng)力為1.238 MPa，小于1.3 MPa，如圖7所示；門式墩結(jié)構(gòu)豎向位移最大為7.17 mm，出現(xiàn)在鋼橫梁頂板墊石位置處。

圖6 最不利荷載工況下鋼橫梁等效應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖7 最不利荷載工況下混凝土等效應(yīng)力云圖（單位：MPa）

根據(jù)以上分析，本項目鋼橫梁門式墩在設(shè)計荷載下整體應(yīng)力水平較低，應(yīng)力分布情況較為理想，在插入混凝土墩柱的鋼立柱長度為3 m的情況下，結(jié)合段處混凝土拉應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為合理。

4.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

門式墩鋼混結(jié)合段處構(gòu)造如圖8所示，插入混凝土墩柱的鋼立柱長度為3 m，圖中N1為墩柱鋼筋，與鋼混結(jié)合處預(yù)埋鋼板N2b雙面焊接，鋼結(jié)構(gòu)插入段底板設(shè)置高強(qiáng)度大六角頭錨栓，起到連接和錨固作用，確保鋼橫梁與墩柱混凝土的剛接連接形式。

圖8 鋼混結(jié)合段構(gòu)造圖

為了減小施工對跨越既有線路的影響，樁基、墩柱采用現(xiàn)澆施工，鋼橫梁采用工廠預(yù)制施工，施工關(guān)鍵步驟如圖9所示。

圖9 鋼橫梁門式墩施工關(guān)鍵步驟圖

圖8和圖9，混凝土墩柱首先澆至立柱混凝土一次澆筑線位置，注意預(yù)埋鋼板N2b以及預(yù)埋錨栓（序號1），將預(yù)制完成的鋼橫梁進(jìn)行吊裝，并精準(zhǔn)對位，待鋼橫梁就位后將鋼板N2和N2b對齊，并用預(yù)埋螺栓擰緊，四周焊接兩鋼板以形成臨時固結(jié)（序號2）。然后灌注鋼立柱內(nèi)外混凝土，過程中注意充分振搗，形成永久性固結(jié)，將鋼橫梁頂板預(yù)留孔洞用鋼板焊接封死（序號3），待施工完支承墊石后，吊裝簡支梁梁體就位（序號4）。

5 結(jié)論

新建連鎮(zhèn)線鐵路與所跨越既有線交叉角度較小，3～6號墩采用鋼橫梁門式墩結(jié)構(gòu)跨越京滬高速，可降低對既有線的影響。通過局部靜力分析，在最不利荷載設(shè)計工況下，結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力水平較低，且結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的鋼混結(jié)合段處混凝土拉應(yīng)力較小，整體門式墩設(shè)計較為合理。文章闡述了門式墩鋼混結(jié)合段關(guān)鍵施工技術(shù)以及主要施工步驟，降低施工風(fēng)險，確保施工安全。