泉州灣跨海大橋鋼混組合梁橫向反拱施加有限元分析

■鐘東雄

（福建省泉州市公路局惠安分局，泉州　362100）

泉州灣跨海大橋鋼混組合梁橫向反拱施加有限元分析

■鐘東雄

（福建省泉州市公路局惠安分局，泉州362100）

反拱技術(shù)和干拼工藝是泉州灣跨海大橋主橋主梁施工的兩大技術(shù)亮點(diǎn)，為業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，國內(nèi)外均無實(shí)施先例。利用有限元程序ansys，對組合梁反拱實(shí)施前后鋼混組合梁線形、應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證反拱設(shè)備可靠性和工藝可行性，為推進(jìn)后續(xù)施工提供理論支撐。

有限元分析橫向反拱預(yù)應(yīng)力鋼混組合梁

1　工程概述

泉州灣跨海大橋?yàn)楦＝ㄊ?nèi)最長橋梁，全長12.455km，雙向八車道。主橋?yàn)殡p塔分幅式鋼混組合梁斜拉橋，跨徑布置為（70＋130＋400＋130＋70）m。鋼混組合梁采用分幅結(jié)構(gòu)型式，分為左右幅，由鋼梁和混凝土橋面板兩部分組成。單幅梁含風(fēng)嘴寬27.41m（含風(fēng)嘴）、不含風(fēng)嘴頂板寬23.85m，梁高3.5m（單幅箱梁中心線處），其中鋼梁中心線處梁高3.1m?；炷翗蛎姘宸诸A(yù)制和現(xiàn)澆兩部分，其中預(yù)制橋面板采用 C55海工耐久混凝土，橋面板全寬20.918m，標(biāo)準(zhǔn)厚度28cm，在箱梁縱腹板及橫隔板上翼緣處加厚至40cm。全橋鋼混組合梁劃分為17種類型，166個(gè)梁段。其標(biāo)準(zhǔn)斷面和橋面板布置詳見圖1。

圖 1　鋼混組合梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖（單位：cm）

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力需要，在索塔附近、中跨246m范圍內(nèi)及兩邊跨各142.95m范圍內(nèi)橋面板中布置縱向預(yù)應(yīng)力；鋼混組合梁混凝土橋面板橫向預(yù)壓力通過對鋼梁反拱施加。

2　橫向反拱技術(shù)與反拱設(shè)備

2.1橫向反拱技術(shù)工程特點(diǎn)

橫向反拱技術(shù)是指主梁（鋼混組合梁）混凝土橋面板橫向預(yù)壓力通過對鋼梁反拱施加，即在鋼梁中腹板部位用千斤頂施加反力，形成兩側(cè)邊腹板下?lián)希懈拱迳贤沟姆垂靶Ч?，使主梁反拱豎向變形達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

由于該項(xiàng)技術(shù)在業(yè)內(nèi)沒有先例，在實(shí)施中存在諸多難點(diǎn)：

（1）組合梁采用整體節(jié)段預(yù)制、現(xiàn)場安裝的施工技術(shù)復(fù)雜，施工難度大；

圖2　橋面板布置示意圖

（2）組合梁需經(jīng)歷鋼梁制造、橋面板預(yù)制以及場內(nèi)總拼等多道工序，制造精度要求高；

（3）橋面板匹配預(yù)制無先例，預(yù)應(yīng)力管道、鋼筋、鋼套管和剪力釘相互避讓，現(xiàn)場控制要求高；

（4）該類型寬幅鋼箱梁反拱未有實(shí)施先例，且反拱回彈效果不確定，給梁段匹配連接帶來技術(shù)難題；

（5）預(yù)制及拼裝誤差、吊裝變形等導(dǎo)致預(yù)制板拼接處難以對齊且密貼。

2.2反拱設(shè)備

經(jīng)事先多次論證，擬采用鋼桁架作為橫向反拱施加設(shè)備。

桁架擱置在鋼箱梁邊腹板臨時(shí)工裝牛腿上，中腹板位置用吊耳栓接，通過在中腹板部位用千斤頂施加反力，形成兩側(cè)邊腹板下?lián)?，中腹板上凸的反拱效果。以?biāo)準(zhǔn)梁段為準(zhǔn)，需在每一道橫隔板位置布置一道桁架，單片梁段需布設(shè)3道桁架。

桁架由上下弦桿、斜桿、豎桿和聯(lián)系桿工廠焊接而成，整個(gè)結(jié)構(gòu)分為兩片，通過螺栓栓接，重量約20t，詳圖3。

圖3　桁架加載梁（單位：mm）

3　施加反拱工況仿真分析

橫向反拱試驗(yàn)前，首先進(jìn)行理論分析，主要考察試驗(yàn)全過程鋼箱梁及組合梁線形和應(yīng)力情況，具體為反拱實(shí)施前后鋼梁線形（主要為反拱及回彈變形）及應(yīng)力、卸載后橋面板應(yīng)力、反拱桁架所作用支腿處以及吊耳鋼梁應(yīng)力。

3.1有限元模型建立

利用有限元程序ansys，進(jìn)行組合梁仿真分析，有限元模型見圖4所示。建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)梁段，總長10.5m。采用shell63單元模擬鋼箱梁，solid45單元模擬橋面板，共包含35229個(gè)單元。邊界條件：每道橫梁處兩點(diǎn)簡支；荷載條件：自重、橫梁內(nèi)腹板處千斤頂頂升力和橫梁外腹板處牛腿處吊耳反力。

3.2鋼梁反拱及回彈變形

當(dāng)在桁架反力梁上方單點(diǎn)施加105t頂升力時(shí)，鋼梁反拱及回彈變形如圖5。可以看出，施加反拱后鋼梁頂面中心上拱4.8mm，翼緣板下?lián)?14.2mm，兩者差值19mm；反拱力撤除后鋼梁頂面中心上拱2.1mm，翼緣板下?lián)?7.8mm，兩者差值9.9mm。

3.3鋼箱梁應(yīng)力

鋼箱梁應(yīng)力分析結(jié)果如圖6～8所示，分別列出了鋼箱梁在反拱及卸載后上下緣應(yīng)力、邊腹板牛腿處局部應(yīng)力、中腹板吊耳處局部應(yīng)力，由圖可見：

（1）施加反拱力后，鋼箱梁頂?shù)装鍛?yīng)力分別為106 MPa（拉）和-118 MPa（壓），反拱架卸載后，鋼箱梁頂?shù)装鍛?yīng)力分別為98MPa（拉）和-32 MPa（壓），均小于Q345容許應(yīng)力210MPa；

（2）施加反拱力后，鋼箱梁牛腿處局部應(yīng)力最大值98MPa（拉），最小值-120MPa（壓），小于Q345容許應(yīng)力210MPa；

圖4鋼箱梁有限元模型

圖5　鋼梁反拱及回彈變形

圖6　鋼梁上下緣應(yīng)力

圖7　鋼箱梁外側(cè)牛腿局部應(yīng)力

圖8　鋼箱梁吊耳處局部應(yīng)力云圖

（3）施加反拱力后，鋼箱梁吊耳處局部應(yīng)力最大值191MPa（拉），最小值-183MPa（壓），小于Q345容許應(yīng)力210MPa。

3.4橋面板應(yīng)力

由圖9可見，拆除反拱力后，橋面板橫橋向均處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為-3.5MPa，這說明按照先施加反拱力再激活橋面板的施工工藝能有效增加橋面板沿橫橋向的壓應(yīng)力儲備。

圖9　卸載后橋面板橫橋向應(yīng)力

4　結(jié)語

通過橫向反拱施加的仿真分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）反拱設(shè)備受力最為不利的吊耳及牛腿能滿足施加反拱力要求，證明該設(shè)備可靠。

（2）鋼混組合梁在橫向反拱施加前后，無論是加載還是卸載后鋼箱梁頂?shù)装鍛?yīng)力都沒有超過其容許值。說明該工藝可行。

（3）橋面板拆除反拱力后，橫橋向壓應(yīng)力-6.8MPa左右。說明按照先施加反拱力再激活橋面板的施工工藝，相當(dāng)于對橋面板施加了6.8MPa的橫橋向預(yù)應(yīng)力，該工藝能有效增加橋面板沿橫橋向的壓應(yīng)力儲備。

卸載反拱時(shí)，橋面板橫橋向依然處于受壓狀態(tài)，結(jié)果表明此時(shí)橫橋向仍然保留有3.5MPa的壓應(yīng)力?？梢詽M足設(shè)計(jì)要求。

（4）仿真分析表明：反拱設(shè)備可靠，反拱工藝可行，可用于施工。

［1］中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，等.泉州灣跨海大橋工程施工圖設(shè)計(jì)文件第七卷第四冊［M］.2011.

［2］中交第二航務(wù)工程有限公司泉州灣跨海大橋項(xiàng)目部.組合梁足尺模型試驗(yàn)研究方案［M］.2013.5.

［3］中交第二航務(wù)工程有限公司泉州灣跨海大橋項(xiàng)目部.組合梁足尺模型試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告［M］.2013.12.

［4］田維，等.大跨膠結(jié)縫組合梁斜拉橋整體節(jié)段橫向反拱足尺模型試驗(yàn)［J］.公路，2014（10）：107-114.