NFX|上跨既有线路门式墩钢箱模板盖梁分析
【摘要】
【关键词】
既有线；门式墩；钢箱模板；受力分析；线形控制
新建西法城际铁路乾县接轨段，以右线门式墩结构分别上跨西银客专；门式墩×宽=2.7m×4m，在支点处设2.4m×0.8m倒角过渡，盖梁全宽29.5m，墩柱中心距离25.5m，净宽23.5m。
1.空间有限元模型的建立
钢梁采用Q345QD钢，钢筋采用HRB400。材料性能参数见表1、表2。
其中表1根据GB/T 50017—2017《钢结构设计标准》取值。表2根据JTG D64—2015《公路钢结构桥梁设计规范》3.2.3取值。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》3.2.3-1取值。
1.1 门式墩整体模型建立
为了对不同工作状态下的钢箱式模板进行整体受力分析，将需要采用midas Civil 2020进行了整体结构的数值模拟，并对其进行有限元分析。钢箱模板底板、侧板采用板单元进行模拟，纵、横向加劲肋板采用梁单元进行模拟，横向连接构件采用桁架单元进行模拟，箱内混凝土采用实体单元分批次进行添加。钢材均采用Q345 QD钢材，混凝土为C50。
1.2 门式墩整体模型建立
在吊装的过程中，对钢箱模板的吊耳和结构的受力变形进行了计算，采用了有限元计算软件midas NFX2017R1，对门式墩进行了空间有限元建模。
所有组件的有限元建模都是根据结构自身的受力特性，使用了合理的单元进行模拟，而边界条件也是尽力模拟出实际结构的约束状况。模型荷载采用受重力荷载G，约束为吊耳孔壁的一侧节点全位移约束，模拟吊装时吊耳的状态。
2.门式墩盖梁受力性能分析
2.1 门式墩盖梁受力性能分析
2.1.1 钢箱模板安装阶段
钢箱模板安装完成后，钢箱模板与墩柱预埋钢筒采用焊接连接，钢箱模板承担了全部自重及盖梁钢筋重量，所有荷载均通过预埋钢筒传递至墩柱。此处须要给出安装完成后的变形图和应力图。
安装完成后跨中挠度下沉，其最大挠度值为–4.78mm。
钢箱模板加劲板最大应力位于跨中部位，板单元最大应力处于钢箱模板倒角部位。其中桁架单元最大应力为16.1MPa，钢箱模板加劲板梁单元最大应力196.7MPa，板单元最大应力111.4MPa。
2.1.2 第一次混凝土浇筑阶段
钢箱模板安装完成后，浇筑墩柱顶部及倒角部位混凝土，完成钢箱模板与墩柱顶部的固结。第一次浇筑完成后结构最大下沉位于跨中部位，最大挠度值为–8.6mm，结构最大变形位于钢箱模板顶部，产生向内的变形，变形值为13.4mm。钢箱模板加劲板最大应力位于跨中部位，板单元最大应力处于钢箱模板跨中肋板。其中钢箱模板加劲板梁单元最大应力239MPa，板单元最大应力105MPa。
2.1.3 第二次混凝土浇筑阶段
第一次浇筑完成后，待混凝土强度达到设计要求后，浇筑盖梁底部1m混凝土，混凝土的荷载和盖梁荷载完全由钢箱模板承担，通过钢箱模板与第一次浇筑部分共同受力传到墩柱。
第二次混凝土浇筑过程，结构最大下沉位于跨中部位，最大挠度值为–16.6mm。钢箱模板加劲板最大应力位于跨中部位，板单元最大应力处于钢箱模板跨中侧板顶部。其中钢箱模板加劲板梁单元最大应力239MPa，板单元最大应力38.7MPa。
2.1.4 第三次混凝土浇筑阶段
第二次浇筑完成后，待混凝土强度达到设计要求后，进行第一次预应力张拉施工。完成后浇筑盖梁剩余部分混凝土，此时第一次浇筑混凝土与钢箱模板形成刚性平台，承担上部混凝土及自重荷载。
第三次混凝土浇筑过程，结构最大下沉位于跨中部位，最大挠度值为–5.1mm。钢箱模板加劲板最大应力位于跨中部位，板单元最大应力处于钢箱模板跨中侧板顶部。其中钢箱模板加劲板梁单元最大应力85.1MPa，板单元最大应力79.1MPa。
在施工阶段的钢箱模板各构件最大应力，随工况不同而不断变化，钢箱模板最不利状态是进行第二次混凝土浇筑时，钢构件理论最大应力为239MPa，整体跨中最大挠度为16.6mm，满足设计要求。
2.2 门式墩盖梁钢箱模板吊装过程受力分析
通过分析吊装过程在吊耳板上的应力最大，刚性模板在吊耳布置点附近应力最大，吊耳的最大综合应力203.4MPa，钢箱模板的最大应力115MPa。
钢箱模板在吊装过程中因钢丝绳产生水平力，钢箱模板有向内收缩的趋势，其最大变形产生于跨中部位的拉筋处，钢箱模板最大变形产生于跨中。拉筋的最大变形为8mm，钢箱模板跨中下挠–4mm。
当门式墩跨越既有运营线路时，采用钢箱模板预应力混凝土盖梁，既能有效节约施工工期，保证结构耐久性，又能减少成本，施工过程中对运营道路影响较小。
3 门式墩盖梁施工过程变形监测情况及分析
拼装前对各墩位基础中心线及高程复测。按照设计图中的分段要求，对其进行分段制作，完成后的部件要经过检验并通过验收。
为了确保钢箱模板的制造线形能够符合设计的线形要求，在进行生产时，搭建一个可靠的胎架，在生产过程中，要将纵向节段及横向分段与厂家的胎架进行配合。
在出厂之前，要先进行一次预拼装，在拼装之前，要按照设计的斜率要求，架设临时胎架，并由专门的测量人员进行复测，达到标准之后，可进行预拼装。在组装之后，在复测结果符合标准之后，对部件进行编号。
同时，在钢箱梁的上、下中心都要标注清楚，以为现场的安装奠定基础。拼装前，结合实测预埋钢筒坐标偏差，在拼装平台上放样出相对轴线和四角位置，轴线采用墨线弹出十字线。
结合设计要求，钢箱模板预拱度只与混凝土浇筑时钢箱模板变形有关，预拱度跨中为28.5mm，按照二次抛物线设置。
在工程开始之前，必须对基础资料，如钢梁平纵设计参数表，桥墩设计参数等做1次彻底的检查，明确其平面和立面上的弧线元素，并根据立面上的加工线型来设定预弯度。
钢箱模板吊装后，利用模板定位措施确保精确定位，测量复核钢梁轴线及标高。满足要求后，焊接钢箱模板与预埋钢筒先点焊定位，再按照要求进行焊接。
钢箱梁吊装完毕，应对钢箱梁挠度进行24h观测，盖梁分3次浇筑混凝土，每次浇筑混凝土过程中均要对挠度进行监测。
每榀钢箱模板正面（小里程侧）布设3个水平位移监测点，监测点采用4cm×4cm莱卡反射片作标志，布点位置如图1所示，墩身两侧各设置1个沉降观测点。
通过对不同阶段的结构变形观测，钢箱模板变形情况与理论分析基本一致，其变形最大发生在第二混凝土浇筑时，第三次混凝土浇筑时其变形相比第二次浇筑明显减少，表明混凝土荷载通过结构自身和钢箱模板共同承担。
4 结束语
通过对钢箱模板预应力混凝土盖梁不同施工阶段受力性能及变形分析，结合施工过程实际变形监测情况分析，研究了门式墩钢箱模板工艺整体受力性能的影响。
结果表明：跨越既有线路采用钢箱模板施工预应力混凝土盖梁的方式可以减小既有线路上方施工作业时间、降低结构施工难度；采用钢箱模板代替现浇支架和防护结构，能够有效降低安全风险，减少施工周期；通过分阶段进行盖梁施工，有利于改善钢箱模板受力性能，可增加盖梁受力的合理性。
该技术的成功应用，不仅取得了明显的经济效益和社会效益，而且为未来上跨越轨道线路的交叉施工开辟了一条新的途径。
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