赤壁西枢纽互通现浇支架设计计算书E匝道2号桥.docx

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赤壁西枢纽互通现浇支架设计计算书E匝道2号桥

武汉至深圳高速公路嘉鱼至通城段

赤壁西互通

E匝道2号桥现浇支架设计计算书

武汉至深圳高速公路嘉鱼至通城段项目经理部

二〇一四年四月

武汉至深圳高速公路嘉鱼至通城段

赤壁西互通

E匝道2号桥现浇支架设计计算书

编制：

复核：

审核：

审批：

目录

1概述1

2设计依据1

3设计原则1

4材料性质2

4.1材料的几何特性2

4.2材料的物理特性2

4.3材料的强度设计值2

5荷载分析3

5.1恒载3

5.2活载3

6工况分析3

7支架总体布置型式3

8满堂支架结构计算4

8.1支架结构布置型式4

8.2结构简化计算5

8.2.1底模计算6

8.2.2分配梁计算7

8.3.3脚手架计算8

8.3.4地基承载力计算9

9钢管桩支架结构计算10

9.1支架结构布置型式10

9.2结构简化计算11

9.2.1底模计算11

9.2.2横向分配梁计算13

9.2.3翼缘板脚手管支架计算14

9.2.4纵梁计算14

9.2.5主横梁计算15

9.2.6立柱稳定性计算15

9.2.7混凝土基础计算16

9.3结构仿真计算16

9.3.1模型建立16

9.3.2计算结果16

1概述

赤壁西互通E匝道2号桥位于赤壁市茶庵岭镇八王庙村，中心桩号为EK1+078.819，孔跨布置为3×20+3×30+3×20m，桥全长216.08m。

桥梁上跨京珠高速，交角30°，最小净空为5.2m。

桥型上部结构采用预应力混凝土现浇连续箱梁和普通钢筋混凝土现浇连续箱梁，下部构造桥台分别采用肋板式桥台配桩基础；桥墩采用柱式墩，桩基础。

2设计依据

（1）《武汉至深圳高速公路嘉鱼至通城段TJ-4合同段两阶段施工图》

（2）《公路桥涵通用设计规范》（JTGD60－2004）

（3）《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）

（4）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

（5）《建筑施工计算手册》

3设计原则

（1）满足各施工工况强度、刚度、稳定性要求；

（2）满足工程现场施工要求；

（3）结构简单，制作、安拆方便；

（4）主要材料宜结合现有资源选用，优先使用便于周转和运输的材料。

（5）结构受力采用简化计算结合Midas-civil有限元计算软件计算，做到科学合理。

4材料性质

4.1材料的几何特性

本设计使用的材料几何特性见表4-1所示。

表4-1材料几何特性表

序号

构件名称

材料类型

几何参数mm

截面面积cm2

截面模量cm3

惯性矩cm4

备注

一

钢管桩支架结构构件

1

钢管立柱

钢管

φ426×6

79.17

--

17460

2

主横梁

型钢

工56a

135

2342

65590

3

纵梁

型钢

工40a

86.1

1090

21720

4

横向分配梁

型钢

工14

21.5

102

712

二

满堂支架结构构件

1

碗扣式脚手管

钢管

φ48×3.5

4.89

--

12

2

扣件式脚手管

钢管

φ48×3.5

4.89

--

12

3

横向分配梁

型钢

[10

12.7

39.7

198

4

方木

木材

100×100

100

166.67

833.3

5

竹胶板

--

σ=15

--

0.375

0.28

单位1cm　

4.2材料的物理特性

本设计使用的材料物理特性见表4-2。

表4-2材料物理特性表

序号

材料名称

材料物理特性

备注

弹性模量

GPa

剪切模量

GPa

1

Q235型钢

210

79

2

φ48脚手管

210

79

3

方木

10

--

4

竹胶板

11.1

--

4.3材料的强度设计值

本设计使用的材料强度设计值见表4-3。

表4-3材料强度设计值

序号

材料名称

材料强度设计值

备注

抗拉、抗压和抗弯

MPa

抗剪

MPa

1

Q235型钢

215

125

2

φ48脚手管

205

120

3

方木

11

--

4

竹胶板

37

--

5荷载分析

5.1恒载

（1）混凝土重力荷载

钢筋混凝土重力荷载按26kN/m3考虑。

（2）模板重力荷载

取模板系的重力荷载为2.0kN/m2。

（3）支架自重荷载

支架本身重力荷载由有限元软件自行处理，Midas程序运行时：

g=9.8N/s2，重力荷载比例系数设定为-1。

5.2活载

（1）施工荷载按2.5kN/m2考虑。

（2）由于当地风速较小，所以在设计计算中不考虑风荷载。

6工况分析

考虑

支架结构自重、

模板荷载、③混凝土重力、④施工荷载，主要工况情况如下表。

工况

工况说明

荷载组合

工况一

支架搭设后尚未浇筑混凝土

1.4×（①+②）

工况二

混凝土浇筑尚未初凝

1.2×③+1.4×（①+②+④）

鉴于施工现场风速小、支架高度小，且施工工况二较工况一所受施工荷载大，故工况二为支架受力最不利工况，作为支架设计控制工况。

7支架总体布置型式

综合考虑桥梁结构型式、墩高、现场地形、地质等条件，跨京珠高速采用钢管桩支架结构，其余段采用满堂支架结构，总体布置型式见图7-1。

图7-1支架总体布置型式

8满堂支架结构计算

8.1支架结构布置型式

支架主要由4部分组成：

混凝土垫层、木垫板、脚手管支架及横向分配梁等。

典型结构断面见图8.1-1、图8.1-2。

（1）混凝土垫层：

混凝土垫层厚度根据现场实测地基承载力选择。

（2）木垫板：

木垫板采用20cm×5cm木板，铺设在混凝土垫层上。

（3）脚手管：

脚手管采用碗扣式脚手管，搭设在木垫板上。

立杆纵向沿桥轴线方向布置，横隔梁处间距30cm，腹板加厚段间距60cm，标准段间距90cm；横向间距腹板区30cm、底板区与翼缘板区90cm；层高120cm。

立杆顶部设置顶托，底部设置底托，底托搁置在5cm厚木垫板上。

（4）横向分配梁：

横向分配梁采用[10，放置在顶托上，需与顶托点焊牢固。

图8.1-1支架横断面图

图8.1-2支架横断面图

8.2结构简化计算

8.2.1底模计算

（1）竹胶板计算

底模面板采用1.5cm厚竹胶板，取1cm宽板条进行计算。

腹板区计算跨径15cm，底板区计算跨径25cm，翼缘板区计算跨径30cm。

腹板区竹胶板计算

荷载计算：

应力变形验算：

底板区、翼缘板区竹胶板强度与刚度计算同腹板区，计算结果汇总见表8.2-1。

表8.2-1竹胶板强度、刚度计算结构

部位

q混凝土

q自

q内

q施

q

M

σ

f

[σ]

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN·m

MPa

mm

MPa

mm

腹板区

0.39

0.00137

--

0.025

0.505

0.00142

3.79

0.111

37

0.375

底板区

0.122

0.00137

0.013

0.025

0.202

0.00158

4.21

0.342

37

0.625

翼缘板区

0.097

0.00137

--

0.025

0.153

0.0012

3.2

0.26

37

0.75

经计算，竹胶板强度、刚度满足施工要求。

（2）枋木计算

模板次肋均采用10×10cm枋木，计算跨径均为90cm。

腹板区枋木强度及刚度计算如下：

底板区、翼缘板区枋木强度与刚度计算同腹板区，计算结果汇总见表8.2-2。

表8.1-2方木强度、刚度计算结果

部位

q混凝土

q竹

q自

q内

q施

q

M

σ

f

[σ]

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN·m

MPa

mm

MPa

mm

腹板区

5.85

0.02

0.06

---

0.375

7.657

0.775

4.64

0.78

11

2.25

底板区

3.055

0.034

0.06

0.013

0.375

4.76

0.482

2.89

0.489

11

2.25

翼缘板区

2.91

0.041

0.06

---

0.75

4.68

0.474

2.64

0.48

11

2.25

经计算，枋木强度、刚度满足施工要求。

8.2.2分配梁计算

分配梁采用[10，计算跨径取最大值0.9m，最不利工况为腹板区位于横向分配梁跨中。

荷载计算：

应力变形验算：

计算简图如下：

经计算，横向分配梁[10强度、刚度满足施工要求。

8.3.3脚手架计算

（1）箱梁跨中断面单根脚手管强度计算

脚手架采用碗扣脚手管搭设，翼缘板区、腹板区、底板区横向及纵向间距为90cm；步距为120cm。

以腹板区荷载计算示例如下：

底板区、翼缘板区单根脚手管强度计算同腹板区，计算结果汇总见表8.3-1。

表8.3-1单根脚手管荷载计算结构

部位

P混凝土

P[10

P竹胶板

P方木

P内

P施

P自

P

kN

kN

kN

kN

kN

kN

kN

kN

腹板区

22.8

0.126

0.155

0.302

0.794

2.835

1.954

28.966

底板区

11.878

0.126

0.155

0.302

1.525

2.835

1.954

18.775

翼缘板区

9.534

0.126

0.155

0.227

---

2.835

2.281

15.158

容许荷载计算

脚手架最大荷载N腹=28.966<[N]=33.1KN（查建筑施工手册所得）。

经计算，脚手架满足施工要求。

③脚手管底座计算

上部结构传至立杆底部的最大轴心力设计值N=28.966KN。

底座承载力设计值一般取40KN（查建筑施工手册所得），脚手管底座强度满足要求。

8.3.4地基承载力计算

拟在脚手管底座下放置200×50mm木板，且在木板下浇筑C10混凝土垫层，厚度为10cm。

所以，地基受力面积A=（0.4×0.4）m2，基础底面处的平均压力值：

序号

木垫板厚度（cm）

混凝土垫层厚度（cm）

地基承载力（kPa）

1

5

10

183

2

5

15

119

3

5

20

85

…

…

…

…

9钢管桩支架结构计算

9.1支架结构布置型式

E匝道跨京珠高速和B匝道，箱梁采用钢管桩支架现浇，支架主要由8部分组成：

混凝土基础、钢管立柱、主横梁、纵梁、横向分配梁等。

典型结构断面见图9.1-1、图9.1-2。

（1）混凝土基础：

扩大基础采用C30混凝土浇筑，基底地基承载力需大于600kPa。

（2）钢管立柱：

钢管立柱采用φ426×6mm螺旋焊钢管，与桩基础通过预埋件连接。

（3）主横梁：

主横梁采用工56a型钢，焊接在钢管桩上方的卸荷块上。

（4）纵梁：

纵梁采用工40a，与主横梁点焊连接，做为横向分配梁的支撑。

（5）横向分配梁：

横向分配梁采用工14，与纵梁点焊连接，作为底模和翼缘板支架的支撑。

图9.1-1钢管桩支架纵断面图

图9.1-2钢管桩支架横断面图

9.2结构简化计算

9.2.1底模计算

（1）竹胶板计算

底模面板采用1.5cm厚竹胶板，取1cm宽板条进行计算。

腹板区计算跨径5cm，底板区计算跨径26cm，翼缘板区计算跨径30cm。

腹板区竹胶板计算

荷载计算：

q混凝土=1.2×0.01×1.8×26=0.5616kN/m

q自=1.4×0.01×0.015×9.1=0.0019kN/m

q施工=1.4×0.01×2.5=0.035kN/m

q=q混凝土+q自+q施工=0.599kN/m

应力变形验算：

腹板区、翼缘板区竹胶板强度与刚度计算同底板区，计算结果汇总见表9.2.1-1。

表9.2.1-1竹胶板强度、刚度计算结果

部位

q混凝土

q自

q内

q施

q

M

σ

f

[σ]

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN·m

MPa

mm

MPa

mm

腹板区

0.5616

0.0019

--

0.035

0.599

0.0002

5.3

0.0015

37

0.125

底板区

0.122

0.00137

0.013

0.025

0.202

0.00158

4.21

0.342

37

0.625

翼缘板区

0.097

0.00137

--

0.025

0.153

0.0012

3.2

0.26

37

0.75

经计算，竹胶板强度、刚度均满足施工要求。

（2）方木计算

底模次肋采用方木，底板区、腹板区、翼缘板区均采用10cm×10cm方木，计算跨径90cm。

腹板区方木计算

荷载计算：

q混凝土=1.2×1.8×0.15×26=8.424kN/m

q竹=1.4×0.015×0.15×9.1=0.0286kN/m

q自=1.4×0.1×0.1×6=0.084kN/m

q施工=1.4×0.15×2.5=0.525kN/m

q=q混凝土+q竹+q自+q施工=9.0616kN/m

应力变形验算：

腹板区、翼缘板区竹胶板强度与刚度计算同底板区，计算结果汇总见表9.2.1-2。

表9.2.1-2方木强度、刚度计算结果

部位

q混凝土

q竹

q自

q内

q施

q

M

σ

f

[σ]

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN·m

MPa

mm

MPa

mm

腹板区

8.424

0.0286

0.084

--

0.525

9.0616

0.917

5.5

0.92

11

2.25

底板区

5.279

0.0688

0.084

0.42

1.26

7.1118

0.72

4.3

0.73

11

2.25

翼缘板区

6.313

0.172

0.084

--

3.15

9.719

0.98

5.9

0.99

11

2.25

经计算，方木强度、刚度均满足施工要求。

9.2.2横向分配梁计算

横向分配梁采用工14型钢，腹板区计算跨径为21cm，底板区计算跨径111cm，翼缘板区采用悬臂简化计算。

腹板区横向分配梁计算

荷载计算：

q混凝土=1.2×1.8×0.9×26=50.544kN/m

q模=1.4×0.9×0.31=0.391kN/m

q自=1.4×0.169=0.2366kN/m

q施工=1.4×0.9×2.5=3.15kN/m

q=q混凝土+q模+q内+q自+q施工=54.3216kN/m

应力变形验算：

底板区工14分配梁强度与刚度计算同腹板区，计算结果汇总见表9.2.2-1。

表9.2.2-1工14分配梁强度、刚度计算结果

部位

q混凝土

q模

q内

q自

q施

q

M

σ

f

[σ]

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN/m

kN·m

MPa

mm

MPa

mm

底板区

13.2

0.391

0.78

0.2366

3.15

17.7576

4.29

42.1

0.58

215

3.475

翼缘板区横向分配梁计算

荷载计算

q混凝土=1.2×0.45×0.9×26=12.636kN/m

q模=1.4×0.9×0.31=0.391kN/m

q自=1.4×0.169=0.2366kN/m

q施工=1.4×0.9×2.5=3.15kN/m

q=q混凝土+q模+q自+q施工=16.41kN/m

强度计算

经计算，工14分配梁强度、刚度均满足施工要求。

9.2.3翼缘板脚手管支架计算

翼缘板脚手管支架荷载比钢管桩支架间满堂支架翼缘板脚手管荷载小，且布置间距相同，所以，翼缘板脚手管支架受力满足要求，勿需验算。

9.2.4纵梁计算

纵梁采用工40a，计算跨径为6.9m。

最不利荷载组合见表9.2.4-1。

表9.2.4-1纵梁荷载组合表

工40a编号

面积S（m2）

宽度d（m）

砼荷载（kN/m）

模板及施工荷载kN/m

总荷载kN/m

备注

1.2*S*26

1.4*d*（2.0+2.5）

1

0.32

1.19

9.984

7.497

17.481

2

1.41

1.64

43.992

10.332

18.108

3

0.45

0.93

14.04

5.859

19.899

4

0.47

0.93

14.664

5.859

20.523

5

1.4

1.35

43.68

8.505

17.395

6

0.45

0.93

14.04

5.859

19.899

7

0.45

0.93

14.04

5.859

19.899

8

1.4

1.64

43.68

10.332

18.004

9

0.24

0.95

7.488

5.985

13.473

根据荷载大小和跨径分析，4#纵梁受力最大，所有取4#纵梁进行验算。

（1）内力计算：

M=ql2/8=20.523×6.92/8=122.14kN·m

（2）应力计算：

σ=M/w=122.14/0.00109=112.05Mpa<[σ]=215Mpa

经计算，纵梁工40a满足施工要求。

9.2.5主横梁计算

主横梁采用工56a型钢。

（1）荷载计算

主横梁受力简图见图9.2.5-1。

图9.2.5-1主横梁受力简图

（2）内力计算

Ra=69.41kNRb=70.04kN

设AB跨中最大弯矩值距A点值为：

跨中最大弯矩：

M=RaX=69.41×1.91=132.47kN·m

悬臂段弯矩：

M=60.31×1.71=103.13kN·m

（3）应力计算

W=M/w=132.47/0.002342=56.56Mpa<[σ]=215MPa

经计算，主横梁满足施工要求。

9.2.6立柱稳定性计算

立柱采用φ426×6mm螺旋焊钢管，最大轴力为N=346.3kN，截面面积A=0.0079m2，回转半径i=

=0.15m，λ=L/i=4.5/0.15=30。

查表φ=0.918。

根据计算可知，钢管桩立柱稳定性满足要求。

9.2.7混凝土基础计算

基底承载力计算

基础采用C30混凝土浇筑，尺寸为h×0.8×0.8m，有效接触面积为（0.8×0.8）m2。

σ=Nmax/A=346.3/0.64=541.1Kpa

基础底地基承载力大于600Kpa即可。

9.3结构仿真计算

9.3.1模型建立

采用Midas/Civil有限元计算软件建模，模型中包括钢管立柱、梁部结构等构件，所有构件均采用梁单元模拟，边界条件钢管桩与主横梁固结，主横梁与纵梁铰接，荷载采用工况二中的荷载。

结构模型见图9.3-1。

图9.3-1钢管桩支架模型图

9.3.2计算结果

（1）强度计算结果

各构件应力云图见图9.3-2，计算结果见表9.3-1。

图9.3-2钢管桩支架应力云图

表9.3-1计算结果统计表

序号

构件名称

最大弯矩/kN.m

最大剪力

/kN

最大轴力/kN

最大剪应力/MPa

最大组合应力/MPa

备注

1

钢管立柱

--

--

346.34

--

60.53

2

主横梁

121.84

208.36

--

34.54

52.02

3

纵梁

126.08

73.09

--

20.07

116.13

（2）刚度计算结果

经计算，整体结构z方向的位移变形最大值为8.43mm（见图9.3-3），主要构件变形见表9.3-2。

图9.3-3位移云图

表9.3-2主要构件变形统计表

序号

构件名称

最大变形/mm

容许变形/mm

变形最大处

1

钢管立柱

0.82

--

腹板处立柱

2

主横梁

2.25

11.88

主横梁跨中

3

纵梁

5.36

17.25

纵梁跨中

（3）整体稳定性计算结果

根据屈曲模态云图显示，临界荷载系数为14.07>1.5（见图9.3-4），所以可认为在此荷载作用下支架是稳定的。

图9.3-4屈曲模态云图