高速公路门洞设计及计算实例

徐 博 杨淞博

1 方案简介

阳翼高速公路L1合同段东河特大桥主桥为预应力混凝土现浇连续箱梁桥,跨径为38 m+60 m+38 m=136 m,桥梁宽度为11.75 m,采用单箱单室截面,梁高3.0 m。桥梁位于 A=430 m的缓和曲线上,主跨上跨晋阳高速公路,斜交角度为27°53′52″。

由于该桥横跨晋阳高速公路,施工时必须确保正常通行,因此必须在左右幅各设置1个单车道通行门洞,门洞按5.5 m宽设置(0.75 m安全距离+4.0 m行车道+0.75 m安全距离)。由于该桥设计梁底标高至下面晋阳高速公路路面顶标高最小处为5.2 m,为了保证不小于4.5 m净空的情况,只能采用工字钢进行门洞搭设。门洞立柱采用φ 400 mm×6 mm钢管柱,间距为2 m,每排门洞立柱采用[10a槽钢设置上下两道成45°斜向连接。每排柱顶采用Ⅰ40a工字钢与钢管柱焊接成整体,再在柱顶工字钢上垂直于行车道方向搭设Ⅰ40a工字钢。钢管柱基础采用0.8 m×0.8 m条形C25混凝土基础,条形基础上下两面设置10 cm×10 cm的钢筋网片,纵向钢筋采用φ 16钢筋,箍筋采用φ 10钢筋,并在基础上面预埋1 cm厚钢板,用于与钢管桩焊接连接。要求钢管立杆位置准确可靠,与预埋钢板焊接牢固。为防止行车对门洞造成危害,在门洞内侧设置独立钢管防护架,同时兼顾限宽限高的作用。门洞设置见图1。

2 门架验算

2.1 型钢受力荷载计算

1)钢筋混凝土梁自重:

2)内模支架及内模构造荷载N2按3 kN/m2取值。

3)外模重:

(木胶板按25 kN/m3计,木材按8 kN/m3计)。

4)支架自重:

(支架高度按最高值6 m计算,钢管每米按33.3 N计)。

5)施工均布活荷载标准值以N5=3 kN/m2计。

6)倾倒混凝土时产生的水平荷载:N6=3 kN/m2。

7)振捣混凝土时产生的荷载:N7=2 kN/m2。

荷载组合:

工字钢单位长度荷载值:

2.2 内力计算

跨中最大弯矩:

2.3 选择型钢截面

型钢所需截面抵抗矩为:

故采用Ⅰ40a工字钢其截面抵抗矩 Wx=1090 cm3,可以满足施工需要。

其截面惯性矩 Ix=21700 cm4。

半截面面积矩为 Sx=636.4 cm2。

内圆弧半径r=12.5 mm。

回转半径ix=15.9 cm。

自重 g=67.598×9.81=0.663 kN/m。

2.4 截面应力刚度验算

型钢自重产生弯矩为:

总弯矩值:

弯矩正应力:

支座处总剪力值:

2.5 跨中挠度验算

纵梁单位长度荷载值:

2.6 门洞立柱验算

门洞立柱采用φ 400×6 mm钢管柱,间距为 2 m,由于门洞净空受设计梁底标高和晋阳路路面标高限制,立柱高取3.2 m。

门洞立柱钢管力学特性如下:

断面积 A=π(D2-d2)/4=74.28 cm2。

截面惯性矩 I=π(D4-d4)/64=14416.4 cm4。

回转半径i=sqrt(D2-d2)/4=2.43 cm。

截面模量 W=π(D4-d4)/32D=901.02 cm3。

钢材弹性模量 E=2.1×105MPa。

钢材容许应力[σ]=140 MPa。

受压构件容许长细比[λ]=150。

门洞立柱与工字钢横梁按简支设计,故立柱只验算轴心受压和稳定性,验算荷载取平均值。

根据计算,单根门洞立柱受力 N=163.3 kN。

立柱强度验算:

N/A=163.3/74.28=21.98 MPa≤[σ]=140 MPa。K=[σ]/(N/A)=140/21.98=6.37≥1.3,立柱强度满足要求。

立柱稳定性验算:

长细比:

轴心受压构件的稳定系数φ=0.828。

3 结语

经验算,门洞支架纵梁及立柱满足支架上各种荷载,稳定性及安全符合要求,且经实际施工过程检验,该门洞支架设计满足施工要求,在施工中未出现任何异常。

该计算方法简单易懂,可以作为一般结构的施工验算,在电算程序横行的今天,也可以作为验算辅助程序。

[1]范忠明.简易跨墩双龙门吊架桥设计方案[J].山西建筑,2009,35(18):293-294.