港珠澳大橋珠海連接線跨公路支架設計及有限元分析

王志東

(中鐵十四局集團第二工程有限公司, 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計及有限元分析

王志東

(中鐵十四局集團第二工程有限公司, 山東 泰安 271021)

介紹了港珠澳珠海連接線工程E匝道第1聯跨公路門洞式支架設計及構造特點，采用有限元方法建立了支架有限元數值模型，分析了不同荷載組合下結構受力情況。結果表明，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；經有限元分析計算及門洞式支架預壓試驗，門洞式支架滿足強度、剛度及整體穩定性要求，實測變形與有限元理論計算值基本吻合，結構安全可靠,為上跨公路現澆梁支架施工及設計計算積累了經驗，取得了良好的經濟效益和社會效益。

珠海連線；跨公路；門洞式支架；設計；有限元模型；預壓

隨著我國城市經濟高速發展，城市公路交通壓力越來越大，如何保證城市跨公路現澆箱梁施工過程中既不影響線下公路交通通行，同時又保障施工安全、有序的進行成為施工過程中亟待解決的問題。目前，門洞式支架以其結構穩定，跨度大、施工方便等優點越來越廣泛的應用于跨線橋梁現澆施工建設中，并取得了較好的效果。劉建明等對跨線現澆箱梁施工安全進行了探討[1]；肖會英和郭成剛分別對上跨公路現澆橋梁施工技術及檢算方法進行了研究[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澆箱梁的設計及應用。采用更為精準、簡便的有限元建模法，對其結構安全及適用性進行計算分析，從而進一步保障跨線工程施工安全，提高設計效率。

1　工程概況

圖1　E匝道第1聯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，滿足了香港與內地(特別是珠江西岸地區)及澳門兩岸三地之間的陸路客貨運輸要求，建立了連接珠江東西兩岸大珠江三角洲地區、輻射泛珠江三角洲地區新的陸路運輸的通道。作為港珠澳大橋珠海連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個匝道橋。其中，E匝道第1聯1#墩～3#墩之間上部結構跨越南灣大道, 如圖1所示，跨度為(28.631+28.631+30.67)m，上部結構設計為預應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%(拐點里程EK0+215.0)，橫坡2%，采用支架現澆施工。南灣大道為珠海市橫琴自貿區與廣州、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。

2　結構設計

2.1總體思路

由于現澆梁跨越南灣大道，根據交通要求及現場條件，跨路部分E匝道第1聯跨越南灣大道現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支架設計

支架采用梁跨式結構，設計為(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，其上搭設滿堂支架，鋪設木模板。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建立現澆梁體支架有限元模型，對支架結構受力情況進行分析。支架有限元模型采用梁單元，根據結構特點及實際施工情況，共劃分為479個節點、420個單元，有限元模型如圖4所示。

3.2材料主要參數及特性

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α=1.2×10-5，泊松比μ=0.3，抗拉、抗壓、抗彎強度設計值f=215MPa，抗剪強度設計值fv=125MPa。

3.3荷載取值

1)箱梁自重。連續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計算。

3)施工人員行走及施工材料機具等堆放的荷載取2kPa。

4)振搗混凝土時的荷載取2kPa。

以上載荷，恒載取1.2的分項系數，活載取1.4的分項系數[4，5]。

強度檢算荷載組合：

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強度檢算

1)橫梁分配梁I14工字鋼主要承受彎應力，其受力情況如圖6所示。

橫梁I14最大彎曲應力σmax=37.2MPa<215MPa(Q235抗彎設計強度)。

2)橫梁2I40b主要承受彎應力，其受力情況如圖7所示。

橫梁2I40b最大彎曲應力σmax=23.6MPa<215MPa(Q235抗彎設計強度)。

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3)縱梁I45a主要承受彎應力，其受力情況如圖8所示。

縱梁I45a最大彎曲應力σmax=74.1MPa<215MPa(Q235抗彎設計強度)。

4)?630mm×8mm鋼管主要承受壓應力，其受力情況如圖9所示。

圖6　橫梁分配梁I14彎曲應力圖(單位：MPa)

圖7　橫梁I40b彎曲應力圖(單位：MPa)

圖8　縱梁I45a彎曲應力圖(單位：MPa)

圖9　立柱?630mm×8mm鋼管壓應力圖(單位：MPa)

?630mm×8mm鋼管最大壓應力σmax=23.1MPa<215MPa(Q235抗壓設計強度)。

3.4.2剛度強度檢算

支架整體位移見圖10。

3.4.3整體穩定性檢算

門洞式支架分析模型如圖11所示，屈曲模態特征值(穩定系數)如表1所示。

圖10　支架整體位移圖(單位：mm)

圖11　模態1分析模型

一階模態下最小特征值(穩定系數)為737，依據《鋼結構設計規范》，門洞式支架承載能力沒有降低，門洞支架整體穩定性滿足要求。

4　門洞式支架預壓

表1　支架模態及特征值

4.1預壓目的

為了消除支架在搭設時接縫處的非彈性變形和地基的非彈性沉陷，獲得穩定的支架，同時獲得支架在荷載作用下的彈性變形數據，驗證設計計算的合理性，進一步保證施工安全，對門洞式支架進行預壓施工。

4.2預壓荷載及測點布置

1)預壓荷載。支架預壓時考慮到堆載的物品和施工過程中工人操作的誤差等因素，按照設計采用設計荷載1.2倍進行預壓。預壓材料水袋堆載，加載順序按混凝土澆筑次序分段進行，如圖12所示。

2)測點布置。監控點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，分別設置監控點。

4.3觀測步驟

1)加載前測底模及支架縱梁標高；

2)加載后測底模及支架縱梁標高；

3)卸載后測底模標高，每天早中晚測3次并及時認真做好觀測記錄。標高測量采用經標定合格的精密水準儀進行，各階段觀測時，測量員必須及時匯總觀測數據和相關資料。每次加載完成后，均觀測下沉量直至穩定，在最后一次加載完成后，至少觀測3d，支架沉降量控制在3d累計沉降量小于3mm。

4.4預壓結果

表2　門式支架最終累計變形

門洞式支架預壓縱梁最終累計沉降變形如表2所示。由門洞式支架預壓結果可知，預壓試驗值與有限元理論值基本相符，主縱梁最大沉降變形實測為7mm，有限元理論計算值為9mm，滿足設計要求，結構安全可靠。

5　結論

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聯跨公路支架設計及有限元驗算，設計了跨南灣大道現澆箱梁門洞式支架結構，建立了跨公路門洞式支架有限元模型，驗算了門洞式支架結構受力情況，得到以下結論：

1)由于南灣大道現場交通條件及施工期間車輛通行要求，設計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，經有限元分析計算，門洞式支架滿足強度、剛度及整體穩定性要求。

3)通過門洞式支架預壓施工，消除了支架在搭設時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，與有限元計算基本相符，滿足設計要求，進一步保證了結構安全。

4)港珠澳大橋珠海連線工程門洞式支架設計，成功解決了該工程跨公路現澆梁的施工難題，為上跨公路現澆梁支架設計和施工積累了經驗，取得了良好的經濟效益和社會效益。

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

[2]肖會英. 跨公路連續梁支架及現澆施工技術[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2012，11(1)：13～17.

[3]郭成剛. 跨高速公路現澆連續箱梁門洞支架設計及檢算[J].山西建筑，2015，41(1)：179～182.

[4]GB 50017-2014，鋼結構設計規范[S].

[5]JTG D62-2012，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[編輯]計飛翔

2016-04-17

王志東(1983-)，男，工程師，現主要從事公路及鐵路橋梁施工技術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計及有限元分析[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(22)：50～54.