匝道桥门洞设计计算分析

熊大路，王子轩，辛崇升，程德刚，崔永曙

（1.济南金曰公路工程有限公司，山东 济南 250022；2.University of California,Davis USA CA Davis 95616；3.山东交通学院，山东 济南 250357）

引言

在我国高速公路不断发展的背景下，跨高速公路桥梁路段越来越常见，对于交通建设提出了很大的要求，既要保证桥上交通的运行安全，又要顾及桥下车辆与行人的通行，每年因门洞支架问题造成的伤亡比例超过40%，门洞支架的设计施工、承载力验算就显得尤为重要［1-5］。

1 门洞设计概况

1.1 设计思路

匝道桥与德商高速交角为127°，跨德商高速设置门洞2 个，门洞顺C 匝道方向布置，门洞跨径为11.14 m。基础门洞下设立C20 混凝土条形基础0.8 m×0.8 m，基础上部设置1 cm 厚钢板焊接钢管式立柱。

钢管桩：（1）门柱钢管采用热轧无缝钢管，钢管D=500 mm，壁厚t=8 mm，高h=4.18 m。（2）门洞立柱设4 排，每排7 根，每根立柱上部设砂筒临时支座。横梁采用I40a 双拼工字钢。纵梁底板及腹板处设12 m 长458×417H 型钢纵梁，翼板处设置12 m 长40a 工字钢。门洞支架设计见图1。

图1 门洞支架设计/cm

1.2 荷载取值

（1）箱梁自重：钢筋混凝土密度取2 650 kg/m3，根据门洞设计尺寸，则翼板混凝土重量按照线荷载计算取3.71 kN/m；边腹板混凝土重量按照线荷载计算取14.83 kN/m；中腹板混凝土重量按照线荷载计算取9.54 kN/m；顶底板混凝土重量按照线荷载计算取14.12 kN/m。（2）模板采用木模，支架自重在软件中自动计算。（3）施工人员行走及施工材料机具等堆放的荷载取3.5 kN/m2。以上载荷恒载取1.2 的分项系数，活载取1.4 的分项系数。强度检算荷载组合：1.2×（（1）+（2））+1.4×（3）kPa；刚度检算荷载组合：1×（（1）+（2））+1×（3）kPa。

2 材料主要参数及截面特性

（1）Q235 钢弹性模量E=2.1×1011Pa，剪切模量G=0.81×105MPa，密度ρ=7 850 kg/m3。（2）Q235钢抗压、抗拉和抗弯强度设计值f=215 MPa。（3）支架受载后挠曲的杆件，其容许挠度为相应结构长度的L/400。

3 支架计算

3.1 建立计算模型

根据《跨德商高速C 匝道桥门洞设计图》采用Midas Civil 有限元软件建立门洞支架整体模型，对支架整体结构受力情况进行分析。计算模型见图2。图1（b）中可以明显看出纵梁的中间部位为主要承重作用，在有限元设计时中间部位采用强度更高的458×417H 型钢纵梁。

图2 门洞支架计算模型

3.2 强度计算

3.2.1 双拼I40a 工字钢纵梁

双拼I25a 工字钢纵梁最大组合应力见图3，双拼I40a 纵梁最大组合应力为66.53 MPa，小于Q235钢设计应力f=215 MPa，满足要求。

图3 纵梁应力/MPa

3.2.2 横梁

横梁最大组合应力见图4，横梁最大组合应力为70.7 MPa，小于Q235钢设计应力f=215 MPa，满足要求。

图4 横梁组合应力/MPa

3.2.3 钢管立柱

钢管最大组合应力见图5，钢管立柱最大组合应力为125.7 MPa，小于Q235 钢设计应力f=215 MPa，满足要求。

图5 钢管立柱应力/MPa

双拼I40a 工字钢纵梁、横梁、钢管立柱强度均满足《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）的设计指标要求。

3.3 刚度计算

支架整体位移见图6，最大挠度为18 mm ≤ 27 mm，位于横梁上，满足《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）附录A 的刚度要求。

图6 门洞支架整体位移/mm

3.4 钢管立柱稳定性计算

钢管回转半径：

式中：i—钢管回转半径，mm；d—钢管外直径,mm；d1—钢管内直径,mm。

长细比：

式中：λ—长细比；l0—钢管柱计算长度,mm；i—钢管回转半径，mm。

查《钢结构设计规范》（GB 50017—2003）附录C 表得，=0.964［6］。

式中：σ—钢管柱所受的应力，MPa；N—钢管柱轴心力，N；—稳定系数；A—钢管净截面积，mm2。

钢管立柱受压稳定性满足要求［6］。

4 结语

经过对门洞钢管满堂支架的双拼I40a 工字钢纵梁、横梁、钢管立柱的强度、刚度进行有限元计算，以及对钢管立柱的稳定性进行计算，门洞支架设计满足施工及安全要求。