匝道桥门洞设计计算分析

2022-08-05 03:06熊大路王子轩辛崇升程德刚崔永曙
山东交通科技 2022年3期
关键词:双拼门洞工字钢

熊大路,王子轩,辛崇升,程德刚,崔永曙

(1.济南金曰公路工程有限公司,山东 济南 250022;2.University of California,Davis USA CA Davis 95616;3.山东交通学院,山东 济南 250357)

引言

在我国高速公路不断发展的背景下,跨高速公路桥梁路段越来越常见,对于交通建设提出了很大的要求,既要保证桥上交通的运行安全,又要顾及桥下车辆与行人的通行,每年因门洞支架问题造成的伤亡比例超过40%,门洞支架的设计施工、承载力验算就显得尤为重要[1-5]。

1 门洞设计概况

1.1 设计思路

匝道桥与德商高速交角为127°,跨德商高速设置门洞2 个,门洞顺C 匝道方向布置,门洞跨径为11.14 m。基础门洞下设立C20 混凝土条形基础0.8 m×0.8 m,基础上部设置1 cm 厚钢板焊接钢管式立柱。

钢管桩:(1)门柱钢管采用热轧无缝钢管,钢管D=500 mm,壁厚t=8 mm,高h=4.18 m。(2)门洞立柱设4 排,每排7 根,每根立柱上部设砂筒临时支座。横梁采用I40a 双拼工字钢。纵梁底板及腹板处设12 m 长458×417H 型钢纵梁,翼板处设置12 m 长40a 工字钢。门洞支架设计见图1。

图1 门洞支架设计/cm

1.2 荷载取值

(1)箱梁自重:钢筋混凝土密度取2 650 kg/m3,根据门洞设计尺寸,则翼板混凝土重量按照线荷载计算取3.71 kN/m;边腹板混凝土重量按照线荷载计算取14.83 kN/m;中腹板混凝土重量按照线荷载计算取9.54 kN/m;顶底板混凝土重量按照线荷载计算取14.12 kN/m。(2)模板采用木模,支架自重在软件中自动计算。(3)施工人员行走及施工材料机具等堆放的荷载取3.5 kN/m2。以上载荷恒载取1.2 的分项系数,活载取1.4 的分项系数。强度检算荷载组合:1.2×((1)+(2))+1.4×(3)kPa;刚度检算荷载组合:1×((1)+(2))+1×(3)kPa。

2 材料主要参数及截面特性

(1)Q235 钢弹性模量E=2.1×1011Pa,剪切模量G=0.81×105MPa,密度ρ=7 850 kg/m3。(2)Q235钢抗压、抗拉和抗弯强度设计值f=215 MPa。(3)支架受载后挠曲的杆件,其容许挠度为相应结构长度的L/400。

3 支架计算

3.1 建立计算模型

根据《跨德商高速C 匝道桥门洞设计图》采用Midas Civil 有限元软件建立门洞支架整体模型,对支架整体结构受力情况进行分析。计算模型见图2。图1(b)中可以明显看出纵梁的中间部位为主要承重作用,在有限元设计时中间部位采用强度更高的458×417H 型钢纵梁。

图2 门洞支架计算模型

3.2 强度计算

3.2.1 双拼I40a 工字钢纵梁

双拼I25a 工字钢纵梁最大组合应力见图3,双拼I40a 纵梁最大组合应力为66.53 MPa,小于Q235钢设计应力f=215 MPa,满足要求。

图3 纵梁应力/MPa

3.2.2 横梁

横梁最大组合应力见图4,横梁最大组合应力为70.7 MPa,小于Q235钢设计应力f=215 MPa,满足要求。

图4 横梁组合应力/MPa

3.2.3 钢管立柱

钢管最大组合应力见图5,钢管立柱最大组合应力为125.7 MPa,小于Q235 钢设计应力f=215 MPa,满足要求。

图5 钢管立柱应力/MPa

双拼I40a 工字钢纵梁、横梁、钢管立柱强度均满足《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)的设计指标要求。

3.3 刚度计算

支架整体位移见图6,最大挠度为18 mm ≤ 27 mm,位于横梁上,满足《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)附录A 的刚度要求。

图6 门洞支架整体位移/mm

3.4 钢管立柱稳定性计算

钢管回转半径:

式中:i—钢管回转半径,mm;d—钢管外直径,mm;d1—钢管内直径,mm。

长细比:

式中:λ—长细比;l0—钢管柱计算长度,mm;i—钢管回转半径,mm。

查《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)附录C 表得,=0.964[6]。

式中:σ—钢管柱所受的应力,MPa;N—钢管柱轴心力,N;—稳定系数;A—钢管净截面积,mm2。

钢管立柱受压稳定性满足要求[6]。

4 结语

经过对门洞钢管满堂支架的双拼I40a 工字钢纵梁、横梁、钢管立柱的强度、刚度进行有限元计算,以及对钢管立柱的稳定性进行计算,门洞支架设计满足施工及安全要求。

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