外海斜拉橋大懸臂鋼箱梁防臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)

彭小亮

（保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣東 廣州 510620）

0 引言

港珠澳大橋跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港特別行政區(qū)、廣東省珠海市、澳門(mén)特別行政區(qū)的大型跨海通道，是國(guó)家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中珠江三角洲地區(qū)環(huán)線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關(guān)鍵性工程，是我國(guó)繼三峽工程、青藏鐵路之后又一重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目[1]。江海直達(dá)船航道橋?yàn)橹骺?58 m的中央單索面三塔鋼箱梁斜拉橋，橋跨布置為110m+129 m+258m+258m+129m+110 m=994m，中跨和次邊跨布設(shè)斜拉索，橋跨布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋跨布置圖（單位：m）

為了保證江海直達(dá)船航道橋139#、140#號(hào)墩鋼箱梁最不利的大懸臂狀態(tài)安全渡過(guò)臺(tái)風(fēng)期，需采用相應(yīng)的防臺(tái)風(fēng)措施。擬在鋼箱梁的大懸臂端打設(shè)鋼管樁，鋼管樁上布置大梁，通過(guò)大梁上安裝的臨時(shí)支座分別對(duì)139#號(hào)墩Mza3、Mzx3梁段的HG7橫隔板及140#號(hào)墩Ma6梁段的HG7橫隔板附近的底板區(qū)域進(jìn)行約束，保證鋼箱梁在臺(tái)風(fēng)期間的受力安全，其具體形式如圖2所示。

圖2 139#大懸臂結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)方案擬在每個(gè)點(diǎn)打設(shè)8根直徑2 m（壁厚22 mm）、長(zhǎng)80 m的鋼管樁（南北各4根），鋼管樁布置如圖3所示。鋼管樁上布置雙拼的H582次梁，次梁上再安裝長(zhǎng)60 m的主梁。

圖3 139#防臺(tái)風(fēng)鋼管樁布置圖（單位：mm）

1.1 支架搭設(shè)

首先采用大型水上專用打樁船進(jìn)行鋼管樁插打施工，鋼管樁打設(shè)完成后對(duì)樁頂進(jìn)行超平處理，開(kāi)始平聯(lián)管（平聯(lián)管采用直徑820 mm，壁厚10 mm的鋼管）、次梁及主梁的安裝，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用全回轉(zhuǎn)起重船配合平聯(lián)管安裝施工。139#號(hào)墩支架布置如圖4所示。

圖4 支架立面布置圖（單位：mm）

1.2 大梁安裝

防臺(tái)風(fēng)鋼管支架的次梁采用雙拼的H582型鋼，單根長(zhǎng)度為7 m，單類支架共安裝4根，次梁加工完成后需在頂面和底面貼一厚2 cm的鋼板，且在與主梁的交界處需沿主梁加勁板方向焊接三角板，與鋼管交界處需沿次梁加勁方向焊接三角板來(lái)擴(kuò)散應(yīng)力。次梁具體構(gòu)造如圖5所示。

圖5 次梁構(gòu)造圖（單位：cm）

主梁采用長(zhǎng)60 m，2 m×2 m的矩形截面，頂?shù)装搴?0 mm，腹板厚25 mm，橫向加勁采用厚12 mm的鋼板制作，縱向通長(zhǎng)加勁板厚20 mm，其具體構(gòu)造如圖6所示。

圖6 主梁構(gòu)造及吊點(diǎn)布置圖（單位：cm）

1.3 臨時(shí)支座布置

支架搭設(shè)完成后，在主梁上布置4個(gè)臨時(shí)制作，將臨時(shí)制作與梁底的加勁板進(jìn)行焊接，且對(duì)梁的橫向也進(jìn)行限位，其具體布置如圖7所示。

圖7 臨時(shí)支座布置圖（單位：cm）

2 有限元分析

2.1 內(nèi)力計(jì)算

采用有限元Midas建立橋梁大懸臂的有限元模型（7號(hào)梁段安裝完成），在支架位置設(shè)置約束（按139#號(hào)墩防臺(tái)風(fēng)支架位置設(shè)置），考慮橫橋向和上下方向的風(fēng)力作用[2]，求解支架位置的內(nèi)力。結(jié)果如表1～表3所示，計(jì)算模型如圖8所示。

表1 支點(diǎn)反力計(jì)算結(jié)果

表2 截面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

表3 索力計(jì)算結(jié)果

圖8 有限元計(jì)算模型

2.2 鋼管支架計(jì)算

建立單類支架的有限元分析模型，將上節(jié)計(jì)算出來(lái)的支座反力加于主梁上，對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，其分析工況為：

工況1：考慮自重、水流力、波浪力、風(fēng)力和梁重（考慮1.2倍荷載系數(shù)）、支座反力（考慮4個(gè)臨時(shí)支座同時(shí)受力）的作用。

工況2：考慮自重、水流力、波浪力、風(fēng)力和梁重（考慮1.2倍荷載系數(shù)）、支座反力（考慮鋼箱梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)，單側(cè)2個(gè)臨時(shí)支座受力）的作用。

分析結(jié)果如表4、圖9、圖10所示。

表4 鋼管支架計(jì)算結(jié)果

圖9 工況1鋼管支架一階失穩(wěn)模態(tài)

圖10 工況2鋼管支架一階失穩(wěn)模態(tài)

根據(jù)有限元計(jì)算模型的分析結(jié)果，應(yīng)力最大值為151.6 MPa；最大位移為8.3 cm，均滿足規(guī)范[3]要求，故支架結(jié)構(gòu)受力合理。

2.3 主梁計(jì)算

建立單根主梁的有限元分析模型，將表1的支座反力加于主梁上，考慮典型工況對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，其分析工況為：

工況1：考慮自重、支座反力（考慮4個(gè)臨時(shí)支座同時(shí)受力）的作用。

工況2：考慮自重、支座反力（考慮鋼箱梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)，單側(cè)2個(gè)臨時(shí)支座受力）的作用。

通過(guò)有限元計(jì)算，其結(jié)果如表5、圖11、圖12所示。2種工況下應(yīng)力最大值為171.6 MPa，最大位移為3.35 cm，均滿足規(guī)范[3]要求，故主梁設(shè)計(jì)受力合理。

表5 主梁計(jì)算結(jié)果

圖11 工況1主梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖12 工況2主梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

2.4 梁內(nèi)加勁計(jì)算

為保證鋼箱梁在臺(tái)風(fēng)期間的受力安全，且不發(fā)生扭轉(zhuǎn)等情況，對(duì)鋼箱梁進(jìn)行局部加勁，并設(shè)置4個(gè)臨時(shí)支座約束，其具體構(gòu)造如圖13所示。

圖13 梁內(nèi)加勁立面布置圖（單位：mm）

采用大型通用的有限元軟件Abaqus建立139#號(hào)墩3個(gè)梁段的有限元分析模型（2#～4#梁段），在2#梁段端部進(jìn)行固結(jié)約束，將表1～表3中的計(jì)算結(jié)果加于模型上；另考慮主梁自重進(jìn)行鋼箱梁的有限元受力分析，其分析工況為：

工況1：考慮自重、梁段內(nèi)力（其中考慮4個(gè)臨時(shí)支座同時(shí)受力）的作用。

工況2：考慮自重、梁段內(nèi)力（其中考慮鋼箱梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)，單側(cè)2個(gè)臨時(shí)支座受力）的作用。

有限元計(jì)算結(jié)果如表6、圖14、圖15所示。2種工況作用下應(yīng)力最大值為201.6 MPa，最大位移為2.05 cm，且梁內(nèi)加勁的應(yīng)力最大為85.5 MPa，均滿足相關(guān)規(guī)范[3]要求，故鋼箱梁梁內(nèi)加勁滿足要求。

表6 梁內(nèi)加勁計(jì)算結(jié)果

圖14 工況1梁內(nèi)加勁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

圖15 工況2梁內(nèi)加勁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

本文介紹了港珠澳大橋江海直達(dá)船航道橋鋼箱梁架設(shè)過(guò)程中大懸臂施工階段處于臺(tái)風(fēng)季節(jié)的防臺(tái)風(fēng)施工方案，并基于大型通用有限元分析軟件，建立了大懸臂鋼箱梁防臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型，對(duì)其在典型工況下進(jìn)行強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的分析。典型工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果小于材料許用應(yīng)力，滿足強(qiáng)度要求；變形計(jì)算結(jié)果均復(fù)核相關(guān)要求，滿足剛度要求；1階失穩(wěn)系數(shù)合理，結(jié)構(gòu)滿足穩(wěn)定性要求。