跨线转体连续梁临时结构有限元仿真技术研究
 
 摘要
 
跨线转体连续梁施工中，临时结构的安全性与可靠性直接关系工程成败。临时支墩、墩梁临时固结、临时索塔及砂箱等临时结构在转体前、转体中和转体后三个阶段承受着复杂的荷载作用，其力学行为的准确把握是施工安全的核心保障。本文在系统梳理跨线转体连续梁临时结构类型与功能定位的基础上，深入分析了有限元仿真技术在临时结构分析中的关键作用与应用方法，涵盖模型构建策略、边界条件模拟、荷载工况确定及结果提取与判定等核心技术环节。结合红原G213立交特大桥、嘉闵立交跨铁主桥、大同市某连续梁转体桥等典型工程案例，论证了有限元仿真技术在临时结构设计优化、安全性校核及施工风险预判中的实践价值。研究表明，有限元仿真技术能够有效揭示临时结构在复杂荷载作用下的应力分布规律与变形特征，为临时结构的设计优化与施工安全控制提供科学依据。
 
关键词：跨线转体连续梁；临时结构；有限元仿真；墩梁临时固结；施工安全
 
 
 一、引言
 
随着我国高速铁路与城市快速路网的持续拓展，新建桥梁上跨既有铁路、公路的工程需求日益增多。为最大限度减少施工对既有线路运营的干扰，转体施工法凭借其“在既有线路外侧浇筑、转体就位”的技术优势，已成为跨线桥梁建造的主流工法。在这一施工模式下，连续梁往往需要经过支架现浇、悬臂浇筑、转体就位、合龙落架等多个阶段，临时结构贯穿施工全过程，承担着支撑梁体、传递荷载、保障稳定、辅助转体等多重功能。
 
临时结构的安全性直接决定了整个转体工程的成败。然而，跨线转体连续梁的临时结构受力状态极其复杂——转体前需承受梁体自重与施工荷载，转体中需抵抗惯性力与不平衡力矩，转体后还需经历体系转换过程中的内力重分布。传统的简化计算方法难以精确刻画临时结构在复杂荷载作用下的力学行为，而有限元仿真技术凭借其强大的数值模拟能力，为临时结构的设计验证与安全性校核提供了有效手段。《装备制造技术》曾刊文指出，大型临时结构的设计不能仅依赖经验公式，而应借助数值仿真手段实现从“粗放估算”到“精细分析”的跨越。现代制造技术与装备也有研究强调，有限元仿真技术在大型临时结构的强度、刚度和稳定性分析中发挥着不可替代的作用，是连接设计与施工的关键技术纽带。
 
本文旨在系统探讨跨线转体连续梁临时结构的有限元仿真技术，在梳理临时结构类型与功能的基础上，深入分析仿真分析的关键技术与方法，并结合典型工程案例论证其实践价值，以期为同类工程的临时结构设计与安全控制提供参考。
 
 二、跨线转体连续梁临时结构的类型与功能
 
 2.1 临时结构的主要类型
 
跨线转体连续梁施工涉及的临时结构种类繁多，按功能定位可归纳为以下几类。
 
现浇支架与模板支撑体系是在梁体浇筑阶段承担混凝土自重和施工荷载的主要承力结构。在转体施工中，梁体通常在既有线路外侧的支架上进行现浇，支架设计需满足强度、刚度和稳定性的要求。对于大跨径连续梁，0块的浇筑往往需要专门设计的托架或三角托架作为临时支撑。
 
墩梁临时固结体系是悬臂浇筑和转体施工中保证梁体抗倾覆稳定的关键措施。在悬臂浇筑阶段，墩梁临时固结需抵抗因施工不对称引起的不平衡力矩；在转体阶段，临时固结还需承受转动过程中的惯性力和离心力。常见的临时固结构造包括临时支墩、临时支座以及双层钢管混凝土墩柱等形式。
 
转体系统临时结构主要包括球铰、滑道、撑脚、砂箱及临时锁定装置等。球铰是转体的核心部件，承担着将梁体荷载传递至下部结构并实现转动的功能。砂箱在转体前作为临时支撑，转体过程中需安全拆除，其设计与布置直接影响转体的平稳性。
 
临时索塔与辅助结构多用于大跨度或异形转体桥梁。当主梁在转体阶段受力状态复杂或挠度过大时，需设置临时索塔并辅以斜拉索，以改善梁体受力、控制线形。嘉闵立交跨铁主桥即采用桁架式钢管柱临时索塔，有效解决了超宽异形梁端横桥向与竖向挠度偏差大的问题。
 
 2.2 临时结构的受力特征与安全要求
 
临时结构在不同施工阶段承受的荷载类型和组合方式各不相同。在梁体浇筑阶段，临时结构主要承受混凝土自重、模板荷载、施工人员及设备荷载；在悬臂浇筑阶段，临时固结体系需抵抗因挂篮移动、材料堆放不对称引起的不平衡力矩；在转体阶段，临时结构承受梁体转动产生的惯性力、风荷载以及可能出现的偏心荷载；在体系转换阶段，临时结构需经历卸载和拆除过程中的内力重分布。
 
临时结构的安全要求贯穿于设计、施工和拆除的全过程。设计阶段需确保各构件在最不利荷载组合下的强度和稳定满足规范要求；施工阶段需通过监测手段验证实际受力与设计预期的一致性；拆除阶段则需制定合理的卸载顺序，避免因内力突变引发安全事故。
 
 三、有限元仿真技术在临时结构分析中的应用
 
 3.1 有限元仿真的必要性
 
跨线转体连续梁临时结构的受力分析面临多重困难。其一，临时结构形式多样，且往往与主体结构相互耦合，传统的手算或简化计算方法难以准确反映实际的传力路径和应力分布。其二，临时结构在施工过程中承受的荷载具有显著的动态特征和时间依赖性，如转体过程中的惯性力、体系转换过程中的内力重分布等，常规的静力分析方法难以全面把握。其三，临时结构的局部受力往往控制设计——如临时支墩圆柱两端的固结处、临时支座的顶角处往往是应力最大的部位，这些局部细节的受力状态需要通过精细化的数值模拟来揭示。
 
有限元仿真技术通过将连续体离散为有限个单元，能够较为准确地模拟复杂结构的受力与变形行为。在临时结构分析中，有限元仿真可以实现以下目标：验证临时结构设计方案的安全性，优化构件截面与连接构造，预测施工过程中的受力和变形趋势，以及为施工监测提供理论依据。
 
 3.2 模型构建的关键技术
 
有限元仿真的可靠性在很大程度上取决于模型构建的合理性。
 
几何模型的简化与细化策略需在计算精度与计算效率之间取得平衡。对于整体结构分析，可采用梁单元或壳单元建立简化模型，重点关注整体受力与变形；对于关键节点或局部构造（如球铰接触面、临时支墩顶端等），则需采用实体单元建立精细化子模型，进行局部应力的精确分析。
 
边界条件的模拟是影响分析精度的核心因素。临时结构与主体结构之间的连接方式（固结、铰接、接触等）需根据实际构造准确模拟。墩梁临时固结的边界条件尤为关键——需合理模拟临时支墩与墩顶、梁底的连接刚度，以及永久支座在临时固结体系中的作用。球铰的接触问题涉及复杂的非线性分析，需采用接触算法模拟上下球铰之间的接触应力分布。
 
荷载工况的确定需全面覆盖施工各阶段的最不利状态。常见的荷载工况包括：浇筑阶段的最大自重工况、悬臂浇筑阶段的最大不平衡力矩工况、转体阶段的匀速转动与加速转动工况、以及风荷载等环境荷载工况。对于转体阶段，需特别注意角加速度对临时结构受力的影响——研究表明，当转动角加速度超过一定阈值后，临时支墩的应力波动幅值会大幅增加。
 
 3.3 结果分析与判定
 
有限元分析结果的解读与判定是仿真工作的最终落脚点。分析重点包括应力分布特征（识别应力集中区域和薄弱环节）、变形特征（检验结构刚度是否满足施工精度要求）以及稳定性（验算构件在压弯组合作用下的稳定性）。
 
通过与理论计算值或实测值的对比，可以验证有限元模型的可靠性。有研究以实际工程为背景，采用ABAQUS模拟球铰转动过程，将有限元结果与修正后的非赫兹接触理论计算值进行对比，误差控制在10%以内，验证了仿真分析的准确性。《现代制造技术与装备》曾刊文指出，有限元仿真的价值不仅在于“算得出结果”，更在于“算得准趋势”——通过参数化分析揭示结构响应的变化规律，才是仿真技术对工程实践的核心贡献。
 
 四、典型工程案例与仿真分析实践
 
 4.1 红原G213立交特大桥临时结构仿真分析
 
红原G213立交特大桥为（40+64+40）m连续梁，上跨国道施工。针对该工程临时结构的设计合理性与安全性，研究人员采用有限元仿真模拟软件对现浇支架和挂篮结构的力学行为进行了安全性校核。
 
仿真分析涵盖了支架在各施工阶段的最不利荷载组合下的应力与变形。分析结果表明，现浇支架和挂篮结构在强度、刚度和稳定性方面均满足规范要求。通过对支架各构件的受力分析，明确了施工中需要重点监控的关键构件和关键部位，为施工方案的制定和现场监测的布点提供了依据。
 
 4.2 嘉闵立交跨铁主桥临时索塔有限元仿真
 
嘉闵立交跨铁主桥是国内已知首座超宽三维异形连续钢箱梁T构转体桥。该桥采用整幅T构转体施工方案，主梁宽度大、形状复杂，在转体过程中的受力与变形控制难度极高。
 
设计团队采用有限元仿真技术，研究了主桥及临时索塔在转体和运营阶段的状态。通过对比门式双索面临时索塔与桁架式钢管柱临时索塔两种方案，发现桁架式钢管柱临时索塔可增加斜拉索锚点布置，更有效地解决梁端横桥向与竖向挠度偏差大的问题。仿真分析还指导了桥面配重的优化设计——通过增加配重并调整索力，使超宽异形梁的重心位于转动支点处，保障了主桥的顺利转体。装备制造技术曾刊文指出，这一案例充分体现了有限元仿真在大跨度异形结构临时设施设计中的不可替代性——没有仿真分析的定量支撑，仅凭经验很难在多种方案中做出最优选择。
 
 4.3 大同市某连续梁转体桥墩梁临时固结分析
 
大同市某连续梁转体桥采用双层钢管混凝土墩柱作为墩梁临时固结的主要构件。为研究主梁自重、转动力矩等作用下临时墩柱的力学性能，研究人员基于Midas Civil建立了有限元模型，验算了墩柱在复杂荷载作用下的承载力。
 
仿真分析揭示了一个重要规律：静止状态下，由于转体桥两端自重不平衡，桥墩两侧的双层钢管混凝土墩柱和连接构件的应力分布呈不对称状态；而在加速转动时，两侧墩柱在转动力矩作用下的应力呈斜对称分布。研究还发现，增大转动力矩对双层钢管混凝土墩柱应力变化的影响不大，墩柱在复杂荷载作用下的承载能力满足要求。进一步的分析表明，将墩柱之间的连接构件由钢管换为双拼工字钢时，整体稳定性有所提高，而结构承载力的变化可忽略不计。这一发现为类似工程中临时固结构造的选型与优化提供了参考。
 
 4.4 仿真分析对施工的指导价值
 
上述案例表明，有限元仿真技术在跨线转体连续梁临时结构分析中的价值体现在三个层面。
 
在设计优化层面，仿真分析能够定量比较不同方案的结构响应，为方案比选提供科学依据。无论是临时索塔的选型还是墩梁固结构造的优化，仿真结果都直接影响了设计决策。
 
在施工控制层面，仿真分析能够预判施工各阶段最不利的受力与变形状态，为施工方案的制定和监测方案的布设提供依据。通过将仿真结果与现场监测数据进行实时对比，可以及时发现异常并采取应对措施。
 
在风险预判层面，仿真分析能够识别结构的薄弱环节和关键部位。临时支墩圆柱两端固结处、临时支座顶角处等应力集中区域，在施工中需作为重点监控对象。
 
 五、结语
 
跨线转体连续梁施工中的临时结构种类繁多、受力复杂，其安全性与可靠性直接关系到整个工程的成败。有限元仿真技术通过构建精细化的数值模型，能够较为准确地模拟临时结构在浇筑、悬浇、转体和体系转换各阶段的受力与变形行为，为临时结构的设计验证、方案优化和施工控制提供科学支撑。
 
本文系统梳理了跨线转体连续梁临时结构的主要类型与功能定位，深入分析了有限元仿真的模型构建策略、边界条件模拟方法、荷载工况确定原则及结果判定标准，并结合红原G213立交特大桥、嘉闵立交跨铁主桥、大同市某连续梁转体桥等典型工程案例，论证了仿真技术在临时结构分析中的实践价值。研究表明，有限元仿真能够有效揭示临时结构在复杂荷载作用下的应力分布规律与变形特征，助力设计人员识别薄弱环节、优化构造方案、预判施工风险。
 
展望未来，随着BIM技术与有限元仿真的深度融合以及施工全过程仿真技术的不断发展，临时结构的仿真分析将从“单点验算”走向“全历程模拟”，从事后验证走向事前预判。《现代制造技术与装备》曾刊文指出，大型临时结构的设计与施工正在从“经验驱动”走向“数据驱动”，而有限元仿真正是这一转变的核心技术引擎。对于跨线转体连续梁施工而言，充分发挥有限元仿真的技术优势，实现临时结构从“被动校核”到“主动设计”的转变，将是提升施工安全性与经济性的重要方向。
 
 
参考文献
 
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[3] 吕子丰, 刘传起, 王冰琰, 等. 连续梁转体桥双层钢管混凝土墩梁临时固结结构的力学性能[J]. 湖北理工学院学报, 2025(4).