港珠澳大橋珠海連接線跨公路支架設(shè)計(jì)及有限元分析

王志東

(中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司, 山東 泰安 271021)

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港珠澳大橋珠海連接線跨公路支架設(shè)計(jì)及有限元分析

王志東

(中鐵十四局集團(tuán)第二工程有限公司, 山東 泰安 271021)

介紹了港珠澳珠海連接線工程E匝道第1聯(lián)跨公路門洞式支架設(shè)計(jì)及構(gòu)造特點(diǎn)，采用有限元方法建立了支架有限元數(shù)值模型，分析了不同荷載組合下結(jié)構(gòu)受力情況。結(jié)果表明，跨公路門洞式支架可在不影響南灣大道正常通行的前提下，保證行車及施工安全；經(jīng)有限元分析計(jì)算及門洞式支架預(yù)壓試驗(yàn)，門洞式支架滿足強(qiáng)度、剛度及整體穩(wěn)定性要求，實(shí)測變形與有限元理論計(jì)算值基本吻合，結(jié)構(gòu)安全可靠,為上跨公路現(xiàn)澆梁支架施工及設(shè)計(jì)計(jì)算積累了經(jīng)驗(yàn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

珠海連線；跨公路；門洞式支架；設(shè)計(jì)；有限元模型；預(yù)壓

隨著我國城市經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市公路交通壓力越來越大，如何保證城市跨公路現(xiàn)澆箱梁施工過程中既不影響線下公路交通通行，同時(shí)又保障施工安全、有序的進(jìn)行成為施工過程中亟待解決的問題。目前，門洞式支架以其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，跨度大、施工方便等優(yōu)點(diǎn)越來越廣泛的應(yīng)用于跨線橋梁現(xiàn)澆施工建設(shè)中，并取得了較好的效果。劉建明等對(duì)跨線現(xiàn)澆箱梁施工安全進(jìn)行了探討[1]；肖會(huì)英和郭成剛分別對(duì)上跨公路現(xiàn)澆橋梁施工技術(shù)及檢算方法進(jìn)行了研究[2，3]。下面，筆者以港珠澳大橋珠海連接線工程為背景，介紹了門洞式支架在跨公路現(xiàn)澆箱梁的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。采用更為精準(zhǔn)、簡便的有限元建模法，對(duì)其結(jié)構(gòu)安全及適用性進(jìn)行計(jì)算分析，從而進(jìn)一步保障跨線工程施工安全，提高設(shè)計(jì)效率。

1　工程概況

圖1　E匝道第1聯(lián)與南灣大道交叉平面圖

港珠澳大橋珠海連接線工程是港珠澳大橋的重要組成部分，滿足了香港與內(nèi)地(特別是珠江西岸地區(qū))及澳門兩岸三地之間的陸路客貨運(yùn)輸要求，建立了連接珠江東西兩岸大珠江三角洲地區(qū)、輻射泛珠江三角洲地區(qū)新的陸路運(yùn)輸?shù)耐ǖ馈Ｗ鳛楦壑榘拇髽蛑楹＿B接線一期工程的南灣互通橋分左線橋、右線橋以及A、B、C、D、E、F等6個(gè)匝道橋。其中，E匝道第1聯(lián)1#墩～3#墩之間上部結(jié)構(gòu)跨越南灣大道, 如圖1所示，跨度為(28.631+28.631+30.67)m，上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室箱梁，梁高1.8m，頂板寬8.5m，底板寬3.15m，縱坡-0.5%～-3.972%(拐點(diǎn)里程EK0+215.0)，橫坡2%，采用支架現(xiàn)澆施工。南灣大道為珠海市橫琴自貿(mào)區(qū)與廣州、深圳等之間的主干道，為雙向8車道，車流量較大，接近4000輛/h，因此，在不影響南灣大道正常通行的前提下如何保證行車及施工安全是該工程的難點(diǎn)。

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1總體思路

由于現(xiàn)澆梁跨越南灣大道，根據(jù)交通要求及現(xiàn)場條件，跨路部分E匝道第1聯(lián)跨越南灣大道現(xiàn)澆梁采用門洞式支架施工，采取I45a工字鋼跨越，從而保證凈空、凈寬及車輛通行要求。

2.2支架設(shè)計(jì)

支架采用梁跨式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為(9+5.3)m跨。采用?630mm×8mm鋼管作為支墩，2I40b作為橫梁墊梁，支架縱梁采用I45a工字鋼，橫梁分配梁為I14，縱向間距0.9m，其上搭設(shè)滿堂支架，鋪設(shè)木模板。支架立面及斷面示意分別如圖2和圖3所示。

圖2　支架立面示意圖(單位：cm)

3　支架檢算

圖3　支架斷面示意圖(單位：cm)

圖4　支架有限元模型

3.1檢算模型

采用Midas Civil建立現(xiàn)澆梁體支架有限元模型，對(duì)支架結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析。支架有限元模型采用梁單元，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及實(shí)際施工情況，共劃分為479個(gè)節(jié)點(diǎn)、420個(gè)單元，有限元模型如圖4所示。

3.2材料主要參數(shù)及特性

支架采用Q235鋼材，其彈性模量E=2.1×105MPa，剪切模量G=0.81×105MPa，密度ρ=7850kg/m3，線膨脹系數(shù)α=1.2×10-5，泊松比μ=0.3，抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=215MPa，抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fv=125MPa。

3.3荷載取值

1)箱梁自重。連續(xù)箱梁跨中截面面積為6.387m2，鋼筋混凝土密度按2650kg/m3檢算，按照中部截面荷載檢算，截面荷載分布如圖5所示。

2)模板采用木模，取0.5kPa，支架自重在軟件中自動(dòng)計(jì)算。

3)施工人員行走及施工材料機(jī)具等堆放的荷載取2kPa。

4)振搗混凝土?xí)r的荷載取2kPa。

以上載荷，恒載取1.2的分項(xiàng)系數(shù)，活載取1.4的分項(xiàng)系數(shù)[4，5]。

強(qiáng)度檢算荷載組合：

1.2×(箱梁自重+模板、支架自重)+1.4×(2+2)(kPa)

剛度檢算荷載組合：

1×(箱梁自重+模板、支架自重)+1×(2+2)(kPa)

穩(wěn)定性檢算荷載組合：

1×(箱梁自重+模板、支架自重)+1×(2+2)(kPa)

圖5　截面荷載分布示意圖

3.4.1強(qiáng)度檢算

1)橫梁分配梁I14工字鋼主要承受彎應(yīng)力，其受力情況如圖6所示。

橫梁I14最大彎曲應(yīng)力σmax=37.2MPa<215MPa(Q235抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度)。

2)橫梁2I40b主要承受彎應(yīng)力，其受力情況如圖7所示。

橫梁2I40b最大彎曲應(yīng)力σmax=23.6MPa<215MPa(Q235抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度)。

奇怪的事再次發(fā)生，張萬邦的右肋同樣像充氣的皮囊，一下將對(duì)手的拳頭彈開。秦鐵崖難以置信，重復(fù)出招，砰砰砰，連出數(shù)拳，結(jié)果完全一樣。

3)縱梁I45a主要承受彎應(yīng)力，其受力情況如圖8所示。

縱梁I45a最大彎曲應(yīng)力σmax=74.1MPa<215MPa(Q235抗彎設(shè)計(jì)強(qiáng)度)。

4)?630mm×8mm鋼管主要承受壓應(yīng)力，其受力情況如圖9所示。

圖6　橫梁分配梁I14彎曲應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖7　橫梁I40b彎曲應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖8　縱梁I45a彎曲應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖9　立柱?630mm×8mm鋼管壓應(yīng)力圖(單位：MPa)

?630mm×8mm鋼管最大壓應(yīng)力σmax=23.1MPa<215MPa(Q235抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度)。

3.4.2剛度強(qiáng)度檢算

支架整體位移見圖10。

3.4.3整體穩(wěn)定性檢算

門洞式支架分析模型如圖11所示，屈曲模態(tài)特征值(穩(wěn)定系數(shù))如表1所示。

圖10　支架整體位移圖(單位：mm)

圖11　模態(tài)1分析模型

一階模態(tài)下最小特征值(穩(wěn)定系數(shù))為737，依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，門洞式支架承載能力沒有降低，門洞支架整體穩(wěn)定性滿足要求。

4　門洞式支架預(yù)壓

表1　支架模態(tài)及特征值

4.1預(yù)壓目的

為了消除支架在搭設(shè)時(shí)接縫處的非彈性變形和地基的非彈性沉陷，獲得穩(wěn)定的支架，同時(shí)獲得支架在荷載作用下的彈性變形數(shù)據(jù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算的合理性，進(jìn)一步保證施工安全，對(duì)門洞式支架進(jìn)行預(yù)壓施工。

4.2預(yù)壓荷載及測點(diǎn)布置

1)預(yù)壓荷載。支架預(yù)壓時(shí)考慮到堆載的物品和施工過程中工人操作的誤差等因素，按照設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)荷載1.2倍進(jìn)行預(yù)壓。預(yù)壓材料水袋堆載，加載順序按混凝土澆筑次序分段進(jìn)行，如圖12所示。

2)測點(diǎn)布置。監(jiān)控點(diǎn)布置在底模板及支架主縱梁上，以1/4跨度為縱距，1/3梁底寬度為橫距，分別設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)。

4.3觀測步驟

1)加載前測底模及支架縱梁標(biāo)高；

2)加載后測底模及支架縱梁標(biāo)高；

3)卸載后測底模標(biāo)高，每天早中晚測3次并及時(shí)認(rèn)真做好觀測記錄。標(biāo)高測量采用經(jīng)標(biāo)定合格的精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行，各階段觀測時(shí)，測量員必須及時(shí)匯總觀測數(shù)據(jù)和相關(guān)資料。每次加載完成后，均觀測下沉量直至穩(wěn)定，在最后一次加載完成后，至少觀測3d，支架沉降量控制在3d累計(jì)沉降量小于3mm。

4.4預(yù)壓結(jié)果

表2　門式支架最終累計(jì)變形

門洞式支架預(yù)壓縱梁最終累計(jì)沉降變形如表2所示。由門洞式支架預(yù)壓結(jié)果可知，預(yù)壓試驗(yàn)值與有限元理論值基本相符，主縱梁最大沉降變形實(shí)測為7mm，有限元理論計(jì)算值為9mm，滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。

5　結(jié)論

以港珠澳大橋珠海連接線工程為背景，介紹了背景工程E匝道第1聯(lián)跨公路支架設(shè)計(jì)及有限元驗(yàn)算，設(shè)計(jì)了跨南灣大道現(xiàn)澆箱梁門洞式支架結(jié)構(gòu)，建立了跨公路門洞式支架有限元模型，驗(yàn)算了門洞式支架結(jié)構(gòu)受力情況，得到以下結(jié)論：

1)由于南灣大道現(xiàn)場交通條件及施工期間車輛通行要求，設(shè)計(jì)采用了門洞式支架施工，采取I45a工字鋼跨越，保證了凈空、凈寬及車輛通行要求。

2)綜合考慮不同荷載組合，經(jīng)有限元分析計(jì)算，門洞式支架滿足強(qiáng)度、剛度及整體穩(wěn)定性要求。

3)通過門洞式支架預(yù)壓施工，消除了支架在搭設(shè)時(shí)接縫處的非彈性變形和地基的非彈性沉陷，支架最大變形為7mm，與有限元計(jì)算基本相符，滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步保證了結(jié)構(gòu)安全。

4)港珠澳大橋珠海連線工程門洞式支架設(shè)計(jì)，成功解決了該工程跨公路現(xiàn)澆梁的施工難題，為上跨公路現(xiàn)澆梁支架設(shè)計(jì)和施工積累了經(jīng)驗(yàn)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]劉建明，李維生. 論跨既有高速公路現(xiàn)澆箱梁施工的交通安全組織[J].公路，2014，7：229～234.

[2]肖會(huì)英. 跨公路連續(xù)梁支架及現(xiàn)澆施工技術(shù)[J].石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，11(1)：13～17.

[3]郭成剛. 跨高速公路現(xiàn)澆連續(xù)箱梁門洞支架設(shè)計(jì)及檢算[J].山西建筑，2015，41(1)：179～182.

[4]GB 50017-2014，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]JTG D62-2012，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[編輯]計(jì)飛翔

2016-04-17

王志東(1983-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事公路及鐵路橋梁施工技術(shù)及管理方面研究工作；E-mail:149013293@qq.com。

U442.5

A

1673-1409(2016)22-0050-05

[引著格式]王志東.港珠澳大橋珠海連接線跨公路支架設(shè)計(jì)及有限元分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2016,13(22)：50～54.