交通门洞设计计算分析

李文静

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012）

在公路立体交叉的建设中，当采用现浇桥梁上跨既有公路时，为了保证被跨越公路的交通不被中断，常采用交通门洞的形式。保证交通门洞的安全性对于上部桥梁的施工以及桥下车辆、行人的安全具有非常重要的作用。在实际的施工中，由于交通门洞造成生命财产损失的例子并不鲜见[1]。因此，保证交通门洞结构的安全性具有重要的意义。

某高速公路TJ4合同段洪山互通立交D匝道桥上跨揭普高速公路，上部结构采用（2×30+2×25）m的现浇箱梁，梁体为单箱单室、等高度、变截面箱梁，高度为1.75 m，箱体宽度为5.5 m，两侧翼缘板各宽2.5 m。为了保证揭普高速公路的正常通行，施工中拟采用交通门洞跨越的形式。

1 门洞设计原则

a）门洞设计高度为5.05 m。

b）门洞宽度需跨越超车道和行车道，保证双车道同时通行且不分离，门洞基础间净跨径为8.25 m，门洞基础间中至中距离为9.05 m。

c）为保证门洞系统的稳定性，门洞顶面标高水平，箱梁箱体模板底至支架顶面标高大于60 cm时，梁底模板横坡采用短钢管+顶托进行调平；小于60 cm时，采用楔形方木支架系统进行调平。

d）支架系统采用钢管柱顶设置砂箱进行，最大下沉高度为10 cm。

e）支架系统需预压消除非弹性变性；卸载后，先采用千斤顶将支架系统整体抬升，横梁底垫钢板的办法进行调平。

2 门洞设置的具体情况

为保证施工过程中，交通正常通行，结合道路宽度，在揭普高速左、右幅各搭设施工门洞，门洞净高为5.05 m，A匝道2号桥左幅、右幅，顺揭普高速公路方向的长度为15 m，基础中至中距离（跨径计算距离）为9.05 m；门洞基础采用1.2 m高预制配筋混凝土基础，尺寸为0.8 m×2.0 m×1.2 m(宽×长×高)。钢管支墩采用φ630钢管，壁厚10 mm，每侧均匀布置5～6条，钢管柱间距为3 m，净距为2.37 m。钢管柱顶设双拼I36b工字钢横梁；在横梁上布置I50b工字钢做为纵向分配梁，分配梁间距为50 cm，在两侧翼缘板处的间距为90 cm。在分配梁上先满铺一层18 mm厚木夹板做为防落板，要求铺设时，接缝需严密；再在防落板上满铺一层（50×200）mm实木板做横向分配梁。

图1 交通门洞单侧示意图

3 门洞主要构件计算

3.1 荷载传递路径

经分析，本桥门洞荷载的传递路径为结构自重→夹板→横向分配木方→纵向木方→立杆→平台（5×20）cm木方→纵向工字梁→横向双拼工字梁→钢管柱顶砂箱钢管柱→预制块基础→原有道路地基。

3.2 荷载计算

3.2.1 钢筋混凝土自重

箱梁钢筋混凝土自重属均布荷载，直接作用于底模及侧模，经计算箱梁各部位向下传递的自重荷载为：

横梁、腹板处 g1-1=1.75×26=45.5 kN/m2；

箱体处 g1-2=0.47×26=12.2 kN/m2；

翼缘板处（平均）g1-3=0.38×26=9.88 kN/m2.

3.2.2 竹胶板底模及防落层底模自重（板厚δ=1.8 cm 容重 γ=6 kN/m3）

3.2.3 横向木方自重（10×10 cm@30 cm）

3.2.4 纵向木方自重（10×10 cm，腹板处间距0.25 m，底板处间距0.5 m，翼缘板处间距0.8 m）

横梁、腹板处 g4-1=0.1×0.1×6/0.25=0.24 kN/m2；箱体处 g4-2=0.1×0.1×6/0.5=0.12 kN/m2；

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

3.2.5 支架体系自重

3.2.5.1 单根钢管自重

按2 m的支架高度计算钢管自重荷载（含配件、剪刀撑及水平拉杆等），φ48×3.5钢管单位重为3.84 kg/m，加配件乘以系数2.0，则立杆自重平均分配到底层的荷载为：

3.2.5.2 钢管支架体系自重

钢管支架在横梁、腹板区布置间距为0.25 m×0.6 m，箱体处为0.5 m×0.6 m，翼缘板处间距为0.9 m×0.6 m。则钢管支架的分布荷载为：

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

箱体处 g5-2=0.154/(0.5×0.6)=0.513 kN/m2；

翼缘板处g5-3=0.154/(0.9×0.6)=0.285 kN/m2.

3.2.6

施工机具及人员荷载

3.2.7 倾倒混凝土产生的荷载

3.2.8 振捣混凝土产生的荷载

3.3 构件计算

通过分析，本门洞设计中夹板、横向分配木方、纵向分配木方、立杆、平台（5×20）cm木方等构件在满足构造要求的条件下能够满足受力要求，本文仅对其余构件进行受力计算。

3.3.1 立杆计算

3.3.1.1 立杆轴向荷载计算

据《路桥施工计算手册》，采用φ48×3.5钢管作支架，当横杆步距为1.2 m时，对接立杆的容许荷载[N容]=33.1 kN。

腹板下立杆底部承受竖向荷载为:

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.

结论:单根立杆承受荷载满足容许荷载要求。

3.3.1.2 立杆稳定性验算

立杆的计算长度为l0为120 cm，截面回转半径i=1.58 cm，则长细比λ=l0/i=120 cm/1.58 cm=76，查阅相关材料力学书籍可得稳定系数为φ=0.715，则立杆的稳定性计算为：

故立杆的稳定性满足要求。

3.3.2 工字钢纵梁计算

根据平面布置，门洞工字钢纵梁与现浇箱梁斜交（斜交角为25°），当箱梁的腹板位于工字钢纵梁的跨中时，受力最为不利（如图2）。此时，经计算，工字钢纵梁所承受荷载如图3。

图2 工字钢纵梁与路线相对位置示意图（单位：m）

图3 工字钢纵梁受力简图

经计算工字钢纵梁所承受的分布荷载为：腹板区32.2 kN/m；箱体区11.8 kN/m；翼缘板区10.3 kN/m，如图3。

采用力学分析软件计算得：工字钢纵梁最大弯矩Mmax=201.8 kN·m；最大剪力Qmax=75.8 kN，则工字钢纵梁I50b的强度验算结果为[2]：8.9 MPa≤125 MPa.

因此，纵梁强度满足要求。

跨中挠度 fmax=1.665cm＜l0/400=9.05×100/400=2.263 cm，变形满足要求。3.3.3 双拼I36b工字钢横梁计算

双拼工字钢横梁I36b承受来自工字钢横梁的支反力，可以简化为四跨连续梁进行计算。假定纵梁反力均取最大值78.5 kN，则横梁受力简图如图4。

图4 双拼工字钢横梁受力简图

采用力学分析软件计算得：双拼工字钢横梁最大弯矩Mmax=110.3 kN·m；最大剪力Qmax=246.8 kN，则工字钢纵梁I50b的强度验算结果为：

因此，纵梁强度满足要求。

跨中挠度fmax=0.29 cm＜l0/400=3.0×100/400=0.75 cm，变形满足要求。

3.3.4 钢管立柱受力分析

钢管立柱选取φ630钢管，壁厚10 mm，材质为A3钢，高为5.05 m，承受双拼工字钢横梁传来的最大反力F=538.0 kN.

3.3.4.1 稳定性验算

钢管柱的惯性矩I=1/64×π×(0.634-0.614)=9.362×10-4m4，

因此，稳定性满足要求。

3.3.4.2 柱身强度验算

钢管柱面积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；

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

查相关手册可得φ=0.9；

则钢管柱应力

经计算，强度满足要求。

4 结语

本文通过一座匝道桥门洞的计算实例，详细地介绍了匝道桥门洞的设计原则及计算过程，对于交通门洞的设计计算具有一定的参考意义。