設(shè)置橫通道的隧道遮光棚數(shù)值分析及應(yīng)用

王 楓

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，山西 太原 030012）

0 引言

目前高速公路建設(shè)在國內(nèi)飛速發(fā)展，高速公路網(wǎng)的規(guī)劃也已覆蓋到大部分山區(qū)，不可避免地涌現(xiàn)出大量的山區(qū)高速公路隧道群，新建山區(qū)高速公路隧道群在建設(shè)和管養(yǎng)方面有著顯著的優(yōu)點，但同時也暴露出些許問題，隧道群洞口較多，相鄰洞口間距又過小，這些地段往往都是潛在的交通事故易發(fā)點，對正常駕駛造成一定的安全隱患，當(dāng)車輛高速進出隧道時，如果隧道洞口內(nèi)外的亮度差別較大，則不可避免地產(chǎn)生“黑洞”、“白洞”效應(yīng)，駕駛員從隧道內(nèi)弱光區(qū)駛?cè)胨淼劳鈴姽鈪^(qū)，再駛?cè)胨淼纼?nèi)弱光區(qū)，光線強弱變化大，致使駕駛員視覺短時間難以適應(yīng)，降低了行車安全性。《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范》（JTG D70-2—2014）提出通過在入口段、過渡段、出口段加強隧道內(nèi)照明[4]，使光線變化趨于平穩(wěn)過渡，以此來消除人眼的生理反應(yīng)，但是這種措施往往使造價相對較高。

針對上述問題，在高速公路隧道群近距離的隧道間可增設(shè)遮光棚，是解決上述問題的有效手段，故以山西省天大高速公路大梁山特長隧道出口與黑石崖隧道進口之間增設(shè)遮光棚工程為背景，通過建立三維荷載結(jié)構(gòu)模型，對該工程設(shè)置橫通道的遮光棚鋼結(jié)構(gòu)進行計算分析，得出設(shè)置橫通道的遮光棚結(jié)構(gòu)受力特性[5]及變形位移規(guī)律，并由計算結(jié)果確定了設(shè)計方案，為日后類似工程提供一定的借鑒和參考。

1 工程概況

天大高速公路，即山西省天鎮(zhèn)至大同高速公路，是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”東縱最北部的路段，路線全長101.478 km，采用雙向四車道瀝青混凝土路面高速公路技術(shù)標準。

該高速公路從大同至天鎮(zhèn)方向途經(jīng)大梁山特長隧道、黑石崖中橋、黑石崖隧道。大梁山特長隧道左洞長6 015 m，右洞長6 058 m，最大埋深364.46 m，隧道左洞進出口洞門樁號為ZK13+763—ZK19+778。黑石崖隧道是單幅左洞隧道，長度446 m，最大埋深44.14 m，隧道進出口洞門樁號為ZK13+222—ZK13+668。隧道工程按雙向四車道高速公路標準進行設(shè)計，隧道內(nèi)汽車荷載等級為公路-Ⅰ級。黑石崖中橋橋梁全長66 m，該橋左幅中心樁號為ZK13+710，右幅中心樁號為YK13+690，上部結(jié)構(gòu)采用3-20 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式臺、柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋梁左幅位于大梁山隧道出口與黑石崖隧道進口之間。

大梁山特長隧道出口至黑石崖中橋左幅一端防撞墻的路基段長度為23.65 m，黑石崖隧道進口至黑石崖中橋左幅另一端防撞墻的路基段長度為12.9 m。

2 遮光棚結(jié)構(gòu)設(shè)計

大梁山特長隧道與黑石崖隧道采用遮光棚相連，其具體布置為：ZK13+668—ZK13+680.90段，為路基段遮光棚；ZK13+680.90—ZK13+739.35段，為橋梁段遮光棚；ZK13+739.35—ZK13+763段，為路基段遮光棚；其中在ZK13+739.35—ZK13+763段設(shè)置了8 m寬的橫通道供消防車等車輛在緊急情況下出入[6]。遮光棚布置段落見圖1。

圖1 遮光棚布設(shè)平面圖

遮光棚采用鋼筋混凝土防撞墻與鋼結(jié)構(gòu)拱架組合型式的遮光棚。遮光棚上部結(jié)構(gòu)采用拱形鋼架結(jié)構(gòu)，鋼拱架主梁采用I14工字鋼@2 m，副梁采用□50×25×3鐵方管，連接片采用□80×50×4扁鋼，縱向連接件采用28鋼筋，為減弱車輛進出兩座隧道之間光線亮度的差異，鋼拱架外緣鋪設(shè)厚度為10 mm的深色耐力板。

2.1 橋梁段遮光棚結(jié)構(gòu)設(shè)計

黑石崖中橋段落增設(shè)遮光棚，先在橋梁兩側(cè)既有防撞墻上縱向每隔2 m各設(shè)置一根高1.9 m的豎直I14工字鋼，并在工字鋼上架設(shè)由3根長度為5.428 m的I14工字鋼組成的中心弧長為16.28 m的鋼拱架。每榀鋼拱架縱向間距為2 m，橋梁段共架設(shè)20榀鋼拱架，豎直I14工字鋼及鋼拱架之間設(shè)置長2.16 m的28鋼筋作為縱向連接件，縱向連接件的環(huán)向間距為80 cm，豎直I14工字鋼設(shè)置兩排縱向連接件，距離橋梁防撞墻頂部豎向距離分別為0.65 m、1.3 m。橋梁段遮光棚設(shè)置圖見圖2。

圖2 橋梁段遮光棚設(shè)計圖

2.2 路基段遮光棚結(jié)構(gòu)設(shè)計

黑石崖中橋大、小樁號兩側(cè)路基段增設(shè)遮光棚，先在路基上澆筑高4.3 m的鋼筋混凝土防撞墻，并在此鋼筋混凝土防撞墻上架設(shè)由3根長度為5.428 m的I14工字鋼組成的中心弧長為16.28 m的鋼拱架。與橋梁防撞墻上架設(shè)的鋼拱架遮光棚連接為一個整體。28鋼筋作為縱向連接件，環(huán)向間距為80 cm。

大梁山特長隧道出口處路基段落按照規(guī)范要求需設(shè)置供消防車等車輛在緊急情況下出入的橫通道。故設(shè)計時依據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》與《消防車消防性能要求和試驗方法》，對多個種類的消防車進行統(tǒng)計歸納，確定了消防車的轉(zhuǎn)彎半徑為12 m，當(dāng)通道凈寬7 m、凈高4 m時消防車方可順利通過。鑒于消防車輛正常行駛的安全性以及保持遮光棚的完整性，設(shè)計時最終采用長度3 m×凈寬8 m×凈高4.61 m的通道供消防車等車輛在緊急情況下出入隧道。

遮光棚側(cè)部通道上部頂棚結(jié)構(gòu)是由HM400×300型鋼骨架和鋼筋縱向連接件組成。先在遮光棚側(cè)部澆筑長3 m的鋼筋混凝土防撞墻，其端部與主洞遮光棚的鋼筋混凝土防撞墻相交，再在鋼筋混凝土防撞墻上面架設(shè)高1.32 m的豎直I14 H型鋼；通道頂棚為8.8 m×4.27 m的矩形，骨架由4根長8.8 m的 HM400×300型鋼和 2根長 4.27 m的HM400×300型鋼連接而成，并在H型鋼上固定鋼筋連接件，鋼筋連接件長度分別為1.66 m、1.43 m。其中，一根8.8 m的HM400×300型鋼是連接主洞遮光棚和通道交叉位置處的斷口。通道處遮光棚正立面圖、側(cè)立面圖見圖3、圖4。

圖3 通道處遮光棚正立面圖

圖4 通道處遮光棚側(cè)立面圖

3 有限元數(shù)值分析計算

3.1 有限元模型概況

鑒于大梁山特長隧道出口處路基段遮光棚結(jié)構(gòu)側(cè)向設(shè)置了橫通道，遮光棚鋼拱架結(jié)構(gòu)不能取縱向一榀按平面框架進行計算，故采用Midas Civil空間有限元程序，對設(shè)置橫通道段落的遮光棚上部鋼架結(jié)構(gòu)受力特性及變位機理進行分析計算。

有限元計算模型共有343個節(jié)點，610個單元。I14工字鋼、HM400×300型鋼、HRB400級28鋼筋縱向連接件均采用梁單元模擬[7]。鋼拱架、通道型鋼立柱底部均設(shè)置固定約束以模擬法蘭螺栓連接，有限元模型見圖5。

圖5 有限元模型及網(wǎng)格劃分

H型鋼、工字鋼以及鋼筋縱向連接均按彈性材料考慮。材料物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 物理力學(xué)參數(shù)表

3.2 荷載及荷載組合

有限元數(shù)值分析計算時，遮光棚結(jié)構(gòu)所考慮的荷載作用為結(jié)構(gòu)自重、檢修荷載、風(fēng)荷載[8]、雪荷載[9]，不計入豎向及水平向地震荷載和其他活荷載。按照均勻分布的雪荷載和不均勻分布的雪荷載兩種工況計算，荷載標準值、體型系數(shù)、風(fēng)壓高度系數(shù)、積雪分布系數(shù)等均依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計規(guī)范》（GB 50009—2012）和《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）選取。

遮光棚結(jié)構(gòu)受力主要以自主為主，故荷載基本效應(yīng)設(shè)計值Sd應(yīng)由永久荷載控制，應(yīng)按式（1）進行組合計算：

式中：γG=1.35；γQ=1.4；γL=1.1；φc=0.7.

3.3 數(shù)值分析計算結(jié)果

3.3.1 遮光棚應(yīng)力計算

經(jīng)數(shù)值計算并依據(jù)最大剪應(yīng)力理論，由τmax=計算可知，遮光棚鋼結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力為75.8 MPa小于Q235鋼材的抗剪強度設(shè)計值125 MPa；由圖6可知遮光棚鋼結(jié)構(gòu)拉彎應(yīng)力最大值為10.287 MPa小于Q235鋼材的拉彎強度設(shè)計值215 MPa。遮光棚鋼結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。

圖6 拉彎應(yīng)力等值線圖（單位：MPa）

3.3.2 遮光棚位移計算

遮光棚鋼結(jié)構(gòu)在荷載作用下使用階段的豎向變形位移和水平向變形位移見圖7、圖8。遮光棚鋼結(jié)構(gòu)豎向位移最大值為4.6 mm，最大豎向位移位于與橫通道跨中相交的一榀主洞遮光棚I14工字鋼跨中（ID=200號節(jié)點）。遮光棚鋼結(jié)構(gòu)水平位移最大值為2.9 mm，遮光棚最大水平位移位于與橫通道跨中相交的一榀主洞遮光棚I14工字鋼端部（ID=192號節(jié)點）。主洞遮光棚和橫通道交叉位置斷口處的HM400×300型鋼橫梁跨中豎向位移為2.5 mm。

由上述位移計算結(jié)果可知，遮光棚變形后仍能滿足規(guī)范中隧道建筑限界的要求。變形位移較大處即為關(guān)鍵敏感部位，在后期運營過程中需加強監(jiān)控量測，以保證遮光棚結(jié)構(gòu)的安全。

圖7 豎向位移等值線圖（單位：mm）

圖8 水平向位移等值線圖（單位：mm）

4 結(jié)論

通過建立遮光棚鋼結(jié)構(gòu)三維荷載結(jié)構(gòu)模型，分析了其力學(xué)反應(yīng)及變位機理，取得了以下結(jié)論和認識：

a）隧道間增設(shè)遮光棚可以有效降低洞內(nèi)外光線亮度差異，提高行車安全性。

b）正常使用極限狀態(tài)，遮光棚變形滿足規(guī)范中隧道建筑限界的要求。由于增設(shè)橫通道，降低了原有拱形鋼拱架“承載拱”的承載能力，致使斷口處主洞環(huán)向鋼拱架變形比其他位置偏大。位移較大處即為變形敏感點，在運營過程中應(yīng)對關(guān)鍵節(jié)點加強監(jiān)控量測。

c）承載能力極限狀態(tài)，遮光棚拉彎應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均滿足強度要求，設(shè)計方案中遮光棚橫通道的頂棚、豎向支撐結(jié)構(gòu)采用HM400×300型鋼較為合理。