鋼梁架設(shè)臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

張 勇

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

在鐵路鋼桁架梁的架設(shè)過(guò)程中，需根據(jù)施工的需求及載荷特點(diǎn)設(shè)置臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)，用以承載施工過(guò)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(shí)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(gè)橋梁施工過(guò)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(jì)算中［1－3］。本文采用有限元計(jì)算程序［4］對(duì)某鐵路橋施工過(guò)程中設(shè)置的臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，評(píng)估了臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)的承載情況及承載能力貯備。在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)臨時(shí)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(hào)、285～286號(hào)）各節(jié)點(diǎn)設(shè)臨時(shí)墩，并安裝大噸位塔吊，2輔跨（282～283號(hào)、284～285號(hào)）中間搭設(shè)2個(gè)臨時(shí)墩。鋼桁梁散件運(yùn)至輔墩塔吊處，用塔吊安裝281～282號(hào)、285～286號(hào)墩中間各3個(gè)鋼桁梁節(jié)段，并完成2臺(tái)懸拼吊機(jī)安裝及調(diào)試，然后從282號(hào)和285號(hào)墩位置分別向跨中懸拼鋼桁梁至主跨合龍段處合龍，臨時(shí)墩布置見(jiàn)圖1。2組鋼管樁組成1個(gè)臨時(shí)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(gè)橫斷面臨時(shí)墩由左右2組臨時(shí)墩組成，分別位于2主桁下弦桿正下方的臨時(shí)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(shí)墩的整體穩(wěn)定性。其中1，2號(hào)臨時(shí)墩設(shè)置在281～282號(hào)之間，3，4號(hào)臨時(shí)墩設(shè)置在282～283號(hào)之間。

圖1 臨時(shí)墩布置圖

2 臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

2.1 有限元模型

采用大型有限元計(jì)算程序?qū)?～4號(hào)臨時(shí)墩以及上部橫梁、桁架結(jié)構(gòu)建模，模型見(jiàn)圖2。模型中主要采用板殼單元、梁?jiǎn)卧?，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(shí)墩及桁架結(jié)構(gòu)整體模型圖

2.2 計(jì)算載荷

計(jì)算載荷包括在每種工況下臨時(shí)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(duì)臨時(shí)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(duì)臨時(shí)墩最不利情況下架橋機(jī)前支腿和后支腿對(duì)上弦桿的反力。這個(gè)反力將作為計(jì)算載荷來(lái)評(píng)估臨時(shí)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(duì)臨時(shí)墩的最不利載荷工況，校核臨時(shí)墩的應(yīng)力；同時(shí)，為了評(píng)估鋼桁梁在橫向調(diào)整時(shí)對(duì)臨時(shí)墩的作用力，計(jì)算調(diào)整工況下臨時(shí)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(shí)臨時(shí)墩受到的橫向荷載。

根據(jù)以下4種工況，對(duì)每個(gè)臨時(shí)墩在最不利載荷下的強(qiáng)度進(jìn)行直接計(jì)算。

2.2.1 臨時(shí)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(gè)臨時(shí)墩受力最不利。該工況下作用在臨時(shí)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(guò)對(duì)每個(gè)桿件的重量統(tǒng)計(jì)得到（以每個(gè)節(jié)間為統(tǒng)計(jì)單位），并以均布線(xiàn)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(jì)算模型中每個(gè)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(jì)算得到架橋機(jī)在架設(shè)對(duì)應(yīng)桿件時(shí)前后支點(diǎn)對(duì)上弦桿的作用反力，以集中力的形式施加在上弦桿的對(duì)應(yīng)位置。

（2）工況2。架橋機(jī)架鋼梁到第三個(gè)臨時(shí)墩處，即E6節(jié)點(diǎn)，但還未上第三個(gè)臨時(shí)墩時(shí)，此時(shí)鋼桁梁架設(shè)端部處于最大懸臂狀態(tài)，將對(duì)1，2號(hào)臨時(shí)墩產(chǎn)生不利載荷。對(duì)于第六個(gè)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(xiàn)荷載施加到下弦桿上；將上弦桿的重量以均布線(xiàn)荷載施加到上弦桿上；橋面系的載荷以均布?jí)毫d荷的形式施加在橋面板單元上。

該工況下作用在臨時(shí)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(guò)對(duì)每個(gè)桿件的重量統(tǒng)計(jì)得到（以每個(gè)節(jié)間為統(tǒng)計(jì)單位），并以均布線(xiàn)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(jì)算模型中每個(gè)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(shí)，架橋機(jī)前后支點(diǎn)對(duì)上弦桿的作用反力以集中力的形式施加在上弦桿的對(duì)應(yīng)位置。

（3）工況3。架橋機(jī)架設(shè)鋼梁到第4個(gè)臨時(shí)墩處，即E9節(jié)點(diǎn)，但還未上第四個(gè)臨時(shí)墩時(shí)，此時(shí)鋼桁梁架設(shè)端部處于最大懸臂狀態(tài)，將對(duì)3號(hào)臨時(shí)墩產(chǎn)生不利載荷。對(duì)于第九個(gè)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(xiàn)荷載施加到下弦桿上；將上弦桿的重量以均布線(xiàn)荷載施加到上弦桿上；橋面系的載荷以均布?jí)毫d荷的形式施加在橋面板單元上。載荷統(tǒng)計(jì)及施加方式如工況1，2。

該工況下作用在臨時(shí)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(guò)對(duì)每個(gè)桿件的重量統(tǒng)計(jì)得到（以每個(gè)節(jié)間為統(tǒng)計(jì)單位），并以均布線(xiàn)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(jì)算模型中每個(gè)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(shí)，架橋機(jī)前后支點(diǎn)對(duì)上弦桿的作用反力以集中力的形式施加在上弦桿的對(duì)應(yīng)位置。

（4）工況4。架橋機(jī)架設(shè)鋼梁到第283號(hào)永久墩處，即E10節(jié)點(diǎn)，但還未上第四個(gè)臨時(shí)墩時(shí)，此時(shí)鋼桁梁架設(shè)端部處于最大懸臂狀態(tài)，將對(duì)4號(hào)臨時(shí)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(jì)算模型載荷施加情況見(jiàn)圖3。對(duì)于第九個(gè)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(xiàn)荷載施加到下弦桿上；將上弦桿的重量以均布線(xiàn)荷載施加到上弦桿上；橋面系的載荷以均布?jí)毫d荷的形式施加在橋面板單元上。載荷統(tǒng)計(jì)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(shí)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(guò)對(duì)每個(gè)桿件的重量統(tǒng)計(jì)得到（以每個(gè)節(jié)間為統(tǒng)計(jì)單位），并以均布線(xiàn)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(jì)算模型中每個(gè)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(shí)，架橋機(jī)前后支點(diǎn)對(duì)上弦桿的作用反力以集中力的形式施加在上弦桿的對(duì)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(guò)程中，為保證設(shè)計(jì)要求需要對(duì)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(hào)墩時(shí)調(diào)增橫向位置。

（2）橫向調(diào)整工況2。鋼梁架設(shè)至3號(hào)墩時(shí)調(diào)增橫向位置。調(diào)整時(shí)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(hào)墩時(shí)調(diào)增橫向位置。調(diào)整時(shí)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(hào)墩時(shí)調(diào)增橫向位置，見(jiàn)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(duì)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(shí)對(duì)臨時(shí)墩產(chǎn)生水平載荷。首先計(jì)算各調(diào)整工況下臨時(shí)墩所受到的垂向力，再乘以滑動(dòng)摩擦系數(shù)0.06即得到臨時(shí)墩所受的橫向力。再將橫向力施加在有限元模型上，計(jì)算校核臨時(shí)墩的強(qiáng)度。

2.3 計(jì)算結(jié)果

各種工況下臨時(shí)墩梁?jiǎn)卧头峙淞喊鍐卧膽?yīng)力見(jiàn)表1～4。從結(jié)果可以看出，臨時(shí)墩在不利工況3時(shí)其梁?jiǎn)卧M合應(yīng)力及分配梁板單元應(yīng)力最大，強(qiáng)度應(yīng)力儲(chǔ)備相對(duì)較低，但許用應(yīng)力滿(mǎn)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(chǔ)備較大。

表1 臨時(shí)墩不利工況梁?jiǎn)卧獞?yīng)力及位移

表2 臨時(shí)墩不利工況分配梁板單元應(yīng)力

表3 調(diào)整工況臨時(shí)墩梁?jiǎn)卧獞?yīng)力

表4 調(diào)整工況分配梁板單元應(yīng)力

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用有限元計(jì)算程序?qū)δ宠F路橋施工過(guò)程中設(shè)置的臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，評(píng)估了臨時(shí)墩結(jié)構(gòu)的承載情況及承載能力貯備。在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)臨時(shí)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(jì)算結(jié)果來(lái)看，臨時(shí)墩在不利工況3時(shí)其梁?jiǎn)卧M合應(yīng)力及分配梁板單元應(yīng)力最大，安全儲(chǔ)備相對(duì)較小，在施工過(guò)程中需引起重視。本文的分析過(guò)程及方法可為以后類(lèi)似工程問(wèn)題提供借鑒。

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