跨高速公路安全防护棚架结构设计及验算

胡 宁



跨高速公路安全防护棚架结构设计及验算

胡 宁*

(中铁十九局集团 第七工程有限公司,广西 来宾, 546100)

以某特大桥安全防护棚架结构设计为例, 按照结构的传力情况对结构进行了简化计算, 并运用Midas建立有限元模型对结构进行了建模验算. 详细介绍了横向结构工字钢梁、主桁架和结构基础受力情况的验算方法. 验算结果表明: 结构基础的承载力和抗冲切能力满足规范设计要求.

防护棚架; 有限元; 结构计算

1 工程概况

那迓坡左线特大桥全长为1 874.8 m, 为21 × 32 m + (32 m + 48 m + 32 m)连续梁+ 7 × 32 m + (40 m + 60 m + 40 m)连续梁+ 5 × 32 m + (16 × 32 m双线)特大桥, 共计55跨, 56个墩台, 277根桩基; 那迓坡右线特大桥全长551.7 m, 为6 × 32 m + (48 m + 60 m + 48 m)连续梁+ 2 × 24 m + 4 × 32 m特大桥, 共计15个墩台, 15跨, 73根桩基. 为尽量减小安全通道对既有高速公路的影响, 拟采用单幅车道单跨门洞结构. 棚架结构立面如图1所示.

图1 棚架结构立面图

2 结构体系

单跨长21 m, 两联2 × 21 = 42 m. 立柱采用Φ600 mm(壁厚5 mm)焊接钢管, 基础采用钢筋混凝土条形, 长10 m, 宽0.8 m. 基础直接放置在路肩和隔离带边的路上. 主跨承载结构采用2片高1 m的桁架, 间距8 m. 横向分布采用I20a工字钢, 间隔1.5 m, 次分配梁(纵向)采用I8#槽钢, 间距60 cm. 顶面满铺2 mm钢板, 再在其上满铺12 mm竹胶板.

由于结构采用2片桁架做主受力结构, 每片桁架受力一样, 因此只要计算一片桁架. 主桁架采用平行玄桁架, 上下玄杆采用I32a槽钢. 腹杆采用2∠80×8角钢[1—2]. 桁架自重按1.1 kN/m, 竹胶板按0.9 g/cm3, I20a工字钢按0.279 kN/m计算. 桁架的净匀布荷载计算如下.

桁架自重1.1 kN/m, 横向分布工字钢6 × 0.279/1.5 = 1.116 kN/m (1.5 m间距); 纵向分布I8#槽钢10 × 0.08 = 0.8 kN/m (0.6 m间距); 2 mm钢板6 × (0.002 × 78.6) = 0.943 2 kN/m; 12 mm竹胶板自重6 × (1.2 × 10 000 × 0.9) = 0.648 kN/m, 附加荷载按0.5 kN/m2计, 则附加荷载为0.5 × 6 = 3.0 kN/m2. 合计1= 1.1 + 1.116 + 0.8 + 0.943 2 + 0.648 + 3.0 = 7.65 kN/m; 考虑冲击系数[3—4]为1.2, 则= 7.65 × 1.2 = 9.181 kN/m. 式中1为不考虑冲击作用下的材料总重度;为考虑冲击作用下的材料总重度.

3 结构验算

3.1 横向分布工字钢梁验算

横向分布工字钢的净匀布荷载计算. 工字钢自重0.279 kN/m, 纵向分布I8#槽钢1.50 × 0.08/0.6 = 0.2 kN/m (0.6 m间距), 2 mm钢板1.5 × (0.002 × 78.6) = 0.235 8 kN/m, 12 m竹胶板1.5 × (1.2 × 10 000 × 0.9) = 0.162 kN/m, 附加荷载按0.5 kN/m2计算,则附加荷载为0.5 × 1.5 = 0.75 kN/m, 合计2= 0.279 + 0.2 + 0.235 8 + 0.162 + 0.75 = 1.43 kN/m, 运用Midas-civil建立有限元模型, 结构简化模型[5]如图2所示, 运行得到的弯矩如图3所示,简化结构的剪力如图4所示.

图2 结构荷载及模型简化情况

图3 Midas-civil简化结构的弯矩图

图4 Midas-civil简化结构的剪力图

通过计算, 工字钢梁的最大正应力= 56.38 MPa < [] = 140 MPa, 结构安全.

最大剪应力= 5.79 MPa < [] = 85 MPa, 结构安全. 结构挠度情况如图5所示, 跨中最大挠度为= 2.68 mm < [] = 8/250 mm = 0.032 mm, 满足要求.

图5 荷载作用下结构下挠情况

3.2 主桁架竖向受力验算

主梁桁架简化模型如图6所示, 运用结构力学知识易得到中间节点位移以及桁架单元最大的拉压应力[6—7].

① 点荷载. 横梁荷载为0= 10.72 kN, 桁架自重1.1 kN/m, 等效节点荷载为1.65 kN, 节点实际荷载为= 10.72 + 1.65 =12.37 kN, 验算时取为12.4 kN.

②单位节点荷载作用下内力和位移. 中间节点8位移为4.03 mm, 上下玄杆最大拉压轴力为拉max= 38.3 kN, 腹杆最大拉压轴力为压max= 8.3 kN.

③实际荷载作用下的内力和位移. 中间节点8位移= 4.03 × 12.4 = 50 mm < [] = 21 000/400 = 52.5 mm, 刚度满足要求.

上下玄杆最大拉压轴力为压= 38.3 × 12.4 = 475 kN < [压] = 40% ×f= 974 kN (约40%屈服), 强度满足要求. 腹杆最大拉压轴力为拉= 8.3 × 12.4 = 103 kN < [拉] = 20% ×f= 480 kN (约20%屈服), 强度满足要求.

上述式中:2为工字钢的净重度; []为根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》查得的工字钢正应力设计值; []为查得的工字钢剪应力设计值; []为查得的挠度容许值;f为材料的屈服强度.

图6 主梁桁架结构简化模型

3.3 钢管立柱强度验算

钢管立柱受到上部结构的荷载主要由工字钢梁自上而下传递过来, 包括自重, 荷载值= 192.2 kN. 该构件截面的最大厚度为8 mm, 根据规范(GB50017-2003)可知, 其屈服强度= 215 N/mm2, 由GB/T 700—1988和GB/T 1591—1994[8—9]可知, 屈服强度f= 235N/mm2, 取2种规范中的最小值, 于是允许的屈服强度极限是= 215 N/mm2. 由此可得到钢管立柱的压应力值=/A= 24.1 N/mm2< 1.00/RE= 215.00 N/mm2, 因此, 钢管立柱的强度可以满足要求.

图7 基础的截面类型

4 基础承载计算

反力按240 kN计算, 基础承载力按120 kPa考虑. 基础面积= 240/120 = 2.0 m2, 基础拟采用钢筋混凝土条形基础, 底面尺寸0.8 m × 10.0 m. 底面积8 m2> 2.0 m2, 因此满足对基础承载力的要求. 条形基础高取500 mm, 底面配筋为8根Φ20(HRB335)纵筋, 顶面配筋为4根Φ20 (HRB335)纵筋. 箍筋采用4肢箍, Φ8@100箍筋. 基础截面形式如图7所示.

基础的几何特性数据为:1= 400 mm,1= 750 mm,1= 1 000 mm,l= 21= 0.8 m,b= 21= 1.5 m, 其中l、b分别为基础沿、方向的长度.

桩基础荷载数据. 竖向荷载= 195.2 kN, 基础以上土体重量和基础本身的自重为= 1.35 ×γ×××= 19.44 kN,M=M= 0 kN×m,V=V= 0 kN.

弯矩设计值为ox=oy=M-V× (1+2) = 0 kN×m, 折减系数s= 1.35, 其中ox为绕轴的弯矩,oy为绕轴的弯矩.

地基承载能力验算.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.

基础对于抗冲切的验算. 按照规范(GB 50007—2002)验算:F≤0.7hptm0,m= (a+a)/2,F=pA.取方向的抗冲切力为F,方向的抗冲切力为F, 则:

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, 故方向可以满足要求.

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, 同样方向可以满足要求.

5 结论

综上所述, 安全防护棚架在外荷载作用下横向结构工字钢梁刚度、稳定性安全, 主桁架可以满足受力要求, 能够正常承载, 钢管立柱强度能够满足规范要求. 并且基础的承载力以及抗冲切能力都能够满足规范设计要求. 结构整体在考虑外荷载作用下是安全的.

[1] 包世华. 结构力学[M]. 武汉: 武汉理工大学出版社, 2009.

[2] 种博肖. 北时速350 km高速铁路(56 + 2 × 104 + 56) m连续刚构设计[J]. 铁道建筑技术, 2011(增): 55—59.

[3] 张坚榕. 磊口大桥预应力砼连续刚构设计[J]. 科技资讯, 2007(16): 38—39.

[4] 党相勇. 顺河高架桥大跨度盖梁无落地支架施工技术[J]. 工程建设与设计, 2007(10): 84—87.

[5] 徐建强. 江边电站挖金沟2号贝雷梁便桥的结构设计与索吊架设技术[J]. 铁道建筑技术, 2009(3): 9—12.

[6] 黄燕斌. 隧道敞开段的结构验算与分析[J]. 山西建筑, 2008, 34(13): 326—327.

[7] 武振国, 常翔, 叶飞. 盾构隧道结构设计模型综述[J]. 隧道建设, 2008, 28(2): 182—185.

[8] 李艳. 声屏障设计中的结构验算[J]. 噪声与振动控制, 2007(3): 97—99.

[9] 刘凤奎, 徐若昌. 对《桥规》第五、六章中若干条文的看法[J]. 铁道标准设计, 1989(5): 32—35.

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

(责任编校: 江 河)