跨国道施工防护棚架设计

周希翔 黄继广

（中交四航局珠海工程有限公司）

0 前言

国内高速公路快速发展，公路之间的相互交错不可避免，在既有道路上方建设施工会对原有道路的交通造成很大的影响，如不能较好的设计防护结构，跨路施工将存在较大的安全风险，因此对于此类工程保证施工、交通的安全稳定就极为重要了[2]。保证施工的安全、道路交通的顺畅成为跨路施工的重点、难点。国内基本上都对跨路施工设计安全防护棚架进行探讨及研究。本文以杨梅G323 跨线桥跨国道施工的防护棚架设计为研究对象进行论述。

1 工程概况

杨梅G323 跨线桥位于广东清远连州市西江镇耙田村境内，为广连高速公路主线跨越国道G323 而建设，桥梁两侧与路基相连，交通便利。G323 国道现状路基宽10.5m，路面为混凝土结构。在跨线处设置防护棚架，以防止高空坠物，保障安全。该防护棚架限高5m，跨度10.5m。（见图1）

图1 杨梅G323 跨线桥平面布置图

2 防护通道结构体系设计

防护棚架采用单跨门洞结构，基础采用C30 钢筋混凝土条形基础，基础宽0.5m，高0.4m，放置道路两侧路肩上，基础分段浇筑，每段长度不超过10m，基础顶按立柱位置预埋20cm×20cm×2cm 钢板，每片基础预埋钢板下焊接2@Ф20，40+40+40mm 门型锚固钢筋[3]；钢管立柱采用Ф200mm（壁厚6mm）钢管，间距2.5m，高度4.7m，钢管在柱端头加焊45×45×2cm 中空钢板；立柱顶采用22a 工字钢作为主梁；主梁上架设10 槽钢作为分配梁；每根长9m，分布梁纵向设置，采用[10 槽钢，间距1m；次分布梁上铺设2mm 厚钢板。支架系统布置如图2、图3。

3 结构验算

采用钢结构型号：本结构设计全部采用Q345 钢材。

钢材容许应力：[σ]=210MPa。

Q345 钢材弹性模量：E=2.06×105MPa。

风荷载强度Wk=K1×K2×K3×W0

K1——风载体形系数，取1.4（架空管道的密拍多管型）；

K2——风压高度变化系数，取1.0（乡村丛林类，离地5m）；

K3——地形、地理条件系数，取1.0；

W0——基本风压，取0.35kN/m2。

风荷载强度：

冲击荷载：高空坠物：

由于棚架主要防护作用，承受荷载为边坡在施工中可能掉落在棚架上的小部件，为了安全起见，考虑有（100kg）物体从正在施工的桥上掉下来，跌落点距棚架顶面的竖向距离以30m 计算，（g 取10）。

50kg 物件重量P=100×10/1000=1kN。冲击时间为0.5S。

3.1 纵梁[10 槽钢受力检算

图2 杨梅G323 跨线桥防护棚正面图

图3 杨梅G323 跨线桥防护棚侧面图

查《热轧型钢》得[10 槽钢截面面积12.748cm2，腹板厚度8.5mm，每延米重10.007kg/m，抗弯惯性矩198cm4，弯曲截面模量39.7cm3，半截面的面积矩25.6cm3[4]。纵梁采用[10 槽钢，因钢立柱间距离为4.5m，故按4.5m 跨度简支梁计算，其所受均布荷载为钢板自重、风荷载；所受集中荷载设定为高空坠落物冲击力F=5kN，作用于最不利位置，即跨中。

图4

由钢板自重、风荷载作用于单根纵梁[10 槽钢的均布荷载：（7.85×1×1×0.002×10）+0.42=0.557kN/m。

[10 槽钢自重：10.007×10/1000=0.1kN/m

由结构力学计算得[5]：

均布荷载产生在跨中的最大弯矩：

均布荷载产生在支点的最大剪力：

集中力产生在跨中的最大弯矩：

集中力产生在支点的最大剪力：Q集=F=5kN；（冲击力作用于支点附近时）

故：ΣMmax=M均+M集=1.72+5.625=7.345kN·m

3.2 横梁I22a 工字钢受力计算

查《热轧型钢》得I22a 工字钢截面面积42.0cm2，每延米重33.070kg/m，腹板厚度12.3mm，抗弯惯矩3406cm4，弯曲截面模量309.6cm3，半截面的面积矩177.7cm3[4]。按主跨10.5m、两侧悬臂长度分别为2.5m、0.5m 简支梁计算，其所受均布荷载为钢板自重、风荷载、纵向[10 槽钢自重和偶然性荷载为高空坠落物冲击力F=5kN。

图5

由钢板自重、风荷载、纵向[10 槽钢自重作用于单根纵梁工字钢的均布荷载：（7.85×4.5×1×0.002×10）+0.42×4.5+（15×4.5×10.07×10）/（1000×13.5）=0.707+1.89+0.5035=3.10kN/m。

由弯矩平衡条件得出支座反力：

同理可得F3=21.25kN

由叠加法得出：

3.3 φ200 钢管立柱检算

钢管立柱受到结构的荷载主要由I22a 工字钢自上而下传递过来，包括自重、集中力、风荷载，每根立柱承受13.5×4.5 平方米所有荷载，荷载值=钢板自重+风荷载+[10 槽钢自重+I22a 工字钢自重+4.7 米高φ200钢 管 自 重( 钢 管 重 量（公 斤）=0.02466 × 壁 厚×（外径－壁厚）×长度)=（7.85×13.5×4.5×0.002×10）+0.42 ×13.5 ×4.5+ （15 ×4.5 ×10.07 ×10）/1000+13.5×33.07×10/1000+ (0.02466×6×（200－6）×4.7）×10/1000=9.477+25.515+6.79+4.46+6.54=52.78kN。

钢管底部焊接20×20×2cm 钢板增加受力面积，与基础接触面积=0.04m2，钢管底部压强=52.78/0.04=1319.5kN/m2=1.319N/mm2。

该构件截面的最大厚度为6mm，根据规范《钢结构设计规范》（GB50017－2017） 可知，其屈服强度f=215N/mm2，允许屈服强度的极限是215N/mm2由此可得到钢管立柱的压应力值[6]=N/An=1.319N/mm2＜1.00fl)′RE=215N/mm2。因此，钢管立柱的强度可以满足要求。

3.4 C30 混凝土基础

钢管柱地基处理方式为：基础宽0.5m，高0.4m。

C30 混凝土的承载力为30N/mm2荷载，钢管底部压强=52.78/0.04=1319.5kN/m2=1.319N/mm2，远小于30，故硬化混凝土满足要求。故C30 完全满足竖向承重能力结构稳定、可靠的。

3.5 地基处理方法

由于跨国道部分的桥区覆盖层主要为耕植土。在桥区进行下部构造施工时会对国道两侧路肩造成污染，因此对地基处理前需清理国道两侧路肩的杂物、浮土、淤泥等。将杂物、浮土、淤泥清理完后，按设计要求开挖出条形基础基坑，检测地基承载力合格后，再在上面浇筑宽0.5m，高0.4m 条形基础。为防止基础受雨水浸泡，避免产生支架的不均匀沉降，故对条形基础两侧进行排水沟设计，设计坡度应与国道纵坡相一致。

4 结论

本文通过对跨国道防护棚架的设计要点及步骤做出详细的阐述，跨国道的安全防护棚架在外荷载作用下横向结构工字钢的刚度、稳定性满足要求，保证了结构的安全[7]。通过计算主桁架也满足受力要求，能够正常承载，钢立柱的稳定性及抗弯剪上也满足了设计及施工要求，从而保证施工对国道交通的影响降到最低，既保证了交通的便利，也为施工及交通提供了安全保障，希望能给以后类似工程提供相关借鉴。