外海斜拉桥大悬臂钢箱梁防台风设计

彭小亮

（保利长大工程有限公司，广东 广州 510620）

0 引言

港珠澳大桥跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港特别行政区、广东省珠海市、澳门特别行政区的大型跨海通道，是国家高速公路网规划中珠江三角洲地区环线的组成部分和跨越伶仃洋海域的关键性工程，是我国继三峡工程、青藏铁路之后又一重大基础设施项目[1]。江海直达船航道桥为主跨258 m的中央单索面三塔钢箱梁斜拉桥，桥跨布置为110m+129 m+258m+258m+129m+110 m=994m，中跨和次边跨布设斜拉索，桥跨布置见图1。

图1 桥跨布置图（单位：m）

为了保证江海直达船航道桥139#、140#号墩钢箱梁最不利的大悬臂状态安全渡过台风期，需采用相应的防台风措施。拟在钢箱梁的大悬臂端打设钢管桩，钢管桩上布置大梁，通过大梁上安装的临时支座分别对139#号墩Mza3、Mzx3梁段的HG7横隔板及140#号墩Ma6梁段的HG7横隔板附近的底板区域进行约束，保证钢箱梁在台风期间的受力安全，其具体形式如图2所示。

图2 139#大悬臂结构示意图（单位：mm）

1 方案设计

根据现场实际情况，设计方案拟在每个点打设8根直径2 m（壁厚22 mm）、长80 m的钢管桩（南北各4根），钢管桩布置如图3所示。钢管桩上布置双拼的H582次梁，次梁上再安装长60 m的主梁。

图3 139#防台风钢管桩布置图（单位：mm）

1.1 支架搭设

首先采用大型水上专用打桩船进行钢管桩插打施工，钢管桩打设完成后对桩顶进行超平处理，开始平联管（平联管采用直径820 mm，壁厚10 mm的钢管）、次梁及主梁的安装，结合现场实际情况，采用全回转起重船配合平联管安装施工。139#号墩支架布置如图4所示。

图4 支架立面布置图（单位：mm）

1.2 大梁安装

防台风钢管支架的次梁采用双拼的H582型钢，单根长度为7 m，单类支架共安装4根，次梁加工完成后需在顶面和底面贴一厚2 cm的钢板，且在与主梁的交界处需沿主梁加劲板方向焊接三角板，与钢管交界处需沿次梁加劲方向焊接三角板来扩散应力。次梁具体构造如图5所示。

图5 次梁构造图（单位：cm）

主梁采用长60 m，2 m×2 m的矩形截面，顶底板厚30 mm，腹板厚25 mm，横向加劲采用厚12 mm的钢板制作，纵向通长加劲板厚20 mm，其具体构造如图6所示。

图6 主梁构造及吊点布置图（单位：cm）

1.3 临时支座布置

支架搭设完成后，在主梁上布置4个临时制作，将临时制作与梁底的加劲板进行焊接，且对梁的横向也进行限位，其具体布置如图7所示。

图7 临时支座布置图（单位：cm）

2 有限元分析

2.1 内力计算

采用有限元Midas建立桥梁大悬臂的有限元模型（7号梁段安装完成），在支架位置设置约束（按139#号墩防台风支架位置设置），考虑横桥向和上下方向的风力作用[2]，求解支架位置的内力。结果如表1～表3所示，计算模型如图8所示。

表1 支点反力计算结果

表2 截面内力计算结果

表3 索力计算结果

图8 有限元计算模型

2.2 钢管支架计算

建立单类支架的有限元分析模型，将上节计算出来的支座反力加于主梁上，对支架结构进行计算分析，其分析工况为：

工况1：考虑自重、水流力、波浪力、风力和梁重（考虑1.2倍荷载系数）、支座反力（考虑4个临时支座同时受力）的作用。

工况2：考虑自重、水流力、波浪力、风力和梁重（考虑1.2倍荷载系数）、支座反力（考虑钢箱梁发生扭转，单侧2个临时支座受力）的作用。

分析结果如表4、图9、图10所示。

表4 钢管支架计算结果

图9 工况1钢管支架一阶失稳模态

图10 工况2钢管支架一阶失稳模态

根据有限元计算模型的分析结果，应力最大值为151.6 MPa；最大位移为8.3 cm，均满足规范[3]要求，故支架结构受力合理。

2.3 主梁计算

建立单根主梁的有限元分析模型，将表1的支座反力加于主梁上，考虑典型工况对支架结构进行计算分析，其分析工况为：

工况1：考虑自重、支座反力（考虑4个临时支座同时受力）的作用。

工况2：考虑自重、支座反力（考虑钢箱梁发生扭转，单侧2个临时支座受力）的作用。

通过有限元计算，其结果如表5、图11、图12所示。2种工况下应力最大值为171.6 MPa，最大位移为3.35 cm，均满足规范[3]要求，故主梁设计受力合理。

表5 主梁计算结果

图11 工况1主梁应力计算结果

图12 工况2主梁应力计算结果

2.4 梁内加劲计算

为保证钢箱梁在台风期间的受力安全，且不发生扭转等情况，对钢箱梁进行局部加劲，并设置4个临时支座约束，其具体构造如图13所示。

图13 梁内加劲立面布置图（单位：mm）

采用大型通用的有限元软件Abaqus建立139#号墩3个梁段的有限元分析模型（2#～4#梁段），在2#梁段端部进行固结约束，将表1～表3中的计算结果加于模型上；另考虑主梁自重进行钢箱梁的有限元受力分析，其分析工况为：

工况1：考虑自重、梁段内力（其中考虑4个临时支座同时受力）的作用。

工况2：考虑自重、梁段内力（其中考虑钢箱梁发生扭转，单侧2个临时支座受力）的作用。

有限元计算结果如表6、图14、图15所示。2种工况作用下应力最大值为201.6 MPa，最大位移为2.05 cm，且梁内加劲的应力最大为85.5 MPa，均满足相关规范[3]要求，故钢箱梁梁内加劲满足要求。

表6 梁内加劲计算结果

图14 工况1梁内加劲应力计算结果

3 结 语

图15 工况2梁内加劲应力计算结果

本文介绍了港珠澳大桥江海直达船航道桥钢箱梁架设过程中大悬臂施工阶段处于台风季节的防台风施工方案，并基于大型通用有限元分析软件，建立了大悬臂钢箱梁防台风结构的有限元计算模型，对其在典型工况下进行强度、刚度和稳定性的分析。典型工况下的应力计算结果小于材料许用应力，满足强度要求；变形计算结果均复核相关要求，满足刚度要求；1阶失稳系数合理，结构满足稳定性要求。