ETC龙门架结构标准化施工的研究与探索

杨 晨, 周 京, 黄 征， 徐联祺， 陈浩然

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200)

0 前言

ETC门架系统是取消省界高速公路收费站实现不停车电子收费的重要设施，湖南省共有1 144套门架，要实现2019年底前基本取消全国高速公路省界收费站，时间紧，任务重，对ETC门架结构及施工过程进行标准化研究十分重要。

1 ETC门架结构标准化

ETC门架主要用于安装5.8 G天线、高清车牌识别摄像机、同步补光单元、监控摄像机等前端设备，须设置专用检修通道，以满足后期检修维护的需要。

为提高ETC门架生产效率，确保土建基础施工与门架钢结构生产能够同步推进，门架钢结构按照标准车道类型进行标准化设计和制作为主，特殊跨径和桥梁段则通过补充设计进行定制。

根据《高速公路ETC门架系统技术要求》[1]中龙门架结构要求，湖南省取消高速公路省界收费站项目ETC门架系统采用桁架式结构门架，所有构件均宜采用闭口截面。桁架下弦杆中心距离路面最高点间的高度不小于6.0 m；桁架宜满足人员检修通行需要，其前后弦管中心宽度为1.0 m，上下弦管中心高度为1.8 m；栏杆高度不小于1.2 m[2]。

由于ETC门架数量多、工期紧，综合考虑门架结构的功能适用性、结构安全性、施工方便性等因素，在交通运输部推荐方案(以下简称推荐方案)的基础上对门架结构及基础进行了相关优化，优化方案示意见图1。

图1 路基ETC门架结构方案优化示意图(单位：mm)

1) 顶部桁架检修通道宽度参考可选区间为1～1.5 m,优化设计将部推荐方案的1.5 m改为1 m。

2) 基础长度参考可选区间为3～3.5 m，优化设计将推荐方案的3.5 m改为3 m(路侧)和2.8 m(中分带)。

3) 中分带埋深由部推荐方案的2.4 m改为1.2m。

以四车道门架为例进行计算，采用Midas2019对优化后的ETC门架进行计算，模型及荷载如图2所示，其中所有杆件均采用梁单元模拟；桁架与立柱采用法兰盘连接，结构中按照固接模拟；桁架弦杆之间采用焊接，结构中按照固接模拟;柱底固结。四车道门架模型划分单元552个，节点386个。应力计算结果如图3所示，可以看出最大拉应力为11.1 MPa，最大压应力为12.2 MPa，小于Q235强度设计值215 MPa。位移计算结果如图4所示，可以看出最大竖向位移为1.1 mm，横向位移为1.6 mm，均小于l/400=35.0mm。

a) 门架模型

b) 门架荷载图2 四车道门架模型及荷载(单位： kN /m)

图3 四车道门架应力计算结果(单位： MPa)

图4 四车道门架位移计算结果(单位： mm)

整体结构一阶屈曲模态如图5所示，一阶屈曲系数(临界荷载系数)为271，柱斜腹杆失稳，考虑失稳时结构应力已远超结构钢材强度，表明该结构在强度破坏前不会发生失稳破坏。

图5 四轴门架一阶屈曲模态

进行抗倾覆验算，支反力计算结果如图6所示。

a) 支反力-集中力(单位： kN)

b) 支反力-弯矩(单位： kN/m)图6 四车道门架支座反力

根据计算结果可知：混凝土基础顶部位置受向下及向上集中荷载可分别近似取54 kN和9.3 kN，水平方向近似取3.7 kN和3.4 kN，附加弯矩8.0 kN/m。

中分带侧基础底座2.8 m×1.5 m×1.2 m(长×宽×高)。根据规范《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)中4.4.1及4.4.3条计算：

0.282 m。

路侧基础底座3.0 m×1.6 m×2.4 m(长×宽×高)。根据规范《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)中4.4.1及4.4.3条计算：

0.203 m。

经计算，四车道门架结构的强度、整体稳定性以及基础的抗倾覆能力均满足要求。

对于六车道门架，采用同样方式计算，得到门架结构的强度、整体稳定性以及基础的抗倾覆能力均满足要求。

2 ETC门架施工标准化

要保质保量如期完成ETC门架系统建设，现场基础混凝土浇注是重点。该项工作点多线长，且混凝土硬化需要时间。在浇筑门架基础时应重点控制基础之间的间距、中心轴线和基础的标高，2个基础之间稍微出现偏差，将会导致门架横梁无法安装，针对影响总体质量的关键之处，采取如下措施：

1) 中分带基础与路侧基础的中心跨度严格按门架施工方提供的跨度数据控制。门架基础施工时应首先按要求固定路中基础法兰盘(见图7)，法兰轴线与基础轴线尽量重合，基础采用明挖法施工，基底先整平、夯实，控制好标高。基础浇捣后，表面以水泥沙浆抹平，修整。施工完毕，基础分层回填夯实，夯实度与路基相同。

图7 路中基础定位图

2) 路侧基础法兰标高确定采用对角线法，路侧基础的法兰上表面以中分带基础的法兰上表面为基准标高，相对中分带基础的法兰上表面标高允许偏差为±20 mm，如图8所示，对角线1与对角线2的差值应控制在±20 mm之内。路侧基础法兰纵轴线与基础纵轴线可以不重合，但间距应控制在±200 mm之内。基础横轴线与法兰横轴线尽量重合。以中分带基础的法兰纵向轴心线为基准，路侧基础纵向轴心线相对中分带基础的法兰纵向轴心线位置允许偏差±30 mm。

图8 路侧基础定位图

不同高速公路路基宽度不同，门架跨径也不同，不同门架跨径控制路侧法兰表面标高的对角线长如图9所示。

图9 不同路基宽度基础定位图(单位： mm)

3 施工期间交通组织标准化

ETC门架施工期间交通组织采用“边通车、边施工”模式实施，一方面保证道路上车辆的安全畅通，另一方面可保障施工进度。为此，交通组织应以科学性与可操作性、普遍性与特殊性为指导原则，在保证车辆安全畅行的情况下，满足施工进度要求，最终实现经济效益与社会效益的最大化[3]。

根据施工组织方案，新建ETC门架系统施工包含路侧施工、中分带施工、全断面施工3个工序，分3个阶段进行交通组织。

1) 第1阶段：封闭外侧车道及硬路肩，仅内侧车道通行。该阶段包括路侧基础施工、路侧门架立柱安装和门架立柱防护护栏施工，施工采用养护作业四车道高速公路外侧施工方式进行交通组织。

2) 第2阶段：封闭内侧车道，仅外侧车道通行。由于两幅门架间隔较近，本阶段两幅内侧车道同时封闭、同时施工，包括中分带基础施工、中分带门架立柱安装和门架中立柱防护护栏施工，施工采用养护作业四车道内侧施工方式进行交通组织。

3) 第3阶段：横梁吊装施工，门架横梁吊装安装时需全断面短时封闭交通。对于交通量较小的路段，可采取临时封闭主线交通的交通组织方式；对于交通量较大的路段，应采取互通提前分流+临时封闭主线交通的交通组织方式，借助大数据技术，分析改扩建高速公路车辆的运行轨迹，确定车流来源，在发生交通阻塞时，关闭部分进口匝道，降低车流进入施工路段的速度，同时加强诱导，使车流快速消散。横梁吊装施工时，宜将同一路段内的多个门架在同一时段内同时进行施工，避免施工对交通的频繁不利影响。

4 结语

建立高速公路ETC门架系统，实现电子不停车快捷收费，是对高速公路收费模式的重新构建，标志着自由流收费系统时代即将来临。ETC门架的标准化研究能切实指导施工，节省时间和材料，保障施工进度，具有十分重要的现实意义。