楊 晨, 周 京, 黃 征， 徐聯(lián)祺， 陳浩然

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410200)

0 前言

ETC門(mén)架系統(tǒng)是取消省界高速公路收費(fèi)站實(shí)現(xiàn)不停車(chē)電子收費(fèi)的重要設(shè)施，湖南省共有1 144套門(mén)架，要實(shí)現(xiàn)2019年底前基本取消全國(guó)高速公路省界收費(fèi)站，時(shí)間緊，任務(wù)重，對(duì)ETC門(mén)架結(jié)構(gòu)及施工過(guò)程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究十分重要。

1 ETC門(mén)架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化

ETC門(mén)架主要用于安裝5.8 G天線、高清車(chē)牌識(shí)別攝像機(jī)、同步補(bǔ)光單元、監(jiān)控?cái)z像機(jī)等前端設(shè)備，須設(shè)置專(zhuān)用檢修通道，以滿足后期檢修維護(hù)的需要。

為提高ETC門(mén)架生產(chǎn)效率，確保土建基礎(chǔ)施工與門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)能夠同步推進(jìn)，門(mén)架鋼結(jié)構(gòu)按照標(biāo)準(zhǔn)車(chē)道類(lèi)型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和制作為主，特殊跨徑和橋梁段則通過(guò)補(bǔ)充設(shè)計(jì)進(jìn)行定制。

根據(jù)《高速公路ETC門(mén)架系統(tǒng)技術(shù)要求》[1]中龍門(mén)架結(jié)構(gòu)要求，湖南省取消高速公路省界收費(fèi)站項(xiàng)目ETC門(mén)架系統(tǒng)采用桁架式結(jié)構(gòu)門(mén)架，所有構(gòu)件均宜采用閉口截面。桁架下弦桿中心距離路面最高點(diǎn)間的高度不小于6.0 m；桁架宜滿足人員檢修通行需要，其前后弦管中心寬度為1.0 m，上下弦管中心高度為1.8 m；欄桿高度不小于1.2 m[2]。

由于ETC門(mén)架數(shù)量多、工期緊，綜合考慮門(mén)架結(jié)構(gòu)的功能適用性、結(jié)構(gòu)安全性、施工方便性等因素，在交通運(yùn)輸部推薦方案(以下簡(jiǎn)稱(chēng)推薦方案)的基礎(chǔ)上對(duì)門(mén)架結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化，優(yōu)化方案示意見(jiàn)圖1。

圖1 路基ETC門(mén)架結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化示意圖(單位：mm)

1) 頂部桁架檢修通道寬度參考可選區(qū)間為1～1.5 m,優(yōu)化設(shè)計(jì)將部推薦方案的1.5 m改為1 m。

2) 基礎(chǔ)長(zhǎng)度參考可選區(qū)間為3～3.5 m，優(yōu)化設(shè)計(jì)將推薦方案的3.5 m改為3 m(路側(cè))和2.8 m(中分帶)。

3) 中分帶埋深由部推薦方案的2.4 m改為1.2m。

以四車(chē)道門(mén)架為例進(jìn)行計(jì)算，采用Midas2019對(duì)優(yōu)化后的ETC門(mén)架進(jìn)行計(jì)算，模型及荷載如圖2所示，其中所有桿件均采用梁?jiǎn)卧M；桁架與立柱采用法蘭盤(pán)連接，結(jié)構(gòu)中按照固接模擬；桁架弦桿之間采用焊接，結(jié)構(gòu)中按照固接模擬;柱底固結(jié)。四車(chē)道門(mén)架模型劃分單元552個(gè)，節(jié)點(diǎn)386個(gè)。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示，可以看出最大拉應(yīng)力為11.1 MPa，最大壓應(yīng)力為12.2 MPa，小于Q235強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215 MPa。位移計(jì)算結(jié)果如圖4所示，可以看出最大豎向位移為1.1 mm，橫向位移為1.6 mm，均小于l/400=35.0mm。

a) 門(mén)架模型

b) 門(mén)架荷載圖2 四車(chē)道門(mén)架模型及荷載(單位： kN /m)

圖3 四車(chē)道門(mén)架應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(單位： MPa)

圖4 四車(chē)道門(mén)架位移計(jì)算結(jié)果(單位： mm)

整體結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)如圖5所示，一階屈曲系數(shù)(臨界荷載系數(shù))為271，柱斜腹桿失穩(wěn)，考慮失穩(wěn)時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力已遠(yuǎn)超結(jié)構(gòu)鋼材強(qiáng)度，表明該結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度破壞前不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖5 四軸門(mén)架一階屈曲模態(tài)

進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算，支反力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

a) 支反力-集中力(單位： kN)

b) 支反力-彎矩(單位： kN/m)圖6 四車(chē)道門(mén)架支座反力

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：混凝土基礎(chǔ)頂部位置受向下及向上集中荷載可分別近似取54 kN和9.3 kN，水平方向近似取3.7 kN和3.4 kN，附加彎矩8.0 kN/m。

中分帶側(cè)基礎(chǔ)底座2.8 m×1.5 m×1.2 m(長(zhǎng)×寬×高)。根據(jù)規(guī)范《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)中4.4.1及4.4.3條計(jì)算：

0.282 m。

路側(cè)基礎(chǔ)底座3.0 m×1.6 m×2.4 m(長(zhǎng)×寬×高)。根據(jù)規(guī)范《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)中4.4.1及4.4.3條計(jì)算：

0.203 m。

經(jīng)計(jì)算，四車(chē)道門(mén)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性以及基礎(chǔ)的抗傾覆能力均滿足要求。

對(duì)于六車(chē)道門(mén)架，采用同樣方式計(jì)算，得到門(mén)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、整體穩(wěn)定性以及基礎(chǔ)的抗傾覆能力均滿足要求。

2 ETC門(mén)架施工標(biāo)準(zhǔn)化

要保質(zhì)保量如期完成ETC門(mén)架系統(tǒng)建設(shè)，現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)混凝土澆注是重點(diǎn)。該項(xiàng)工作點(diǎn)多線長(zhǎng)，且混凝土硬化需要時(shí)間。在澆筑門(mén)架基礎(chǔ)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)控制基礎(chǔ)之間的間距、中心軸線和基礎(chǔ)的標(biāo)高，2個(gè)基礎(chǔ)之間稍微出現(xiàn)偏差，將會(huì)導(dǎo)致門(mén)架橫梁無(wú)法安裝，針對(duì)影響總體質(zhì)量的關(guān)鍵之處，采取如下措施：

1) 中分帶基礎(chǔ)與路側(cè)基礎(chǔ)的中心跨度嚴(yán)格按門(mén)架施工方提供的跨度數(shù)據(jù)控制。門(mén)架基礎(chǔ)施工時(shí)應(yīng)首先按要求固定路中基礎(chǔ)法蘭盤(pán)(見(jiàn)圖7)，法蘭軸線與基礎(chǔ)軸線盡量重合，基礎(chǔ)采用明挖法施工，基底先整平、夯實(shí)，控制好標(biāo)高?；A(chǔ)澆搗后，表面以水泥沙漿抹平，修整。施工完畢，基礎(chǔ)分層回填夯實(shí)，夯實(shí)度與路基相同。

圖7 路中基礎(chǔ)定位圖

2) 路側(cè)基礎(chǔ)法蘭標(biāo)高確定采用對(duì)角線法，路側(cè)基礎(chǔ)的法蘭上表面以中分帶基礎(chǔ)的法蘭上表面為基準(zhǔn)標(biāo)高，相對(duì)中分帶基礎(chǔ)的法蘭上表面標(biāo)高允許偏差為±20 mm，如圖8所示，對(duì)角線1與對(duì)角線2的差值應(yīng)控制在±20 mm之內(nèi)。路側(cè)基礎(chǔ)法蘭縱軸線與基礎(chǔ)縱軸線可以不重合，但間距應(yīng)控制在±200 mm之內(nèi)。基礎(chǔ)橫軸線與法蘭橫軸線盡量重合。以中分帶基礎(chǔ)的法蘭縱向軸心線為基準(zhǔn)，路側(cè)基礎(chǔ)縱向軸心線相對(duì)中分帶基礎(chǔ)的法蘭縱向軸心線位置允許偏差±30 mm。

圖8 路側(cè)基礎(chǔ)定位圖

不同高速公路路基寬度不同，門(mén)架跨徑也不同，不同門(mén)架跨徑控制路側(cè)法蘭表面標(biāo)高的對(duì)角線長(zhǎng)如圖9所示。

圖9 不同路基寬度基礎(chǔ)定位圖(單位： mm)

3 施工期間交通組織標(biāo)準(zhǔn)化

ETC門(mén)架施工期間交通組織采用“邊通車(chē)、邊施工”模式實(shí)施，一方面保證道路上車(chē)輛的安全暢通，另一方面可保障施工進(jìn)度。為此，交通組織應(yīng)以科學(xué)性與可操作性、普遍性與特殊性為指導(dǎo)原則，在保證車(chē)輛安全暢行的情況下，滿足施工進(jìn)度要求，最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的最大化[3]。

根據(jù)施工組織方案，新建ETC門(mén)架系統(tǒng)施工包含路側(cè)施工、中分帶施工、全斷面施工3個(gè)工序，分3個(gè)階段進(jìn)行交通組織。

1) 第1階段：封閉外側(cè)車(chē)道及硬路肩，僅內(nèi)側(cè)車(chē)道通行。該階段包括路側(cè)基礎(chǔ)施工、路側(cè)門(mén)架立柱安裝和門(mén)架立柱防護(hù)護(hù)欄施工，施工采用養(yǎng)護(hù)作業(yè)四車(chē)道高速公路外側(cè)施工方式進(jìn)行交通組織。

2) 第2階段：封閉內(nèi)側(cè)車(chē)道，僅外側(cè)車(chē)道通行。由于兩幅門(mén)架間隔較近，本階段兩幅內(nèi)側(cè)車(chē)道同時(shí)封閉、同時(shí)施工，包括中分帶基礎(chǔ)施工、中分帶門(mén)架立柱安裝和門(mén)架中立柱防護(hù)護(hù)欄施工，施工采用養(yǎng)護(hù)作業(yè)四車(chē)道內(nèi)側(cè)施工方式進(jìn)行交通組織。

3) 第3階段：橫梁吊裝施工，門(mén)架橫梁吊裝安裝時(shí)需全斷面短時(shí)封閉交通。對(duì)于交通量較小的路段，可采取臨時(shí)封閉主線交通的交通組織方式；對(duì)于交通量較大的路段，應(yīng)采取互通提前分流+臨時(shí)封閉主線交通的交通組織方式，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)，分析改擴(kuò)建高速公路車(chē)輛的運(yùn)行軌跡，確定車(chē)流來(lái)源，在發(fā)生交通阻塞時(shí)，關(guān)閉部分進(jìn)口匝道，降低車(chē)流進(jìn)入施工路段的速度，同時(shí)加強(qiáng)誘導(dǎo)，使車(chē)流快速消散。橫梁吊裝施工時(shí)，宜將同一路段內(nèi)的多個(gè)門(mén)架在同一時(shí)段內(nèi)同時(shí)進(jìn)行施工，避免施工對(duì)交通的頻繁不利影響。

4 結(jié)語(yǔ)

建立高速公路ETC門(mén)架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電子不停車(chē)快捷收費(fèi)，是對(duì)高速公路收費(fèi)模式的重新構(gòu)建，標(biāo)志著自由流收費(fèi)系統(tǒng)時(shí)代即將來(lái)臨。ETC門(mén)架的標(biāo)準(zhǔn)化研究能切實(shí)指導(dǎo)施工，節(jié)省時(shí)間和材料，保障施工進(jìn)度，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。