跨國道施工防護棚架設計

周希翔 黃繼廣

（中交四航局珠海工程有限公司）

0 前言

國內高速公路快速發展，公路之間的相互交錯不可避免，在既有道路上方建設施工會對原有道路的交通造成很大的影響，如不能較好的設計防護結構，跨路施工將存在較大的安全風險，因此對于此類工程保證施工、交通的安全穩定就極為重要了[2]。保證施工的安全、道路交通的順暢成為跨路施工的重點、難點。國內基本上都對跨路施工設計安全防護棚架進行探討及研究。本文以楊梅G323 跨線橋跨國道施工的防護棚架設計為研究對象進行論述。

1 工程概況

楊梅G323 跨線橋位于廣東清遠連州市西江鎮耙田村境內，為廣連高速公路主線跨越國道G323 而建設，橋梁兩側與路基相連，交通便利。G323 國道現狀路基寬10.5m，路面為混凝土結構。在跨線處設置防護棚架，以防止高空墜物，保障安全。該防護棚架限高5m，跨度10.5m。（見圖1）

圖1 楊梅G323 跨線橋平面布置圖

2 防護通道結構體系設計

防護棚架采用單跨門洞結構，基礎采用C30 鋼筋混凝土條形基礎，基礎寬0.5m，高0.4m，放置道路兩側路肩上，基礎分段澆筑，每段長度不超過10m，基礎頂按立柱位置預埋20cm×20cm×2cm 鋼板，每片基礎預埋鋼板下焊接2@Ф20，40+40+40mm 門型錨固鋼筋[3]；鋼管立柱采用Ф200mm（壁厚6mm）鋼管，間距2.5m，高度4.7m，鋼管在柱端頭加焊45×45×2cm 中空鋼板；立柱頂采用22a 工字鋼作為主梁；主梁上架設10 槽鋼作為分配梁；每根長9m，分布梁縱向設置，采用[10 槽鋼，間距1m；次分布梁上鋪設2mm 厚鋼板。支架系統布置如圖2、圖3。

3 結構驗算

采用鋼結構型號：本結構設計全部采用Q345 鋼材。

鋼材容許應力：[σ]=210MPa。

Q345 鋼材彈性模量：E=2.06×105MPa。

風荷載強度Wk=K1×K2×K3×W0

K1——風載體形系數，取1.4（架空管道的密拍多管型）；

K2——風壓高度變化系數，取1.0（鄉村叢林類，離地5m）；

K3——地形、地理條件系數，取1.0；

W0——基本風壓，取0.35kN/m2。

風荷載強度：

沖擊荷載：高空墜物：

由于棚架主要防護作用，承受荷載為邊坡在施工中可能掉落在棚架上的小部件，為了安全起見，考慮有（100kg）物體從正在施工的橋上掉下來，跌落點距棚架頂面的豎向距離以30m 計算，（g 取10）。

50kg 物件重量P=100×10/1000=1kN。沖擊時間為0.5S。

3.1 縱梁[10 槽鋼受力檢算

圖2 楊梅G323 跨線橋防護棚正面圖

圖3 楊梅G323 跨線橋防護棚側面圖

查《熱軋型鋼》得[10 槽鋼截面面積12.748cm2，腹板厚度8.5mm，每延米重10.007kg/m，抗彎慣性矩198cm4，彎曲截面模量39.7cm3，半截面的面積矩25.6cm3[4]。縱梁采用[10 槽鋼，因鋼立柱間距離為4.5m，故按4.5m 跨度簡支梁計算，其所受均布荷載為鋼板自重、風荷載；所受集中荷載設定為高空墜落物沖擊力F=5kN，作用于最不利位置，即跨中。

圖4

由鋼板自重、風荷載作用于單根縱梁[10 槽鋼的均布荷載：（7.85×1×1×0.002×10）+0.42=0.557kN/m。

[10 槽鋼自重：10.007×10/1000=0.1kN/m

由結構力學計算得[5]：

均布荷載產生在跨中的最大彎矩：

均布荷載產生在支點的最大剪力：

集中力產生在跨中的最大彎矩：

集中力產生在支點的最大剪力：Q集=F=5kN；（沖擊力作用于支點附近時）

故：ΣMmax=M均+M集=1.72+5.625=7.345kN·m

3.2 橫梁I22a 工字鋼受力計算

查《熱軋型鋼》得I22a 工字鋼截面面積42.0cm2，每延米重33.070kg/m，腹板厚度12.3mm，抗彎慣矩3406cm4，彎曲截面模量309.6cm3，半截面的面積矩177.7cm3[4]。按主跨10.5m、兩側懸臂長度分別為2.5m、0.5m 簡支梁計算，其所受均布荷載為鋼板自重、風荷載、縱向[10 槽鋼自重和偶然性荷載為高空墜落物沖擊力F=5kN。

圖5

由鋼板自重、風荷載、縱向[10 槽鋼自重作用于單根縱梁工字鋼的均布荷載：（7.85×4.5×1×0.002×10）+0.42×4.5+（15×4.5×10.07×10）/（1000×13.5）=0.707+1.89+0.5035=3.10kN/m。

由彎矩平衡條件得出支座反力：

同理可得F3=21.25kN

由疊加法得出：

3.3 φ200 鋼管立柱檢算

鋼管立柱受到結構的荷載主要由I22a 工字鋼自上而下傳遞過來，包括自重、集中力、風荷載，每根立柱承受13.5×4.5 平方米所有荷載，荷載值=鋼板自重+風荷載+[10 槽鋼自重+I22a 工字鋼自重+4.7 米高φ200鋼 管 自 重( 鋼 管 重 量（公 斤）=0.02466 × 壁 厚×（外徑－壁厚）×長度)=（7.85×13.5×4.5×0.002×10）+0.42 ×13.5 ×4.5+ （15 ×4.5 ×10.07 ×10）/1000+13.5×33.07×10/1000+ (0.02466×6×（200－6）×4.7）×10/1000=9.477+25.515+6.79+4.46+6.54=52.78kN。

鋼管底部焊接20×20×2cm 鋼板增加受力面積，與基礎接觸面積=0.04m2，鋼管底部壓強=52.78/0.04=1319.5kN/m2=1.319N/mm2。

該構件截面的最大厚度為6mm，根據規范《鋼結構設計規范》（GB50017－2017） 可知，其屈服強度f=215N/mm2，允許屈服強度的極限是215N/mm2由此可得到鋼管立柱的壓應力值[6]=N/An=1.319N/mm2＜1.00fl)′RE=215N/mm2。因此，鋼管立柱的強度可以滿足要求。

3.4 C30 混凝土基礎

鋼管柱地基處理方式為：基礎寬0.5m，高0.4m。

C30 混凝土的承載力為30N/mm2荷載，鋼管底部壓強=52.78/0.04=1319.5kN/m2=1.319N/mm2，遠小于30，故硬化混凝土滿足要求。故C30 完全滿足豎向承重能力結構穩定、可靠的。

3.5 地基處理方法

由于跨國道部分的橋區覆蓋層主要為耕植土。在橋區進行下部構造施工時會對國道兩側路肩造成污染，因此對地基處理前需清理國道兩側路肩的雜物、浮土、淤泥等。將雜物、浮土、淤泥清理完后，按設計要求開挖出條形基礎基坑，檢測地基承載力合格后，再在上面澆筑寬0.5m，高0.4m 條形基礎。為防止基礎受雨水浸泡，避免產生支架的不均勻沉降，故對條形基礎兩側進行排水溝設計，設計坡度應與國道縱坡相一致。

4 結論

本文通過對跨國道防護棚架的設計要點及步驟做出詳細的闡述，跨國道的安全防護棚架在外荷載作用下橫向結構工字鋼的剛度、穩定性滿足要求，保證了結構的安全[7]。通過計算主桁架也滿足受力要求，能夠正常承載，鋼立柱的穩定性及抗彎剪上也滿足了設計及施工要求，從而保證施工對國道交通的影響降到最低，既保證了交通的便利，也為施工及交通提供了安全保障，希望能給以后類似工程提供相關借鑒。