高架工程門洞的方案設計優(yōu)化

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[摘要]門洞方案設計不合理，既容易發(fā)生安全事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失，也可能會導致造價過高。為了平衡造價控制與安全需求，文章結(jié)合某高架工程，進行了門洞方案優(yōu)化與安全分析，以期對今后的門洞方案設計起到借鑒作用。

[關鍵詞]門洞設計；安全性分析；方案優(yōu)化；造價控制

設置門洞是高速公路、鐵路、市政工程跨線橋梁現(xiàn)澆常見、常用的施工方案。如果設計方案不能滿足安全需要，會造成門洞部分或整體坍塌，導致重大人員傷亡事故和重大經(jīng)濟損失。例如：2011年12月19日重慶某工地土建工程門型墩蓋梁模板鋼管支撐架發(fā)生坍塌，造成9人死亡，6人受傷。由于當前部分施工方案編制與審核人員缺乏專業(yè)設計與驗算技能，或者導致部分工程達不到安全技術要求而造成安全事故隱患，或者盲目加大支撐構(gòu)件尺寸、縮小構(gòu)件間距、提高構(gòu)件強度等級，導致安全系數(shù)過高，增加成本，造成浪費。為了兼顧經(jīng)濟效益與安全需求，本文對某高架工程門洞設計方案進行了安全驗算并對方案優(yōu)化進行了初步探討，為施工方案提供優(yōu)化思路。

1門洞施工方案介紹

該工程為某市區(qū)高架橋，上部結(jié)構(gòu)為40m現(xiàn)澆箱梁，梁高2.2m，橋面寬24.7m，橋底寬15.5m。鋼筋混凝土自重G1k與模板自重G2k合計34.2kN/m2。門洞支護采用Q345工字鋼（I40a型）+Q235空心鋼管柱結(jié)構(gòu)。鋼管柱高5m，直徑1.8m，厚0.01m，柱與柱間橫橋向軸心距3m，橫橋向一行5根，縱橋向軸心距5.5m，共5列，每根鋼管柱頂部布置10根工字鋼，門洞外側(cè)采用碗扣式腳手架支撐。鋼管柱下設0.6m高C30混凝土條形基礎，如圖1所示。工字鋼、鋼管柱部分力學性能參數(shù)。參考《建筑施工模板安全技術規(guī)范JGJ162-2008》[1]、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012》[2]（本文以后分別簡稱“模板規(guī)范”、“荷載規(guī)范”）并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，取施工人員及設備荷載標準值Q1k、振搗混凝土產(chǎn)生的荷載標準值Q2k、傾倒混凝土時對垂直面模板產(chǎn)生的水平荷載標準值Q3k、風荷載標準值Q4k分別為2.5kN/m2、2kN/m2、2kN/m2、0.4kN/m2。

2門洞方案驗算與優(yōu)化

本文以模板規(guī)范、《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范GB50017-2003》[3]（本文以后簡稱“鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范”）、《建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規(guī)范JGJ166-2016》[4]（本文以后簡稱“腳手架規(guī)范”）的相關條文以及材料力學、結(jié)構(gòu)力學相關公式為依據(jù)進行門洞方案安全性驗算。腳手架規(guī)范規(guī)定：當模板支撐架設置門洞時，門洞轉(zhuǎn)換橫梁的受彎和受剪承載力、穩(wěn)定性和撓曲變形驗算應符合鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范規(guī)定），因為腳手架規(guī)范相關規(guī)定、計算結(jié)果與模板規(guī)范基本一致，因此，本文僅按照模板規(guī)范和鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范進行驗算。本文計算所涉及所有參數(shù)都按照規(guī)范取值。2.1公式、參數(shù)介紹模板規(guī)范4.3.1節(jié)《荷載組合》一節(jié)摘抄如下：按極限狀態(tài)設計時，其荷載組合必須符合下列規(guī)定：（1）對于承載能力極限狀態(tài)，應按荷載效應的基本組合采用，并應采用下列設計表達式進行模板設計：r0S≤R（4.3.1-1）式中：r0─結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，其值按0.9采用；S─荷載效應組合的設計值；R─結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設計值，應按各有關建筑結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的規(guī)定確定。（2）對于基本組合，荷載效應組合的設計值S應從下列組合值中取最不利值確定：①由可變荷載效應控制的組合：S=rG∑Gik+rQ1Q1k（4.3.1-2）S=rG∑Gik+0.9∑rQiQik（4.3.1-3）式中rG─永久荷載分項系數(shù)，按模板規(guī)范表4.2.3取1.35；rQi─第i個可變荷載的分項系數(shù)，其中rQi為可變荷載Q1的分項系數(shù)，按表4.2.3取1.4；Gik─按永久荷載標準值Gk計算的荷載效應值；Qik─按可變荷載標準值計算的荷載效應值，其中Qik為諸可變荷載效應中起控制作用者；n─參與組合的可變荷載數(shù)。②由永久荷載效應控制的組合：S=rG∑Gik+0.7∑rQiQik（4.3.1-4）注：基本組合中的設計值僅適用于荷載與荷載效應為線性的情況；當對Qik無明顯判斷時，輪次以各可變荷載效應為Qik，選其中最不利的荷載效應組合；當考慮以豎向的永久荷載效應控制的組合時，參與組合的可變荷載僅限于豎向荷載。（2）對于正常使用極限狀態(tài)應采用標準組合，并應按下列設計表達式進行設計：S≤C（4.3.1-5）式中：C─結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到正常使用要求的規(guī)定限值，應符合本規(guī)范第4.4節(jié)各條款中有關變形值的規(guī)定。對于標準組合，荷載效應組合設計值S應按下式采用：S≤∑Gik（4.3.1-6）本文中所涉及的結(jié)構(gòu)力學公式如下：M工字鋼=q極限L4/8（1）式中q極限為承載能力極限狀態(tài)下工字鋼每延米豎向均布荷載值，q極限=0.9S，S計算方法見上文摘錄的模板規(guī)范4.3.1節(jié)公式4.3.1-2~4.3.1-4。Τ≈Q/h1d（2）式中，T表示承載能力極限狀態(tài)下工字鋼截面所受剪應力。Q表示工字鋼橫截面上的剪力，Q=0.9S，計算過程參考q極限，h1為腹板高度，d為腹板厚度。對I40a而言，h1=0.367m，d=0.0105m。W工字鋼=5q標準L4/（384EI工字鋼）（3）式中W工字鋼為正常使用極限狀態(tài)下工字鋼跨中撓度；q標準為正常使用極限狀態(tài)下工字鋼每延米豎向均布荷載值，q標準=0.9S，S計算方法見上文摘錄的模板規(guī)范公式4.3.1-6，對比4.3.1-2~4.3.1-6可知，q標準<q極限，為了提高計算結(jié)果安全度，本文取q標準=q極限，計算方法見結(jié)構(gòu)力學公式（1）說明。E為鋼材彈性模量。N鋼管柱=Φσ鋼管柱A鋼管柱（4）式中N鋼管柱為鋼管柱軸心抗壓強度極限值，Φ為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，查閱模板規(guī)范附錄D，Φ=0.94，出于保守設計，本文取0.9。σ鋼管柱、A鋼管柱取值見表2。本文所涉及的鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范條款摘錄如下：4.1.1在主平面內(nèi)受彎的實腹構(gòu)件（考慮腹板屈曲后強度者參見本規(guī)范4.4.1條），其抗彎強度應按下列規(guī)定計算：Mx/(rxWnx)+（My/ryWny）≤σ工字鋼(4.1.1)式中Mx、My表示同一截面處繞x軸和y軸的彎矩（對工字型截面：x軸為強軸，y軸為弱軸），本算例中，工字鋼橫橋向兩側(cè)豎向荷載對稱分布，因此My=0。Wnx、Wny表示對x軸和y軸的凈截面模量，由于工字鋼截面沒有孔洞，所以對x軸和y軸的凈截面模量等于對x軸和y軸的截面抵抗矩（對x軸的截面抵抗矩W工字鋼見表1）。rx、ry表示截面塑性發(fā)展系數(shù)；對工字型截面，rx=1.05，ry=1.20。（鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范對工字鋼的抗剪強度驗算公式4.1.2同結(jié)構(gòu)力學公式（2）,不必重復計算。）鋼結(jié)構(gòu)4.2.1條規(guī)定如下：符合下列情況之一時，可不計算梁的整體穩(wěn)定性：（1）有鋪板（各種鋼筋混凝土板和鋼板）密鋪在梁的受壓翼緣上并與其牢固相連、能組織梁受壓翼緣的側(cè)向位移時。（2）H型鋼或等截面工字鋼簡支梁受壓翼緣的自由長度L1與其寬度b1之比不超過表4.2.1所規(guī)定的數(shù)值。（表4.2.1見腳手架規(guī)范）對跨中無側(cè)向支承點的梁，L1為其跨度；對跨中有側(cè)向支承點的梁，L1為受壓翼緣側(cè)向支承點間的距離（梁的支座處視為有側(cè)向支承）。4.2.2除4.2.1條所指情況下，在最大剛度主平面內(nèi)受彎的構(gòu)件，其整體穩(wěn)定性應按式（4.2.2）計算：M工字鋼/ΦbW工字鋼≤σ工字鋼（4.2.2）式中Φb表示梁的整體穩(wěn)定性系數(shù)，計算方法見鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范附錄B.2。2.2驗算流程2.2.1工字鋼驗算流程（1）承載力驗算為保證門洞安全性，需對構(gòu)件進行承載能力與撓度驗算。①依據(jù)模板規(guī)范表4.3.2確定參與組合的荷載類別。②結(jié)合結(jié)構(gòu)力學公式（1）及模板規(guī)范4.3.1節(jié)計算出極限狀態(tài)彎矩、剪力效應組合設計值，以及彎矩、剪力承載能力設計值并代入式4.3.1-1，如果該式成立，則承載能力滿足要求。（2）變形驗算依據(jù)結(jié)構(gòu)力學公式，算出工字鋼撓度。模板規(guī)范并沒有相關規(guī)定。為了確保結(jié)構(gòu)安全性，參照模板規(guī)范表4.4.2對鋼楞的變形限值，本文擬規(guī)定工字鋼撓度不得超過L/500（L為計算跨徑，本文工字鋼計算跨徑5.5m）。需要注意的是，鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范沒有專用條款限制門洞工字鋼橫梁撓度，從結(jié)構(gòu)安全角度出發(fā)，參考鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范附錄A對有重軌軌道的工作平臺梁撓度容許值為L/600，擬規(guī)定工字鋼撓度容許值為L/600。（3）方案修改思路如承載能力或變形驗算不通過，則考慮從以下幾個角度修改方案：1.提高工字鋼強度等級、增加工字鋼數(shù)量、換用大截面工字鋼。（注意：鋼管柱頂部能夠布置的工字鋼數(shù)量有限，如增加數(shù)量、增大截面需考慮方案可行性）。2.縮小鋼管柱橫橋向間距，增加數(shù)量。如結(jié)構(gòu)偏安全，則方法正好相反。2.2.2鋼管柱驗算流程（1）承載力驗算結(jié)合結(jié)構(gòu)力學公式及模板規(guī)范4.3.1節(jié)計算出極限狀態(tài)軸力效應組合設計值，以及軸力承載能力設計值，驗算公式4.3.1-1，如公式成立，則承載能力滿足要求。（2）變形驗算依據(jù)結(jié)構(gòu)力學公式，算出工字鋼撓度。模板規(guī)范并沒有相關規(guī)定。為了確保結(jié)構(gòu)安全性，本文參照模板規(guī)范4.4.1節(jié)的支架變形限值，擬定鋼管柱壓縮變形與工字鋼跨中撓度之和不得超過L/1000。修改思路同2.2.1節(jié)方案修改思路第2點。2.3方案驗算2.3.1工字鋼強度與變形驗算（1）強度驗算模板規(guī)范驗算：依據(jù)模板規(guī)范的公式4.3.1-2、4.3.1-3、4.3.1-4及附錄C《等截面連系梁的內(nèi)力及變形系數(shù)》，算出單根工字鋼均布線荷載設計值q工字鋼=14kN/m。彎矩荷載效應組合設計值M工字鋼=qL2/8=53kN•m，極限狀態(tài)下工字鋼所承受最大壓應力σ=M工字鋼/W工字鋼=49MPa<295MPa，彎矩能力需求比295/49=6，T=108MPa<170MPa。剪力能力需求比170/108=1.6。腳手架規(guī)范驗算：依據(jù)腳手架規(guī)范公式4.1.1，得Mx/(rxWnx)+（My/ryWny）=53/（1.05×1.09×10-3）=46MPa≤σ工字鋼=295MPa,彎矩能力需求比=295/46=6，剪力能力需求比與模板規(guī)范相同。整體穩(wěn)定性驗算步驟如下：1.首先，l1/b1=39>10.5，依據(jù)規(guī)范4.2.1條，應當進行整體穩(wěn)定性驗算。2.依據(jù)附錄b.2，算出Φb=0.79，代入公式4.2.2，得M工字鋼/（ΦbW工字鋼）=62MPa<295MPa，整體穩(wěn)定性能力需求比295/62=5。腳手架規(guī)范與模板規(guī)范驗算結(jié)果一致說明方案偏于保守，存在優(yōu)化的空間。（2）撓度驗算依據(jù)結(jié)構(gòu)力學公式（2），算出模板跨中撓度W工字鋼=0.0004m<5.5/600=0.0009m<5.5/1000=0.0011m，同時滿足模板規(guī)范與腳手架規(guī)范要求。2.3.2鋼管柱強度與變形驗算（1）強度驗算q工字鋼=14kN/m，每根鋼管柱頂部設10根工字鋼，則每根鋼管柱承受的軸壓力N=14×10×5.5/2=390kN。代入本文2.1節(jié)結(jié)構(gòu)力學公式（4），可知Φ=0.9，N鋼管柱=5200kN>390kN。能力需求比5200/390=13.3。驗算結(jié)果表明，鋼管柱用量過大，存在浪費現(xiàn)象。（2）撓度驗算依據(jù)材料力學公式，算出鋼管柱壓縮量W鋼管柱=0.0016m，W鋼管柱+W工字鋼=0.002m<5.5/1000=0.0055m，滿足預定要求。2.4方案優(yōu)化2.4.1優(yōu)化原則為能夠統(tǒng)籌協(xié)調(diào)工程質(zhì)量、進度、安全、造價目標并滿足社會通行需求，應在施工準備階段參考上部結(jié)構(gòu)跨徑、荷載及地面被交道路寬度相近的已有成功案例，進行專項施工方案設計與復核。對能力需求比過大的方案，在滿足規(guī)范安全驗算要求的前提下，通過減少構(gòu)件（工字鋼、鋼管柱）的用量、降低構(gòu)件強度與截面面積等方法逐次進行方案優(yōu)化驗算，從而節(jié)約工程造價，減少拆裝時間。設計優(yōu)化過程中還需要綜合考慮支撐材料庫存情況、設計方案中支撐材料采購可能、施工單位使用習慣、多工序通用構(gòu)件反復使用的可能。優(yōu)化方案時需要注意：（1）減少鋼管樁數(shù)量會導致單根鋼管樁頂部所布置的工字鋼數(shù)量增加，但單根鋼管樁直徑一定時，所能容納的工字鋼數(shù)量是有限的。（2）要盡量提高構(gòu)件使用率。以本文為例，鋼護筒與鋼管柱直徑相同（1.8m），因此可將鋼護筒作為門洞鋼管柱使用，增加使用頻率，實現(xiàn)循環(huán)利用。（3）如果上跨橋梁跨徑較小，被交道路較窄，應考慮縮小鋼管柱直徑。綜上，優(yōu)化方案必須在保證工程施工安全、滿足通行需要、合理使用材料等的前提下綜合考慮，不能為優(yōu)化而優(yōu)化。2.4.2方案優(yōu)化效果針對本文原施工方案，進行初步優(yōu)化探索：將每根鋼管柱頂?shù)墓ぷ咒搹?0根減到9根，鋼管柱壁厚從0.01m縮減至0.006m，按照上述步驟驗算，優(yōu)化后工字鋼彎矩能力需求比5.4，剪力能力需求比1.4（模板規(guī)范、鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范算出的彎矩能力需求比、剪力能力需求比近似相等），鋼管柱能力需求比4.5，全部滿足規(guī)范要求。就費用而言，經(jīng)過測算，橫橋向可以少用5根工字鋼，每根長24m，重68kg/m，3600元/t，則可節(jié)約材料費29376元。鋼管柱4000元/t,鋼管柱節(jié)約鋼材0.0338t，4000元/t，25根鋼管柱共節(jié)約材料費16900元，即一跨門洞設備優(yōu)化后節(jié)約材料費46276元。本工程共使用3套門洞設備，合計節(jié)約近14萬元（材料費計算沒有考慮運輸費用及回收殘值）。

3結(jié)語

優(yōu)秀的門洞方案有助于保證工程質(zhì)量與施工安全、減少人力消耗、降低成本、滿足社會通行需求。而門洞施工方案驗算對確保門洞工程安全具有重要的指導意義、實踐意義與借鑒意義。本文以某高架門洞方案為例，驗算并優(yōu)化了門洞設計方案，并得出以下結(jié)論：（1）施工前應當充分參考已有成功工程實例，編制專項施工方案，減少方案不確定性與計算工作量。（2）驗算結(jié)果表明，優(yōu)化方案符合規(guī)范相關安全性要求，可以為類似工程提供參考。本方案的適用條件：現(xiàn)澆等截面箱梁跨徑40m左右，梁高2.2m左右，路口寬度28m及以上。如果不滿足以上條件，需要重新設計。（3）在確保安全的前提下，適當減少工字鋼使用量及鋼管柱厚度可以有效降低造價。根據(jù)現(xiàn)場情況、支撐材料、常用施工方法等，還可以進一步優(yōu)化。（4）本文未對混凝土基礎、路基基層受力、變形情況進行討論，實際施工時應滿足規(guī)范對強度、變形的要求。（5）本文中門洞鋼管柱、工字鋼沿橫橋向?qū)ΨQ布置，且上部結(jié)構(gòu)為等截面箱梁，因此，My=0，如果不符合上述條件，則需要計算My并代入鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范公式4.1.1驗算工字鋼抗彎承載力。（6）對前道工序已經(jīng)使用的材料，應先進行強度試驗和驗算，合格后方能用于門洞施工。

參考文獻

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[4]建筑施工碗扣式鋼管腳手架安全技術規(guī)范：JGJ166-2016[S].中國建筑工業(yè)出版社，2016.

作者:李治國 單位:鹽城市公路管理處