中川機場新舊航站樓高架橋連接鋼便橋設計分析

張偉華 田 豐

(1.蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060; 2.甘肅路橋建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730050)

中川機場新舊航站樓高架橋連接鋼便橋設計分析

張偉華1田 豐2

(1.蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060; 2.甘肅路橋建設集團有限公司，甘肅 蘭州 730050)

以中川機場新建航站樓工程為例,根據工程實際情況和鋼便橋設計標準，對施工用臨時鋼便橋進行了方案設計,并創建了合適的計算模型，采用有限元軟件進行了受力分析計算，通過計算結果,指出鋼便橋各主要受力構件強度和剛度均滿足相關規范要求。

鋼便橋,方案設計,有限元受力分析

1 工程簡介

中川機場二期擴建工程新建航站樓高架橋工程主要構造由兩部分組成，分別為GJ線及LJ線。其中GJ線為新建航站樓前高架橋，LJ線為新舊航站樓間的連接橋梁。由于本工程在施工高架橋下引橋時原舊航站樓上引橋暫停使用，為了保證施工期間航站樓的正常使用，在高架橋連接線與舊橋間搭設鋼便橋，使車輛從新橋上橋通過鋼便橋駛入舊航站樓，然后從舊航站樓出港口匝道引橋入機場停車場或環城道路出收費站，便橋使用時間自2013年11月至新航站樓投入使用為止。

2 便橋設計

2.1 鋼便橋方案編制依據

1)JTG/T F50-2011公路橋涵施工技術規范；

2)JTJ 076-95公路工程施工安全技術規程；

3)裝配式公路鋼橋多用途使用手冊；

4)鋼結構計算手冊；

5)JTJ 025-86公路橋涵鋼結構及木結構設計規范；

6)JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范；

7)蘭州中川機場航站區改擴建工程項目高架橋工程施工圖設計。

2.2 便橋設計標準

便橋設計標準按照汽車—超20級，設計行車速度10 km/h，總長30 m，全寬15.8 m(同舊航站樓前高架橋寬度)，單向兩車道布置。

2.3 人員、材料、機械設備

人員配置表見表1。

表1 人員配置表

現場勞務人員配備表見表2。

表2 現場勞務人員配備表

鋼便橋主要材料數量表見表3。

表3 鋼便橋主要材料數量表

施工機械設備配置表見表4。

表4 施工機械設備配置表

2.4 便橋方案

1)便橋構造。根據現場通車要求及新舊橋梁橋面高度，本便橋結構采用裝配式公路鋼橋，上承式結構，便橋總長30 m，橋梁全寬15.8 m，單向兩車道布置。便橋位于新舊高架橋連接處，平行于航站樓搭設,便橋凈跨徑為12 m+12 m。

便橋上部設三組縱向主梁由每段3 m長的桁架(1.7 m×1.7 m)組成，桁架片為公司固定資產，一直用于便橋搭設，桁架上橫向鋪設25號的工字鋼，工字鋼中心間距為500 mm，工字鋼上再鋪設一層12 mm厚鋼板作為橋面板，在鋼板上安裝防滑帶防止車輛在便橋上打滑。橋面板兩側布置防撞欄桿，護欄上貼反光貼。在航站樓方向設置人行步道。便橋墩柱采用桁架片搭設，根據橋面高程使用22號工字鋼調節墩柱高度。墩柱下方澆筑2 m×2 m×2 m素混凝土基礎，與軸處四根墩柱直接安放于高架橋軸承臺上。軸墩柱下方為原機場硬化路面，上層為30 cm厚混凝土層，下層為70 cm厚三七灰土層，承載力滿足要求，故不進行基礎施工，直接在原地面搭設。

便橋縱斷面布置圖見圖1，立面布置圖見圖2，現場效果圖見圖3。

2)便橋搭設。

a.測量放樣。在施工之前，首先放出高架橋邊線，根據新舊高架橋邊線確定便橋邊線及中心線，并用全站儀放出每個墩的邊樁和中心樁，確定便橋的起點位置和終點位置，并做好標記，同時測量出便橋端頭處的橋面標高及便橋橋墩處的地面標高。

b.便橋基礎施工。便橋基礎采用2 m×2 m×2 m素混凝土基礎。施工時根據地面高程開挖至基礎底標高，之后澆筑C20混凝土基礎。

c.便橋墩柱施工。在混凝土基礎上安設桁架片作為便橋墩柱。墩柱每根重為5 t，采用25 t吊車吊裝，將桁架吊放于基礎后，先用方木將桁架支撐，再吊放另一墩柱桁架片，之后墩柱間采用兩排∠7×7角鋼連接，使墩柱不發生側向位移。墩柱桁架片根據便橋底標高設置22號工字鋼進行標高調整。

e.吊裝工字鋼。鋼便橋橫梁采用Ⅰ25b工字鋼搭設于縱梁桁架片上，每根工字鋼長9 m，由于橋面寬15.8 m，故將兩根工字鋼搭接2.2 m焊接形成整體。工字鋼中心間距為500 mm布置，并與桁架片焊接固定。

f.安裝橋面板。橋面鋼板采用12 mm厚Q235鋼板，每片鋼板寬1.2 m，鋼板橫向接縫通長焊接，縱向留5 mm空隙，之間點焊固定，防止鋼板受溫度應力變形翹曲。鋼板上安裝防滑帶防止車輛打滑。

g.鋼便橋附屬設施施工。橋面板兩側布置步道欄桿，護欄采用不銹鋼管焊接，護欄高1.2 m，與新高架橋護欄平順連接，車道兩側布置防撞護欄，高0.9 m，護欄上貼反光貼。在航站樓方向設置人行步道。

2.5 便橋施工安全防護措施

為保證通車安全，項目部將在便橋施工過程及投入使用時，制定如下安全措施：

1)在便橋焊接過程中防止焊渣掉落在橋下設置防護網。

2)在鋼便橋吊裝過程中設置專人指揮，周邊設置警戒線防止閑雜人員及車輛進入。

3)在鋼便橋安裝完成后，將基礎回填，之后在鋼便橋投影范圍內地面澆筑3 cm砂漿層，兩側開挖排水溝，防止水滲透影響基礎穩定性。

4)在鋼便橋各部位涂刷軍綠色防腐涂料，既防止鋼材銹蝕，又使鋼便橋外觀美觀。

5)項目部派專業人員負責巡查、指揮過往車輛，做好臨時圍擋懸掛限速等標示。

6)在便橋位置處設置告示牌、便橋限重限速標牌等提醒過往車輛減速慢行。

7)施工期間加強對項目部施工人員的管理，并在便橋兩側設置安全圍擋，杜絕高空墜物傷及人員。

8)施工期間未經允許嚴禁與施工無關的人員到便橋上參觀、游玩。

9)便橋建成投入使用后，將定期對便橋進行檢查、維修，重點觀測橋梁基礎沉降，及時對便橋進行加固整修，以保證便橋的使用安全。

2.6 便橋施工防污染措施

1)對所有參建員工進行教育，提高保護意識，把學習和教育貫穿到工程施工的始終，使所有員工明確環境保護的重要性。

2)做好便橋搭設及使用過程中雜物、垃圾的處理措施，確保雜物、垃圾不拋入貴賓區內。

3)項目部定期派專人清理便橋上雜物、垃圾。

4)項目部定期開展環保檢查，及時處理破壞環境的行為。

3 鋼便橋受力驗算

3.1 結構形式

上承式焊接簡支鋼桁梁橋，計算跨度為2×12 m，每跨鋼桁梁分7個節間，節間縱向長度為1.7 m，橫向長度為1.7 m，主桁高度1.7 m，橫向三片主桁的中心距4.74 m。

3.2 模型的建立

對該鋼便橋取其中的一跨12 m，建立了整體模型，12 m鋼便橋整體模型如圖4所示。在建模過程中，采用梁單元進行模擬。x軸方向為橋梁的縱向，y軸方向為橋梁的橫向，z軸方向為橋梁的豎向。其中，桁架與橫梁，橫梁與橋面板的連接均采用共節點；在桁架兩端的底部進行了約束，其約束方式為簡支支承。

3.3 荷載組合

荷載組合考慮了自重與最不利活載的共同作用。

1)自重荷載(包括鋼桁架、橫梁及鋼橋面板)；

2)活載：考慮了最不利加載情況加載；車輛縱向布置圖見圖5。

3.4 結構內力計算

1)橋面板應力、豎向位移計算結果分析。

由圖6，圖7可以得出：鋼橋面板最大的豎向剪切應力τmax=10.3 MPa,最大的正應力σmax=27.0 MPa。

根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》第1.2.10條有：對于臨時結構有[σ]=145×1.3=188.5 MPa，[τ]=85×1.3=110.5 MPa，則有σmax=27.0 MPa<[σ],τmax=10.3 MPa<[τ]。

由圖8可以得到橋面板的跨中懸臂部分的撓度最大，fmax=12.7 mm

經有限元模型綜合分析可知，鋼橋面板的強度及剛度均滿足設計規范要求。

2)Ⅰ25橫向分配梁應力、豎向位移計算結果分析。

由圖9，圖10可以得出：橫梁最大的豎向剪切應力τmax=52.2 MPa,橫梁最大的正應力σmax=115.6 MPa。根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》第1.2.10條：對于臨時結構容許應力均可提高1.3，σmax=115.6 MPa<145×1.3=188.5 MPa,τmax=52.2 MPa<85×1.3=110.5 MPa。

由圖11可以得出：跨中截面的橫梁懸臂段的豎向撓度最大，fmax=14.8 mm

故Ⅰ25橫向分配梁強度及剛度滿足設計規范要求。

3)桁架梁內力、豎向位移計算結果分析。

由有限元模型的計算結果，提取桁架梁的上、下弦桿、立桿、斜桿的軸力、位移圖。

由圖12～圖17可以得出:桁架上、下弦桿的最大軸力為394.7 kN,斜桿的最大軸力為322.6 kN,立桿的最大軸力為170.9 kN。

桁架梁內力計算：

a.弦桿為等邊角鋼，截面特性：A=19.0 cm2,Iy=180 cm4,Wy=62.7 cm3,iy=2.87 cm。

則有弦桿容許承受桿力[N]=A[σ]=19.0×1.3×21=518.7 kN。

桁架梁弦桿在最不利荷載作用下最大軸力為N=394.7 kN<[N]=518.7 kN。

b.斜桿為等邊角鋼，截面特性：A=19.0 cm2,Iy=180.0 cm4,Wy=62.7 cm3,iy=2.87 cm，Iz=180.0 cm4,Wz=62.7 cm3,iz=2.87 cm。

斜桿長度l0=240 cm，長細比λ=l0/iz=240/2.87=83.6，查表得ψ=0.65。

則有[N]=ψA[σ]=0.65×19.0×1.3×21=337.2 kN。

桁架梁斜桿在最不利荷載作用下最大軸力N=322.6 kN<[N]=337.2 kN。

c.立桿為等邊角鋼，截面特性：A=19.0 cm2,Iy=180.0 cm4,Wy=62.7 cm3,iy=2.87 cm ，Iz=180.0 cm4,Wz=62.7 cm3,iz=2.87 cm。

立桿長度l0=170 cm,長細比λ=l0/iz=170/2.87=59.2,查表得ψ=0.83。

則有[N]=ψA[σ]=0.83×19.0×1.3×21=430.5 kN。

桁架梁立桿在最不利荷載作用下最大軸力N=170.9 kN<[N]=430.5 kN。

由圖18，圖19可以得出：中桁架梁的最大位移為8.33 mm，邊桁架梁的最大位移為10.8 mm，則有fmax=10.8 mm

故桁架梁強度及剛度滿足設計規范要求。

3.5 計算結論

經分析計算，鋼便橋各主要受力構件強度和剛度均滿足相關規范要求。

4 結語

經過對中川機場新、舊航站樓高架橋連接鋼便橋的組成結構進行系統的設計，根據各種載荷及安全系數進行受力計算，可以確保該便橋滿足施工及安全要求。

[1] 唐浩斌，劉智軍，沈育民.上承式貝雷梁鋼便橋的設計[J].湖南交通科技,2006(9):111-114.

[2] 吳傳書,龍登平,張紅艷.架空高速公路鋼便橋的設計與計算分析[J].山西建筑,2011，37(10):191-193.

[3] 曾財希.青島雙高公路鋼便橋的設計與檢算[J].建筑，2010(5):62-65.

[4] 肖必勇，楊世兵.242省道青口河特大橋鋼便橋設計[J].公路工程與運輸,2009(4):143-146.

The design analysis on new and old steel terminalbuilding viaduct connecting bridge in Zhongchuan airport

ZHANG Wei-hua1TIAN Feng2

(1.LanzhouPetrochemicalVocationalTechnologyCollege,Lanzhou730060,China;2.GansuRoad&BridgeConstructionGroupLimitedCompany,Lanzhou730050,China)

Taking the new terminal project in Zhongchuan airport as an example, according to the project actual situation and steel temporary bridge design standards, this paper made scheme design to construction used temporary steel bridge, and created appropriate calculation model, using finite element software made stress analysis and calculation, through the calculation results, pointed out that each main stress component strength and stiffness of steel bridge meet the specification requirements.

steel bridge, scheme design, finite element stress analysis

2014-07-20

張偉華(1980- )，女，講師; 田 豐(1978- )，男，工程師

1009-6825(2014)27-0175-04

U448.28

A