外海斜拉橋大懸臂鋼箱梁防臺風設計

彭小亮

（保利長大工程有限公司，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、廣東省珠海市、澳門特別行政區的大型跨海通道，是國家高速公路網規劃中珠江三角洲地區環線的組成部分和跨越伶仃洋海域的關鍵性工程，是我國繼三峽工程、青藏鐵路之后又一重大基礎設施項目[1]。江海直達船航道橋為主跨258 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，中跨和次邊跨布設斜拉索，橋跨布置見圖1。

圖1 橋跨布置圖（單位：m）

為了保證江海直達船航道橋139#、140#號墩鋼箱梁最不利的大懸臂狀態安全渡過臺風期，需采用相應的防臺風措施。擬在鋼箱梁的大懸臂端打設鋼管樁，鋼管樁上布置大梁，通過大梁上安裝的臨時支座分別對139#號墩Mza3、Mzx3梁段的HG7橫隔板及140#號墩Ma6梁段的HG7橫隔板附近的底板區域進行約束，保證鋼箱梁在臺風期間的受力安全，其具體形式如圖2所示。

圖2 139#大懸臂結構示意圖（單位：mm）

1 方案設計

根據現場實際情況，設計方案擬在每個點打設8根直徑2 m（壁厚22 mm）、長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60 m的主梁。

圖3 139#防臺風鋼管樁布置圖（單位：mm）

1.1 支架搭設

首先采用大型水上專用打樁船進行鋼管樁插打施工，鋼管樁打設完成后對樁頂進行超平處理，開始平聯管（平聯管采用直徑820 mm，壁厚10 mm的鋼管）、次梁及主梁的安裝，結合現場實際情況，采用全回轉起重船配合平聯管安裝施工。139#號墩支架布置如圖4所示。

圖4 支架立面布置圖（單位：mm）

1.2 大梁安裝

防臺風鋼管支架的次梁采用雙拼的H582型鋼，單根長度為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擴散應力。次梁具體構造如圖5所示。

圖5 次梁構造圖（單位：cm）

主梁采用長60 m，2 m×2 m的矩形截面，頂底板厚30 mm，腹板厚25 mm，橫向加勁采用厚12 mm的鋼板制作，縱向通長加勁板厚20 mm，其具體構造如圖6所示。

圖6 主梁構造及吊點布置圖（單位：cm）

1.3 臨時支座布置

支架搭設完成后，在主梁上布置4個臨時制作，將臨時制作與梁底的加勁板進行焊接，且對梁的橫向也進行限位，其具體布置如圖7所示。

圖7 臨時支座布置圖（單位：cm）

2 有限元分析

2.1 內力計算

采用有限元Midas建立橋梁大懸臂的有限元模型（7號梁段安裝完成），在支架位置設置約束（按139#號墩防臺風支架位置設置），考慮橫橋向和上下方向的風力作用[2]，求解支架位置的內力。結果如表1～表3所示，計算模型如圖8所示。

表1 支點反力計算結果

表2 截面內力計算結果

表3 索力計算結果

圖8 有限元計算模型

2.2 鋼管支架計算

建立單類支架的有限元分析模型，將上節計算出來的支座反力加于主梁上，對支架結構進行計算分析，其分析工況為：

工況1：考慮自重、水流力、波浪力、風力和梁重（考慮1.2倍荷載系數）、支座反力（考慮4個臨時支座同時受力）的作用。

工況2：考慮自重、水流力、波浪力、風力和梁重（考慮1.2倍荷載系數）、支座反力（考慮鋼箱梁發生扭轉，單側2個臨時支座受力）的作用。

分析結果如表4、圖9、圖10所示。

表4 鋼管支架計算結果

圖9 工況1鋼管支架一階失穩模態

圖10 工況2鋼管支架一階失穩模態

根據有限元計算模型的分析結果，應力最大值為151.6 MPa；最大位移為8.3 cm，均滿足規范[3]要求，故支架結構受力合理。

2.3 主梁計算

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，考慮典型工況對支架結構進行計算分析，其分析工況為：

工況1：考慮自重、支座反力（考慮4個臨時支座同時受力）的作用。

工況2：考慮自重、支座反力（考慮鋼箱梁發生扭轉，單側2個臨時支座受力）的作用。

通過有限元計算，其結果如表5、圖11、圖12所示。2種工況下應力最大值為171.6 MPa，最大位移為3.35 cm，均滿足規范[3]要求，故主梁設計受力合理。

表5 主梁計算結果

圖11 工況1主梁應力計算結果

圖12 工況2主梁應力計算結果

2.4 梁內加勁計算

為保證鋼箱梁在臺風期間的受力安全，且不發生扭轉等情況，對鋼箱梁進行局部加勁，并設置4個臨時支座約束，其具體構造如圖13所示。

圖13 梁內加勁立面布置圖（單位：mm）

采用大型通用的有限元軟件Abaqus建立139#號墩3個梁段的有限元分析模型（2#～4#梁段），在2#梁段端部進行固結約束，將表1～表3中的計算結果加于模型上；另考慮主梁自重進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、梁段內力（其中考慮4個臨時支座同時受力）的作用。

工況2：考慮自重、梁段內力（其中考慮鋼箱梁發生扭轉，單側2個臨時支座受力）的作用。

有限元計算結果如表6、圖14、圖15所示。2種工況作用下應力最大值為201.6 MPa，最大位移為2.05 cm，且梁內加勁的應力最大為85.5 MPa，均滿足相關規范[3]要求，故鋼箱梁梁內加勁滿足要求。

表6 梁內加勁計算結果

圖14 工況1梁內加勁應力計算結果

3 結 語

圖15 工況2梁內加勁應力計算結果

本文介紹了港珠澳大橋江海直達船航道橋鋼箱梁架設過程中大懸臂施工階段處于臺風季節的防臺風施工方案，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風結構的有限元計算模型，對其在典型工況下進行強度、剛度和穩定性的分析。典型工況下的應力計算結果小于材料許用應力，滿足強度要求；變形計算結果均復核相關要求，滿足剛度要求；1階失穩系數合理，結構滿足穩定性要求。