成彭高速高架橋跨金府路大跨度門洞設(shè)計與施工

摘要:為滿足金府路過大件的要求，當?shù)赜嘘P(guān)部門要求施工時門洞凈寬必須大于12m。為了在橋梁與現(xiàn)有道路斜交的情況下能節(jié)約材料，對兩側(cè)工字鋼間距進行了加大，同時對工字鋼的連接進行了驗算。

關(guān)鍵詞:大跨度;門洞;斜交;工字鋼;連接

中圖分類號:U448.17

文獻標識碼:B

文章編號:1008-0422(2009)11-0118-03

1工程概況

金府路做為成都市的交通干道之一，交通繁忙，車流量大。為了保證超寬超高大件的通過，成彭高速入城段改造工程跨金府路施工時，應(yīng)業(yè)主及交管局的要求，東北往西南方向應(yīng)保證有不小于12m的凈寬，西南往東北方向不小于7m的凈寬。

該聯(lián)為Z1聯(lián)，位于R=180m的彎道上，和金府路交角為55.3o，橋面寬15.333~19.674m，為魚腹式單箱多室連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。

箱梁橫斷面如圖1。

橋梁與下穿道路平面交叉情況如圖2。

2支架方案

根據(jù)業(yè)主的要求和項目部當時的材料情況，在金府路上用45A型工字鋼搭設(shè)行車通道。安裝后西南往東北方向凈寬7.8m，工字鋼凈高7m;東北往西南方向凈寬12m，工字鋼凈高8.5m，滿足業(yè)主的要求。為保證安全在兩個門洞正面設(shè)置限高、限速等警示標志。支架底部用標準圍欄圍護180cm高，工字鋼上部用復(fù)合板全部遮擋，并安裝密目網(wǎng)，防止施工過程中落物砸壞過往車輛。在跨金府路鋼管支架四周，全部用密目網(wǎng)遮住，并按要求設(shè)置警示燈。

7.8m門洞采用45A工字鋼，立桿間距0.6m，步距1.0m，跨徑7.8m。

為減少對現(xiàn)有道路交通流的影響，門洞依照現(xiàn)有道路方向進行布置，工字鋼梁按正交進行布置。由于橋梁與金府路斜交，支架兩側(cè)部分工字鋼的受力長度隨著與門洞中心的距離加大而減少，因此兩側(cè)工字鋼可以根據(jù)上部的受力長度進行間距的調(diào)整。

12m寬門洞支架構(gòu)造:基礎(chǔ)采用C25混凝土，寬2.2m，高0.3m，長27.2m，直接澆筑在舊道路上。支架采用Ф48×3.5 mm鋼管，間距300mm×300mm，步距1000mm，即縱橋向為7排，橫橋向90排。管頂采用可調(diào)頂托支撐，頂托上先順橋向安放10×10cm方木，間距30cm，再在方木上橫向放置15×15cm方木，間距30cm，作為力的分散。然后，在橫向方木上面放置長16.0m的45A工字鋼，工字鋼橫向排放按以下間距放置:5×0.6+4×0.3+3×0.25+6×0.2+74×0.18+6×0.2+3×0.25+4×0.3+4×0.6=25.02m。工字鋼頂橫向焊接五根Ф20鋼筋，以防止工字鋼失穩(wěn);為保證施工安全，在工字鋼上面鋪一層膠合板，再在其上橫向放置15cm×15cm方木做立桿底座，其上支架按間距900㎜(順橋)×300㎜進行布設(shè)。木枋材質(zhì)為馬尾松。

支架施工照片如圖3。

3支架受力驗算

3.1工字鋼上方木驗算

3.1.1荷載組合值:門洞布置在箱梁標準斷面處，其斷面面積為S=9.27m2，按全部荷載由底板承受，換算成混凝土斷面厚度為:h=9.27/13.933=0.665m.

(1)鋼筋砼斷面折算成均布荷載q1=26×

0.665'×1=17.29 (KN/m2)

(2)模板荷載q2=6×0.012×1=0.07(KN/m2)

(3)10×10方木荷載q3=6×0.1×0.1×4

=0.24(KN/m2)

(4)人及機具活載q4=(2+2)×1=4(KN/m2)

(5)鋼管支架荷載q5=(38.4×(2×0.9+2×

(0.3+0.9))+58.2×2+4×13.2)/(0.3×0.9)

=1224(N/m2)=1.22(KN/m2)

(6)分配梁方木:q6=6×0.15×0.15/0.9

=0.15(KN/m2)

荷載設(shè)計值:q=1.2×(17.29+0.07+0.24+1.22

+0.15)+1.4×4=28.36KN/m2

荷載標準值:q=17.29+0.07+0.24+1.22+

0.15+4=22.97KN/m2

將方木的受力看成是立桿為支點，工字鋼為均布荷載的梁

跨中彎距:Mmax=qL2/8=28.36×0.9×0.32/8=0.29KN·m

支點剪力:Q= qL/2=28.36×0.9×0.3/2

=3.85KN

方木毛截面慣性矩:Ix=bh3/12=0.15×0.153/12

= 4218.75cm4

方木毛截面面積矩:Sm= bh2/8=0.15×0.152/8

= 421.88cm3

凈截面抵抗矩:Wx= bh2/6=0.15×0.152/6

=562.50cm3

彎曲強度:σ=0.29×103/(562.5×10-6)

=0.51MPa<[σ]=12MPa

剪切強度:τ=QSm/(Ixb)=3.85×103×421.88

×10-6/(4218.75×10-8×0.15)=0.26MPa<[τ]=1.9MPa

撓度:f=5qL4/(384EI)=5×22.97×0.9×103

×0.34/(384×104×106×4218.75×10-8)=0.01mm

<300/400=0.75mm

采用15×15cm方木做分配梁滿足規(guī)范要求。

3.2中心部分45A工字鋼檢算

3.2.1工字鋼上荷載同上，不再重復(fù)。同時承受工字鋼自重產(chǎn)生的荷載。

45A工字鋼自重q7=80.38/0.18=4.47(KN/m2)

荷載設(shè)計值:q=1.2×(17.29+0.07+0.24+1.22+0.15+4.47)+1.4×4=33.73KN/m2

荷載標準值:q=22.97+4.47=27.44KN/m2

3.2.2工字鋼驗算

45A工字鋼截面特性為:WX= 1432.9cm3，

Ix=32241cm4，工字鋼間距為18cm。

跨中彎距:Mmax=qL2/8=33.73×0.18×12.32/8

=114.82KN·m

彎曲強度:σ=114.82×103/(1432.9×10-6)

=80.13MPa<[σ] =145MPa

撓度:f=5qL4/(384EI)=5×27.44×103×0.18

×12.34/(384×2.10×105×106×32241×10-8)

=21.74mm<[f]=12300/400=30.75mm

采用45A工字鋼間距0.18m時可以滿足跨徑12.3m門洞的受力要求。

3.3 15×15cm方木驗算

45A工字鋼下采用15×15cm方木做為傳力的分配梁，因工字鋼間距只有3cm，工字鋼底寬15cm，為方便計算，按均布荷載考慮。方木間距為30cm，計算跨徑按30cm計算。

方木自重:q8=0.15×0.15×6.0=0.14KN/m

方木承受的荷載設(shè)計值:q=33.73×16/2/(3.7/2)×0.3+0.14×1.2=43.92KN/m

荷載標準值:q=27.44×16/2/(3.7/2)×0.3

+0.14=35.74 KN/m

跨中彎距:Mmax=qL2/8=43.92×0.32/8

=0.5KN·m

支點剪力:Q = qL/2=43.92×0.3/2=6.59KN

方木毛截面慣性矩Ix、毛截面面積矩Sm、凈截面抵抗矩Wx計算同(一)。

彎曲強度:σ=0.5×103/(562.5×10-6)

=0.88MPa<[σ]=9.5MPa

剪切強度:τ=QSm/(Ixb)=6.59×103×421.88

×10-6/(4218.75×10-8×0.15)=0.44MPa<[τ]=1.7MPa

撓度:f=5qL4/(384EI)=5×35.74×103×

0.34/(385×104×106×4218.75×10-8)=0.01mm

<300/400=0.75mm

采用15×15cm方木做分配梁可滿足要求。

3.4立桿穩(wěn)定性驗算

鋼管承受從木方傳來的豎向荷載，即木方在支托上的反力

q=6.59KN

鋼管步距h=1.0m，S=4.89cm2，r=1.58cm

每根立桿長8.5-0.3=8.2m，水平桿8層，扣件16個，頂托1個，立桿底部承受的鋼管支架重量:8.2×38.4+7×0.3×2×38.4+14×

13.2+58.2=719N=0.72KN

底層鋼管承受荷載

6.59+0.72×1.2=7.45KN

頂部伸出長度為0.3m， l0=h+2a=1.0+

2×0.3=1.6m

λ= l0/r=160/1.58=101.3，查表得φ=0.578，則鋼管允許承載力N=φAf=0.578×4.89×100×205=57.94KN≧7.45KN

滿足要求。

3.5基礎(chǔ)承載力計算

門洞處地基在原有路面上澆筑30cm厚C25砼，地基承載力按中密考慮。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTG D63-2007)中卵石取值范圍650~1000的下限650 kPa做為允許承載力。

p=7.45/(0.3×0.3)=82.8 kPa < 650kPa

地基承載力的滿足要求!

3.6門洞兩側(cè)工字鋼間距驗算

12m門洞兩側(cè)工字鋼按以下間距布置，當工字鋼受力長度在10m以內(nèi)時為0.2m，在8m以內(nèi)時為0.25m，在7m以內(nèi)時為0.3m，在4.5m以內(nèi)時為0.6m。

工字鋼自重是不變的，工字鋼上面的荷載是變化的，因此將工字鋼自重荷載與箱梁、支架荷載分開計算，然后將工字鋼自重產(chǎn)生的彎矩、撓度與箱梁恒載、支架產(chǎn)生的彎矩、撓度相疊加，從而得到總的彎矩和撓度。由于變位置均布荷載的撓度計算公式較復(fù)雜，經(jīng)查閱有關(guān)資料，其撓度可以采用跨中值代替，且其與按精確公式計算值相差不超過3%，完全可以滿足工程需要。

3.6.1受力圖式如圖4。

其中:L=12.3m，

荷載設(shè)計值:

q1=0.8×1.2=0.96 KN/m

q2=(1.2×(17.29+0.07+0.24+1.22+0.15)+1.4×4)×d=28.36×d KN/m式中d為兩排工字鋼的間距。

荷載標準值:

q1=0.8 KN/m

q2=(17.29+0.07+0.24+1.22+0.15+4)×d=22.97×d KN/m式中d為兩排工字鋼的間距。

3.6.2彎矩、撓度計算公式

為計算簡便，采用兩者的最大值相加，從理論上講應(yīng)該是更安全的。

工字鋼自重q1的彎矩、撓度:

Mq1max=q1L2/8=0.96×12.32/8=18.2 KN·m

fq1max=5q1L4/(384EI)= 5×0.8×103×12.34/

(384×2.1×1011×32241×10-8)= 0.00352m

=3.52mm

箱梁恒載、支架等荷載q2的彎矩、撓度:

Mq2max=q2b2/8×(2-b/L)2

AC段: fq21/2= 1/(48EI)×q2×b2×L2

×(3/2-b2/L2)

CB段: fq21/2= 1/(24EI)×q2×b2×L2×

(3/4-1/2×b2/L2+(- L/2+b)4/L2b2)

3.6.1受力驗算

3.1工字鋼受力長度在10m以內(nèi)時

M=Mq1+Mq2=18.2+28.36×0.2×102/8×

(2-10/12.3)2=118.1 KN·m

σ=118.1×103/(1432.9×10-6)=82.45MPa<

[σ] =145MPa

由于跨中位于CB段

f=fq1+fq2=3.52+1/(24EI)×q2×b2×L2×

(3/4-1/2×b2/L2+(- L/2+b)4/(L2b2))

=3.52+1/(24×2.1×1011×32241×10-8) ×22.97×103×0.2×102×12.32×(3/4-1/2×102

/12.32+(-12.3/2+10)4/12.32/102)×103 =22.08mm<12300/400=30.75mm

3.2工字鋼受力長度在8m、7m以內(nèi)時，計算與上同

8m以內(nèi)時 M= 121.6 KN·mσ=84.8MPa<[σ]

=145MPa

f=21.99mm<12300/400=30.75mm

7m以內(nèi)時 M= 124.94KN·m σ=87.2MPa<[σ]

=145MPa

f=22.01mm<12300/400=30.75mm

3.3工字鋼受力長度在4.5m以內(nèi)時

M=Mq1+Mq2=18.2+28.36×0.6×4.52/8

×(2-4.5/12.3)2=133.3 KN·m

σ=133.3×103/(1432.9×10-6)=93.0MPa<[σ]

=145MPa

由于跨中位于AC段

f=fq1+fq2=3.52+ 1/(48EI)×q2×b2×L2×

(3/2-b2/L2) =3.52+1/(48×2.1×1011×32241

×10-8)×22.97×103×0.6×4.52×12.32×(3/2-

4.52/12.32)×103 =21.27mm<12300/400

=30.75mm

通過計算，可知兩側(cè)可以滿足受力要求。

3.7 7.8m門洞支架

7.8m門洞兩側(cè)考慮到如果加大工字鋼間距，就需要加大木枋間距，從經(jīng)濟上并不合算，因此與中間工字鋼采用相同的間距。具體驗算和上面類似，此處不再例出。

4工字鋼連接工藝

工字鋼采用焊透的對接焊縫進行連接，焊接質(zhì)量按三級計算。

焊接坡口形式采用單邊V形或K形。由于本結(jié)構(gòu)不承受動荷載，為施工方便，按不采用引弧板進行設(shè)計。

4.1 受力驗算

從上面支架受力驗算時可知，工字鋼計算最大彎矩為133.3 KN·m，最大剪力為0.96×12.3/2+28.36×0.6/2×4.5×(2-4.5/12.3)

=68.5KN，(位于間距為0.6m段)，為方便計算和安全考慮，彎矩和剪力皆按最大值進行驗算，盡管二者實際上不可能組合在同一個位置。

按不采用引弧板進行設(shè)計時，翼緣板需要進行折減計算，45A工字鋼翼緣板厚度平均為18mm ，因此上下翼緣板焊縫長度按上下寬度減2×18，即150-2×36=114mm計算。此時計算簡圖如圖5:

各種截面力學(xué)性質(zhì)

截面慣性矩:Ix=(B×H3-(B-c)h3)/12

=(114×4503-(114-11.5)×4143)/12

=259588395mm4

截面抵抗矩:Wx=2×Ix/H=2×259588395/450

=1153726mm3

截面面積矩:Sx=114×18×(225-9)

+11.5×207×207/2=689614mm3

翼板面積矩:Sx1=114×18×(225-9)

= 443232 mm3

彎曲應(yīng)力:σ=M/W=133.3×106/1153726=115.5MPa<145MPa

剪應(yīng)力:τ=(Q×Sx)/(Ix×b)=68.5×103×

689614/(259588395×11.5)=15.8MPa<120MPa

腹板與翼板交接處應(yīng)力

σ1=σ×h0/h=115.5×(450-18×2)/450

=106.3MPa

τ1=(Q×Sx1)/(Ix×b)= 68.5×103× 443232/(259588395×11.5)=10.2MPa

折算應(yīng)力: (σ12+3×τ12)= (106.32+3×10.22)

=107.8MPa<1.1[σ]=1.1×145=159.5MPa

滿足規(guī)范要求

為保證安全，在腹板兩側(cè)各加一塊350×300×10mm鋼板做為蓋板，進行拼接。

4.2焊接時工藝要求:

4.2.1采用E43型焊條。工字鋼中間腹板厚度為11.5mm，可以不開坡口，采用雙面焊接，能達到焊透的目的。上下翼緣板，為保證能夠焊透，在焊接前，應(yīng)用氧氣割出坡口。依據(jù)GB985.1-2008《氣焊、焊條電弧焊、氣體保護焊和高能束焊的推薦坡口》，采用坡口如圖6。

4.2.2工字鋼擺放時，焊接位置應(yīng)錯開，不能全部放在同一斷面上。

4.2.3為防止開裂和減少焊接應(yīng)力，應(yīng)按照對稱原則進行，盡量避免過度集中和多方向相交，連接過度盡量平緩。所有焊接按平焊進行。焊接完成后接頭應(yīng)平直，無彎曲變形情況。

5施工

該門洞已經(jīng)施工完畢，施工時考慮箱梁二次澆筑工藝對梁板實際受力的影響，因此只對門洞中心位置加設(shè)了15mm的預(yù)拱度，以抵消工字鋼下?lián)纤鶐淼挠绊?。施工時安排人員對支架進行觀測、對車輛、行人進行了有序引導(dǎo)，保證了該段工程安全、順利的施工完成。

6結(jié)語

本文針對根據(jù)當?shù)亟煌ú块T要求跨現(xiàn)有道路寬度不小于12m的要求，以及為了節(jié)約材料，進行門洞的設(shè)計，通過施工檢驗，完全可以滿足施工要求。對門洞兩側(cè)工字鋼間距進行放大，節(jié)約了材料，節(jié)省了成本，創(chuàng)造了經(jīng)濟效益。由于該設(shè)計中的工字鋼要求長度大于12m，以方便配料，在施工中無法確定具體的連接位置，因此按照最大受力進行驗算，保證了施工的安全。

通過該方案的設(shè)計和施工，為以后在類似情況下進行門洞的設(shè)計和工字鋼的連接提供了經(jīng)驗。

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