跨既有地鐵線蓋梁支架設(shè)計與分析

摘要：新建成都至資陽地鐵線以3個門式墩蓋梁上跨既有地鐵18號線，受既有地鐵線接觸網(wǎng)的影響，為確保支架距離接觸網(wǎng)有足夠的安全距離，支架設(shè)計采用中承式雙層加強型貝雷梁結(jié)構(gòu)形式。由于跨線施工存在較高的施工風(fēng)險，不能采用傳統(tǒng)支架預(yù)壓方式驗證支架結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性，故采用有限元分析及應(yīng)力監(jiān)測預(yù)警方法確保混凝土澆筑過程中支架的安全。詳細介紹了跨既有地鐵線蓋梁支架設(shè)計分析過程及監(jiān)測對比結(jié)果。

關(guān)鍵詞：跨既有地鐵線路； 門式墩蓋梁支架設(shè)計； 中承式貝雷梁； 有限元分析

中國分類號：TU312+.1A

［定稿日期］2023-03-23

［基金項目］中鐵二十三局集團有限公司科技研發(fā)計劃項目（項目編號：2022-07C）

［作者簡介］王飛（1977—），男，本科，高級工程師，主要從事項目管理和交通土建專業(yè)技術(shù)方面工作。

0 引言

近些年隨著城市地鐵線路的不斷發(fā)展，新建地鐵線路與已有地鐵線路交叉施工不可避免，采用門式墩蓋梁形式進行上跨地鐵線路的工程案例也越來越多［1］。跨既有地鐵線路由于施工過程中風(fēng)險大，不能通過支架預(yù)壓方式去驗證支架安全性，本文通過有限元計算分析及現(xiàn)場監(jiān)測預(yù)警方式確保施工過程中支架體系的安全穩(wěn)定，下面進行具體論述。Symbol`@@

1 工程概況

中鐵二十三局集團軌道交通工程有限公司施工的成都至資陽地鐵線正線總長27.76 km，線路從地鐵18號線福田站起，先與既有18號線并行，然后軌道交通資陽線從18號線右線以7.9°交角上跨，上跨采用3個門式墩蓋梁，門式墩墩號分別為B17、B18、B19號。蓋梁寬2.6 m，高2.5 m，跨度均為23.4 m，底部距地面為23.5/24 m，與立柱采用剛性連接。蓋梁底與既有地鐵18號線接觸網(wǎng)27.5kV雙支加強線最小距離5.61 m，與接觸網(wǎng)頂架空地線最小距離3.65 m。18號線接觸網(wǎng)側(cè)邊回流線與新建門式墩最小距離為5.33 m，與既有線位置關(guān)系如圖1所示。

成都地鐵18號線于2020年9月27日開通運營，資陽線上跨18號線門式墩蓋梁施工對運營中的成都地鐵18號線影響很大。新建門式墩與運營18號線很近，最近處距離18號線右線梁體5.43 m，影響里程：YDK77+525.594 ～YDK77+670.594，影響長度145 m。

2 支撐體系設(shè)計

上跨18號線蓋梁長23.4 m，寬2.6 m，高2.5 m。蓋梁支架體系設(shè)計承載力不小于6 800 kN，受18號線接觸網(wǎng)高壓帶電體的影響，又限制了支架高度不能大于2 m，受地鐵保護相關(guān)文件規(guī)定，不能設(shè)置額外支架基礎(chǔ)，業(yè)主又提出支架防護要作到滴水不漏的嚴苛要求，因此支架設(shè)計難度極大。本設(shè)計方案采用有限元方法開展分析研究，并進行優(yōu)化迭代，最終選擇了鋼立柱+中承式雙層加強型貝雷梁支架結(jié)構(gòu)形式［2］。支架結(jié)構(gòu)由底部鋼支柱、工字鋼橫梁、貝雷片縱梁、工字鋼分配梁組成，基礎(chǔ)放置于現(xiàn)有兩側(cè)墩柱承臺上，蓋梁模板采用鋼模板，防護平臺采用型鋼+鋁模板搭設(shè)［3］。

B17～B19蓋梁支架將現(xiàn)有承臺作為鋼管立柱基礎(chǔ)，承臺長6.5 m，寬6.5 m，高3 m。鋼管柱采用609 mm、壁厚δ為16 mm，共設(shè)4排，靠近既有線路一側(cè)立柱按3根一排，立柱間距為2.15 m；遠離既有線路一側(cè)立柱按2根一排，立柱間距為4.301 m；鋼管立柱縱向間距為（4.5+15+4.5） m。鋼立柱之間采用［10槽鋼桁架連接系連接，并與墩柱預(yù)埋鋼板進行連接，間隔6 m連接一道。鋼立柱腳部預(yù)埋或植筋16根C18的鋼筋，預(yù)埋或植筋深度不小于0.4 m，鋼筋上部車絲，通過套筒與鋼立柱法蘭盤連接。

鋼管柱上設(shè)置40 cm卸荷砂箱［4］。靠近既有線路一側(cè)沙箱上設(shè)置6 m長雙拼I56a工字鋼作為橫梁，遠離既有線路一側(cè)設(shè)置6 m長單根I56a工字鋼作為橫梁，在工字鋼橫梁與沙箱接觸位置焊接3道1 cm厚肋板。

橫梁上架設(shè)12片雙層加強型貝雷片，貝雷片間距為（5×22.5+317.6+5×22.5） cm。雙層加強型貝雷片下層橫向鋪設(shè)40根9 m長I10工字鋼橫梁，作為防護棚架橫梁［5］，雙層加強型貝雷片中層橫向鋪設(shè)24組長6 m的雙拼I25a工字鋼、6根6 m長的I25a工字鋼，作為承重分配梁。

蓋梁模板采用鋼模板［6］，側(cè)模面板采用6 mm鋼板，底模面板采用8 mm鋼板，側(cè)模骨架主要采用矩管□120×80×5和12 mm鋼板，底模骨架主要采用工字鋼I12和12 mm鋼板，焊接3根I25a工字鋼；端模采用8 mm鋼板，骨架主要采用矩管□160×80×5和12 mm鋼板，蓋梁中部和頂板采用25 mm精軋螺紋鋼對拉加固。

防護平臺采用鋁模板拼接而成，鋁模板之間采用承插銷接方式［7］。鋁模板光面豎直向下，帶肋一面朝上，防護欄桿也均使用鋁模板拼接而成。貝雷梁下層及上層均搭設(shè)防護平臺。支架搭設(shè)實景如圖2所示。

3 模型建立及計算結(jié)果分析

3.1 模型建立

根據(jù)設(shè)計所用的材料和截面參數(shù)，支架力學(xué)模型建立如下，模型中的構(gòu)件均采用梁單元模擬。型鋼之間搭接采用彈性連接模擬約束X、Y、Z方向上的平動以及沿桿單元軸線方向的轉(zhuǎn)動，貝雷梁各組件間的螺栓連接也采用彈性連接模擬，約束全部釋放螺栓方向的轉(zhuǎn)動，鋼立柱腳邊界條件采用固結(jié)約束［8］。

通過對實體支架體系進行簡化建模分析，建立起三維有限元分析模型，共計12 917個梁單元、680個板單元和10 448個節(jié)點，詳見圖3。

3.2 荷載取值及工況分析

門式墩蓋梁施工過程中荷載依次通過I25a工字鋼橫梁、雙層加強型貝雷梁、I56a工字鋼橫梁，鋼管立柱最終傳遞到門式墩基礎(chǔ)承臺上，其中各型鋼構(gòu)件自重由軟件自動計算。因此需要考慮的豎向靜荷載有鋼模板自重、混凝土自重、蓋梁鋼筋自重，需要考慮的豎向動荷載有施工人員及設(shè)備自重及下部列車經(jīng)過時所產(chǎn)生的行車風(fēng)荷載，需要考慮的水平動荷載有泵送、傾倒混凝土產(chǎn)生的水平荷載。

3.2.1 荷載取值

依據(jù)設(shè)計文件說明以及相關(guān)規(guī)范，鋼模板自重標準值按0.75 kN/m2考慮，預(yù)應(yīng)力混凝土自重標準值按26 kN/m3考慮，施工人員及設(shè)備荷載標準值按2.5 kN/m2考慮，泵送、傾倒混凝土水平荷載標準值按1.3 kN/m2考慮，豎向、橫向行車風(fēng)荷載標準值均按0.5 kN/m2考慮［9］，自然風(fēng)的基本風(fēng)壓按0.3 kN/m2考慮，并考慮地基粗糙（成都為B類），以上荷載均轉(zhuǎn)換成面荷載進行施加。

3.2.2 工況分析

跨既有地鐵18號線門式墩蓋梁支架因距離行駛中的列車較近，因此除通常的承載力工況下強度驗算以及正常使用狀態(tài)下的變形驗算之外，還應(yīng)考慮支架體系在澆筑前的抗傾覆穩(wěn)定性以及澆筑完成后的抗傾覆穩(wěn)定性，以鋼立柱柱腳不出現(xiàn)負反力為判定條件。除此之外，為防止?jié)仓^程中出現(xiàn)爆模的最不利情況出現(xiàn)，還應(yīng)對防護棚架的承載力進行驗算，要求防護棚架的防護能力可以承載10 cm厚混凝土以及上部傳下來的人員及設(shè)備荷載。因此提出了5種工況：

（1）工況一：承載能力極限狀態(tài)下支架安全性驗算。

1.1×（1.3（支架+鋼筋混凝土+模板）+1.5×0.9（施工荷載+行車風(fēng)荷載））。

（2）工況二：正常使用極限狀態(tài)下支架變形驗算。

（支架+鋼筋混凝土+模板）+施工荷載。

（3）工況三：混凝土澆筑前支架穩(wěn)定性驗算。

0.9×（支架+模板）+1.1×1.5×0.9自然風(fēng)荷載。

（4）工況四：混凝土澆筑時支架穩(wěn)定性驗算。

0.9×（支架+鋼筋混凝土+模板）+1.1×1.5×0.9泵送、傾倒混凝土等因素產(chǎn)生的水平荷載［10］。

（5）工況五：承載能力極限狀態(tài)下防護棚架安全性驗算。

1.1×{1.3［支架+鋼筋混凝土（2.4 m高）+模板］+1.3棚架鋼筋混凝土（0.1 m高）+1.5×0.9棚架施工荷載}。

3.3 計算結(jié)果匯總分析

根據(jù)計算分析，將I25工字鋼橫梁、雙層加強型貝雷梁、I56a工字鋼的應(yīng)力和變形，鋼管立柱的應(yīng)力、變形和反力值，防護棚架I10工字鋼橫梁的應(yīng)力和變形等結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

3.3.1 I25a工字鋼橫梁計算結(jié)果匯總分析

I25a工字鋼受到下部貝雷梁變形的影響，最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在跨中，其承載能力極限狀態(tài)下最大組合應(yīng)力值為138.93 MPa，小于Q235鋼材允許應(yīng)力值，強度滿足要求（圖4）。

3.3.2 貝雷梁計算結(jié)果匯總分析

雙層加強型貝雷梁由于采用中間承力的形式，內(nèi)側(cè)貝雷梁受力大于外側(cè)貝雷梁，連接花窗一定程度上限制了貝雷梁的變形，導(dǎo)致連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大組合應(yīng)力出現(xiàn)在跨中花窗連接處，其承載能力極限狀態(tài)下最大組合應(yīng)力值為244.83 MPa，小于貝雷梁鋼材允許應(yīng)力值，強度滿足要求。除此之外，懸桿的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在最內(nèi)側(cè)貝雷梁跨中下懸桿處，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在最內(nèi)側(cè)貝雷梁跨中上懸桿處。貝雷梁豎桿的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在支座附近，因此焊接雙拼［10槽鋼對豎桿進行加強，加強后豎桿強度滿足要求。貝雷梁斜桿的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在下層靠近支座附近，小于貝雷梁鋼材允許應(yīng)力值，強度滿足要求（圖5）。

3.3.3 I56a工字鋼橫梁計算結(jié)果匯總分析

I56a工字鋼橫梁由于立柱布置較密，所受彎曲應(yīng)力較小，剪力較大，其承載能力極限狀態(tài)下最大剪切應(yīng)力值為69.22 MPa，小于Q235鋼材允許應(yīng)力值，強度滿足要求。為了防止I56a工字鋼出現(xiàn)翼緣板局部失穩(wěn)情況，在工字鋼橫梁與沙箱接觸位置焊接了3道1 cm厚肋板，確保其局部穩(wěn)定性（圖6）。

3.3.4 與傳統(tǒng)內(nèi)力法計算結(jié)果對比分析

為了驗證實體建模計算結(jié)果，也對傳統(tǒng)內(nèi)力法等效計算進行對比，將3片一組的雙層加強型貝雷梁參數(shù)化，通過給定轉(zhuǎn)動慣量Ix=6894390 mm4和截面抵抗矩Wx= 45962.6 mm3將其等效成一根均質(zhì)的梁［11］，再通過有限軟件計算得到這根梁的彎矩M=2925.82≤9618.8 kN·m，剪力值V=1081.93≥698.9 kN，得出貝雷梁抗彎強度滿足要求，抗剪強度不滿足要求的結(jié)論，建議增加貝雷片數(shù)或進行局部加強。這一結(jié)果與未做豎桿加強前的實體建模計算結(jié)果相符。

4 計算結(jié)果與現(xiàn)場實測對比分析

現(xiàn)場混凝土澆筑前，根據(jù)力學(xué)模型的計算結(jié)果，對跨既有線蓋梁支架受力較大的I25a工字鋼、雙層加強型貝雷梁豎桿、斜桿分別進行了應(yīng)力監(jiān)測，設(shè)定了應(yīng)力預(yù)警閥值，確保在澆筑過程中的風(fēng)險可控［12］。

具體應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如表2所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，監(jiān)測結(jié)果與力學(xué)計算模型中混凝土荷載作用下應(yīng)力值增量較為相符。

5 結(jié)論與建議

為了滿足跨既有地鐵18號線蓋梁施工安全的要求，本工程利用有限元軟件對多種支架結(jié)構(gòu)進行建模計算，依據(jù)計算結(jié)果對支架結(jié)構(gòu)進行不斷優(yōu)化，最終選定了鋼立柱+中承式雙層加強型貝雷梁支架結(jié)構(gòu)形式。通過計算結(jié)果可知，支架承載能力極限狀態(tài)下支架最大應(yīng)力為244 MPa，在正常使用極限狀態(tài)下支架最大變形為13.1 mm，表明支架各部位強度及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。通過將實體建模計算結(jié)果與傳統(tǒng)內(nèi)力法等效計算結(jié)果比較，實體建模在計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時考慮了不同構(gòu)件間剛度對荷載分配影響，計算結(jié)果更符合現(xiàn)場實際，也更安全。在現(xiàn)場混凝土澆筑過程中對支架體系中關(guān)鍵桿件進行了應(yīng)力監(jiān)測，并提出了預(yù)警值，確保了支架體系安全。事后將計算理論值和實際監(jiān)測值進行了對比，驗證了計算模型準確性。目前成都軌道交通資陽線上跨18號線門式墩蓋梁工程已施工完成，施工過程中未發(fā)生任何掉物事件，完全達到業(yè)主的目標要求，為今后上跨既有地鐵線路門式墩蓋梁施工提供了成功案例，具有重要借鑒、參考價值。

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