匝道橋門洞設計計算分析

熊大路，王子軒，辛崇升，程德剛，崔永曙

（1.濟南金曰公路工程有限公司，山東 濟南 250022；2.University of California,Davis USA CA Davis 95616；3.山東交通學院，山東 濟南 250357）

引言

在我國高速公路不斷發展的背景下，跨高速公路橋梁路段越來越常見，對于交通建設提出了很大的要求，既要保證橋上交通的運行安全，又要顧及橋下車輛與行人的通行，每年因門洞支架問題造成的傷亡比例超過40%，門洞支架的設計施工、承載力驗算就顯得尤為重要［1-5］。

1 門洞設計概況

1.1 設計思路

匝道橋與德商高速交角為127°，跨德商高速設置門洞2 個，門洞順C 匝道方向布置，門洞跨徑為11.14 m。基礎門洞下設立C20 混凝土條形基礎0.8 m×0.8 m，基礎上部設置1 cm 厚鋼板焊接鋼管式立柱。

鋼管樁：（1）門柱鋼管采用熱軋無縫鋼管，鋼管D=500 mm，壁厚t=8 mm，高h=4.18 m。（2）門洞立柱設4 排，每排7 根，每根立柱上部設砂筒臨時支座。橫梁采用I40a 雙拼工字鋼。縱梁底板及腹板處設12 m 長458×417H 型鋼縱梁，翼板處設置12 m 長40a 工字鋼。門洞支架設計見圖1。

圖1 門洞支架設計/cm

1.2 荷載取值

（1）箱梁自重：鋼筋混凝土密度取2 650 kg/m3，根據門洞設計尺寸，則翼板混凝土重量按照線荷載計算取3.71 kN/m；邊腹板混凝土重量按照線荷載計算取14.83 kN/m；中腹板混凝土重量按照線荷載計算取9.54 kN/m；頂底板混凝土重量按照線荷載計算取14.12 kN/m。（2）模板采用木模，支架自重在軟件中自動計算。（3）施工人員行走及施工材料機具等堆放的荷載取3.5 kN/m2。以上載荷恒載取1.2 的分項系數，活載取1.4 的分項系數。強度檢算荷載組合：1.2×（（1）+（2））+1.4×（3）kPa；剛度檢算荷載組合：1×（（1）+（2））+1×（3）kPa。

2 材料主要參數及截面特性

（1）Q235 鋼彈性模量E=2.1×1011Pa，剪切模量G=0.81×105MPa，密度ρ=7 850 kg/m3。（2）Q235鋼抗壓、抗拉和抗彎強度設計值f=215 MPa。（3）支架受載后撓曲的桿件，其容許撓度為相應結構長度的L/400。

3 支架計算

3.1 建立計算模型

根據《跨德商高速C 匝道橋門洞設計圖》采用Midas Civil 有限元軟件建立門洞支架整體模型，對支架整體結構受力情況進行分析。計算模型見圖2。圖1（b）中可以明顯看出縱梁的中間部位為主要承重作用，在有限元設計時中間部位采用強度更高的458×417H 型鋼縱梁。

圖2 門洞支架計算模型

3.2 強度計算

3.2.1 雙拼I40a 工字鋼縱梁

雙拼I25a 工字鋼縱梁最大組合應力見圖3，雙拼I40a 縱梁最大組合應力為66.53 MPa，小于Q235鋼設計應力f=215 MPa，滿足要求。

圖3 縱梁應力/MPa

3.2.2 橫梁

橫梁最大組合應力見圖4，橫梁最大組合應力為70.7 MPa，小于Q235鋼設計應力f=215 MPa，滿足要求。

圖4 橫梁組合應力/MPa

3.2.3 鋼管立柱

鋼管最大組合應力見圖5，鋼管立柱最大組合應力為125.7 MPa，小于Q235 鋼設計應力f=215 MPa，滿足要求。

圖5 鋼管立柱應力/MPa

雙拼I40a 工字鋼縱梁、橫梁、鋼管立柱強度均滿足《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）的設計指標要求。

3.3 剛度計算

支架整體位移見圖6，最大撓度為18 mm ≤ 27 mm，位于橫梁上，滿足《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）附錄A 的剛度要求。

圖6 門洞支架整體位移/mm

3.4 鋼管立柱穩定性計算

鋼管回轉半徑：

式中：i—鋼管回轉半徑，mm；d—鋼管外直徑,mm；d1—鋼管內直徑,mm。

長細比：

式中：λ—長細比；l0—鋼管柱計算長度,mm；i—鋼管回轉半徑，mm。

查《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）附錄C 表得，=0.964［6］。

式中：σ—鋼管柱所受的應力，MPa；N—鋼管柱軸心力，N；—穩定系數；A—鋼管凈截面積，mm2。

鋼管立柱受壓穩定性滿足要求［6］。

4 結語

經過對門洞鋼管滿堂支架的雙拼I40a 工字鋼縱梁、橫梁、鋼管立柱的強度、剛度進行有限元計算，以及對鋼管立柱的穩定性進行計算，門洞支架設計滿足施工及安全要求。