钢管工字钢在门洞支架中的应用
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摘要： 新建道路施工与已有道路的正常营运形成交叉干扰，带来的安全问题也越来越突出。为确保施工及维持交通安全，我公司采用钢管工字钢柱式门洞支架，进行预留门洞保持车辆安全通行。
Abstract： New road construction and normal operation of the roads forms cross-interference， and security problems are increasingly prominent. To ensure the construction and traffic safety， our company adopts the steel h-beams-column door bracket to reserve openings for remaining safe passage of vehicles.
关键词： 钢管工字钢；门洞支架；运用
Key words： steel h-beams；door brackets；use
中图分类号：TU71 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）05-0091-03
1 门洞的设计
①门洞高5.5m（基础1m，管柱4.5m），净宽为4.8m，长度为40m。
②选择通过施工具置，做混凝土临时基础（C25混凝土，厚度为1m，宽1.2m）预埋钢板，钢板采用110×110×1.5cm，设置U型钢筋N1（直径22mm圆钢）与钢板焊接，预埋混凝土内。
③S104省道两边及中间各采用一排（总计三排）？准820壁厚10mm钢管桩施作临时支墩，每排7根（间距3.5m）。在每根管桩两端先用100×100×1.5cm的钢板做垫块，垫块与钢管桩接触面采取焊接，与钢管桩直角处对称设置4道加强肋板。
④钢管柱顶部竖向采用两根I40b工字钢焊接作为大横梁，与钢管桩接触面全部焊接，两根I40b工字钢接触面采取断续焊接成一个整体。再用I36a的工字钢横向搭设到大横梁上。与大横梁接触面采用满焊，并在I36a端头设置加强肋板。I36a工字钢间距控制在0.6m（与支架横向间距一致），同时每根I36a工字钢每2米对称设置倒三角加强肋板。在I36a工字钢上横桥向设置〔16槽钢，〔16槽钢整体横跨桥宽，间距0.9米（中到中）一道，槽口向上，尽量避免中间搭接，每根槽钢与I36a交叉点采用U型卡扣进行固结。
⑤在〔16槽钢的槽口内，按间距步设满堂支架底托，底托必须与槽钢槽口内贴密落实，与满堂支架组合成一幅。同时，在槽钢间距内用竹笆满铺，防止上方施工有坠物落下。
2 门洞承载力计算
2.1 荷载组合
2.1.1 恒载计算
①箱梁以单位面积作为计算截面，即F=1.0m2
则梁体所产生的力NT为：（钢筋混凝土自重为26KN/m3）NT=2.4×1×1.0×26=62.4KN
②满堂支架的自重计算（查碗扣支架杆件重量表）
箱梁满堂支架立杆按60×90cm布置，则单位面积立杆按4根计算，门洞上支架高度21-5.5=15.5m，下4.5m立杆按0.6m布设、上面11m按1.2m布设。
杆件自重G立为：G=4×（17.31÷3×15.5）+4×18×2×（4.1+2.9）=1365.74Kg/m2
N脚=G×g×10-3=13.657KN/m2
③模板自重力
查《施工手册》得：Q1=0.0375×10=0.375KN/m2，Q2=0.06×10=0.6KN/m2，Q3=0.52×10=5.2KN/m2
2.1.2 施工活载计算
查《桥规》得知施工中产生的荷载为：
q施=0.25t/m2=2.5kN/m2
查《桥规》得知施工过程中设备产生的荷载为：
q设=0.35t/m2=3.5kN/m2
2.1.3 荷载组合
①恒载内力为：N1=NT+N脚=76.06KN/m2
每平米门洞上方（2×4+3×1.2）范围内总承受力76.06kN，则：q恒=76.06KN/m2， q活=Q1+Q2+Q3=6.175KN/m2
②荷载组合内力：Q=1.2×q恒+1.4×q活=1.2×76.06+1.4×6.175=99.917KN/m2
2.2 门洞承载力验算
2.2.1 横向分配梁[16b槽钢承载力验算
将小横梁按简支梁计算，按门洞设计间距（2×4.8+3×1.2）m，[16b槽钢总承载力为99.917KN/m2，槽钢纵向间距0.9m（中对中），跨径L=0.6m，
选用[16b槽钢作为分配梁，[M]=2.215t.m，[Q]=125KN。
则横桥向作用在分配梁上的荷载分布为：q=99.917×0.9×1.3（安全系数）/0.6=19.48t/m
Mmax=qL2/8=19.48×0.6×0.6/8=0.877t.m＜[M]=2.215t.m
Qmax=19.48×0.6÷2=5.448KN＜[Q]=125KN可见槽钢强度符合要求。
2.2.2 纵梁I36a工字钢承载力验算
工字钢总承载力为：
Q总1=Q+Q槽=99.917KN/m2+0.6m×17.231Kg/m3×10/（（0.6×0.9） ×1000）=100.11KN/m2
工字钢横向间距0.6m（中对中），两个门洞跨径（斜距）L=2×（4.8m+0.4m）/Sin（50）=14m，则每一根工字钢上单位承载力为（I36a工字钢宽度为136mm）：
q根=100.11×0.136=13.615KN/m
（1）内力计算
弯矩Mmax=1/8qL2=1/8×13.615×72=83.392KN.m
交点剪力Vmax=1/2qL=1/2×13.615×7=47.653KN
（2）强度验算
①工字钢抗弯强度验算：
查表得知工字钢（I36a）WX=877.556cm3，《钢结构设计规范》查到强度验算公式为：
■=83.392×106/1.05×877.556×103=90.502MPa＜205MPa…满足要求。
②工字钢截面强度（挠度）验算：
δ=5×13.615×74×103×109/384×206×103×15796×104=13.081mm
■=13.081/7000=1/535＜1/300……满足要求
③抗剪强度验算：
《刚结构设计规范》中查到抗剪强度验算公式为：
τ=■=47.653×103×8364×138/（2×165.74×106×12）=13.827MPa＜120MPa…满足要求。
2.2.3 大横梁（钢管桩顶I40b工字钢）强度验算
临时钢管桩墩上的大横梁工字钢（2根I40b）斜长21米，临时桩墩间距为3.5米，工字钢总承载力为：
Q总2=Q总1+Q工=100.11KN/m2+1.23KN/m2=101.34KN/m2
由于门洞设计间距（顺桥向）L=（2×4.8+3×1.2）m=13.2m、（横桥向）B=16m。则工字钢上单位承载力为（I40b工字钢宽度为144mm）：
q根=101.13×0.144=14.563KN/m
（1）内力计算
弯矩Mmax=1/8qL2=1/8×14.563×3.52=22.3KN.m
交点剪力Vmax=1/2qL=1/2×14.563×3.5=25.485KN
（2）强度验算
①工字钢抗弯强度验算：
查表得知字钢（I40b）WX=1139cm3，《钢结构设计规范》查到强度验算公式为：
■=22.3×106/1.05×1139×103=18.65MPa＜205MPa…满足要求。
②工字钢截面强度（挠度）验算：
δ=5×14.563×3.54×103×109/384×206×103×22781×104=0.606mm
■=0.606/3500=1/5700＜1/300……满足要求
③抗剪强度验算：
《刚结构设计规范》中查到抗剪强度验算公式为：
τ=■=25.485×103×9407×144/（2×227.81×106×12.5）=6.06MPa＜120MPa…满足要求。
2.2.4 支柱承载力验算（？准820×10mm钢管）
1）门洞横桥向布置的大横梁工字钢长为21m，在箱梁下放设？准820×10mm的钢管单排布置，工字钢截面积为S=94.1cm2，每米重量为73.8kg/m，则横桥向大横梁工字钢自重为：G=73.8×21×2=3099.6Kg=30.996KN
2）支座反力
门洞设三排钢管桩，每排布置7根，在门洞设计间距（顺桥向）L=（2×4.8+3×1.2）m=13.2m、（横桥向）B=16m范围内的总荷载为101.13×211.2=21358.66KN，则每排立柱理论承载力为：F1=21358.66/3+G=7150.55KN
每排由7根钢管桩组成，则简易计算单个支点处支座反力R=7150.55KN*1.5/6=1787.64KN
3）验算钢管强度《钢筋结构设计规范》按轴心受压构件计算，公式为：σ=■？燮f
（1）计算轴心受压构件的稳定系数φ
其中：λx=■，计算钢管桩高度L=450cm，lox=0.7L（一端），λx=0.7×450/20.863=15.098（查表得φ=0.981）
（2）计算截面积：An=3.14×（D2-d2）/4=3.14×（8202-8002）/4=254.34cm2
（3）将数值代入公式得：
N/ΦAn=1787.64×103/0.981×254.34×102=71.65MPa＜131MPa…满足要求。
2.2.5 地基承载力验算
基底承载力计算：单个条形基础总受力按1.2×7150.55＝8580.66kN计算，加基础混凝土重量为：8580.66+21×1.2×1×25=9210.66kN
若按照45°的进行扩散，地基承载力取1.2的安全系数；则计算地基承载力为：1.2×9210.66/（23×3.2）=150.2MPa，所以施工时地基承载力不小于170MPa。
3 支架稳定验算
3.1 单根立杆稳定性验算 由荷载组合知：单位面积荷载内力99.917KN/m2，假设单位面积内有4根立杆承载，则单根立杆承受由纵向水平杆传递来的荷载为：N=99.917/4=25 KN，由于大横杆步距（立杆的高度）为1.2m，立杆长细比λ=■=76，由长细比λ=76可查得轴心受压构件的纵向弯曲系数φ=0.738。由钢材容许应力表查得弯向容许应力［σ］=145MPa，所以，立杆轴向容许荷载［N］=Am×？准×［σ］=489×0.738×145=52328N＞N=25KN，单根立杆稳定性满足要求。
3.2 支架整体稳定性验证 采用空间有限元分析软件对满堂支架整体建模进行受力分析（模态屈曲分析、静力分析、屈曲分析），因单根立杆轴向承载力容许荷载［N］=52.328KN〉N=25KN，故满足极限荷载屈曲分析要求。（图1，2）
静力分析：
通过分析可知加入作用荷载后横向最大位移为0.41cm、纵向最大位移为0.335cm都未出现大变形，属正常形变范围内。支架整体稳定性满足要求。
综上所述，门洞及碗扣支架受力满足要求。
参考文献：
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