中国有色金属工业第十四冶金建设公司 昆明市五华区 650000
摘要：在公路工程中，当位于上方高空有可能存在物体坠落时（一般属自由落体运动），而位于高空下方又需要进行安全防护的情况，就需要搭建某种临时或永久设施来保护有可能被坠物撞击到的物体的安全。而棚洞作为一种有效的安全防护设施，它的最大优点是安拆方便、经济实惠，在公路工程中被广泛采用。此文浅析棚洞方案以及高空坠物对棚洞屋面的冲击作用分析，计算屋面所能承受的最大冲击荷载，从而推导出坠物的外形几何尺寸，作为制定高空坠物安全技术管理措施的参考依据。
关键词：公路工程；高空坠物；棚洞方案；冲击分析
前言：
在公路工程中，当新建公路与现有公路上跨相交时，在新建公路施工过程中为了不影响下方现有公路通行，确保下方车辆及行人等的安全，就要采取措施防止上方施工时可能出现坠物落下带来的安全事故。实际当中，通常采取在现有公路上搭建一条型钢棚洞的方案使问题得到解决，这样即保障了安全，又节约了资金，施工和通行两不误。
⒈棚洞方案
1.1现场条件
某新建公路上跨现有公路，上跨结构设计为桥梁；现有公路是二级公路，设计时速60㎞/h，且为四车道（3.5m宽/车道），上跨桥梁护栏顶部与二级公路路面距离22m；为确保通行安全，在二级公路上搭设型钢棚洞。
1.2设计方案
⑴棚洞建筑界限与横断面设计。见图1，图2。
⑵棚洞基础。设计截面为50㎝×50㎝的条形基础，采用C30混凝土就地浇筑于二级公路的路面上；纵向设置3条，即：公路两侧各设置1条，公路中心线上设置1条。
⑶棚洞立柱。采用DN160钢管，按5.5m间距布置于条形混凝土上，钢管下部与条形混凝土基础中的预埋钢板焊接，该连结部位焊接三块三角形加劲板；钢管上部与纵向槽钢焊接。
⑷棚顶纵向分配梁。采用高度为140㎜槽钢，把全部立柱顶部连通，并与每根立柱焊接，分配梁槽钢与槽钢接头部位采用钢板焊接形成整体。
⑸棚顶横梁。采用高度为126㎜槽钢，按66㎝间距布置于纵向分配梁上，并与纵向分配梁正交，纵横梁接触部位全部焊接固定。
⑹风构。每条肋墙基础上相邻立柱之间的上下部位全部采用高度为80㎜槽钢焊接，形成“×”形式的风构，以增强棚洞的整体性。
⑺屋面。采用规格为：长2440㎜×宽1220㎜×厚21㎜的胶合板满铺下层，上层满铺钢质彩钢瓦。
⑻屋面防水。采用彩钢瓦满铺于胶合板上，自攻螺丝穿透与胶合板固定，彩钢瓦加工成波浪形式，铺设长度方向与二级公路纵向垂直，以利排水。
⑼人行过道。在外侧立柱上焊接型钢三角作支架，上铺过道屋面，形式与棚洞屋面相同。
图2：棚洞横断面设计
1.3工艺方案
⑴条形基础和立柱预埋件施工。条形基础施工前需要对原路面进行凿毛处理并冲洗干净，沥青路面须清除沥青层，预埋件安装固定完成后支模浇筑混凝土，拆模后涂刷间距30㎝红白相间反光漆斜线。
⑵立柱安装。立柱吊点设置在顶部，吊放立柱至预埋钢板上，调节铅垂满焊，预埋板与立柱间采用加劲板进行焊接加固。
⑶风构安装。采用高度为8㎜的槽钢交叉焊接，槽钢交叉处开口穿过，槽钢与立柱接触处采用焊接。
⑷分配梁安装。节与节之间采用焊接且使用钢板在背板连接处采用搭焊形式进行加固。槽钢与立柱接触处采用焊接。
⑸横梁安装。采用高度为12.6㎜的槽钢且间距为66㎝焊接在分配梁上。
⑹屋面铺装。先铺胶合板，胶合板铺设长度方向与二级公路纵向一致，钻孔后用12#铁丝穿孔绑扎于横向分配梁上，铁丝铰接头置于屋面内部，孔眼纵向布置间隔空格1档横向分配梁进行钻孔布设；然后采用彩钢瓦满铺于胶合板上，自攻螺丝穿透与胶合板固定，彩钢瓦加工成波浪形式，铺设长度方向与公路纵向垂直，以利排水。
⑺人行过道。分别设置在棚洞的两外侧，在两外侧的立柱上焊接宽度为125㎝的型钢三角架作支撑结构，每个三脚架的端部用高度为8㎜的槽钢把三角架全部连接并焊接固定，该槽钢同时也作为屋面纵向分配梁；在三脚架上靠近立柱的位置安放高度为12.6㎜槽钢用作另外一侧的屋面纵向分配梁并焊接稳固，形成屋面内高外低的斜面以利排水；最后满铺胶合板与钢质彩钢瓦，固定形式与屋面相同。
⒉屋面冲击分析
已知：屋面胶合板厚度21㎜，受力薄弱边宽度66㎝；钢质彩钢瓦厚度0.5mm；坠物下落至棚顶屋面的高度H＝22－7.5＝14.5米；自由落体形式g＝9.8米/秒，初始速度V初＝0米/秒；不考虑空气阻力作用，采用能量守恒定律原理，并假定坠物为混凝土且质量为m（单位㎏），混凝土容重ρ＝2500㎏/m3。
首先确定屋面承受坠物冲击力的最不利情况，屋面结构为钢质彩钢瓦和胶合板组合，需要分别判断屋面不同材质情况下抵抗极限冲击破坏的临界状态，参考《普通胶合板》GB/T 9846—2015表8，胶合板允许应力σ＝12MPa；根据应力σ＝M/W，弯矩M＝ql2/8，抗弯截面模量W＝bh2/6公式：
可得：胶合板在极限状态下受力弯矩M＝12×106×（0.66×0.0212）/6＝582.12牛·米；
因：弯矩M＝ql2/8，可知q＝8M/l2＝8×582.12/0.662×10690.91牛/米，线荷载转换为单位面积荷载16198.34牛/m2，折算为接触面66㎝×66㎝面积上荷载为7056牛。
根据以上计算结果推理分析：⑴胶合板按跨径l＝66㎝布置时，在接触面66㎝×66㎝的区域上所能承受的极限荷载为7056牛。⑵坠物下落至屋面且接触面为66㎝×66㎝时，在该区域上所产生的冲击力F＝7056牛。
又因：坠物位于H＝14.5米高度时的势能Eh=mgH，而坠物坠落至屋面的动能Ev＝0.5mV2，根据能量守恒定律，可知：Eh＝Ev，即有mgH＝0.5mV2，得到速度V终＝16.86米/秒。物体冲量I＝Ft，物体动量P＝mV，式中：F为冲击力，t为时间；根据能量守恒定律，可知I＝P，即Ft＝mV；自由落体位移时间公式H＝0.5gt2，得t＝1.72秒；得到冲击力F＝mV/t＝9.8m，从而有m＝F/9.8＝720㎏，折算成混凝土硬块体积为0.29m3，换算成立方体尺寸约为66㎝×66㎝×66㎝。
结语：
搭设型钢支架棚洞可以起到安全防护作用，在施工工艺上应按相关标准、规范执行。按该种形式搭建的棚洞屋面在不考虑彩钢瓦抵抗影响的因素外，胶合板可以抵抗外形尺寸≦66㎝×66㎝×66㎝并从高度14.5米位置以自由落体形式落下并以66㎝×66㎝的区域为接触面形式的重720㎏的混凝土硬块坠物。力学分析采用最不利的条件来进行逆向验算屋面所能承受的最大荷载，通过能量守恒定律又反向推导出坠物的外形尺寸，在实际施工中也可作为制定安全技术措施的参考数据，为棚洞方案提供技术支撑。需要说明的是，这种分析在理论上是可行的，但在实际当中，即使坠物在高度相同并做自由落体运动的条件下，同一坠物下落与屋面接触的一瞬间，存在被撞击屋面处的面积大小各有不同，所产生的撞击破坏作用也就不同。从力学知识可知：应力的大小与所受的外力成正比，而与受力面积成反比。
参考文献：
[1]公路工程技术标准（JTG B01—2014）.主编.交通运输部公路局/中交第一公路勘查设计研究院有限公司.
[2]普通胶合板（GB/T 9846—2015）.发布.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局/中国国家标准化管理委员会.
[3]建筑力学与结构/机械工业出版社2009年7月.主编.李永光，白秀英.
作者简介：
娄世权 —男 —汉. 1972-大学本科 —现任技术职称：高级工程师。
论文作者:娄世权
论文发表刊物:《防护工程》2018年第28期
论文发表时间:2018/12/25
标签：屋面论文; 槽钢论文; 胶合板论文; 立柱论文; 纵向论文; 公路论文; 荷载论文; 《防护工程》2018年第28期论文;