泉州湾跨海大桥钢混组合梁横向反拱施加有限元分析

■钟东雄

（福建省泉州市公路局惠安分局，泉州　362100）

泉州湾跨海大桥钢混组合梁横向反拱施加有限元分析

■钟东雄

（福建省泉州市公路局惠安分局，泉州362100）

反拱技术和干拼工艺是泉州湾跨海大桥主桥主梁施工的两大技术亮点，为业内首创，国内外均无实施先例。利用有限元程序ansys，对组合梁反拱实施前后钢混组合梁线形、应力进行仿真分析，验证反拱设备可靠性和工艺可行性，为推进后续施工提供理论支撑。

有限元分析横向反拱预应力钢混组合梁

1　工程概述

泉州湾跨海大桥为福建省内最长桥梁，全长12.455km，双向八车道。主桥为双塔分幅式钢混组合梁斜拉桥，跨径布置为（70＋130＋400＋130＋70）m。钢混组合梁采用分幅结构型式，分为左右幅，由钢梁和混凝土桥面板两部分组成。单幅梁含风嘴宽27.41m（含风嘴）、不含风嘴顶板宽23.85m，梁高3.5m（单幅箱梁中心线处），其中钢梁中心线处梁高3.1m。混凝土桥面板分预制和现浇两部分，其中预制桥面板采用 C55海工耐久混凝土，桥面板全宽20.918m，标准厚度28cm，在箱梁纵腹板及横隔板上翼缘处加厚至40cm。全桥钢混组合梁划分为17种类型，166个梁段。其标准断面和桥面板布置详见图1。

图 1　钢混组合梁标准横断面图（单位：cm）

根据结构受力需要，在索塔附近、中跨246m范围内及两边跨各142.95m范围内桥面板中布置纵向预应力；钢混组合梁混凝土桥面板横向预压力通过对钢梁反拱施加。

2　横向反拱技术与反拱设备

2.1横向反拱技术工程特点

横向反拱技术是指主梁（钢混组合梁）混凝土桥面板横向预压力通过对钢梁反拱施加，即在钢梁中腹板部位用千斤顶施加反力，形成两侧边腹板下挠，中腹板上凸的反拱效果，使主梁反拱竖向变形达到设计要求。

由于该项技术在业内没有先例，在实施中存在诸多难点：

（1）组合梁采用整体节段预制、现场安装的施工技术复杂，施工难度大；

图2　桥面板布置示意图

（2）组合梁需经历钢梁制造、桥面板预制以及场内总拼等多道工序，制造精度要求高；

（3）桥面板匹配预制无先例，预应力管道、钢筋、钢套管和剪力钉相互避让，现场控制要求高；

（4）该类型宽幅钢箱梁反拱未有实施先例，且反拱回弹效果不确定，给梁段匹配连接带来技术难题；

（5）预制及拼装误差、吊装变形等导致预制板拼接处难以对齐且密贴。

2.2反拱设备

经事先多次论证，拟采用钢桁架作为横向反拱施加设备。

桁架搁置在钢箱梁边腹板临时工装牛腿上，中腹板位置用吊耳栓接，通过在中腹板部位用千斤顶施加反力，形成两侧边腹板下挠，中腹板上凸的反拱效果。以标准梁段为准，需在每一道横隔板位置布置一道桁架，单片梁段需布设3道桁架。

桁架由上下弦杆、斜杆、竖杆和联系杆工厂焊接而成，整个结构分为两片，通过螺栓栓接，重量约20t，详图3。

图3　桁架加载梁（单位：mm）

3　施加反拱工况仿真分析

横向反拱试验前，首先进行理论分析，主要考察试验全过程钢箱梁及组合梁线形和应力情况，具体为反拱实施前后钢梁线形（主要为反拱及回弹变形）及应力、卸载后桥面板应力、反拱桁架所作用支腿处以及吊耳钢梁应力。

3.1有限元模型建立

利用有限元程序ansys，进行组合梁仿真分析，有限元模型见图4所示。建立了一个标准梁段，总长10.5m。采用shell63单元模拟钢箱梁，solid45单元模拟桥面板，共包含35229个单元。边界条件：每道横梁处两点简支；荷载条件：自重、横梁内腹板处千斤顶顶升力和横梁外腹板处牛腿处吊耳反力。

3.2钢梁反拱及回弹变形

当在桁架反力梁上方单点施加105t顶升力时，钢梁反拱及回弹变形如图5。可以看出，施加反拱后钢梁顶面中心上拱4.8mm，翼缘板下挠-14.2mm，两者差值19mm；反拱力撤除后钢梁顶面中心上拱2.1mm，翼缘板下挠-7.8mm，两者差值9.9mm。

3.3钢箱梁应力

钢箱梁应力分析结果如图6～8所示，分别列出了钢箱梁在反拱及卸载后上下缘应力、边腹板牛腿处局部应力、中腹板吊耳处局部应力，由图可见：

（1）施加反拱力后，钢箱梁顶底板应力分别为106 MPa（拉）和-118 MPa（压），反拱架卸载后，钢箱梁顶底板应力分别为98MPa（拉）和-32 MPa（压），均小于Q345容许应力210MPa；

（2）施加反拱力后，钢箱梁牛腿处局部应力最大值98MPa（拉），最小值-120MPa（压），小于Q345容许应力210MPa；

图4钢箱梁有限元模型

图5　钢梁反拱及回弹变形

图6　钢梁上下缘应力

图7　钢箱梁外侧牛腿局部应力

图8　钢箱梁吊耳处局部应力云图

（3）施加反拱力后，钢箱梁吊耳处局部应力最大值191MPa（拉），最小值-183MPa（压），小于Q345容许应力210MPa。

3.4桥面板应力

由图9可见，拆除反拱力后，桥面板横桥向均处于受压状态，最大压应力为-3.5MPa，这说明按照先施加反拱力再激活桥面板的施工工艺能有效增加桥面板沿横桥向的压应力储备。

图9　卸载后桥面板横桥向应力

4　结语

通过横向反拱施加的仿真分析，可以得出如下结论：

（1）反拱设备受力最为不利的吊耳及牛腿能满足施加反拱力要求，证明该设备可靠。

（2）钢混组合梁在横向反拱施加前后，无论是加载还是卸载后钢箱梁顶底板应力都没有超过其容许值。说明该工艺可行。

（3）桥面板拆除反拱力后，横桥向压应力-6.8MPa左右。说明按照先施加反拱力再激活桥面板的施工工艺，相当于对桥面板施加了6.8MPa的横桥向预应力，该工艺能有效增加桥面板沿横桥向的压应力储备。

卸载反拱时，桥面板横桥向依然处于受压状态，结果表明此时横桥向仍然保留有3.5MPa的压应力。可以满足设计要求。

（4）仿真分析表明：反拱设备可靠，反拱工艺可行，可用于施工。

［1］中交公路规划设计有限公司，等.泉州湾跨海大桥工程施工图设计文件第七卷第四册［M］.2011.

［2］中交第二航务工程有限公司泉州湾跨海大桥项目部.组合梁足尺模型试验研究方案［M］.2013.5.

［3］中交第二航务工程有限公司泉州湾跨海大桥项目部.组合梁足尺模型试验总结报告［M］.2013.12.

［4］田维，等.大跨胶结缝组合梁斜拉桥整体节段横向反拱足尺模型试验［J］.公路，2014（10）：107-114.