高速公路門洞設計及計算實例

徐 博 楊淞博

1 方案簡介

陽翼高速公路L1合同段東河特大橋主橋為預應力混凝土現澆連續箱梁橋,跨徑為38 m+60 m+38 m=136 m,橋梁寬度為11.75 m,采用單箱單室截面,梁高3.0 m。橋梁位于 A=430 m的緩和曲線上,主跨上跨晉陽高速公路,斜交角度為27°53′52″。

由于該橋橫跨晉陽高速公路,施工時必須確保正常通行,因此必須在左右幅各設置1個單車道通行門洞,門洞按5.5 m寬設置(0.75 m安全距離+4.0 m行車道+0.75 m安全距離)。由于該橋設計梁底標高至下面晉陽高速公路路面頂標高最小處為5.2 m,為了保證不小于4.5 m凈空的情況,只能采用工字鋼進行門洞搭設。門洞立柱采用φ 400 mm×6 mm鋼管柱,間距為2 m,每排門洞立柱采用[10a槽鋼設置上下兩道成45°斜向連接。每排柱頂采用Ⅰ40a工字鋼與鋼管柱焊接成整體,再在柱頂工字鋼上垂直于行車道方向搭設Ⅰ40a工字鋼。鋼管柱基礎采用0.8 m×0.8 m條形C25混凝土基礎,條形基礎上下兩面設置10 cm×10 cm的鋼筋網片,縱向鋼筋采用φ 16鋼筋,箍筋采用φ 10鋼筋,并在基礎上面預埋1 cm厚鋼板,用于與鋼管樁焊接連接。要求鋼管立桿位置準確可靠,與預埋鋼板焊接牢固。為防止行車對門洞造成危害,在門洞內側設置獨立鋼管防護架,同時兼顧限寬限高的作用。門洞設置見圖1。

2 門架驗算

2.1 型鋼受力荷載計算

1)鋼筋混凝土梁自重:

2)內模支架及內模構造荷載N2按3 kN/m2取值。

3)外模重:

(木膠板按25 kN/m3計,木材按8 kN/m3計)。

4)支架自重:

(支架高度按最高值6 m計算,鋼管每米按33.3 N計)。

5)施工均布活荷載標準值以N5=3 kN/m2計。

6)傾倒混凝土時產生的水平荷載:N6=3 kN/m2。

7)振搗混凝土時產生的荷載:N7=2 kN/m2。

荷載組合:

工字鋼單位長度荷載值:

2.2 內力計算

跨中最大彎矩:

2.3 選擇型鋼截面

型鋼所需截面抵抗矩為:

故采用Ⅰ40a工字鋼其截面抵抗矩 Wx=1090 cm3,可以滿足施工需要。

其截面慣性矩 Ix=21700 cm4。

半截面面積矩為 Sx=636.4 cm2。

內圓弧半徑r=12.5 mm。

回轉半徑ix=15.9 cm。

自重 g=67.598×9.81=0.663 kN/m。

2.4 截面應力剛度驗算

型鋼自重產生彎矩為:

總彎矩值:

彎矩正應力:

支座處總剪力值:

2.5 跨中撓度驗算

縱梁單位長度荷載值:

2.6 門洞立柱驗算

門洞立柱采用φ 400×6 mm鋼管柱,間距為 2 m,由于門洞凈空受設計梁底標高和晉陽路路面標高限制,立柱高取3.2 m。

門洞立柱鋼管力學特性如下:

斷面積 A=π(D2-d2)/4=74.28 cm2。

截面慣性矩 I=π(D4-d4)/64=14416.4 cm4。

回轉半徑i=sqrt(D2-d2)/4=2.43 cm。

截面模量 W=π(D4-d4)/32D=901.02 cm3。

鋼材彈性模量 E=2.1×105MPa。

鋼材容許應力[σ]=140 MPa。

受壓構件容許長細比[λ]=150。

門洞立柱與工字鋼橫梁按簡支設計,故立柱只驗算軸心受壓和穩定性,驗算荷載取平均值。

根據計算,單根門洞立柱受力 N=163.3 kN。

立柱強度驗算:

N/A=163.3/74.28=21.98 MPa≤[σ]=140 MPa。K=[σ]/(N/A)=140/21.98=6.37≥1.3,立柱強度滿足要求。

立柱穩定性驗算:

長細比:

軸心受壓構件的穩定系數φ=0.828。

3 結語

經驗算,門洞支架縱梁及立柱滿足支架上各種荷載,穩定性及安全符合要求,且經實際施工過程檢驗,該門洞支架設計滿足施工要求,在施工中未出現任何異常。

該計算方法簡單易懂,可以作為一般結構的施工驗算,在電算程序橫行的今天,也可以作為驗算輔助程序。

[1]范忠明.簡易跨墩雙龍門吊架橋設計方案[J].山西建筑,2009,35(18):293-294.