現(xiàn)澆箱梁滿堂支架大跨徑通行門洞設(shè)計(jì)研究

唐英

（中交路橋華北工程有限公司,北京100000）

1 工程概況

本工程為環(huán)湖大道東線工程（太白湖新區(qū)段）,全線設(shè)互通立交1 處（火炬路上跨南二環(huán)）,其中主線橋1 座、匝道橋8 座、輔道橋3 座、洸府河橋1 座（舊橋拼寬）,互通區(qū)涉及橋梁共計(jì)13 座,其中現(xiàn)澆箱梁多達(dá)60 聯(lián),為了滿足施工期間既有交通道路正常通行,需要在既有交通下穿現(xiàn)澆梁滿堂支架處搭設(shè)門洞結(jié)構(gòu),如圖1。

圖1 通行門洞實(shí)景圖

2 大跨徑通行門洞的提出

因施工期間南二環(huán)互通既有交通道路需滿足路基填筑土方車輛的雙向正常通行,固需在既有交通下穿現(xiàn)澆支架處搭設(shè)跨徑為8m 的通行門洞結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目現(xiàn)澆箱梁澆筑共需設(shè)置7 個(gè)門洞,以互通主線橋左幅14#、15#墩柱之間的通行門洞為例進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。此處現(xiàn)澆箱梁底部至地面的距離為14m,通行門洞整體為矩形,凈空高度約5m,跨度8m,長(zhǎng)度為17m。

3 大跨徑門洞支架方案

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,我們對(duì)通行門洞形式設(shè)計(jì)了兩種方案,現(xiàn)對(duì)兩種支架方案依次進(jìn)行介紹。方案一,門洞+滿堂支架：如圖2。

圖2 通行門洞支架設(shè)計(jì)圖

通行門洞采用60*60cm 混凝土獨(dú)立基礎(chǔ),混凝土采用C30?；A(chǔ)中心線處對(duì)應(yīng)位置預(yù)埋螺栓,四個(gè)螺栓呈正方形布置并與立柱底部法蘭盤相連。門洞鋼立柱采用Φ220×6mm 鋼管,立柱按照間隔0.6m 的距離設(shè)置于門洞兩側(cè),鋼管上分配梁采用I45a工字鋼,分配梁上用I45a 工字鋼對(duì)兩側(cè)鋼立柱行連接,然后橫橋向布設(shè)I14 工字鋼作為通行門洞上方滿堂支架的架立點(diǎn)。為了保證門洞結(jié)構(gòu)的安全,采取措施如下：a.為了保證門洞基礎(chǔ)的穩(wěn)定性,門洞立柱采用高度為60cm 的兩條通長(zhǎng)基礎(chǔ),在保證支架承載力的基礎(chǔ)上起到防撞的作用。b.為了保證門洞的防護(hù)安全、起到防墜落的功能,在支架上部工字鋼之間設(shè)置防墜落木板,防止施工人員和物件從支架頂部墜落傷機(jī)門洞的車輛和行人。

方案二,貝雷梁門洞支架：如圖3。

圖3 貝雷梁通行門洞立體模型

通行門洞基礎(chǔ)采用80*80cm 混凝土獨(dú)立基礎(chǔ),混凝土采用C30。鋼立柱采用φ402*8 鋼管,鋼管上方分配梁采用雙拼32a工字鋼,分配梁上方設(shè)置貝雷梁,其現(xiàn)澆箱梁底模直接布設(shè)在貝雷梁上。貝雷梁雖然適用于大跨徑支架結(jié)構(gòu),但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,消耗材料較多,安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力,在8m 跨徑的支架中不符合經(jīng)濟(jì)性的原則,且在下部空間有限的條件下,貝雷梁本身也會(huì)占用一定的空間。新型門洞支架形式的選擇。從施工材料、安全性、經(jīng)濟(jì)性及適用性角度進(jìn)行全面比較；鋼管支架工字鋼門洞優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,節(jié)省材料；施工工藝成熟,搭設(shè)效率快；上部有充足的支架空間,整體拆卸容易；滿足門洞支架的尺寸要求；缺點(diǎn)：最大跨徑一般不大于9.0m；適用于形式較為簡(jiǎn)單的門洞。鋼管支架貝雷梁門洞優(yōu)點(diǎn)：貝雷梁具有承重能力強(qiáng),跨徑大、承載能力大的特點(diǎn)；結(jié)構(gòu)剛性強(qiáng)；整體性好；基本滿足門洞支架的尺寸要求；缺點(diǎn)：所需材料較多；搭設(shè)花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)：搭設(shè)高度有一定限制,不適用較高的現(xiàn)澆箱梁通行門洞搭設(shè)。綜合分析上述優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比,從材料的節(jié)約、施工質(zhì)量和安全、成本的角度考慮,項(xiàng)目最終采用鋼管工字鋼支架門洞+滿堂支架的形式。

4 大跨度工字鋼通行門洞計(jì)算

4.1 荷載計(jì)算

壓力荷載采用均布荷載的方式施加,壓力荷載具體形式如圖所示：①支架自重Midas Civil 自動(dòng)計(jì)入；②現(xiàn)澆箱梁鋼筋產(chǎn)生的荷載：3113.5kN；③現(xiàn)澆箱梁混凝土產(chǎn)生的荷載。按照《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值：根據(jù)該規(guī)范規(guī)定,Q235 鋼材的極限彎應(yīng)力【σ 彎】=190MPa；Q235 鋼材的極限剪切應(yīng)力【τ】=110MPa；允許撓度：L/400。

4.2 通行門洞結(jié)構(gòu)計(jì)算

本次計(jì)算通過Midascivil2019 進(jìn)行建模,設(shè)定復(fù)核現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的邊界條件后,施加受力荷載,通過查看門洞結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件受力情況及位移,提前預(yù)判新型簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)大跨徑門洞是否滿足受力要求。同時(shí),對(duì)門洞上方的盤扣式滿堂支架也進(jìn)行一個(gè)受理判斷,查看盤扣支架及大跨徑門洞的整體受力性能。

4.2.1 支撐鋼管驗(yàn)算

門洞支撐鋼管采用Φ220×6mm 鋼管,其在荷載組合作用下 支 撐 鋼 管 最 大 應(yīng) 力 為58.1MPa。σmax=58.1MPa＜[σ]=190MPa,即支撐鋼管強(qiáng)度滿足要求。支撐鋼管在荷載組合作用下支撐鋼管位移△L=1.12mm＜L/400=4000mm/400=10mm,即支撐鋼管剛度滿足要求。

4.2.2 I45a 分配梁驗(yàn)算

分配梁采用I45a 工字鋼,在荷載組合作用下最大應(yīng)力為19.5MPa?！苖ax = 19.5＜[σ]=190MPa,即I45a 工字鋼分配梁強(qiáng)度滿足要求。I45a 工字鋼分配梁在荷載組合作用下最大位移△L=1.372-0.305=1.067mm＜L/400mm=17000/400=42.5mm,即I45a 工字鋼分配梁剛度滿足要求。

4.2.3 I45a 連接梁驗(yàn)算

門洞上方連接梁采用I45a 工字鋼在荷載組合作用下最大應(yīng)力為134MPa。σmax=134＜[σ]=250MPa,即I45a 工字鋼連接梁強(qiáng)度滿足要求。I45a 工字鋼在荷載組合作用下位移△L=21-1.371=19.629mm＜L/400mm=8000/400=20mm,可知I45a 工字鋼鋼度恰好滿足要求。

4.2.4 I14 工字鋼縱梁驗(yàn)算

I14 工字鋼縱梁在荷載組合作用下最大應(yīng)力為42.2MPa。σmax=42.2＜[σ]=250MPa,故知I14 工字鋼強(qiáng)度滿足要求。I14工字剛縱梁在荷載組合作用下位移△L=21.096-19.629=1.467mm＜L/400mm=17000/400=42.5mm,可知I14 工字鋼縱梁鋼度滿足要求。

4.3 盤扣式滿堂支架驗(yàn)算

滿堂支架豎桿驗(yàn)算：盤扣式滿堂支架豎桿在荷載組合作用下最大應(yīng)力為108.2MPa。σmax=108.2＜[σ]=190MPa,故知滿堂支架鋼強(qiáng)度滿足要求。滿堂支架在荷載組合作用下位移△L=2.114mm＜L/400mm=17000/400=42.5mm,可知滿堂支架豎桿剛度滿足要求。滿堂支架橫桿驗(yàn)算：滿堂支架橫桿在荷載組合作用下最大應(yīng)力為26.7MPa。σmax=26.7＜[σ]=190MPa,故知滿堂支架橫桿鋼強(qiáng)度滿足要求。滿堂支架橫桿在荷載組合作用下位移△L=2.084mm＜L/400mm=17000/400=42.5mm,可知滿堂支架鋼剛度滿足要求。滿堂支架斜撐驗(yàn)算：滿堂支架橫桿在荷載組合作用下最大應(yīng)力為41.8MPa。σmax=26.7＜[σ]=190MPa,故知滿堂支架橫桿鋼強(qiáng)度滿足要求。滿堂支架橫桿在荷載組合作用下位移△L=1.766mm＜L/400mm=17000/400=42.5mm,可知滿堂支架鋼剛度滿足要求。滿堂支架上方I14 工字鋼橫梁強(qiáng)度驗(yàn)算：I45a 工字鋼在荷載組合作用下最大應(yīng)力為37.6MPa。σmax=37.6＜[σ]=190MPa,故知I14 工字鋼強(qiáng)度滿足要求。I14 工字鋼在荷載組合作用下位移△L=2.192mm＜L/400mm=9000/400=22.5mm,可知I14 工字鋼度滿足要求。

4.4 穩(wěn)定性分析

門洞鋼管穩(wěn)定性：鋼管最大軸力出現(xiàn)在Φ220×6.0mm 的鋼管,截面積A=4015mm2,σ=F/A=235.5/4015*1000=58.65Mpa＜190Mpa,安全系數(shù)K=190/58.5=3.25＞1.3 故知立桿強(qiáng)度滿足要求；滿堂支架豎桿穩(wěn)定性：立桿選用Φ60×3.2mm 鋼管,截面積A=570.73mm2,σ=F/A=68530/570.73=120Mpa＜250Mpa,安全系數(shù)K=250/120=2.08＞1.3 故知立桿強(qiáng)度滿足要求；整體穩(wěn)定性：臨界荷載5 個(gè)系數(shù)中工況組合最低為4.96＞4.2,所以門洞整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足要求。通過以上計(jì)算可知,各部件應(yīng)力均滿足要求,整體穩(wěn)定性可靠,支架安全,剛度驗(yàn)算中滿堂支架及門洞所有構(gòu)件的撓度變形均在規(guī)范允許的變形范圍內(nèi)（f＜L/400）。

5 結(jié)論

通過分析計(jì)算大跨度通行門洞的整體穩(wěn)定性,論證了鋼管立柱+工字鋼梁的大跨徑門洞支架形式的可行性、安全性,在滿足受力要求的前提下提高了施工效率,門洞結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用,便于現(xiàn)場(chǎng)安裝,應(yīng)用此種門洞設(shè)計(jì),在形式簡(jiǎn)單、施工方便、節(jié)省材料的同時(shí),保證了過往車輛及行人安全通行的問題,屬于創(chuàng)新型的大跨徑支架門洞結(jié)構(gòu),為后續(xù)互通立交現(xiàn)澆箱梁支架保通施工提供了參考和借鑒。