钢结构遮光棚的结构计算

李子特，简 粤

（1.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州730010；2.兰州工业学院，甘肃 兰州730050）

1 概述

遮光棚在高速公路的建设中具有重要的作用，随着山区高速公路隧道的大量出现，特别是公路隧道群的出现，要求光线的强度不能影响司机的视觉，主要原因是车辆突然驶入明暗交替的地区，如果用强光的照射，司机在短时间内难以适应，这样容易造成交通事故。在出洞口和入洞口的适当范围内驾驶员视线范围内亮度变化因遮光棚的设计较为均匀缓和,能够让驾驶员在较短的时间内适应出洞的光线变化，可以达到遮光效果，保证行车的稳定性和安全性。

某高速公路两隧道洞门之间设置3～20m装配式预应力混凝土连续箱梁桥，为消除变光效应，以达到防眩目的、改善行车视线、提高隧道进出口的行车安全等[1]，在桥梁上增设了钢结构棚洞。棚洞主体结构采用钢纵梁和环向拱架拼接而成，同时在环向拱架间搭接角钢，成体系后铺设绿色耐力遮光板[2]。如图1所示。

图1 钢结构棚洞横断面图

本文建立了钢结构棚洞的整体结构有限元模型，考虑了结构承受的各种荷载，进行最不利荷载组合，对所选钢结构构件进行了静力验算，同时对各连接件进行了验算。

2 模型建立

计算软件采用MIDAS/Civil有限元程序，建立棚洞结构三维模型，如图2所示。

图2 棚洞有限元模型

棚洞纵梁采用 HW414×405/18/28宽翼缘型钢，横向间距 12.67m；横向拱架采用HW175×175/7.5/11宽翼缘型钢，纵向间距为4m；纵向联系采用2L80×50×5不等边双角钢，型钢及钢板均为Q235B钢；锚栓采用M20高强螺栓，性能等级为10.9级，预拉力P=155kn，摩擦面抗滑移系数≥0.35。

3 计算荷载

结构自重:钢材比重78.5kn/m3；

遮光板及附属构件荷载:0.4kn/m2；

基本风压:0.35kn/m2（n=50 年）[3]，持久状况静风线荷载为1.55kn/m。

基本雪压:0.2kn/m2（n=50 年）[4]，雪荷载标准值0.08kn/m2，同时按照拱形屋面分布等效成纵向线荷载施加在纵肋上。

温度荷载：地区日最高、最低气温为46℃、-21℃，结构安装温度宜在15～25℃，整体升温按31℃、整体降温按-46℃考虑。

荷载组合说明：按规范进行正常使用极限状态下主结构构件及连接节点的承载能力验算，及正常使用极限状态的变形验算。荷载组合中考虑永久作用:结构重力、装饰荷载，可变作用:均匀升温、均匀降温、风荷载、雪荷载[5]。

4 结构验算

按照规范进行承载能力极限状态下结构强度验算、正常使用极限状态下结构挠度验算及构件连接件的强度验算[6]。为消除钢结构在温度荷载下约束节点处的较大反力，结构设计中仅对2号桥墩处钢纵梁与基座焊接连接，其它节点处均采用两侧设置限位板、底座设置四氟滑板支撑的型式，钢纵梁能够纵向自由伸缩。如图3～5所示。

4.1 纵梁和横向拱架验算

在最不利荷载组合作用下，验算钢纵梁和型钢横向拱架的屈服应力极限比，其计算结果见表 1。

图3 承载能力极限状态下钢纵梁和型钢横向拱架主弯矩包络图

图4 承载能力极限状态下钢纵梁和型钢横向拱架主剪力包络图

图5 承载能力极限状态下钢纵梁和型钢横向拱架轴力包络图

表1 承载能力极限状态钢构件强度验算结果(长度：m，力：KN，应力：MPa)

从表1验算结果可以看出，在最不利荷载组合作用下钢纵梁(HW414×405/18/28型钢)和横向拱架(HW175×175/7.5/11)的最大组合应力比(com值)分别为 0.78、0.87，满足承载能力极限状态的强度要求。

钢纵梁最大竖向位移为30mm＜L/400=75mm，在制作中跨中预设向上30mm的预拱度，纵向抛物线过度，在使用状态下满足变形要求。

4.2 型钢拱肋对接验算

拱肋采用HW175×175/7.5/11型钢，通过拼接钢板用M20高强螺栓连接，受力性质为压弯型螺栓[7]，设计轴力 N=12.93kn，设计剪力 V=1.1kn，设计弯矩M=31.71kn。如图6所示。

单个双面摩擦型螺栓的抗剪承载力NVb=0.9×2×0.35×155=97.7kn；拼接头处的弯矩由翼缘和腹板按刚度分配，剪力全部由腹板承担。

翼缘板拼接验算

梁和翼缘的毛截面惯性矩分别为：

图6 型钢拱肋拼接节点设计图

翼缘分担的弯矩为：

翼缘受到的由M1而产生的轴向力为

接头一侧需要的螺栓数目为：

同时参照构造、安全储备及耐久性单侧布置2排各2个螺栓。

4.3 焊接设计

钢纵梁采用K形坡口对接焊连接，焊缝质量等级要求为一级。对接焊节点尽量以单跨4分点控制，即布设在单跨L/4、3L/4位置；环向拱架与钢纵梁、新增基座锚固钢板连接均采用对接角焊缝，角焊缝焊脚尺寸为6mm。焊缝质量等级要求为一级；钢纵梁加劲肋采用对接焊连接，焊缝质量等级要求为三级；钢构件挡块钢板与座板采用角焊缝手工焊接(围焊)，焊脚尺寸为5mm，焊缝质量等级要求为三级。对于构件的焊接连接，焊材强度高于母材，设计无需检算。

4.4 基座锚栓验算

0号台侧钢纵梁用M20高强螺栓与新增基座连接，平面2排各4个共布置8个，受力性质为摩擦性螺栓，由于本结构设计在1、2号桥墩盖梁及3号桥台新增基座上设置四氟滑板释放纵向位移，故0号台侧M20高强螺栓按构造设计，满足要求[8]。

4.5 钢构件挡块锚栓验算

钢构件挡块锚栓采用M20高强螺栓，平面2排各3个共布置6个，受力性质为摩擦性螺栓，单个M20高强螺栓单面摩擦抗剪承载力为0.9×1×0.35×155=48.8kn，设计承载力为 81.4kn，满足受力要求，同时考虑到钢构件挡块的永久性作用，故按加强构造设计布置螺栓。

5 结论

通过对钢纵梁和型钢横向拱架承载能力验算，最大组合应力比分别为0.78、0.87，钢构件选型满足承载能力极限状态的强度要求，且有一定的安全储备。正常使用状态跨中最大下挠为30mm，通过设置向上30mm的制作预拱度，能够满足正常使用状态构件的挠度要求。通过对钢纵梁对接焊连接、横向拱架与钢纵梁和基座锚固钢板对接角焊缝连接、环向拱架高强螺栓连接、加劲肋与钢纵梁对接焊连接、基座锚栓及钢构件挡块锚栓连接进行验算，能够满足承载能力的要求。