现浇箱梁满堂支架大跨径通行门洞设计研究

唐英

（中交路桥华北工程有限公司,北京100000）

1 工程概况

本工程为环湖大道东线工程（太白湖新区段）,全线设互通立交1 处（火炬路上跨南二环）,其中主线桥1 座、匝道桥8 座、辅道桥3 座、洸府河桥1 座（旧桥拼宽）,互通区涉及桥梁共计13 座,其中现浇箱梁多达60 联,为了满足施工期间既有交通道路正常通行,需要在既有交通下穿现浇梁满堂支架处搭设门洞结构,如图1。

图1 通行门洞实景图

2 大跨径通行门洞的提出

因施工期间南二环互通既有交通道路需满足路基填筑土方车辆的双向正常通行,固需在既有交通下穿现浇支架处搭设跨径为8m 的通行门洞结构。本项目现浇箱梁浇筑共需设置7 个门洞,以互通主线桥左幅14#、15#墩柱之间的通行门洞为例进行设计研究。此处现浇箱梁底部至地面的距离为14m,通行门洞整体为矩形,净空高度约5m,跨度8m,长度为17m。

3 大跨径门洞支架方案

根据以往的施工经验及现场实际情况,我们对通行门洞形式设计了两种方案,现对两种支架方案依次进行介绍。方案一,门洞+满堂支架：如图2。

图2 通行门洞支架设计图

通行门洞采用60*60cm 混凝土独立基础,混凝土采用C30。基础中心线处对应位置预埋螺栓,四个螺栓呈正方形布置并与立柱底部法兰盘相连。门洞钢立柱采用Φ220×6mm 钢管,立柱按照间隔0.6m 的距离设置于门洞两侧,钢管上分配梁采用I45a工字钢,分配梁上用I45a 工字钢对两侧钢立柱行连接,然后横桥向布设I14 工字钢作为通行门洞上方满堂支架的架立点。为了保证门洞结构的安全,采取措施如下：a.为了保证门洞基础的稳定性,门洞立柱采用高度为60cm 的两条通长基础,在保证支架承载力的基础上起到防撞的作用。b.为了保证门洞的防护安全、起到防坠落的功能,在支架上部工字钢之间设置防坠落木板,防止施工人员和物件从支架顶部坠落伤机门洞的车辆和行人。

方案二,贝雷梁门洞支架：如图3。

图3 贝雷梁通行门洞立体模型

通行门洞基础采用80*80cm 混凝土独立基础,混凝土采用C30。钢立柱采用φ402*8 钢管,钢管上方分配梁采用双拼32a工字钢,分配梁上方设置贝雷梁,其现浇箱梁底模直接布设在贝雷梁上。贝雷梁虽然适用于大跨径支架结构,但是其结构复杂,消耗材料较多,安装费时费力,在8m 跨径的支架中不符合经济性的原则,且在下部空间有限的条件下,贝雷梁本身也会占用一定的空间。新型门洞支架形式的选择。从施工材料、安全性、经济性及适用性角度进行全面比较；钢管支架工字钢门洞优点：结构简单,节省材料；施工工艺成熟,搭设效率快；上部有充足的支架空间,整体拆卸容易；满足门洞支架的尺寸要求；缺点：最大跨径一般不大于9.0m；适用于形式较为简单的门洞。钢管支架贝雷梁门洞优点：贝雷梁具有承重能力强,跨径大、承载能力大的特点；结构刚性强；整体性好；基本满足门洞支架的尺寸要求；缺点：所需材料较多；搭设花费时间较长：搭设高度有一定限制,不适用较高的现浇箱梁通行门洞搭设。综合分析上述优缺点的对比,从材料的节约、施工质量和安全、成本的角度考虑,项目最终采用钢管工字钢支架门洞+满堂支架的形式。

4 大跨度工字钢通行门洞计算

4.1 荷载计算

压力荷载采用均布荷载的方式施加,压力荷载具体形式如图所示：①支架自重Midas Civil 自动计入；②现浇箱梁钢筋产生的荷载：3113.5kN；③现浇箱梁混凝土产生的荷载。按照《公路桥涵钢结构设计规范》取值：根据该规范规定,Q235 钢材的极限弯应力【σ 弯】=190MPa；Q235 钢材的极限剪切应力【τ】=110MPa；允许挠度：L/400。

4.2 通行门洞结构计算

本次计算通过Midascivil2019 进行建模,设定复核现场实际的边界条件后,施加受力荷载,通过查看门洞结构的各构件受力情况及位移,提前预判新型简单结构大跨径门洞是否满足受力要求。同时,对门洞上方的盘扣式满堂支架也进行一个受理判断,查看盘扣支架及大跨径门洞的整体受力性能。

4.2.1 支撑钢管验算

门洞支撑钢管采用Φ220×6mm 钢管,其在荷载组合作用下 支 撑 钢 管 最 大 应 力 为58.1MPa。σmax=58.1MPa＜[σ]=190MPa,即支撑钢管强度满足要求。支撑钢管在荷载组合作用下支撑钢管位移△L=1.12mm＜L/400=4000mm/400=10mm,即支撑钢管刚度满足要求。

4.2.2 I45a 分配梁验算

分配梁采用I45a 工字钢,在荷载组合作用下最大应力为19.5MPa。∑max = 19.5＜[σ]=190MPa,即I45a 工字钢分配梁强度满足要求。I45a 工字钢分配梁在荷载组合作用下最大位移△L=1.372-0.305=1.067mm＜L/400mm=17000/400=42.5mm,即I45a 工字钢分配梁刚度满足要求。

4.2.3 I45a 连接梁验算

门洞上方连接梁采用I45a 工字钢在荷载组合作用下最大应力为134MPa。σmax=134＜[σ]=250MPa,即I45a 工字钢连接梁强度满足要求。I45a 工字钢在荷载组合作用下位移△L=21-1.371=19.629mm＜L/400mm=8000/400=20mm,可知I45a 工字钢钢度恰好满足要求。

4.2.4 I14 工字钢纵梁验算

I14 工字钢纵梁在荷载组合作用下最大应力为42.2MPa。σmax=42.2＜[σ]=250MPa,故知I14 工字钢强度满足要求。I14工字刚纵梁在荷载组合作用下位移△L=21.096-19.629=1.467mm＜L/400mm=17000/400=42.5mm,可知I14 工字钢纵梁钢度满足要求。

4.3 盘扣式满堂支架验算

满堂支架竖杆验算：盘扣式满堂支架竖杆在荷载组合作用下最大应力为108.2MPa。σmax=108.2＜[σ]=190MPa,故知满堂支架钢强度满足要求。满堂支架在荷载组合作用下位移△L=2.114mm＜L/400mm=17000/400=42.5mm,可知满堂支架竖杆刚度满足要求。满堂支架横杆验算：满堂支架横杆在荷载组合作用下最大应力为26.7MPa。σmax=26.7＜[σ]=190MPa,故知满堂支架横杆钢强度满足要求。满堂支架横杆在荷载组合作用下位移△L=2.084mm＜L/400mm=17000/400=42.5mm,可知满堂支架钢刚度满足要求。满堂支架斜撑验算：满堂支架横杆在荷载组合作用下最大应力为41.8MPa。σmax=26.7＜[σ]=190MPa,故知满堂支架横杆钢强度满足要求。满堂支架横杆在荷载组合作用下位移△L=1.766mm＜L/400mm=17000/400=42.5mm,可知满堂支架钢刚度满足要求。满堂支架上方I14 工字钢横梁强度验算：I45a 工字钢在荷载组合作用下最大应力为37.6MPa。σmax=37.6＜[σ]=190MPa,故知I14 工字钢强度满足要求。I14 工字钢在荷载组合作用下位移△L=2.192mm＜L/400mm=9000/400=22.5mm,可知I14 工字钢度满足要求。

4.4 稳定性分析

门洞钢管稳定性：钢管最大轴力出现在Φ220×6.0mm 的钢管,截面积A=4015mm2,σ=F/A=235.5/4015*1000=58.65Mpa＜190Mpa,安全系数K=190/58.5=3.25＞1.3 故知立杆强度满足要求；满堂支架竖杆稳定性：立杆选用Φ60×3.2mm 钢管,截面积A=570.73mm2,σ=F/A=68530/570.73=120Mpa＜250Mpa,安全系数K=250/120=2.08＞1.3 故知立杆强度满足要求；整体稳定性：临界荷载5 个系数中工况组合最低为4.96＞4.2,所以门洞整体结构稳定性满足要求。通过以上计算可知,各部件应力均满足要求,整体稳定性可靠,支架安全,刚度验算中满堂支架及门洞所有构件的挠度变形均在规范允许的变形范围内（f＜L/400）。

5 结论

通过分析计算大跨度通行门洞的整体稳定性,论证了钢管立柱+工字钢梁的大跨径门洞支架形式的可行性、安全性,在满足受力要求的前提下提高了施工效率,门洞结构简单实用,便于现场安装,应用此种门洞设计,在形式简单、施工方便、节省材料的同时,保证了过往车辆及行人安全通行的问题,属于创新型的大跨径支架门洞结构,为后续互通立交现浇箱梁支架保通施工提供了参考和借鉴。