胡 寧

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跨高速公路安全防護(hù)棚架結(jié)構(gòu)設(shè)計及驗算

胡 寧*

(中鐵十九局集團(tuán) 第七工程有限公司,廣西 來賓, 546100)

以某特大橋安全防護(hù)棚架結(jié)構(gòu)設(shè)計為例, 按照結(jié)構(gòu)的傳力情況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化計算, 并運用Midas建立有限元模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模驗算. 詳細(xì)介紹了橫向結(jié)構(gòu)工字鋼梁、主桁架和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)受力情況的驗算方法. 驗算結(jié)果表明: 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的承載力和抗沖切能力滿足規(guī)范設(shè)計要求.

防護(hù)棚架; 有限元; 結(jié)構(gòu)計算

1 工程概況

那迓坡左線特大橋全長為1 874.8 m, 為21 × 32 m + (32 m + 48 m + 32 m)連續(xù)梁+ 7 × 32 m + (40 m + 60 m + 40 m)連續(xù)梁+ 5 × 32 m + (16 × 32 m雙線)特大橋, 共計55跨, 56個墩臺, 277根樁基; 那迓坡右線特大橋全長551.7 m, 為6 × 32 m + (48 m + 60 m + 48 m)連續(xù)梁+ 2 × 24 m + 4 × 32 m特大橋, 共計15個墩臺, 15跨, 73根樁基. 為盡量減小安全通道對既有高速公路的影響, 擬采用單幅車道單跨門洞結(jié)構(gòu). 棚架結(jié)構(gòu)立面如圖1所示.

圖1 棚架結(jié)構(gòu)立面圖

2 結(jié)構(gòu)體系

單跨長21 m, 兩聯(lián)2 × 21 = 42 m. 立柱采用Φ600 mm(壁厚5 mm)焊接鋼管, 基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土條形, 長10 m, 寬0.8 m. 基礎(chǔ)直接放置在路肩和隔離帶邊的路上. 主跨承載結(jié)構(gòu)采用2片高1 m的桁架, 間距8 m. 橫向分布采用I20a工字鋼, 間隔1.5 m, 次分配梁(縱向)采用I8#槽鋼, 間距60 cm. 頂面滿鋪2 mm鋼板, 再在其上滿鋪12 mm竹膠板.

由于結(jié)構(gòu)采用2片桁架做主受力結(jié)構(gòu), 每片桁架受力一樣, 因此只要計算一片桁架. 主桁架采用平行玄桁架, 上下玄桿采用I32a槽鋼. 腹桿采用2∠80×8角鋼[1—2]. 桁架自重按1.1 kN/m, 竹膠板按0.9 g/cm3, I20a工字鋼按0.279 kN/m計算. 桁架的凈勻布荷載計算如下.

桁架自重1.1 kN/m, 橫向分布工字鋼6 × 0.279/1.5 = 1.116 kN/m (1.5 m間距); 縱向分布I8#槽鋼10 × 0.08 = 0.8 kN/m (0.6 m間距); 2 mm鋼板6 × (0.002 × 78.6) = 0.943 2 kN/m; 12 mm竹膠板自重6 × (1.2 × 10 000 × 0.9) = 0.648 kN/m, 附加荷載按0.5 kN/m2計, 則附加荷載為0.5 × 6 = 3.0 kN/m2. 合計1= 1.1 + 1.116 + 0.8 + 0.943 2 + 0.648 + 3.0 = 7.65 kN/m; 考慮沖擊系數(shù)[3—4]為1.2, 則= 7.65 × 1.2 = 9.181 kN/m. 式中1為不考慮沖擊作用下的材料總重度;為考慮沖擊作用下的材料總重度.

3 結(jié)構(gòu)驗算

3.1 橫向分布工字鋼梁驗算

橫向分布工字鋼的凈勻布荷載計算. 工字鋼自重0.279 kN/m, 縱向分布I8#槽鋼1.50 × 0.08/0.6 = 0.2 kN/m (0.6 m間距), 2 mm鋼板1.5 × (0.002 × 78.6) = 0.235 8 kN/m, 12 m竹膠板1.5 × (1.2 × 10 000 × 0.9) = 0.162 kN/m, 附加荷載按0.5 kN/m2計算,則附加荷載為0.5 × 1.5 = 0.75 kN/m, 合計2= 0.279 + 0.2 + 0.235 8 + 0.162 + 0.75 = 1.43 kN/m, 運用Midas-civil建立有限元模型, 結(jié)構(gòu)簡化模型[5]如圖2所示, 運行得到的彎矩如圖3所示,簡化結(jié)構(gòu)的剪力如圖4所示.

圖2 結(jié)構(gòu)荷載及模型簡化情況

圖3 Midas-civil簡化結(jié)構(gòu)的彎矩圖

圖4 Midas-civil簡化結(jié)構(gòu)的剪力圖

通過計算, 工字鋼梁的最大正應(yīng)力= 56.38 MPa < [] = 140 MPa, 結(jié)構(gòu)安全.

最大剪應(yīng)力= 5.79 MPa < [] = 85 MPa, 結(jié)構(gòu)安全. 結(jié)構(gòu)撓度情況如圖5所示, 跨中最大撓度為= 2.68 mm < [] = 8/250 mm = 0.032 mm, 滿足要求.

圖5 荷載作用下結(jié)構(gòu)下?lián)锨闆r

3.2 主桁架豎向受力驗算

主梁桁架簡化模型如圖6所示, 運用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識易得到中間節(jié)點位移以及桁架單元最大的拉壓應(yīng)力[6—7].

① 點荷載. 橫梁荷載為0= 10.72 kN, 桁架自重1.1 kN/m, 等效節(jié)點荷載為1.65 kN, 節(jié)點實際荷載為= 10.72 + 1.65 =12.37 kN, 驗算時取為12.4 kN.

②單位節(jié)點荷載作用下內(nèi)力和位移. 中間節(jié)點8位移為4.03 mm, 上下玄桿最大拉壓軸力為拉max= 38.3 kN, 腹桿最大拉壓軸力為壓max= 8.3 kN.

③實際荷載作用下的內(nèi)力和位移. 中間節(jié)點8位移= 4.03 × 12.4 = 50 mm < [] = 21 000/400 = 52.5 mm, 剛度滿足要求.

上下玄桿最大拉壓軸力為壓= 38.3 × 12.4 = 475 kN < [壓] = 40% ×f= 974 kN (約40%屈服), 強度滿足要求. 腹桿最大拉壓軸力為拉= 8.3 × 12.4 = 103 kN < [拉] = 20% ×f= 480 kN (約20%屈服), 強度滿足要求.

上述式中:2為工字鋼的凈重度; []為根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》查得的工字鋼正應(yīng)力設(shè)計值; []為查得的工字鋼剪應(yīng)力設(shè)計值; []為查得的撓度容許值;f為材料的屈服強度.

圖6 主梁桁架結(jié)構(gòu)簡化模型

3.3 鋼管立柱強度驗算

鋼管立柱受到上部結(jié)構(gòu)的荷載主要由工字鋼梁自上而下傳遞過來, 包括自重, 荷載值= 192.2 kN. 該構(gòu)件截面的最大厚度為8 mm, 根據(jù)規(guī)范(GB50017-2003)可知, 其屈服強度= 215 N/mm2, 由GB/T 700—1988和GB/T 1591—1994[8—9]可知, 屈服強度f= 235N/mm2, 取2種規(guī)范中的最小值, 于是允許的屈服強度極限是= 215 N/mm2. 由此可得到鋼管立柱的壓應(yīng)力值=/A= 24.1 N/mm2< 1.00/RE= 215.00 N/mm2, 因此, 鋼管立柱的強度可以滿足要求.

圖7 基礎(chǔ)的截面類型

4 基礎(chǔ)承載計算

反力按240 kN計算, 基礎(chǔ)承載力按120 kPa考慮. 基礎(chǔ)面積= 240/120 = 2.0 m2, 基礎(chǔ)擬采用鋼筋混凝土條形基礎(chǔ), 底面尺寸0.8 m × 10.0 m. 底面積8 m2> 2.0 m2, 因此滿足對基礎(chǔ)承載力的要求. 條形基礎(chǔ)高取500 mm, 底面配筋為8根Φ20(HRB335)縱筋, 頂面配筋為4根Φ20 (HRB335)縱筋. 箍筋采用4肢箍, Φ8@100箍筋. 基礎(chǔ)截面形式如圖7所示.

基礎(chǔ)的幾何特性數(shù)據(jù)為:1= 400 mm,1= 750 mm,1= 1 000 mm,l= 21= 0.8 m,b= 21= 1.5 m, 其中l、b分別為基礎(chǔ)沿、方向的長度.

樁基礎(chǔ)荷載數(shù)據(jù). 豎向荷載= 195.2 kN, 基礎(chǔ)以上土體重量和基礎(chǔ)本身的自重為= 1.35 ×γ×××= 19.44 kN,M=M= 0 kN×m,V=V= 0 kN.

彎矩設(shè)計值為ox=oy=M-V× (1+2) = 0 kN×m, 折減系數(shù)s= 1.35, 其中ox為繞軸的彎矩,oy為繞軸的彎矩.

地基承載能力驗算.k= (k+k)/, 其中:= 1.2 m2,k=/s= 144.59 kN,k=/1.35 = 14.4 kN, 因此,k= (k+k)/= 132.49 kPa >a.

基礎(chǔ)對于抗沖切的驗算. 按照規(guī)范(GB 50007—2002)驗算:F≤0.7hptm0,m= (a+a)/2,F=pA.取方向的抗沖切力為F,方向的抗沖切力為F, 則:

A= 0 m2,F=p×A= 0 kN,a= min{b+ 2 ×0,} = 1.5 m,mx= (a+a)/2 = 0.95.F≤0.7 ×hp×f×mx×0= 764.04 kN, 故方向可以滿足要求.

A= 0 m2,F=p×A= 0 kN,a= min{a+ 2 ×0,} = 0.8 m,my= (a+a)/2 = 0.6.F≤0.7 ×hp×f×my×0= 482.55 kN, 同樣方向可以滿足要求.

5 結(jié)論

綜上所述, 安全防護(hù)棚架在外荷載作用下橫向結(jié)構(gòu)工字鋼梁剛度、穩(wěn)定性安全, 主桁架可以滿足受力要求, 能夠正常承載, 鋼管立柱強度能夠滿足規(guī)范要求. 并且基礎(chǔ)的承載力以及抗沖切能力都能夠滿足規(guī)范設(shè)計要求. 結(jié)構(gòu)整體在考慮外荷載作用下是安全的.

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The design and calculation of safety scaffolding structure across the highway road

HU Ning

(Seventh Engineering, China Railway 19th Bureau Group Co. Ltd, Laibin 530200, China)

Taking a bridgeof structural design in protective scaffolding for example, in accordance with the transmission of structure, the calculation of structure was simplified. With the help of Midas to model the structure, finite element model was built for calculation. The main transverse structuralⅠbeam girder, truss and structural basis of force calculation and structural foundation was introduced in details, meanwhile, punching shear bearing capacity can met the requirements of specification design.

scaffolding; finite element; structural calculation

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.03.014

U 443.5

1672-6146(2014)03-0059-04

email: 649997582@qq.com.

2013-11-26

(責(zé)任編校: 江 河)