設(shè)置橫通道的隧道遮光棚數(shù)值分析及應(yīng)用

王 楓

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012）

0 引言

目前高速公路建設(shè)在國內(nèi)飛速發(fā)展，高速公路網(wǎng)的規(guī)劃也已覆蓋到大部分山區(qū)，不可避免地涌現(xiàn)出大量的山區(qū)高速公路隧道群，新建山區(qū)高速公路隧道群在建設(shè)和管養(yǎng)方面有著顯著的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也暴露出些許問題，隧道群洞口較多，相鄰洞口間距又過小，這些地段往往都是潛在的交通事故易發(fā)點(diǎn)，對(duì)正常駕駛造成一定的安全隱患，當(dāng)車輛高速進(jìn)出隧道時(shí)，如果隧道洞口內(nèi)外的亮度差別較大，則不可避免地產(chǎn)生“黑洞”、“白洞”效應(yīng)，駕駛員從隧道內(nèi)弱光區(qū)駛?cè)胨淼劳鈴?qiáng)光區(qū)，再駛?cè)胨淼纼?nèi)弱光區(qū)，光線強(qiáng)弱變化大，致使駕駛員視覺短時(shí)間難以適應(yīng)，降低了行車安全性。《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70-2—2014）提出通過在入口段、過渡段、出口段加強(qiáng)隧道內(nèi)照明[4]，使光線變化趨于平穩(wěn)過渡，以此來消除人眼的生理反應(yīng)，但是這種措施往往使造價(jià)相對(duì)較高。

針對(duì)上述問題，在高速公路隧道群近距離的隧道間可增設(shè)遮光棚，是解決上述問題的有效手段，故以山西省天大高速公路大梁山特長(zhǎng)隧道出口與黑石崖隧道進(jìn)口之間增設(shè)遮光棚工程為背景，通過建立三維荷載結(jié)構(gòu)模型，對(duì)該工程設(shè)置橫通道的遮光棚鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，得出設(shè)置橫通道的遮光棚結(jié)構(gòu)受力特性[5]及變形位移規(guī)律，并由計(jì)算結(jié)果確定了設(shè)計(jì)方案，為日后類似工程提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

天大高速公路，即山西省天鎮(zhèn)至大同高速公路，是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”東縱最北部的路段，路線全長(zhǎng)101.478 km，采用雙向四車道瀝青混凝土路面高速公路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

該高速公路從大同至天鎮(zhèn)方向途經(jīng)大梁山特長(zhǎng)隧道、黑石崖中橋、黑石崖隧道。大梁山特長(zhǎng)隧道左洞長(zhǎng)6 015 m，右洞長(zhǎng)6 058 m，最大埋深364.46 m，隧道左洞進(jìn)出口洞門樁號(hào)為ZK13+763—ZK19+778。黑石崖隧道是單幅左洞隧道，長(zhǎng)度446 m，最大埋深44.14 m，隧道進(jìn)出口洞門樁號(hào)為ZK13+222—ZK13+668。隧道工程按雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，隧道內(nèi)汽車荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。黑石崖中橋橋梁全長(zhǎng)66 m，該橋左幅中心樁號(hào)為ZK13+710，右幅中心樁號(hào)為YK13+690，上部結(jié)構(gòu)采用3-20 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式臺(tái)、柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋梁左幅位于大梁山隧道出口與黑石崖隧道進(jìn)口之間。

大梁山特長(zhǎng)隧道出口至黑石崖中橋左幅一端防撞墻的路基段長(zhǎng)度為23.65 m，黑石崖隧道進(jìn)口至黑石崖中橋左幅另一端防撞墻的路基段長(zhǎng)度為12.9 m。

2 遮光棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

大梁山特長(zhǎng)隧道與黑石崖隧道采用遮光棚相連，其具體布置為：ZK13+668—ZK13+680.90段，為路基段遮光棚；ZK13+680.90—ZK13+739.35段，為橋梁段遮光棚；ZK13+739.35—ZK13+763段，為路基段遮光棚；其中在ZK13+739.35—ZK13+763段設(shè)置了8 m寬的橫通道供消防車等車輛在緊急情況下出入[6]。遮光棚布置段落見圖1。

圖1 遮光棚布設(shè)平面圖

遮光棚采用鋼筋混凝土防撞墻與鋼結(jié)構(gòu)拱架組合型式的遮光棚。遮光棚上部結(jié)構(gòu)采用拱形鋼架結(jié)構(gòu)，鋼拱架主梁采用I14工字鋼@2 m，副梁采用□50×25×3鐵方管，連接片采用□80×50×4扁鋼，縱向連接件采用28鋼筋，為減弱車輛進(jìn)出兩座隧道之間光線亮度的差異，鋼拱架外緣鋪設(shè)厚度為10 mm的深色耐力板。

2.1 橋梁段遮光棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黑石崖中橋段落增設(shè)遮光棚，先在橋梁兩側(cè)既有防撞墻上縱向每隔2 m各設(shè)置一根高1.9 m的豎直I14工字鋼，并在工字鋼上架設(shè)由3根長(zhǎng)度為5.428 m的I14工字鋼組成的中心弧長(zhǎng)為16.28 m的鋼拱架。每榀鋼拱架縱向間距為2 m，橋梁段共架設(shè)20榀鋼拱架，豎直I14工字鋼及鋼拱架之間設(shè)置長(zhǎng)2.16 m的28鋼筋作為縱向連接件，縱向連接件的環(huán)向間距為80 cm，豎直I14工字鋼設(shè)置兩排縱向連接件，距離橋梁防撞墻頂部豎向距離分別為0.65 m、1.3 m。橋梁段遮光棚設(shè)置圖見圖2。

圖2 橋梁段遮光棚設(shè)計(jì)圖

2.2 路基段遮光棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黑石崖中橋大、小樁號(hào)兩側(cè)路基段增設(shè)遮光棚，先在路基上澆筑高4.3 m的鋼筋混凝土防撞墻，并在此鋼筋混凝土防撞墻上架設(shè)由3根長(zhǎng)度為5.428 m的I14工字鋼組成的中心弧長(zhǎng)為16.28 m的鋼拱架。與橋梁防撞墻上架設(shè)的鋼拱架遮光棚連接為一個(gè)整體。28鋼筋作為縱向連接件，環(huán)向間距為80 cm。

大梁山特長(zhǎng)隧道出口處路基段落按照規(guī)范要求需設(shè)置供消防車等車輛在緊急情況下出入的橫通道。故設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》與《消防車消防性能要求和試驗(yàn)方法》，對(duì)多個(gè)種類的消防車進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納，確定了消防車的轉(zhuǎn)彎半徑為12 m，當(dāng)通道凈寬7 m、凈高4 m時(shí)消防車方可順利通過。鑒于消防車輛正常行駛的安全性以及保持遮光棚的完整性，設(shè)計(jì)時(shí)最終采用長(zhǎng)度3 m×凈寬8 m×凈高4.61 m的通道供消防車等車輛在緊急情況下出入隧道。

遮光棚側(cè)部通道上部頂棚結(jié)構(gòu)是由HM400×300型鋼骨架和鋼筋縱向連接件組成。先在遮光棚側(cè)部澆筑長(zhǎng)3 m的鋼筋混凝土防撞墻，其端部與主洞遮光棚的鋼筋混凝土防撞墻相交，再在鋼筋混凝土防撞墻上面架設(shè)高1.32 m的豎直I14 H型鋼；通道頂棚為8.8 m×4.27 m的矩形，骨架由4根長(zhǎng)8.8 m的 HM400×300型鋼和 2根長(zhǎng) 4.27 m的HM400×300型鋼連接而成，并在H型鋼上固定鋼筋連接件，鋼筋連接件長(zhǎng)度分別為1.66 m、1.43 m。其中，一根8.8 m的HM400×300型鋼是連接主洞遮光棚和通道交叉位置處的斷口。通道處遮光棚正立面圖、側(cè)立面圖見圖3、圖4。

圖3 通道處遮光棚正立面圖

圖4 通道處遮光棚側(cè)立面圖

3 有限元數(shù)值分析計(jì)算

3.1 有限元模型概況

鑒于大梁山特長(zhǎng)隧道出口處路基段遮光棚結(jié)構(gòu)側(cè)向設(shè)置了橫通道，遮光棚鋼拱架結(jié)構(gòu)不能取縱向一榀按平面框架進(jìn)行計(jì)算，故采用Midas Civil空間有限元程序，對(duì)設(shè)置橫通道段落的遮光棚上部鋼架結(jié)構(gòu)受力特性及變位機(jī)理進(jìn)行分析計(jì)算。

有限元計(jì)算模型共有343個(gè)節(jié)點(diǎn)，610個(gè)單元。I14工字鋼、HM400×300型鋼、HRB400級(jí)28鋼筋縱向連接件均采用梁?jiǎn)卧M[7]。鋼拱架、通道型鋼立柱底部均設(shè)置固定約束以模擬法蘭螺栓連接，有限元模型見圖5。

圖5 有限元模型及網(wǎng)格劃分

H型鋼、工字鋼以及鋼筋縱向連接均按彈性材料考慮。材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 荷載及荷載組合

有限元數(shù)值分析計(jì)算時(shí)，遮光棚結(jié)構(gòu)所考慮的荷載作用為結(jié)構(gòu)自重、檢修荷載、風(fēng)荷載[8]、雪荷載[9]，不計(jì)入豎向及水平向地震荷載和其他活荷載。按照均勻分布的雪荷載和不均勻分布的雪荷載兩種工況計(jì)算，荷載標(biāo)準(zhǔn)值、體型系數(shù)、風(fēng)壓高度系數(shù)、積雪分布系數(shù)等均依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50009—2012）和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）選取。

遮光棚結(jié)構(gòu)受力主要以自主為主，故荷載基本效應(yīng)設(shè)計(jì)值Sd應(yīng)由永久荷載控制，應(yīng)按式（1）進(jìn)行組合計(jì)算：

式中：γG=1.35；γQ=1.4；γL=1.1；φc=0.7.

3.3 數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果

3.3.1 遮光棚應(yīng)力計(jì)算

經(jīng)數(shù)值計(jì)算并依據(jù)最大剪應(yīng)力理論，由τmax=計(jì)算可知，遮光棚鋼結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力為75.8 MPa小于Q235鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值125 MPa；由圖6可知遮光棚鋼結(jié)構(gòu)拉彎應(yīng)力最大值為10.287 MPa小于Q235鋼材的拉彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa。遮光棚鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖6 拉彎應(yīng)力等值線圖（單位：MPa）

3.3.2 遮光棚位移計(jì)算

遮光棚鋼結(jié)構(gòu)在荷載作用下使用階段的豎向變形位移和水平向變形位移見圖7、圖8。遮光棚鋼結(jié)構(gòu)豎向位移最大值為4.6 mm，最大豎向位移位于與橫通道跨中相交的一榀主洞遮光棚I14工字鋼跨中（ID=200號(hào)節(jié)點(diǎn)）。遮光棚鋼結(jié)構(gòu)水平位移最大值為2.9 mm，遮光棚最大水平位移位于與橫通道跨中相交的一榀主洞遮光棚I14工字鋼端部（ID=192號(hào)節(jié)點(diǎn)）。主洞遮光棚和橫通道交叉位置斷口處的HM400×300型鋼橫梁跨中豎向位移為2.5 mm。

由上述位移計(jì)算結(jié)果可知，遮光棚變形后仍能滿足規(guī)范中隧道建筑限界的要求。變形位移較大處即為關(guān)鍵敏感部位，在后期運(yùn)營過程中需加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，以保證遮光棚結(jié)構(gòu)的安全。

圖7 豎向位移等值線圖（單位：mm）

圖8 水平向位移等值線圖（單位：mm）

4 結(jié)論

通過建立遮光棚鋼結(jié)構(gòu)三維荷載結(jié)構(gòu)模型，分析了其力學(xué)反應(yīng)及變位機(jī)理，取得了以下結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

a）隧道間增設(shè)遮光棚可以有效降低洞內(nèi)外光線亮度差異，提高行車安全性。

b）正常使用極限狀態(tài)，遮光棚變形滿足規(guī)范中隧道建筑限界的要求。由于增設(shè)橫通道，降低了原有拱形鋼拱架“承載拱”的承載能力，致使斷口處主洞環(huán)向鋼拱架變形比其他位置偏大。位移較大處即為變形敏感點(diǎn)，在運(yùn)營過程中應(yīng)對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。

c）承載能力極限狀態(tài)，遮光棚拉彎應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均滿足強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)方案中遮光棚橫通道的頂棚、豎向支撐結(jié)構(gòu)采用HM400×300型鋼較為合理。