高架工程门洞的方案设计优化

[摘要]门洞方案设计不合理，既容易发生安全事故，造成人员伤亡和经济损失，也可能会导致造价过高。为了平衡造价控制与安全需求，文章结合某高架工程，进行了门洞方案优化与安全分析，以期对今后的门洞方案设计起到借鉴作用。

[关键词]门洞设计；安全性分析；方案优化；造价控制

设置门洞是高速公路、铁路、市政工程跨线桥梁现浇常见、常用的施工方案。如果设计方案不能满足安全需要，会造成门洞部分或整体坍塌，导致重大人员伤亡事故和重大经济损失。例如：2011年12月19日重庆某工地土建工程门型墩盖梁模板钢管支撑架发生坍塌，造成9人死亡，6人受伤。由于当前部分施工方案编制与审核人员缺乏专业设计与验算技能，或者导致部分工程达不到安全技术要求而造成安全事故隐患，或者盲目加大支撑构件尺寸、缩小构件间距、提高构件强度等级，导致安全系数过高，增加成本，造成浪费。为了兼顾经济效益与安全需求，本文对某高架工程门洞设计方案进行了安全验算并对方案优化进行了初步探讨，为施工方案提供优化思路。

1门洞施工方案介绍

该工程为某市区高架桥，上部结构为40m现浇箱梁，梁高2.2m，桥面宽24.7m，桥底宽15.5m。钢筋混凝土自重G1k与模板自重G2k合计34.2kN/m2。门洞支护采用Q345工字钢（I40a型）+Q235空心钢管柱结构。钢管柱高5m，直径1.8m，厚0.01m，柱与柱间横桥向轴心距3m，横桥向一行5根，纵桥向轴心距5.5m，共5列，每根钢管柱顶部布置10根工字钢，门洞外侧采用碗扣式脚手架支撑。钢管柱下设0.6m高C30混凝土条形基础，如图1所示。工字钢、钢管柱部分力学性能参数。参考《建筑施工模板安全技术规范JGJ162-2008》[1]、《建筑结构荷载规范GB50009-2012》[2]（本文以后分别简称“模板规范”、“荷载规范”）并结合现场实际情况，取施工人员及设备荷载标准值Q1k、振捣混凝土产生的荷载标准值Q2k、倾倒混凝土时对垂直面模板产生的水平荷载标准值Q3k、风荷载标准值Q4k分别为2.5kN/m2、2kN/m2、2kN/m2、0.4kN/m2。

2门洞方案验算与优化

本文以模板规范、《钢结构设计规范GB50017-2003》[3]（本文以后简称“钢结构规范”）、《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范JGJ166-2016》[4]（本文以后简称“脚手架规范”）的相关条文以及材料力学、结构力学相关公式为依据进行门洞方案安全性验算。脚手架规范规定：当模板支撑架设置门洞时，门洞转换横梁的受弯和受剪承载力、稳定性和挠曲变形验算应符合钢结构规范规定），因为脚手架规范相关规定、计算结果与模板规范基本一致，因此，本文仅按照模板规范和钢结构规范进行验算。本文计算所涉及所有参数都按照规范取值。2.1公式、参数介绍模板规范4.3.1节《荷载组合》一节摘抄如下：按极限状态设计时，其荷载组合必须符合下列规定：（1）对于承载能力极限状态，应按荷载效应的基本组合采用，并应采用下列设计表达式进行模板设计：r0S≤R（4.3.1-1）式中：r0─结构重要性系数，其值按0.9采用；S─荷载效应组合的设计值；R─结构构件抗力的设计值，应按各有关建筑结构设计规范的规定确定。（2）对于基本组合，荷载效应组合的设计值S应从下列组合值中取最不利值确定：①由可变荷载效应控制的组合：S=rG∑Gik+rQ1Q1k（4.3.1-2）S=rG∑Gik+0.9∑rQiQik（4.3.1-3）式中rG─永久荷载分项系数，按模板规范表4.2.3取1.35；rQi─第i个可变荷载的分项系数，其中rQi为可变荷载Q1的分项系数，按表4.2.3取1.4；Gik─按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；Qik─按可变荷载标准值计算的荷载效应值，其中Qik为诸可变荷载效应中起控制作用者；n─参与组合的可变荷载数。②由永久荷载效应控制的组合：S=rG∑Gik+0.7∑rQiQik（4.3.1-4）注：基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况；当对Qik无明显判断时，轮次以各可变荷载效应为Qik，选其中最不利的荷载效应组合；当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变荷载仅限于竖向荷载。（2）对于正常使用极限状态应采用标准组合，并应按下列设计表达式进行设计：S≤C（4.3.1-5）式中：C─结构或结构构件达到正常使用要求的规定限值，应符合本规范第4.4节各条款中有关变形值的规定。对于标准组合，荷载效应组合设计值S应按下式采用：S≤∑Gik（4.3.1-6）本文中所涉及的结构力学公式如下：M工字钢=q极限L4/8（1）式中q极限为承载能力极限状态下工字钢每延米竖向均布荷载值，q极限=0.9S，S计算方法见上文摘录的模板规范4.3.1节公式4.3.1-2~4.3.1-4。Τ≈Q/h1d（2）式中，T表示承载能力极限状态下工字钢截面所受剪应力。Q表示工字钢横截面上的剪力，Q=0.9S，计算过程参考q极限，h1为腹板高度，d为腹板厚度。对I40a而言，h1=0.367m，d=0.0105m。W工字钢=5q标准L4/（384EI工字钢）（3）式中W工字钢为正常使用极限状态下工字钢跨中挠度；q标准为正常使用极限状态下工字钢每延米竖向均布荷载值，q标准=0.9S，S计算方法见上文摘录的模板规范公式4.3.1-6，对比4.3.1-2~4.3.1-6可知，q标准<q极限，为了提高计算结果安全度，本文取q标准=q极限，计算方法见结构力学公式（1）说明。E为钢材弹性模量。N钢管柱=Φσ钢管柱A钢管柱（4）式中N钢管柱为钢管柱轴心抗压强度极限值，Φ为轴心受压构件稳定系数，查阅模板规范附录D，Φ=0.94，出于保守设计，本文取0.9。σ钢管柱、A钢管柱取值见表2。本文所涉及的钢结构规范条款摘录如下：4.1.1在主平面内受弯的实腹构件（考虑腹板屈曲后强度者参见本规范4.4.1条），其抗弯强度应按下列规定计算：Mx/(rxWnx)+（My/ryWny）≤σ工字钢(4.1.1)式中Mx、My表示同一截面处绕x轴和y轴的弯矩（对工字型截面：x轴为强轴，y轴为弱轴），本算例中，工字钢横桥向两侧竖向荷载对称分布，因此My=0。Wnx、Wny表示对x轴和y轴的净截面模量，由于工字钢截面没有孔洞，所以对x轴和y轴的净截面模量等于对x轴和y轴的截面抵抗矩（对x轴的截面抵抗矩W工字钢见表1）。rx、ry表示截面塑性发展系数；对工字型截面，rx=1.05，ry=1.20。（钢结构规范对工字钢的抗剪强度验算公式4.1.2同结构力学公式（2）,不必重复计算。）钢结构4.2.1条规定如下：符合下列情况之一时，可不计算梁的整体稳定性：（1）有铺板（各种钢筋混凝土板和钢板）密铺在梁的受压翼缘上并与其牢固相连、能组织梁受压翼缘的侧向位移时。（2）H型钢或等截面工字钢简支梁受压翼缘的自由长度L1与其宽度b1之比不超过表4.2.1所规定的数值。（表4.2.1见脚手架规范）对跨中无侧向支承点的梁，L1为其跨度；对跨中有侧向支承点的梁，L1为受压翼缘侧向支承点间的距离（梁的支座处视为有侧向支承）。4.2.2除4.2.1条所指情况下，在最大刚度主平面内受弯的构件，其整体稳定性应按式（4.2.2）计算：M工字钢/ΦbW工字钢≤σ工字钢（4.2.2）式中Φb表示梁的整体稳定性系数，计算方法见钢结构规范附录B.2。2.2验算流程2.2.1工字钢验算流程（1）承载力验算为保证门洞安全性，需对构件进行承载能力与挠度验算。①依据模板规范表4.3.2确定参与组合的荷载类别。②结合结构力学公式（1）及模板规范4.3.1节计算出极限状态弯矩、剪力效应组合设计值，以及弯矩、剪力承载能力设计值并代入式4.3.1-1，如果该式成立，则承载能力满足要求。（2）变形验算依据结构力学公式，算出工字钢挠度。模板规范并没有相关规定。为了确保结构安全性，参照模板规范表4.4.2对钢楞的变形限值，本文拟规定工字钢挠度不得超过L/500（L为计算跨径，本文工字钢计算跨径5.5m）。需要注意的是，钢结构规范没有专用条款限制门洞工字钢横梁挠度，从结构安全角度出发，参考钢结构规范附录A对有重轨轨道的工作平台梁挠度容许值为L/600，拟规定工字钢挠度容许值为L/600。（3）方案修改思路如承载能力或变形验算不通过，则考虑从以下几个角度修改方案：1.提高工字钢强度等级、增加工字钢数量、换用大截面工字钢。（注意：钢管柱顶部能够布置的工字钢数量有限，如增加数量、增大截面需考虑方案可行性）。2.缩小钢管柱横桥向间距，增加数量。如结构偏安全，则方法正好相反。2.2.2钢管柱验算流程（1）承载力验算结合结构力学公式及模板规范4.3.1节计算出极限状态轴力效应组合设计值，以及轴力承载能力设计值，验算公式4.3.1-1，如公式成立，则承载能力满足要求。（2）变形验算依据结构力学公式，算出工字钢挠度。模板规范并没有相关规定。为了确保结构安全性，本文参照模板规范4.4.1节的支架变形限值，拟定钢管柱压缩变形与工字钢跨中挠度之和不得超过L/1000。修改思路同2.2.1节方案修改思路第2点。2.3方案验算2.3.1工字钢强度与变形验算（1）强度验算模板规范验算：依据模板规范的公式4.3.1-2、4.3.1-3、4.3.1-4及附录C《等截面连系梁的内力及变形系数》，算出单根工字钢均布线荷载设计值q工字钢=14kN/m。弯矩荷载效应组合设计值M工字钢=qL2/8=53kN•m，极限状态下工字钢所承受最大压应力σ=M工字钢/W工字钢=49MPa<295MPa，弯矩能力需求比295/49=6，T=108MPa<170MPa。剪力能力需求比170/108=1.6。脚手架规范验算：依据脚手架规范公式4.1.1，得Mx/(rxWnx)+（My/ryWny）=53/（1.05×1.09×10-3）=46MPa≤σ工字钢=295MPa,弯矩能力需求比=295/46=6，剪力能力需求比与模板规范相同。整体稳定性验算步骤如下：1.首先，l1/b1=39>10.5，依据规范4.2.1条，应当进行整体稳定性验算。2.依据附录b.2，算出Φb=0.79，代入公式4.2.2，得M工字钢/（ΦbW工字钢）=62MPa<295MPa，整体稳定性能力需求比295/62=5。脚手架规范与模板规范验算结果一致说明方案偏于保守，存在优化的空间。（2）挠度验算依据结构力学公式（2），算出模板跨中挠度W工字钢=0.0004m<5.5/600=0.0009m<5.5/1000=0.0011m，同时满足模板规范与脚手架规范要求。2.3.2钢管柱强度与变形验算（1）强度验算q工字钢=14kN/m，每根钢管柱顶部设10根工字钢，则每根钢管柱承受的轴压力N=14×10×5.5/2=390kN。代入本文2.1节结构力学公式（4），可知Φ=0.9，N钢管柱=5200kN>390kN。能力需求比5200/390=13.3。验算结果表明，钢管柱用量过大，存在浪费现象。（2）挠度验算依据材料力学公式，算出钢管柱压缩量W钢管柱=0.0016m，W钢管柱+W工字钢=0.002m<5.5/1000=0.0055m，满足预定要求。2.4方案优化2.4.1优化原则为能够统筹协调工程质量、进度、安全、造价目标并满足社会通行需求，应在施工准备阶段参考上部结构跨径、荷载及地面被交道路宽度相近的已有成功案例，进行专项施工方案设计与复核。对能力需求比过大的方案，在满足规范安全验算要求的前提下，通过减少构件（工字钢、钢管柱）的用量、降低构件强度与截面面积等方法逐次进行方案优化验算，从而节约工程造价，减少拆装时间。设计优化过程中还需要综合考虑支撑材料库存情况、设计方案中支撑材料采购可能、施工单位使用习惯、多工序通用构件反复使用的可能。优化方案时需要注意：（1）减少钢管桩数量会导致单根钢管桩顶部所布置的工字钢数量增加，但单根钢管桩直径一定时，所能容纳的工字钢数量是有限的。（2）要尽量提高构件使用率。以本文为例，钢护筒与钢管柱直径相同（1.8m），因此可将钢护筒作为门洞钢管柱使用，增加使用频率，实现循环利用。（3）如果上跨桥梁跨径较小，被交道路较窄，应考虑缩小钢管柱直径。综上，优化方案必须在保证工程施工安全、满足通行需要、合理使用材料等的前提下综合考虑，不能为优化而优化。2.4.2方案优化效果针对本文原施工方案，进行初步优化探索：将每根钢管柱顶的工字钢从10根减到9根，钢管柱壁厚从0.01m缩减至0.006m，按照上述步骤验算，优化后工字钢弯矩能力需求比5.4，剪力能力需求比1.4（模板规范、钢结构规范算出的弯矩能力需求比、剪力能力需求比近似相等），钢管柱能力需求比4.5，全部满足规范要求。就费用而言，经过测算，横桥向可以少用5根工字钢，每根长24m，重68kg/m，3600元/t，则可节约材料费29376元。钢管柱4000元/t,钢管柱节约钢材0.0338t，4000元/t，25根钢管柱共节约材料费16900元，即一跨门洞设备优化后节约材料费46276元。本工程共使用3套门洞设备，合计节约近14万元（材料费计算没有考虑运输费用及回收残值）。

3结语

优秀的门洞方案有助于保证工程质量与施工安全、减少人力消耗、降低成本、满足社会通行需求。而门洞施工方案验算对确保门洞工程安全具有重要的指导意义、实践意义与借鉴意义。本文以某高架门洞方案为例，验算并优化了门洞设计方案，并得出以下结论：（1）施工前应当充分参考已有成功工程实例，编制专项施工方案，减少方案不确定性与计算工作量。（2）验算结果表明，优化方案符合规范相关安全性要求，可以为类似工程提供参考。本方案的适用条件：现浇等截面箱梁跨径40m左右，梁高2.2m左右，路口宽度28m及以上。如果不满足以上条件，需要重新设计。（3）在确保安全的前提下，适当减少工字钢使用量及钢管柱厚度可以有效降低造价。根据现场情况、支撑材料、常用施工方法等，还可以进一步优化。（4）本文未对混凝土基础、路基基层受力、变形情况进行讨论，实际施工时应满足规范对强度、变形的要求。（5）本文中门洞钢管柱、工字钢沿横桥向对称布置，且上部结构为等截面箱梁，因此，My=0，如果不符合上述条件，则需要计算My并代入钢结构规范公式4.1.1验算工字钢抗弯承载力。（6）对前道工序已经使用的材料，应先进行强度试验和验算，合格后方能用于门洞施工。

参考文献

[1]建筑施工模板安全技术规范：JGJ162-2008[S].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[3]钢结构设计规范：GB50017-2003[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4]建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范：JGJ166-2016[S].中国建筑工业出版社，2016.

作者:李治国 单位:盐城市公路管理处