鋼結構遮光棚的結構計算

李子特，簡 粵

（1.甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州730010；2.蘭州工業學院，甘肅 蘭州730050）

1 概述

遮光棚在高速公路的建設中具有重要的作用，隨著山區高速公路隧道的大量出現，特別是公路隧道群的出現，要求光線的強度不能影響司機的視覺，主要原因是車輛突然駛入明暗交替的地區，如果用強光的照射，司機在短時間內難以適應，這樣容易造成交通事故。在出洞口和入洞口的適當范圍內駕駛員視線范圍內亮度變化因遮光棚的設計較為均勻緩和,能夠讓駕駛員在較短的時間內適應出洞的光線變化，可以達到遮光效果，保證行車的穩定性和安全性。

某高速公路兩隧道洞門之間設置3～20m裝配式預應力混凝土連續箱梁橋，為消除變光效應，以達到防眩目的、改善行車視線、提高隧道進出口的行車安全等[1]，在橋梁上增設了鋼結構棚洞。棚洞主體結構采用鋼縱梁和環向拱架拼接而成，同時在環向拱架間搭接角鋼，成體系后鋪設綠色耐力遮光板[2]。如圖1所示。

圖1 鋼結構棚洞橫斷面圖

本文建立了鋼結構棚洞的整體結構有限元模型，考慮了結構承受的各種荷載，進行最不利荷載組合，對所選鋼結構構件進行了靜力驗算，同時對各連接件進行了驗算。

2 模型建立

計算軟件采用MIDAS/Civil有限元程序，建立棚洞結構三維模型，如圖2所示。

圖2 棚洞有限元模型

棚洞縱梁采用 HW414×405/18/28寬翼緣型鋼，橫向間距 12.67m；橫向拱架采用HW175×175/7.5/11寬翼緣型鋼，縱向間距為4m；縱向聯系采用2L80×50×5不等邊雙角鋼，型鋼及鋼板均為Q235B鋼；錨栓采用M20高強螺栓，性能等級為10.9級，預拉力P=155kn，摩擦面抗滑移系數≥0.35。

3 計算荷載

結構自重:鋼材比重78.5kn/m3；

遮光板及附屬構件荷載:0.4kn/m2；

基本風壓:0.35kn/m2（n=50 年）[3]，持久狀況靜風線荷載為1.55kn/m。

基本雪壓:0.2kn/m2（n=50 年）[4]，雪荷載標準值0.08kn/m2，同時按照拱形屋面分布等效成縱向線荷載施加在縱肋上。

溫度荷載：地區日最高、最低氣溫為46℃、-21℃，結構安裝溫度宜在15～25℃，整體升溫按31℃、整體降溫按-46℃考慮。

荷載組合說明：按規范進行正常使用極限狀態下主結構構件及連接節點的承載能力驗算，及正常使用極限狀態的變形驗算。荷載組合中考慮永久作用:結構重力、裝飾荷載，可變作用:均勻升溫、均勻降溫、風荷載、雪荷載[5]。

4 結構驗算

按照規范進行承載能力極限狀態下結構強度驗算、正常使用極限狀態下結構撓度驗算及構件連接件的強度驗算[6]。為消除鋼結構在溫度荷載下約束節點處的較大反力，結構設計中僅對2號橋墩處鋼縱梁與基座焊接連接，其它節點處均采用兩側設置限位板、底座設置四氟滑板支撐的型式，鋼縱梁能夠縱向自由伸縮。如圖3～5所示。

4.1 縱梁和橫向拱架驗算

在最不利荷載組合作用下，驗算鋼縱梁和型鋼橫向拱架的屈服應力極限比，其計算結果見表 1。

圖3 承載能力極限狀態下鋼縱梁和型鋼橫向拱架主彎矩包絡圖

圖4 承載能力極限狀態下鋼縱梁和型鋼橫向拱架主剪力包絡圖

圖5 承載能力極限狀態下鋼縱梁和型鋼橫向拱架軸力包絡圖

表1 承載能力極限狀態鋼構件強度驗算結果(長度：m，力：KN，應力：MPa)

從表1驗算結果可以看出，在最不利荷載組合作用下鋼縱梁(HW414×405/18/28型鋼)和橫向拱架(HW175×175/7.5/11)的最大組合應力比(com值)分別為 0.78、0.87，滿足承載能力極限狀態的強度要求。

鋼縱梁最大豎向位移為30mm＜L/400=75mm，在制作中跨中預設向上30mm的預拱度，縱向拋物線過度，在使用狀態下滿足變形要求。

4.2 型鋼拱肋對接驗算

拱肋采用HW175×175/7.5/11型鋼，通過拼接鋼板用M20高強螺栓連接，受力性質為壓彎型螺栓[7]，設計軸力 N=12.93kn，設計剪力 V=1.1kn，設計彎矩M=31.71kn。如圖6所示。

單個雙面摩擦型螺栓的抗剪承載力NVb=0.9×2×0.35×155=97.7kn；拼接頭處的彎矩由翼緣和腹板按剛度分配，剪力全部由腹板承擔。

翼緣板拼接驗算

梁和翼緣的毛截面慣性矩分別為：

圖6 型鋼拱肋拼接節點設計圖

翼緣分擔的彎矩為：

翼緣受到的由M1而產生的軸向力為

接頭一側需要的螺栓數目為：

同時參照構造、安全儲備及耐久性單側布置2排各2個螺栓。

4.3 焊接設計

鋼縱梁采用K形坡口對接焊連接，焊縫質量等級要求為一級。對接焊節點盡量以單跨4分點控制，即布設在單跨L/4、3L/4位置；環向拱架與鋼縱梁、新增基座錨固鋼板連接均采用對接角焊縫，角焊縫焊腳尺寸為6mm。焊縫質量等級要求為一級；鋼縱梁加勁肋采用對接焊連接，焊縫質量等級要求為三級；鋼構件擋塊鋼板與座板采用角焊縫手工焊接(圍焊)，焊腳尺寸為5mm，焊縫質量等級要求為三級。對于構件的焊接連接，焊材強度高于母材，設計無需檢算。

4.4 基座錨栓驗算

0號臺側鋼縱梁用M20高強螺栓與新增基座連接，平面2排各4個共布置8個，受力性質為摩擦性螺栓，由于本結構設計在1、2號橋墩蓋梁及3號橋臺新增基座上設置四氟滑板釋放縱向位移，故0號臺側M20高強螺栓按構造設計，滿足要求[8]。

4.5 鋼構件擋塊錨栓驗算

鋼構件擋塊錨栓采用M20高強螺栓，平面2排各3個共布置6個，受力性質為摩擦性螺栓，單個M20高強螺栓單面摩擦抗剪承載力為0.9×1×0.35×155=48.8kn，設計承載力為 81.4kn，滿足受力要求，同時考慮到鋼構件擋塊的永久性作用，故按加強構造設計布置螺栓。

5 結論

通過對鋼縱梁和型鋼橫向拱架承載能力驗算，最大組合應力比分別為0.78、0.87，鋼構件選型滿足承載能力極限狀態的強度要求，且有一定的安全儲備。正常使用狀態跨中最大下撓為30mm，通過設置向上30mm的制作預拱度，能夠滿足正常使用狀態構件的撓度要求。通過對鋼縱梁對接焊連接、橫向拱架與鋼縱梁和基座錨固鋼板對接角焊縫連接、環向拱架高強螺栓連接、加勁肋與鋼縱梁對接焊連接、基座錨栓及鋼構件擋塊錨栓連接進行驗算，能夠滿足承載能力的要求。