張 勇

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 武漢 430063）

在鐵路鋼桁架梁的架設(shè)過程中，需根據(jù)施工的需求及載荷特點(diǎn)設(shè)置臨時墩結(jié)構(gòu)，用以承載施工過程中的主梁結(jié)構(gòu)重量及各種施工載荷，如塔吊、懸拼吊機(jī)的安裝調(diào)試及各種施工材料設(shè)備。臨時墩結(jié)構(gòu)在主梁施工未完成前起著“橋墩”的作用，其結(jié)構(gòu)是否安全可靠關(guān)系到整個橋梁施工過程能否順利進(jìn)行。隨著有限元軟件的功能趨于完善，其廣泛被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)計算中［1－3］。本文采用有限元計算程序［4］對某鐵路橋施工過程中設(shè)置的臨時墩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了計算，評估了臨時墩結(jié)構(gòu)的承載情況及承載能力貯備。在計算過程中，對臨時墩結(jié)構(gòu)歷經(jīng)的各種承載情況進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析。

1 工程概況

主橋墩2邊跨（281～282號、285～286號）各節(jié)點(diǎn)設(shè)臨時墩，并安裝大噸位塔吊，2輔跨（282～283號、284～285號）中間搭設(shè)2個臨時墩。鋼桁梁散件運(yùn)至輔墩塔吊處，用塔吊安裝281～282號、285～286號墩中間各3個鋼桁梁節(jié)段，并完成2臺懸拼吊機(jī)安裝及調(diào)試，然后從282號和285號墩位置分別向跨中懸拼鋼桁梁至主跨合龍段處合龍，臨時墩布置見圖1。2組鋼管樁組成1個臨時墩，鋼管樁上做樁帽，在樁帽上放置分配梁，在分配梁上放置墊梁及起頂裝置。每個橫斷面臨時墩由左右2組臨時墩組成，分別位于2主桁下弦桿正下方的臨時墩之間用直徑360 mm、壁厚8 mm的4根螺旋焊管連接，增加臨時墩的整體穩(wěn)定性。其中1，2號臨時墩設(shè)置在281～282號之間，3，4號臨時墩設(shè)置在282～283號之間。

圖1 臨時墩布置圖

2 臨時墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算

2.1 有限元模型

采用大型有限元計算程序?qū)?～4號臨時墩以及上部橫梁、桁架結(jié)構(gòu)建模，模型見圖2。模型中主要采用板殼單元、梁單元，板單元為四邊形單元。板殼（shell）單元用于離散橫梁加筋板，梁（beam）單元用以模擬管柱及連接系。

圖2 臨時墩及桁架結(jié)構(gòu)整體模型圖

2.2 計算載荷

計算載荷包括在每種工況下臨時墩以上部分結(jié)構(gòu)（桁架梁及橋面系）的重量；架橋機(jī)在對臨時墩最不利載荷情況的位置以及起吊構(gòu)件的重量，由此得到對臨時墩最不利情況下架橋機(jī)前支腿和后支腿對上弦桿的反力。這個反力將作為計算載荷來評估臨時墩的強(qiáng)度。

按照鋼桁梁架設(shè)的順序及架橋機(jī)所在的位置，確定對臨時墩的最不利載荷工況，校核臨時墩的應(yīng)力；同時，為了評估鋼桁梁在橫向調(diào)整時對臨時墩的作用力，計算調(diào)整工況下臨時墩的軸向力并乘以0.06的摩擦系數(shù)作為橫向調(diào)整工況時臨時墩受到的橫向荷載。

根據(jù)以下4種工況，對每個臨時墩在最不利載荷下的強(qiáng)度進(jìn)行直接計算。

2.2.1 臨時墩不利工況載荷

（1）工況1。塔吊架設(shè)36 m邊跨鋼梁第三節(jié)間完成，第二個臨時墩受力最不利。該工況下作用在臨時墩上的載荷包括：

①鋼桁架梁各構(gòu)件的重量，這部分載荷通過對每個桿件的重量統(tǒng)計得到（以每個節(jié)間為統(tǒng)計單位），并以均布線載荷的形式施加到下弦桿上。

②橋面板的重量以均布載荷施加在計算模型中每個節(jié)間的板單元上。

③在上弦桿和下弦桿上分別施加1 k N／m的施工載荷。

④根據(jù)不同架設(shè)工況下架橋機(jī)的位置，計算得到架橋機(jī)在架設(shè)對應(yīng)桿件時前后支點(diǎn)對上弦桿的作用反力，以集中力的形式施加在上弦桿的對應(yīng)位置。

（2）工況2。架橋機(jī)架鋼梁到第三個臨時墩處，即E6節(jié)點(diǎn)，但還未上第三個臨時墩時，此時鋼桁梁架設(shè)端部處于最大懸臂狀態(tài)，將對1，2號臨時墩產(chǎn)生不利載荷。對于第六個節(jié)間，該狀態(tài)下只架設(shè)了上弦桿、下弦桿及橋面系，將下弦桿的重量以均布線荷載施加到下弦桿上；將上弦桿的重量以均布線荷載施加到上弦桿上；橋面系的載荷以均布壓力載荷的形式施加在橋面板單元上。

該工況下作用在臨時墩上的載荷包括：

①鋼桁架梁各構(gòu)件的重量，這部分載荷通過對每個桿件的重量統(tǒng)計得到（以每個節(jié)間為統(tǒng)計單位），并以均布線載荷的形式施加到下弦桿上。

②橋面板的重量以均布載荷施加在計算模型中每個節(jié)間的的板單元上。

③在上弦桿和下弦桿上分別施加1 k N／m的施工載荷。

④架橋機(jī)起吊E5－E6節(jié)間重量最大桿件時，架橋機(jī)前后支點(diǎn)對上弦桿的作用反力以集中力的形式施加在上弦桿的對應(yīng)位置。

（3）工況3。架橋機(jī)架設(shè)鋼梁到第4個臨時墩處，即E9節(jié)點(diǎn)，但還未上第四個臨時墩時，此時鋼桁梁架設(shè)端部處于最大懸臂狀態(tài)，將對3號臨時墩產(chǎn)生不利載荷。對于第九個節(jié)間，該狀態(tài)下只架設(shè)了上弦桿、下弦桿及橋面系，將下弦桿的重量以均布線荷載施加到下弦桿上；將上弦桿的重量以均布線荷載施加到上弦桿上；橋面系的載荷以均布壓力載荷的形式施加在橋面板單元上。載荷統(tǒng)計及施加方式如工況1，2。

該工況下作用在臨時墩上的載荷包括：

①鋼桁架梁各構(gòu)件的重量，這部分載荷通過對每個桿件的重量統(tǒng)計得到（以每個節(jié)間為統(tǒng)計單位），并以均布線載荷的形式施加到下弦桿上。

②橋面板的重量以均布載荷施加在計算模型中每個節(jié)間的的板單元上。

③在上弦桿和下弦桿上分別施加1 k N／m的施工載荷。

④架橋機(jī)起吊E8－E9節(jié)間重量最大桿件時，架橋機(jī)前后支點(diǎn)對上弦桿的作用反力以集中力的形式施加在上弦桿的對應(yīng)位置。

（4）工況4。架橋機(jī)架設(shè)鋼梁到第283號永久墩處，即E10節(jié)點(diǎn)，但還未上第四個臨時墩時，此時鋼桁梁架設(shè)端部處于最大懸臂狀態(tài)，將對4號臨時墩產(chǎn)生不利載荷。根據(jù)鋼桁架梁架設(shè)順序圖，該工況下計算模型載荷施加情況見圖3。對于第九個節(jié)間，該狀態(tài)下只架設(shè)了上弦桿、下弦桿及橋面系，將下弦桿的重量以均布線荷載施加到下弦桿上；將上弦桿的重量以均布線荷載施加到上弦桿上；橋面系的載荷以均布壓力載荷的形式施加在橋面板單元上。載荷統(tǒng)計及施加方式如工況1，2。

圖3 工況4加載示意圖

該工況下作用在臨時墩上的載荷包括：

①鋼桁架梁各構(gòu)件的重量，這部分載荷通過對每個桿件的重量統(tǒng)計得到（以每個節(jié)間為統(tǒng)計單位），并以均布線載荷的形式施加到下弦桿上。

②橋面板的重量以均布載荷施加在計算模型中每個節(jié)間的的板單元上。

③在上弦桿和下弦桿上分別施加1 k N／m的施工載荷。

④架橋機(jī)起吊E9－E10節(jié)間重量最大桿件時，架橋機(jī)前后支點(diǎn)對上弦桿的作用反力以集中力的形式施加在上弦桿的對應(yīng)位置。

2.2.2 鋼桁梁橫移調(diào)整工況

在鋼桁梁架設(shè)過程中，為保證設(shè)計要求需要對其位置做適當(dāng)?shù)臋M向調(diào)整。橫向調(diào)整工況包括以下4種：

（1）橫向調(diào)整工況1。鋼梁架設(shè)至282號墩時調(diào)增橫向位置。

（2）橫向調(diào)整工況2。鋼梁架設(shè)至3號墩時調(diào)增橫向位置。調(diào)整時E5－E6節(jié)間的上弦桿、下弦桿以及橋面都安裝到位。

（3）橫向調(diào)整工況3。鋼梁架設(shè)至4號墩時調(diào)增橫向位置。調(diào)整時E8－E9節(jié)間的上弦桿、下弦桿以及橋面都安裝到位。

（4）橫向調(diào)整工況4。鋼梁架設(shè)至283號墩時調(diào)增橫向位置，見圖4。

圖4 橫移調(diào)整工況4示意圖

在以上各調(diào)整工況下，相對滑移面為不銹鋼板和四氟板平移，兩者之間的摩擦系數(shù)取0.06，起頂時對臨時墩產(chǎn)生水平載荷。首先計算各調(diào)整工況下臨時墩所受到的垂向力，再乘以滑動摩擦系數(shù)0.06即得到臨時墩所受的橫向力。再將橫向力施加在有限元模型上，計算校核臨時墩的強(qiáng)度。

2.3 計算結(jié)果

各種工況下臨時墩梁單元和分配梁板單元的應(yīng)力見表1～4。從結(jié)果可以看出，臨時墩在不利工況3時其梁單元組合應(yīng)力及分配梁板單元應(yīng)力最大，強(qiáng)度應(yīng)力儲備相對較低，但許用應(yīng)力滿足相關(guān)規(guī)范要求。在各種調(diào)整工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較低，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲備較大。

表1 臨時墩不利工況梁單元應(yīng)力及位移

表2 臨時墩不利工況分配梁板單元應(yīng)力

表3 調(diào)整工況臨時墩梁單元應(yīng)力

表4 調(diào)整工況分配梁板單元應(yīng)力

3 結(jié)語

本文采用有限元計算程序?qū)δ宠F路橋施工過程中設(shè)置的臨時墩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了計算，評估了臨時墩結(jié)構(gòu)的承載情況及承載能力貯備。在計算過程中，對臨時墩結(jié)構(gòu)歷經(jīng)的各種承載情況進(jìn)行了詳細(xì)的受力分析。從計算結(jié)果來看，臨時墩在不利工況3時其梁單元組合應(yīng)力及分配梁板單元應(yīng)力最大，安全儲備相對較小，在施工過程中需引起重視。本文的分析過程及方法可為以后類似工程問題提供借鑒。

［1］ 李建慧，李愛群，羅世東，等.廣珠城際西江特大橋主橋空間受力分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，39（1）：96－100.

［2］ 周里鳴，彭益華，唐必剛.梧州西江四橋主橋結(jié)構(gòu)涉及及受力分析［J］.橋隧工程，2012（8）：25－29.

［3］ 史文杰，曾明根，蘇慶田，等.九堡大橋主橋受力分析［J］.橋梁建設(shè)，2010（6）：37－39.

［4］ 劉兵山，黃 聰，PATRAN從入門到精通［M］.北京：中國水利水電出版社，2002.