港珠澳大桥珠海连接线跨公路支架设计及有限元分析

王志东

(中铁十四局集团第二工程有限公司, 山东 泰安 271021)



港珠澳大桥珠海连接线跨公路支架设计及有限元分析

王志东

(中铁十四局集团第二工程有限公司, 山东 泰安 271021)

介绍了港珠澳珠海连接线工程E匝道第1联跨公路门洞式支架设计及构造特点，采用有限元方法建立了支架有限元数值模型，分析了不同荷载组合下结构受力情况。结果表明，跨公路门洞式支架可在不影响南湾大道正常通行的前提下，保证行车及施工安全；经有限元分析计算及门洞式支架预压试验，门洞式支架满足强度、刚度及整体稳定性要求，实测变形与有限元理论计算值基本吻合，结构安全可靠,为上跨公路现浇梁支架施工及设计计算积累了经验，取得了良好的经济效益和社会效益。

珠海连线；跨公路；门洞式支架；设计；有限元模型；预压

随着我国城市经济高速发展，城市公路交通压力越来越大，如何保证城市跨公路现浇箱梁施工过程中既不影响线下公路交通通行，同时又保障施工安全、有序的进行成为施工过程中亟待解决的问题。目前，门洞式支架以其结构稳定，跨度大、施工方便等优点越来越广泛的应用于跨线桥梁现浇施工建设中，并取得了较好的效果。刘建明等对跨线现浇箱梁施工安全进行了探讨[1]；肖会英和郭成刚分别对上跨公路现浇桥梁施工技术及检算方法进行了研究[2，3]。下面，笔者以港珠澳大桥珠海连接线工程为背景，介绍了门洞式支架在跨公路现浇箱梁的设计及应用。采用更为精准、简便的有限元建模法，对其结构安全及适用性进行计算分析，从而进一步保障跨线工程施工安全，提高设计效率。

1　工程概况

图1　E匝道第1联与南湾大道交叉平面图

港珠澳大桥珠海连接线工程是港珠澳大桥的重要组成部分，满足了香港与内地(特别是珠江西岸地区)及澳门两岸三地之间的陆路客货运输要求，建立了连接珠江东西两岸大珠江三角洲地区、辐射泛珠江三角洲地区新的陆路运输的通道。作为港珠澳大桥珠海连接线一期工程的南湾互通桥分左线桥、右线桥以及A、B、C、D、E、F等6个匝道桥。其中，E匝道第1联1#墩～3#墩之间上部结构跨越南湾大道, 如图1所示，跨度为(28.631+28.631+30.67)m，上部结构设计为预应力混凝土单箱单室箱梁，梁高1.8m，顶板宽8.5m，底板宽3.15m，纵坡-0.5%～-3.972%(拐点里程EK0+215.0)，横坡2%，采用支架现浇施工。南湾大道为珠海市横琴自贸区与广州、深圳等之间的主干道，为双向8车道，车流量较大，接近4000辆/h，因此，在不影响南湾大道正常通行的前提下如何保证行车及施工安全是该工程的难点。

2　结构设计

2.1总体思路

由于现浇梁跨越南湾大道，根据交通要求及现场条件，跨路部分E匝道第1联跨越南湾大道现浇梁采用门洞式支架施工，采取I45a工字钢跨越，从而保证净空、净宽及车辆通行要求。

2.2支架设计

支架采用梁跨式结构，设计为(9+5.3)m跨。采用∅630mm×8mm钢管作为支墩，2I40b作为横梁垫梁，支架纵梁采用I45a工字钢，横梁分配梁为I14，纵向间距0.9m，其上搭设满堂支架，铺设木模板。支架立面及断面示意分别如图2和图3所示。

图2　支架立面示意图(单位：cm)

3　支架检算

图3　支架断面示意图(单位：cm)

图4　支架有限元模型

3.1检算模型

采用Midas Civil建立现浇梁体支架有限元模型，对支架结构受力情况进行分析。支架有限元模型采用梁单元，根据结构特点及实际施工情况，共划分为479个节点、420个单元，有限元模型如图4所示。

3.2材料主要参数及特性

支架采用Q235钢材，其弹性模量E=2.1×105MPa，剪切模量G=0.81×105MPa，密度ρ=7850kg/m3，线膨胀系数α=1.2×10-5，泊松比μ=0.3，抗拉、抗压、抗弯强度设计值f=215MPa，抗剪强度设计值fv=125MPa。

3.3荷载取值

1)箱梁自重。连续箱梁跨中截面面积为6.387m2，钢筋混凝土密度按2650kg/m3检算，按照中部截面荷载检算，截面荷载分布如图5所示。

2)模板采用木模，取0.5kPa，支架自重在软件中自动计算。

3)施工人员行走及施工材料机具等堆放的荷载取2kPa。

4)振捣混凝土时的荷载取2kPa。

以上载荷，恒载取1.2的分项系数，活载取1.4的分项系数[4，5]。

强度检算荷载组合：

1.2×(箱梁自重+模板、支架自重)+1.4×(2+2)(kPa)

刚度检算荷载组合：

1×(箱梁自重+模板、支架自重)+1×(2+2)(kPa)

稳定性检算荷载组合：

1×(箱梁自重+模板、支架自重)+1×(2+2)(kPa)

图5　截面荷载分布示意图

3.4.1强度检算

1)横梁分配梁I14工字钢主要承受弯应力，其受力情况如图6所示。

横梁I14最大弯曲应力σmax=37.2MPa<215MPa(Q235抗弯设计强度)。

2)横梁2I40b主要承受弯应力，其受力情况如图7所示。

横梁2I40b最大弯曲应力σmax=23.6MPa<215MPa(Q235抗弯设计强度)。

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3)纵梁I45a主要承受弯应力，其受力情况如图8所示。

纵梁I45a最大弯曲应力σmax=74.1MPa<215MPa(Q235抗弯设计强度)。

4)∅630mm×8mm钢管主要承受压应力，其受力情况如图9所示。

图6　横梁分配梁I14弯曲应力图(单位：MPa)

图7　横梁I40b弯曲应力图(单位：MPa)

图8　纵梁I45a弯曲应力图(单位：MPa)

图9　立柱∅630mm×8mm钢管压应力图(单位：MPa)

∅630mm×8mm钢管最大压应力σmax=23.1MPa<215MPa(Q235抗压设计强度)。

3.4.2刚度强度检算

支架整体位移见图10。

3.4.3整体稳定性检算

门洞式支架分析模型如图11所示，屈曲模态特征值(稳定系数)如表1所示。

图10　支架整体位移图(单位：mm)

图11　模态1分析模型

一阶模态下最小特征值(稳定系数)为737，依据《钢结构设计规范》，门洞式支架承载能力没有降低，门洞支架整体稳定性满足要求。

4　门洞式支架预压

表1　支架模态及特征值

4.1预压目的

为了消除支架在搭设时接缝处的非弹性变形和地基的非弹性沉陷，获得稳定的支架，同时获得支架在荷载作用下的弹性变形数据，验证设计计算的合理性，进一步保证施工安全，对门洞式支架进行预压施工。

4.2预压荷载及测点布置

1)预压荷载。支架预压时考虑到堆载的物品和施工过程中工人操作的误差等因素，按照设计采用设计荷载1.2倍进行预压。预压材料水袋堆载，加载顺序按混凝土浇筑次序分段进行，如图12所示。

2)测点布置。监控点布置在底模板及支架主纵梁上，以1/4跨度为纵距，1/3梁底宽度为横距，分别设置监控点。

4.3观测步骤

1)加载前测底模及支架纵梁标高；

2)加载后测底模及支架纵梁标高；

3)卸载后测底模标高，每天早中晚测3次并及时认真做好观测记录。标高测量采用经标定合格的精密水准仪进行，各阶段观测时，测量员必须及时汇总观测数据和相关资料。每次加载完成后，均观测下沉量直至稳定，在最后一次加载完成后，至少观测3d，支架沉降量控制在3d累计沉降量小于3mm。

4.4预压结果

表2　门式支架最终累计变形

门洞式支架预压纵梁最终累计沉降变形如表2所示。由门洞式支架预压结果可知，预压试验值与有限元理论值基本相符，主纵梁最大沉降变形实测为7mm，有限元理论计算值为9mm，满足设计要求，结构安全可靠。

5　结论

以港珠澳大桥珠海连接线工程为背景，介绍了背景工程E匝道第1联跨公路支架设计及有限元验算，设计了跨南湾大道现浇箱梁门洞式支架结构，建立了跨公路门洞式支架有限元模型，验算了门洞式支架结构受力情况，得到以下结论：

1)由于南湾大道现场交通条件及施工期间车辆通行要求，设计采用了门洞式支架施工，采取I45a工字钢跨越，保证了净空、净宽及车辆通行要求。

2)综合考虑不同荷载组合，经有限元分析计算，门洞式支架满足强度、刚度及整体稳定性要求。

3)通过门洞式支架预压施工，消除了支架在搭设时接缝处的非弹性变形和地基的非弹性沉陷，支架最大变形为7mm，与有限元计算基本相符，满足设计要求，进一步保证了结构安全。

4)港珠澳大桥珠海连线工程门洞式支架设计，成功解决了该工程跨公路现浇梁的施工难题，为上跨公路现浇梁支架设计和施工积累了经验，取得了良好的经济效益和社会效益。

[1]刘建明，李维生. 论跨既有高速公路现浇箱梁施工的交通安全组织[J].公路，2014，7：229～234.

[2]肖会英. 跨公路连续梁支架及现浇施工技术[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2012，11(1)：13～17.

[3]郭成刚. 跨高速公路现浇连续箱梁门洞支架设计及检算[J].山西建筑，2015，41(1)：179～182.

[4]GB 50017-2014，钢结构设计规范[S].

[5]JTG D62-2012，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[编辑]计飞翔

2016-04-17

王志东(1983-)，男，工程师，现主要从事公路及铁路桥梁施工技术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]王志东.港珠澳大桥珠海连接线跨公路支架设计及有限元分析[J].长江大学学报(自科版)，2016,13(22)：50～54.