新建铁路钢横梁门式墩静力性能分析_焦道宽.pdf

93Co n s t r u c t io n St a n d a r d iza t io n/建 设标准化1 概述当新建铁路和既有线交叉时，可通过加大主梁跨度实现对既有线的跨越，但这种方式会相应增加主线的设计、施工难度，提高工程造价，当新建铁路与既有线交叉角度较小时，目前主流的方式是采用钢横梁以及钢筋混凝土墩柱相结合形成框架结构，即钢横梁门式墩跨越既有线路，钢横梁一般为工厂预制、现场吊装的施工方式，施工周期短，对既有线影响较小，有效降低施工风险，提高安全等级。对于双柱式门式墩，根据钢-混结合段连接方式，可以分为两端铰接、一端铰接一端刚接以及两端刚接几种形式。为了更利于整体结构的受力，国内学者还研究了先铰接后刚接的连接方式，提出新型钢球铰的理念。但考虑到施工规范化、标准化，且铰接连接形式相对复杂，后期维护成本相对较高，故对于新建铁路桥梁，钢横梁门式墩更多采用两端刚接的连接方式。文章以新建铁路连云港至镇江线（连镇线）宁淮引入淮安东上跨京沪高速公路特大桥为工程实践，介绍 36 号钢横梁门式墩的结构设计形式，通过 Midas进行有限元分析得到最不利荷载工况，并利用通用有限元软件，对门式墩钢-混结合段处进行局部静力分析（最不利荷载工况下），保证结构设计合理性、安全性，并阐述本项目中钢横梁门式墩的施工关键技术。2 工程实例2.1 工程概况新建铁路连云港至镇江线（连镇线）为单线高速铁路，上跨京沪高速公路，交叉角度较小，设计速度为 250 km/h，门式墩平面上均位于直线上，36 号门式墩处桥面纵坡为-17.588%。上部梁型为有砟轨道简支梁，36 号墩两侧布置均为 32+32 m（小里程侧大里程侧）。为了减小对既有高速公路的影响，各个墩柱采用常规法施工，钢横梁采用工厂预制，现场吊装的施工方案，缩短施工周期。2.2 结构介绍连镇线 36 号门式墩结构型式如图 1 所示，墩柱纵向按 60：1 放坡，横向为直坡，墩高均为 34 m，线路中心距离左墩中心距离为 13.5 m，以 3 号门式墩钢横梁为例，其基本结构尺寸如表 1 所示。图 1 门式墩结构型式（单位：cm）摘要：新建铁路在跨越既有线且斜交角度较小时，通常采用钢横梁门式墩结构实现对既有线的跨越，以达到减小主梁结构跨度、设计施工难度及工程造价等目的。以新建铁路连云港至镇江线（连镇线）宁淮引入淮安东上跨京沪高速公路特大桥为工程实践，介绍 36 号门式墩的结构形式，对最不利工况下门式墩钢-混结合段关键部位进行静力分析，保证结构设计合理性，并阐述钢横梁门式墩的施工关键技术，为今后类似工程提供参考。关键词：新建铁路；钢横梁门式墩；有限元；静力分析；施工关键技术焦道宽新建铁路钢横梁门式墩静力性能分析（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）94建 设标准化/C ons truc ti on S ta nda rdi z a ti on表 1 钢横梁的基本结构尺寸墩号顶板厚（mm）腹板厚（mm）底板厚（mm）普通隔板厚（mm）支座处隔板厚（mm）324242418283 有限元分析3.1 Midas 整体模型采用有限元软件 Midas 建立钢横梁门式墩模型，基础考虑桩-土作用效应。通过查看混凝土柱顶梁单元的最大弯矩，确定对应的最不利荷载工况为：自重+梁部荷载+二期+双重车+横风。3.2 通用有限元软件局部分析除了根据规范验算相关内容，因钢-混结合段处受力较为复杂，对其进行局部静力分析。使用通用有限元软件，建立实体分析模型，混凝土采用实体单元C3D8R，钢横梁及钢立柱采用壳单元 S4R，并按照实际考虑横隔板及闭合加劲的分布，如图 2 所示。在混凝土墩柱中钢柱的插入段，进行充分切割，建立蒙皮特性，赋予其钢材属性，较为合理地模拟门式墩钢-混结合处的实际刚接情况。荷载采用最不利工况进行考虑，如图 3 所示，承台底部的边界条件与 Midas模型保持一致，充分考虑桩土作用效应，并且在钢混结合段处划分较为细致的网格以确保该位置处的计算精度。图 2 钢横梁及钢立柱局部模型图 3 荷载施加情况4 结果分析4.1 计算分析结果在实体分析模型中，钢混结合段处的处理方式较为复杂，为判断模型的合理性，查看自重条件下钢横梁的等效应力云图，如图 4 所示，最大应力为 11 MPa，出现在钢立柱根部应力集中位置；门式墩结构的变形云图，如图 5 所示，最大竖向位移为 0.99 mm，出现在钢横梁中部位置处；底部参考点的约束反力与工程量计算结果相符，并查看实体分析模型的传力路径，符合力学原理，证明此有限元模型比较合理。图 4 自重下等效应力云图（单位：MPa）图 5 自重下变形云图（单位：mm）在实体模型中激活施加的全部荷载，提取钢横梁的等效应力云图，如图 6 所示，最大应力为 158 MPa，出现在钢横梁顶部的垫石位置处；钢立柱根部应力为 127.8 MPa，存在应力集中现象；嵌入混凝土部分的钢立柱应力分布在 2040 MPa；混凝土桥墩的压应力主要分布在 12.6 MPa，在墩顶位置处的钢混结合段端部，混凝土最大拉应力为 1.238 MPa，小于 1.3 MPa，如图 7 所示；门式墩结构竖向位移最大为 7.17 mm，出现在钢横梁顶板垫石位置处。根据以上分析，本项目钢横梁门式墩在设计荷载下整体应力水平较低，应力分布情况较为理想，在插入混凝土墩柱的钢立柱长度为 3 m 的情况下，结合段处混凝土拉应力较小，结构设计较为合理。95Co n s t r u c t io n St a n d a r d iza t io n/建 设标准化图 6 最不利荷载工况下钢横梁等效应力云图（单位：MPa）图 7 最不利荷载工况下混凝土等效应力云图（单位：MPa）4.2 施工关键技术门式墩钢混结合段处构造如图 8 所示，插入混凝土墩柱的钢立柱长度为 3 m，图中 N1 为墩柱钢筋，与钢混结合处预埋钢板 N2b 双面焊接，钢结构插入段底板设置高强度大六角头锚栓，起到连接和锚固作用，确保钢横梁与墩柱混凝土的刚接连接形式。图 8 钢混结合段构造图为了减小施工对跨越既有线路的影响，桩基、墩柱采用现浇施工，钢横梁采用工厂预制施工，施工关键步骤如图 9 所示。图 9 钢横梁门式墩施工关键步骤图图 8 和图 9，混凝土墩柱首先浇至立柱混凝土一次浇筑线位置，注意预埋钢板 N2b 以及预埋锚栓（序号 1），将预制完成的钢横梁进行吊装，并精准对位，待钢横梁就位后将钢板 N2 和 N2b 对齐，并用预埋螺栓拧紧，四周焊接两钢板以形成临时固结（序号 2）。然后灌注钢立柱内外混凝土，过程中注意充分振捣，形成永久性固结，将钢横梁顶板预留孔洞用钢板焊接封死（序号 3），待施工完支承垫石后，吊装简支梁梁体就位（序号 4）。5 结论新建连镇线铁路与所跨越既有线交叉角度较小，36 号墩采用钢横梁门式墩结构跨越京沪高速，可降低对既有线的影响。通过局部静力分析，在最不利荷载设计工况下，结构的整体应力水平较低，且结构形式复杂的钢混结合段处混凝土拉应力较小，整体门式墩设计较为合理。文章阐述了门式墩钢混结合段关键施工技术以及主要施工步骤，降低施工风险，确保施工安全。作者简介：焦道宽（1994-），男，籍贯：河北保定，学历：硕士研究生，职称：助理工程师，研究方向：桥梁工程。参考文献：1 邢怀海.钢梁与钢筋混凝土桥墩新型刚节点力学性能研究 D.南京:河海大学,2005.2 王树旺.新型铁路钢横梁框架墩设计与施工技术研究 J.铁道标准设计,2015(09):83-86,135.3 陈方舟,曾勇,张磊等.钢横梁施工方案对钢横梁门式墩受力性能的影响 J.铁道建筑,2021,61(04):25-28,51.