李子特，簡(jiǎn) 粵

（1.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州730010；2.蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州730050）

1 概述

遮光棚在高速公路的建設(shè)中具有重要的作用，隨著山區(qū)高速公路隧道的大量出現(xiàn)，特別是公路隧道群的出現(xiàn)，要求光線的強(qiáng)度不能影響司機(jī)的視覺(jué)，主要原因是車(chē)輛突然駛?cè)朊靼到惶娴牡貐^(qū)，如果用強(qiáng)光的照射，司機(jī)在短時(shí)間內(nèi)難以適應(yīng)，這樣容易造成交通事故。在出洞口和入洞口的適當(dāng)范圍內(nèi)駕駛員視線范圍內(nèi)亮度變化因遮光棚的設(shè)計(jì)較為均勻緩和,能夠讓駕駛員在較短的時(shí)間內(nèi)適應(yīng)出洞的光線變化，可以達(dá)到遮光效果，保證行車(chē)的穩(wěn)定性和安全性。

某高速公路兩隧道洞門(mén)之間設(shè)置3～20m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，為消除變光效應(yīng)，以達(dá)到防眩目的、改善行車(chē)視線、提高隧道進(jìn)出口的行車(chē)安全等[1]，在橋梁上增設(shè)了鋼結(jié)構(gòu)棚洞。棚洞主體結(jié)構(gòu)采用鋼縱梁和環(huán)向拱架拼接而成，同時(shí)在環(huán)向拱架間搭接角鋼，成體系后鋪設(shè)綠色耐力遮光板[2]。如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)棚洞橫斷面圖

本文建立了鋼結(jié)構(gòu)棚洞的整體結(jié)構(gòu)有限元模型，考慮了結(jié)構(gòu)承受的各種荷載，進(jìn)行最不利荷載組合，對(duì)所選鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行了靜力驗(yàn)算，同時(shí)對(duì)各連接件進(jìn)行了驗(yàn)算。

2 模型建立

計(jì)算軟件采用MIDAS/Civil有限元程序，建立棚洞結(jié)構(gòu)三維模型，如圖2所示。

圖2 棚洞有限元模型

棚洞縱梁采用 HW414×405/18/28寬翼緣型鋼，橫向間距 12.67m；橫向拱架采用HW175×175/7.5/11寬翼緣型鋼，縱向間距為4m；縱向聯(lián)系采用2L80×50×5不等邊雙角鋼，型鋼及鋼板均為Q235B鋼；錨栓采用M20高強(qiáng)螺栓，性能等級(jí)為10.9級(jí)，預(yù)拉力P=155kn，摩擦面抗滑移系數(shù)≥0.35。

3 計(jì)算荷載

結(jié)構(gòu)自重:鋼材比重78.5kn/m3；

遮光板及附屬構(gòu)件荷載:0.4kn/m2；

基本風(fēng)壓:0.35kn/m2（n=50 年）[3]，持久狀況靜風(fēng)線荷載為1.55kn/m。

基本雪壓:0.2kn/m2（n=50 年）[4]，雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.08kn/m2，同時(shí)按照拱形屋面分布等效成縱向線荷載施加在縱肋上。

溫度荷載：地區(qū)日最高、最低氣溫為46℃、-21℃，結(jié)構(gòu)安裝溫度宜在15～25℃，整體升溫按31℃、整體降溫按-46℃考慮。

荷載組合說(shuō)明：按規(guī)范進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)下主結(jié)構(gòu)構(gòu)件及連接節(jié)點(diǎn)的承載能力驗(yàn)算，及正常使用極限狀態(tài)的變形驗(yàn)算。荷載組合中考慮永久作用:結(jié)構(gòu)重力、裝飾荷載，可變作用:均勻升溫、均勻降溫、風(fēng)荷載、雪荷載[5]。

4 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

按照規(guī)范進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算、正常使用極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)撓度驗(yàn)算及構(gòu)件連接件的強(qiáng)度驗(yàn)算[6]。為消除鋼結(jié)構(gòu)在溫度荷載下約束節(jié)點(diǎn)處的較大反力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中僅對(duì)2號(hào)橋墩處鋼縱梁與基座焊接連接，其它節(jié)點(diǎn)處均采用兩側(cè)設(shè)置限位板、底座設(shè)置四氟滑板支撐的型式，鋼縱梁能夠縱向自由伸縮。如圖3～5所示。

4.1 縱梁和橫向拱架驗(yàn)算

在最不利荷載組合作用下，驗(yàn)算鋼縱梁和型鋼橫向拱架的屈服應(yīng)力極限比，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 1。

圖3 承載能力極限狀態(tài)下鋼縱梁和型鋼橫向拱架主彎矩包絡(luò)圖

圖4 承載能力極限狀態(tài)下鋼縱梁和型鋼橫向拱架主剪力包絡(luò)圖

圖5 承載能力極限狀態(tài)下鋼縱梁和型鋼橫向拱架軸力包絡(luò)圖

表1 承載能力極限狀態(tài)鋼構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果(長(zhǎng)度：m，力：KN，應(yīng)力：MPa)

從表1驗(yàn)算結(jié)果可以看出，在最不利荷載組合作用下鋼縱梁(HW414×405/18/28型鋼)和橫向拱架(HW175×175/7.5/11)的最大組合應(yīng)力比(com值)分別為 0.78、0.87，滿(mǎn)足承載能力極限狀態(tài)的強(qiáng)度要求。

鋼縱梁最大豎向位移為30mm＜L/400=75mm，在制作中跨中預(yù)設(shè)向上30mm的預(yù)拱度，縱向拋物線過(guò)度，在使用狀態(tài)下滿(mǎn)足變形要求。

4.2 型鋼拱肋對(duì)接驗(yàn)算

拱肋采用HW175×175/7.5/11型鋼，通過(guò)拼接鋼板用M20高強(qiáng)螺栓連接，受力性質(zhì)為壓彎型螺栓[7]，設(shè)計(jì)軸力 N=12.93kn，設(shè)計(jì)剪力 V=1.1kn，設(shè)計(jì)彎矩M=31.71kn。如圖6所示。

單個(gè)雙面摩擦型螺栓的抗剪承載力NVb=0.9×2×0.35×155=97.7kn；拼接頭處的彎矩由翼緣和腹板按剛度分配，剪力全部由腹板承擔(dān)。

翼緣板拼接驗(yàn)算

梁和翼緣的毛截面慣性矩分別為：

圖6 型鋼拱肋拼接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖

翼緣分擔(dān)的彎矩為：

翼緣受到的由M1而產(chǎn)生的軸向力為

接頭一側(cè)需要的螺栓數(shù)目為：

同時(shí)參照構(gòu)造、安全儲(chǔ)備及耐久性單側(cè)布置2排各2個(gè)螺栓。

4.3 焊接設(shè)計(jì)

鋼縱梁采用K形坡口對(duì)接焊連接，焊縫質(zhì)量等級(jí)要求為一級(jí)。對(duì)接焊節(jié)點(diǎn)盡量以單跨4分點(diǎn)控制，即布設(shè)在單跨L/4、3L/4位置；環(huán)向拱架與鋼縱梁、新增基座錨固鋼板連接均采用對(duì)接角焊縫，角焊縫焊腳尺寸為6mm。焊縫質(zhì)量等級(jí)要求為一級(jí)；鋼縱梁加勁肋采用對(duì)接焊連接，焊縫質(zhì)量等級(jí)要求為三級(jí)；鋼構(gòu)件擋塊鋼板與座板采用角焊縫手工焊接(圍焊)，焊腳尺寸為5mm，焊縫質(zhì)量等級(jí)要求為三級(jí)。對(duì)于構(gòu)件的焊接連接，焊材強(qiáng)度高于母材，設(shè)計(jì)無(wú)需檢算。

4.4 基座錨栓驗(yàn)算

0號(hào)臺(tái)側(cè)鋼縱梁用M20高強(qiáng)螺栓與新增基座連接，平面2排各4個(gè)共布置8個(gè)，受力性質(zhì)為摩擦性螺栓，由于本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在1、2號(hào)橋墩蓋梁及3號(hào)橋臺(tái)新增基座上設(shè)置四氟滑板釋放縱向位移，故0號(hào)臺(tái)側(cè)M20高強(qiáng)螺栓按構(gòu)造設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足要求[8]。

4.5 鋼構(gòu)件擋塊錨栓驗(yàn)算

鋼構(gòu)件擋塊錨栓采用M20高強(qiáng)螺栓，平面2排各3個(gè)共布置6個(gè)，受力性質(zhì)為摩擦性螺栓，單個(gè)M20高強(qiáng)螺栓單面摩擦抗剪承載力為0.9×1×0.35×155=48.8kn，設(shè)計(jì)承載力為 81.4kn，滿(mǎn)足受力要求，同時(shí)考慮到鋼構(gòu)件擋塊的永久性作用，故按加強(qiáng)構(gòu)造設(shè)計(jì)布置螺栓。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鋼縱梁和型鋼橫向拱架承載能力驗(yàn)算，最大組合應(yīng)力比分別為0.78、0.87，鋼構(gòu)件選型滿(mǎn)足承載能力極限狀態(tài)的強(qiáng)度要求，且有一定的安全儲(chǔ)備。正常使用狀態(tài)跨中最大下?lián)蠟?0mm，通過(guò)設(shè)置向上30mm的制作預(yù)拱度，能夠滿(mǎn)足正常使用狀態(tài)構(gòu)件的撓度要求。通過(guò)對(duì)鋼縱梁對(duì)接焊連接、橫向拱架與鋼縱梁和基座錨固鋼板對(duì)接角焊縫連接、環(huán)向拱架高強(qiáng)螺栓連接、加勁肋與鋼縱梁對(duì)接焊連接、基座錨栓及鋼構(gòu)件擋塊錨栓連接進(jìn)行驗(yàn)算，能夠滿(mǎn)足承載能力的要求。