交通門洞設(shè)計計算分析

李文靜

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

在公路立體交叉的建設(shè)中，當采用現(xiàn)澆橋梁上跨既有公路時，為了保證被跨越公路的交通不被中斷，常采用交通門洞的形式。保證交通門洞的安全性對于上部橋梁的施工以及橋下車輛、行人的安全具有非常重要的作用。在實際的施工中，由于交通門洞造成生命財產(chǎn)損失的例子并不鮮見[1]。因此，保證交通門洞結(jié)構(gòu)的安全性具有重要的意義。

某高速公路TJ4合同段洪山互通立交D匝道橋上跨揭普高速公路，上部結(jié)構(gòu)采用（2×30+2×25）m的現(xiàn)澆箱梁，梁體為單箱單室、等高度、變截面箱梁，高度為1.75 m，箱體寬度為5.5 m，兩側(cè)翼緣板各寬2.5 m。為了保證揭普高速公路的正常通行，施工中擬采用交通門洞跨越的形式。

1 門洞設(shè)計原則

a）門洞設(shè)計高度為5.05 m。

b）門洞寬度需跨越超車道和行車道，保證雙車道同時通行且不分離，門洞基礎(chǔ)間凈跨徑為8.25 m，門洞基礎(chǔ)間中至中距離為9.05 m。

c）為保證門洞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，門洞頂面標高水平，箱梁箱體模板底至支架頂面標高大于60 cm時，梁底模板橫坡采用短鋼管+頂托進行調(diào)平；小于60 cm時，采用楔形方木支架系統(tǒng)進行調(diào)平。

d）支架系統(tǒng)采用鋼管柱頂設(shè)置砂箱進行，最大下沉高度為10 cm。

e）支架系統(tǒng)需預(yù)壓消除非彈性變性；卸載后，先采用千斤頂將支架系統(tǒng)整體抬升，橫梁底墊鋼板的辦法進行調(diào)平。

2 門洞設(shè)置的具體情況

為保證施工過程中，交通正常通行，結(jié)合道路寬度，在揭普高速左、右幅各搭設(shè)施工門洞，門洞凈高為5.05 m，A匝道2號橋左幅、右幅，順揭普高速公路方向的長度為15 m，基礎(chǔ)中至中距離（跨徑計算距離）為9.05 m；門洞基礎(chǔ)采用1.2 m高預(yù)制配筋混凝土基礎(chǔ)，尺寸為0.8 m×2.0 m×1.2 m(寬×長×高)。鋼管支墩采用φ630鋼管，壁厚10 mm，每側(cè)均勻布置5～6條，鋼管柱間距為3 m，凈距為2.37 m。鋼管柱頂設(shè)雙拼I36b工字鋼橫梁；在橫梁上布置I50b工字鋼做為縱向分配梁，分配梁間距為50 cm，在兩側(cè)翼緣板處的間距為90 cm。在分配梁上先滿鋪一層18 mm厚木夾板做為防落板，要求鋪設(shè)時，接縫需嚴密；再在防落板上滿鋪一層（50×200）mm實木板做橫向分配梁。

圖1 交通門洞單側(cè)示意圖

3 門洞主要構(gòu)件計算

3.1 荷載傳遞路徑

經(jīng)分析，本橋門洞荷載的傳遞路徑為結(jié)構(gòu)自重→夾板→橫向分配木方→縱向木方→立桿→平臺（5×20）cm木方→縱向工字梁→橫向雙拼工字梁→鋼管柱頂砂箱鋼管柱→預(yù)制塊基礎(chǔ)→原有道路地基。

3.2 荷載計算

3.2.1 鋼筋混凝土自重

箱梁鋼筋混凝土自重屬均布荷載，直接作用于底模及側(cè)模，經(jīng)計算箱梁各部位向下傳遞的自重荷載為：

橫梁、腹板處 g1-1=1.75×26=45.5 kN/m2；

箱體處 g1-2=0.47×26=12.2 kN/m2；

翼緣板處（平均）g1-3=0.38×26=9.88 kN/m2.

3.2.2 竹膠板底模及防落層底模自重（板厚δ=1.8 cm 容重 γ=6 kN/m3）

3.2.3 橫向木方自重（10×10 cm@30 cm）

3.2.4 縱向木方自重（10×10 cm，腹板處間距0.25 m，底板處間距0.5 m，翼緣板處間距0.8 m）

橫梁、腹板處 g4-1=0.1×0.1×6/0.25=0.24 kN/m2；箱體處 g4-2=0.1×0.1×6/0.5=0.12 kN/m2；

翼 緣 板 處（平 均）g4-3=0.1×0.1×6/0.8=0.075 kN/m2.

3.2.5 支架體系自重

3.2.5.1 單根鋼管自重

按2 m的支架高度計算鋼管自重荷載（含配件、剪刀撐及水平拉桿等），φ48×3.5鋼管單位重為3.84 kg/m，加配件乘以系數(shù)2.0，則立桿自重平均分配到底層的荷載為：

3.2.5.2 鋼管支架體系自重

鋼管支架在橫梁、腹板區(qū)布置間距為0.25 m×0.6 m，箱體處為0.5 m×0.6 m，翼緣板處間距為0.9 m×0.6 m。則鋼管支架的分布荷載為：

橫梁、腹板處 g5-1=0.154/(0.25×0.6)=1.03 kN/m2；

箱體處 g5-2=0.154/(0.5×0.6)=0.513 kN/m2；

翼緣板處g5-3=0.154/(0.9×0.6)=0.285 kN/m2.

3.2.6

施工機具及人員荷載

3.2.7 傾倒混凝土產(chǎn)生的荷載

3.2.8 振搗混凝土產(chǎn)生的荷載

3.3 構(gòu)件計算

通過分析，本門洞設(shè)計中夾板、橫向分配木方、縱向分配木方、立桿、平臺（5×20）cm木方等構(gòu)件在滿足構(gòu)造要求的條件下能夠滿足受力要求，本文僅對其余構(gòu)件進行受力計算。

3.3.1 立桿計算

3.3.1.1 立桿軸向荷載計算

據(jù)《路橋施工計算手冊》，采用φ48×3.5鋼管作支架，當橫桿步距為1.2 m時，對接立桿的容許荷載[N容]=33.1 kN。

腹板下立桿底部承受豎向荷載為:

N=0.25×0.6×[1.2×(g1-1+g2+g3+g4-1+g5-1)+1.4×(g6+g7+g8)]=0.25×0.6×(56.6+7.7)=9.645 kN＜[N容]=33.1 kN.

結(jié)論:單根立桿承受荷載滿足容許荷載要求。

3.3.1.2 立桿穩(wěn)定性驗算

立桿的計算長度為l0為120 cm，截面回轉(zhuǎn)半徑i=1.58 cm，則長細比λ=l0/i=120 cm/1.58 cm=76，查閱相關(guān)材料力學(xué)書籍可得穩(wěn)定系數(shù)為φ=0.715，則立桿的穩(wěn)定性計算為：

故立桿的穩(wěn)定性滿足要求。

3.3.2 工字鋼縱梁計算

根據(jù)平面布置，門洞工字鋼縱梁與現(xiàn)澆箱梁斜交（斜交角為25°），當箱梁的腹板位于工字鋼縱梁的跨中時，受力最為不利（如圖2）。此時，經(jīng)計算，工字鋼縱梁所承受荷載如圖3。

圖2 工字鋼縱梁與路線相對位置示意圖（單位：m）

圖3 工字鋼縱梁受力簡圖

經(jīng)計算工字鋼縱梁所承受的分布荷載為：腹板區(qū)32.2 kN/m；箱體區(qū)11.8 kN/m；翼緣板區(qū)10.3 kN/m，如圖3。

采用力學(xué)分析軟件計算得：工字鋼縱梁最大彎矩Mmax=201.8 kN·m；最大剪力Qmax=75.8 kN，則工字鋼縱梁I50b的強度驗算結(jié)果為[2]：8.9 MPa≤125 MPa.

因此，縱梁強度滿足要求。

跨中撓度 fmax=1.665cm＜l0/400=9.05×100/400=2.263 cm，變形滿足要求。3.3.3 雙拼I36b工字鋼橫梁計算

雙拼工字鋼橫梁I36b承受來自工字鋼橫梁的支反力，可以簡化為四跨連續(xù)梁進行計算。假定縱梁反力均取最大值78.5 kN，則橫梁受力簡圖如圖4。

圖4 雙拼工字鋼橫梁受力簡圖

采用力學(xué)分析軟件計算得：雙拼工字鋼橫梁最大彎矩Mmax=110.3 kN·m；最大剪力Qmax=246.8 kN，則工字鋼縱梁I50b的強度驗算結(jié)果為：

因此，縱梁強度滿足要求。

跨中撓度fmax=0.29 cm＜l0/400=3.0×100/400=0.75 cm，變形滿足要求。

3.3.4 鋼管立柱受力分析

鋼管立柱選取φ630鋼管，壁厚10 mm，材質(zhì)為A3鋼，高為5.05 m，承受雙拼工字鋼橫梁傳來的最大反力F=538.0 kN.

3.3.4.1 穩(wěn)定性驗算

鋼管柱的慣性矩I=1/64×π×(0.634-0.614)=9.362×10-4m4，

因此，穩(wěn)定性滿足要求。

3.3.4.2 柱身強度驗算

鋼管柱面積A=1/4π×(0.632-0.612)=0.035 7 m2；

柱身重量 G=Al×7.85×103×9.8=2 746.4 N≈2.75 kN；

長細比 λ=l/i=5.05/(I/A)0.5=5.05/(9.362×10-4/0.035 7)0.5=31.2；

查相關(guān)手冊可得φ=0.9；

則鋼管柱應(yīng)力

經(jīng)計算，強度滿足要求。

4 結(jié)語

本文通過一座匝道橋門洞的計算實例，詳細地介紹了匝道橋門洞的設(shè)計原則及計算過程，對于交通門洞的設(shè)計計算具有一定的參考意義。