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midas挂篮计算书
midas挂篮计算书
浙江XXXXXX桥挂篮计算书
XXXXXX有限公司
2013年07月19日
浙江XXXXXX桥挂篮计算书
项目负责:
项目成员:
1设计计算说明
1.1设计依据
1)《VVVVVVVVV箱梁施工图设计》;
2)《钢结构设计规范》(GB50017-2003);
3)《公路桥涵施工技术规范》(JTG/TF50-2011);
4)《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86)
5)《路桥施工计算手册》
1.2工程及施工工况分析
浙江XXXXXX大桥主桥是三跨连续梁,跨度组合为55m+90m+55m,梁部采用挂篮悬臂浇筑施工,即先对称悬臂浇注施工后体系转换合龙成为连续梁。
该工程由两幅相同桥梁构成,单幅桥梁的截面采用单箱单室,梁顶宽为15.5m,底板宽度为8.5m,0号段高度为5.5m,跨中高度为2.5m。
悬臂浇筑阶段的长度分为4m,3.5m,各节段长度对应混凝土重量得出最大混凝土重量约为163.3t。
1.3挂篮设计
1.3.1主要技术参数
1)混凝土自重Gc=2.6t/m3;
2)钢材弹性模量Es=2.1×105MPa;
3)容许挠度:
1/400
4)强度设计值:
根据《钢结构设计规范》,挂篮主要构件的设计值为:
精轧螺纹钢采用PSB930型(屈服强度为930MPa);相关几何参数如下:
1.3.2挂篮构造
采用三角式轻型挂篮进行悬臂浇筑,由主桁系统、悬吊行走系统和模板系统(含底模平台)三部分组成。
其中,主桁系包括三角架、横联、前横梁、后横梁和大梁锚固系统等部分;三角架和横联采用型钢和钢板的组合结构,前横梁、后横梁采用型钢组拼。
悬吊行走系统包括外模纵梁、内模滑梁、吊带、前下横梁和后下横梁等部分;外模纵梁、内模滑梁、前下横梁和后下横梁等采用型钢组拼,所有吊带均采用16Mn钢吊带。
模板系统包括外模、内模和底模(含底模平台)三个部分;外模、底模均采用大块组合钢板,内模为组合钢模;内外模桁架采用型钢组拼;底模平台纵横梁均采用型钢组拼。
1.3.3挂篮计算对象的初步确定
3.5m长的节段最大悬浇重量为1号块,重约163.3t,4m长的节段最大重量为5号块,重约149.7t,则分别以1号块和5号块为计算对象对挂篮进行设计验算。
2挂篮构件选型及荷载描述
2.1截面各部位与挂篮各构件的选取
挂篮总体布置如图1图2所示,以下为主要构件的选取:
图1挂篮总体布置图
图2挂篮正视图
2.1.1主桁
主桁为三角桁片,由立柱、轨道横梁、斜拉带组成,每个挂篮有二片三角形组合梁,两片组合梁支架由桁架连接形成整体,立柱与主梁之间采用绞接。
(1)主梁由2根HN600×200×11×17型钢加工而成,共长1200cm;
(2)立柱由2根HN600×200×11×17型钢加工而成,共长600cm;
(3)前斜拉带由1道250mm×40mm16Mn钢板加工而成,端部两侧各加焊1.6cm厚的16Mn钢板;后斜拉带由2道250mm×20mm16Mn钢板加工而成,端部两侧各加焊1.0㎝厚的16Mn钢板。
(4)立柱横联采用由桁片连接的形式。
2.1.2底篮
底篮由前横梁、后横梁、纵梁等组成。
(1)前横梁:
底篮前横梁采用2根HN600×200×11×17型钢,前横梁长1300cm;
(2)后横梁:
底篮后横梁采用2根HN600×200×11×17型钢,后横梁长1300cm;
(3)纵梁:
底篮箱梁底部纵梁由HM350×250×9×14型钢加工而成,长600cm;工作平台底部纵梁由HN250×125×6×9型钢加工而成,长750cm。
2.1.3悬吊系统
悬吊系统包括上前横梁、内、外模板滑梁和吊杆,上前横梁为型钢结构,通过吊杆及铰座与底栏连接。
内、外模板滑梁也为型钢结构,通过吊杆与上前横梁及已浇筑混凝土箱梁连接。
(1)上前横梁:
采用2根HN600×200×11×17型钢加工而成,长1500㎝。
(2)滑梁:
内、外滑梁均采用2根HN350×175×7×11型钢加工而成,长1200㎝。
(3)吊杆均采用直径为φ32精扎螺纹钢。
2.1.4锚固系统
挂篮后锚由锚固梁、锚杆组成,上端通过锚固梁锚于主梁尾部,下端通过精轧螺纹钢筋和连接器锚于箱梁上。
初步拟定单片挂篮主桁的后锚共设4根Φ32精轧螺纹钢,一套挂篮后锚总共需要8根Φ32精轧螺纹钢锚固。
2.1.5行走系统
整个桁架结构支承在由型钢加工而成的前、后支腿上。
每组主梁的支腿下设一套行走系统,行走系统主要包括:
行走轨道、行走反压小车、行走滑船等。
2.1.6模板系统
模板采用吊挂式,由内、外模板组成。
内模:
由加工的大块钢板模与桁架组成。
顶板由钢模、槽钢和木条、木楔形成桁架,内顶模板通过钩头螺栓连接成整体;侧板也由大块钢模组拼,槽钢加劲,内侧模与顶模之间采用螺栓连接。
外模:
由型钢和大块平面钢模板组成桁架式模板,翼缘悬臂模板和腹板焊接为一体,并采用斜撑加强。
2.2长度3.5m节段箱梁自重荷载估算
由于1号块为3.5m节段中最大重量块,以1号块为对象,由设计图已知该节段重量为163.3t,为确定截面各个部位的重量,将计算截面按图3所示划分为:
翼板、顶板、腹板、底板。
图33.5m混凝土截面分区
由箱梁形状的变化规律可知:
翼板、顶板、底板沿纵桥向重量不变,腹板由于高度变化沿纵桥向重量变化较大。
各部分计算结果如下:
翼板自重G1:
翼板截面面积为:
A1=1.4875m2
则计算自重:
G1=1.4875×3.5×2.6=13.54t
顶板自重G2:
顶板截面面积取:
A2=2.772m2
则顶板自重:
G2=2.772×3.5×2.6=25.23t
底板自重G4:
底板截面面积:
A4=5.4216m2
则计算自重G4=5.4216×3.5×2.6=49.34t
腹板自重G3:
G3=(163.3-13.54×2-25.23-49.34)/2=30.83t
2.3长度4m节段箱梁自重荷载估算
由于5号块为4.0m节段中最大重量块,以5号块为对象,由设计图已知该节段重量为149.7t,由于截面形式相似,同样可以按错误!
未找到引用源。
所示划分为:
翼板、顶板、腹板、底板。
翼板自重G1:
翼板截面面积为:
A1=1.4875m2
则计算自重:
G1=1.4875×4×2.6=15.47t
顶板自重G2:
顶板截面面积取:
A2=2.772m2
则顶板自重:
G2=2.772×4×2.6=28.83t
底板自重G4:
底板截面面积:
A4=3.2274m2
则计算自重
G4=3.2274×4×2.6=33.565t
腹板自重G3:
G3=(149.7-15.47×2-28.83-33.565)/2=28.1825t
2.4模板及人员、机械荷载计算
侧模自重G5:
——侧模翼板支架自重:
侧模支架每50cm一道,共计9道,每道支架的主要由I126焊接而成,局部由角钢焊接,由于角钢占比重较少将其重量按I126工字钢考虑,1道支架自重为:
21.59m×14.2kg/m=306.578kg
——面板(6mm厚,4.25m长铁板):
翼缘悬臂模板和腹板焊接为一体,计算得到模板重量为:
9.56×4.25×7855×0.006=1914.89kg
侧模自重:
G5=0.3066×9+1.9149=4.6743t
内模自重G6:
——面板(6mm厚钢内模):
14.02×4.25×7.855×0.006=2.81t
——内模支撑(槽钢和木条、木楔等形成的临时支撑桁架):
约1.0t
——肋(10a槽钢):
9×0.199t=1.79t
G6=2.81+1.0+1.79=5.60t
底模自重G7:
——面板(6mm厚):
8.5×4.25×7.85×0.006=1.70t
——肋(10a槽钢):
约1.00t
G7=1+1.7=2.70t
人员、机械荷载G8:
人员、机械荷载按2.5kN/m2考虑。
2.5根据底篮受力情况明确计算目标
本计算书于1.1.3初步拟定1#块和5#块为特征块段进行分析,1#块重量大于5#块,但是5#块一次浇筑长度为4m,该长度大于1#块的3.5m浇筑长度,造成浇筑混凝土段的中心外移,力臂加长。
挂篮荷载的直接承受构件即为底篮,此处就两个特征块段进行底篮受力分析以进一步明确计算目标块段。
2.5.1两种底篮模型的建立
由于该桥采用变梁高形式,悬臂浇筑过程中底篮与水平面的角度是不断变化的。
1#块的底篮倾角约为5.68°,5#块的底篮倾角约为4.18°变化明显,建模时需要考虑角度变化的影响。
根据设计图纸建立图4所示的底篮模型。
图4底篮模型
2.5.2底篮构件内力及变形计算
对1#块和5#块模型分别施加相应的混凝土湿重、模板重量和人员机械荷载,分别计算得到了两个特征块段的弯矩图如图5和图6所示。
图5浇筑1#块段时底篮弯矩图
图6浇筑5#块段时底篮弯矩图
从两个特征节段的弯矩图不难看出弯矩最大值发生的构件相同且发生位置几乎一致。
其中正向最大弯矩发生在腹板纵梁上,1#块腹板纵梁最大正弯矩为85.56kN·m,5#块最大正弯矩为77.33kN·m。
最大负弯矩发生在底篮前横梁上,1#块最大负弯矩为-97.89kN·m,5#块最大负弯矩为-91.87kN·m。
底篮同一构件在浇筑1#块时所产生的内力较5#块大。
底篮承受荷载后通过吊杆将力传递给主桁架在由主桁架传递至上一节段,因此,还需要分析1#和5#节段在承受相应节段荷载时的反力。
提取两特征节段模型的反力,结果如图7和图8所示。
图7浇筑1#节段时底篮反力图
图8浇筑5#节段时底篮反力图
从两个特征节段的反力图不难看出,前吊点位置处1#的力大小为236.8kN,5#块的力大小为199.6kN,后吊点位置处1#的力大小为103.1kN,5#块的力大小为98.3kN。
因此,底篮浇筑1#块时传递至主桁架的吊点力比5#块大。
2.5.3挂篮验算节段确定
通过分析底篮在不同受力情况下的效应可以进一步明确结算节段,简化验算工作。
由XXXXXX桥挂篮底篮模型计算结果不难看出,1#块浇筑时产生的荷载对挂篮底篮的作用效应明显比5#块大。
因此,验算时只需以1#块作为验算对象进行验算。
3挂篮空间有限元整体模型的建立及计算
3.1挂篮空间有限元模型建立
根据XXXXXX桥的设计图纸,初步设计了适用于该桥的挂篮,为验算挂篮各构件的内力和变形是否满足要求,根据挂篮初步设计图纸建立有限元模型。
模型所选用的材料大多为Q235钢材,斜拉带材料为16Mn钢材,吊杆为PSB930精轧螺纹钢。
根据挂篮各截面的特点选用了不同的截面,并模拟了相应的连接件和边界条件以确保模型准确。
具体有限元模型图9所示。
图9挂篮空间有限元模型
针对一些重要构件建立了单独的有限元模型进行分析,此类有限元模型的建立在此处不再赘述。
3.2挂篮整体模型计算
挂篮主要由3中材料构成:
Q235(普通受力构件)、16Mn钢(前后拉带)、PSB930(吊杆)。
其中拉带和吊杆只承受拉应力,因此仅验算其抗拉强度及变形。
其余构件由于承受弯矩剪力等内力作用,需对各项强度进行验算。
3.2.1强度验算
挂篮吊杆的最大拉应力为236.27Mpa小于屈服强度930Mpa,满足强度要求。
挂篮前后拉带的最大拉应力为57.86Mpa小于屈服强度320Mpa,满足强度要求。
挂篮其余受力构件的最大拉应力为69.88Mpa,最大压应力为71.37Mpa,最大剪应力为60.65Mpa,具体见图10~图12。
钢材的设计强度[f]=min{215Mpa,205Mpa},[fv]==min{125Mpa,120Mpa},均能满足要求。
图10Q235构件最大拉应力图
图11Q235构件最大压应力图
图12Q235构件最大剪应力图
3.2.2整体刚度验算
全桥整体变形为15.27mm<20mm,满足要求(公路桥涵施工技术规范JTJTF50-2011)。
4挂篮主桁架各构件计算
4.1挂篮主桁架强度、刚度计算
主桁架包括三角架、横联、前上横梁和后上横梁四个部分,三角架长12.0m,悬空6.5m,其主要承受前上横梁传递的各吊杆力。
本部分计算还包括了挂在前、后上横梁上的挑梁和横向拉板。
梁段挂篮三角架应力如图13所示。
图13挂篮三角架应力图(单位:
MPa)
在两种梁节段荷载工况下,钢材的设计强度[f]=min{215Mpa,205Mpa},[fv]==min{125Mpa,120Mpa},变形允许值为L/400(GB50017——2003附录A)。
选择两种工况中控制设计的计算结果验算如下。
4.1.1强度计算
立柱最大压应力为27.05Mpa<[f],剪应力为0.4Mpa<[fv];见图14~图15。
图14立柱最大压应力图
图15立柱最大剪应力图
大梁最大压应力为33.90Mpa<[f],最大拉应力为13.71Mpa<[f],剪应力为33.46Mpa<[fv],见图16~图18;
图16主梁最大压应力图
图17主梁最大拉应力图
图18主梁最大剪应力图
斜拉带最大拉应力为57.86Mpa<[f]剪应力为0.30Mpa<[fv],见图19~图20;
图19斜拉带最大拉应力图
图20斜拉带最大剪应力图
立柱横联最大压应力为13.57Mpa<[f],最大拉应力为12.28Mpa<[f],剪应力为4.90Mpa<[fv],见图21~图23;
图21立柱横联最大压应力图
图22立柱横联最大拉应力图
图23立柱横联最大剪应力图
主梁横联最大压应力为7.65Mpa<[f],最大拉应力为8.32Mpa<[f],剪应力为0.82Mpa<[fv],见图24~图26。
图24主梁横联最大压应力图
图25主梁横联最大拉应力图
图26主梁横联最大剪应力图
前上横梁最大压应力为30.38Mpa<[f],最大拉应力为30.04Mpa<[f],剪应力为25.47Mpa<[fv],见图27-图29;
图27前上横梁最大压应力图
图28前上横梁最大拉应力图
图29前上横梁最大剪应力图
综上所述,挂蓝主桁架各构件强度满足要求。
4.1.2刚度计算
立柱最大变形量为4.99mm<L/400=5600/400=14mm,见图30;
图30立柱变形图
大梁最大变形量为9.56mm<L/400=6500/400=16.25mm,见图31;
图31大梁变形图
前斜拉带最大变形量为7.05-4.64=2.41mm<L/400=7999/400=20.0mm,见图32;
图32前斜拉带变形图
后斜拉带最大变形量为4.81-0.58=4.23mm<L/400=7747/400=19.37mm,见图33;
图33后斜拉带变形图
通过图34~图35可以看出立柱横联的位移很大程度上受立柱转动的影响,其本身变形较小,数值为0.4mm<L/400=1964/400=4.91mm。
图34立柱横联位移正视图
图35立柱横联位移侧视图
主梁横联最大变形量为5.37mm<L/400=7000/400=17.5mm,见图36。
图36主梁横联变形图
前上横梁最大变形量为9.65-5.06=4.59mm<L/400=7000/400=17.5mm,见图37;
图37前上横梁变形图
综上所述,挂蓝主桁架各构件刚度满足要求。
4.2挂篮后锚力及抗倾覆计算
挂篮桁架上主梁后锚系统是挂篮的安全保障,只有锚固稳定整个挂篮系统才能发挥作用。
挂篮整体支座反力见图38。
图38挂篮前、后支点反力图
三角形挂篮每个三角架的后锚力需要R后锚=386.5kN,后锚力由精轧螺纹钢提供,控制应力按785Mpa考虑,则单根精轧螺纹钢提供的锚固力为:
P=785×3.14×322/4=631.3kN。
每个三角架设置4根Φ32精轧螺纹钢锚固,则抗倾覆安全系数为:
n=631.3×4/386.5=6.5>2。
后锚系统由挂篮后锚固垫梁、精轧螺纹钢筋组成(详见大梁锚固系统构造图纸),根据设计图纸建立后锚压梁的简化模型如图39所示。
图39锚固系统简化模型
压梁的最大压应力为76.29MPa<[f],最大拉应力为76.29Mpa<[f],剪应力为64.8Mpa<[fv],见图40-图42;
图40压梁的最大压应力图
图41压梁的最大拉应力图
图42压梁的最大剪应力图
综上所述,挂篮的后锚固系统是安全的,抗倾覆安全系数大于2(公路桥涵施工技术规范JTJTF50-2011)。
5挂篮底模各构件计算
挂蓝底模的承重系统主要由底板纵梁、腹板纵梁、前下横梁、后下横梁和工作平台纵梁组成。
箱梁混凝土浇筑后该部分主要承受底板及腹板的重量,需要对各构件的强度和刚度进行验算以保证挂篮施工过程的安全和混凝土浇筑质量。
5.1底模各构件强度验算
腹板纵梁最大压应力为71.37Mpa<[f],最大拉应力为69.88Mpa<[f],剪应力为24.43Mpa<[fv],见图43~图45;
图43腹板纵梁最大压应力图
图44腹板纵梁最大拉应力图
图45腹板纵梁最大剪应力图
底板纵梁最大压应力为64.02Mpa<[f],最大拉应力为64.81Mpa<[f],剪应力为20.0Mpa<[fv],见图46~图48;
图46底板纵梁最大压应力图
图47底板纵梁最大拉应力图
图48底板纵梁最大剪应力图
工作平台纵梁最大压应力为36.17Mpa<[f],最大拉应力为41.06Mpa<[f],剪应力为3.48Mpa<[fv],见图49~图51;
图49工作平台纵梁最大压应力图
图50工作平台纵梁最大拉应力图
图51工作平台纵梁最大剪应力图
前下横梁最大压应力为24.37Mpa<[f],最大拉应力为24.43Mpa<[f],剪应力为11.63Mpa<[fv],见图52~图54;
图52前下横梁最大压应力图
图53前下横梁最大拉应力图
图54前下横梁最大剪应力图
后下横梁最大压应力为38.23Mpa<[f],最大拉应力为38.13Mpa<[f],剪应力为18.47Mpa<[fv],见图55~图57;
图55后下横梁最大压应力图
图56后下横梁最大拉应力图
图57后下横梁最大剪应力图
综上所述,底模各构件强度均满足要求。
5.2底模构件刚度验算
由于在整体模型中该部分处于悬吊状态,各节点的位移值受上部构件变形的影响较大,不可作为计算依据。
但底篮仍然是由多种构件共同组成的,单独建立某一个梁的有限元模型是不合理的。
因此,仍然保持各纵梁之间的联系,模拟吊带对底板的约束条件建立了有限元模型,得到各杆件的变形图,具体如下。
腹板纵梁的最大变形量为6.49mm<L/400=5500/400=13.75mm,见图58;
图58腹板纵梁变形图
底板纵梁最大变形量为5.97mm<L/400=5500/400=13.75mm,见图59;
图59底板纵梁变形图
工作平台纵梁最大变形量为6.57mm<L/400=5500/400=13.75mm,见图60;
图60工作平台纵梁变形图
前下横梁最大变形量为0.71mm<L/400=5500/400=13.75mm,见图61;
图61前下横梁变形图
后下横梁最大变形量为0.89mm<L/400=5500/400=13.75mm,见图62;
图62后下横梁变形图
综上所述,底篮各构件刚度满足要求。
6挂篮悬吊系统计算
挂篮的悬吊系统主要包括吊杆、内模滑梁和外模滑梁。
验算内容主要是荷载作用下的强度和刚度。
6.1悬吊系统强度验算
吊杆强度验算:
挂篮系统使用了大量φ32精扎螺纹钢组成的吊杆,在受力较大的地方,采用双螺纹钢的形式以保证结构受力及变形符合要求。
通过对有限元模型施加荷载,得到了各吊带的内力值。
对各吊杆强度进行验算,具体如表1所示。
表1吊杆强度计算汇总
纵向位置
杆件
所吊构件
截面
吊带内力
(kN)
允许内力
(kN)
是否符合
外伸段
侧模吊带1
侧模
φ32精扎螺纹钢
28.4
630
OK
侧模吊带2
侧模
φ32精扎螺纹钢
29.9
630
OK
内模吊带
内模
φ32精扎螺纹钢
45.5
630
OK
前吊带
前下横梁
2╳φ32精扎螺纹钢
239.8
1260
OK
已浇筑段
侧模吊带1,
侧模
φ32精扎螺纹钢
110.0
630
OK
侧模吊带2,
侧模
φ32精扎螺纹钢
141.0
630
OK
后吊带1
后下横梁
2╳φ32精扎螺纹钢
340.8
1260
OK
后吊带2
后下横梁
φ32精扎螺纹钢
68.4
630
OK
外模滑梁最大压应力为64.61Mpa<[f],最大拉应力为64.69Mpa<[f],剪应力为60.65Mpa<[fv],见图63~图65;
图63外模滑梁最大压应力图
图64外模滑梁最大拉应力图
图65外模滑梁最大剪应力图
内模滑梁最大压应力为67.63Mpa<[f],最大拉应力为67.71Mpa<[f],剪应力为25.72Mpa<[fv],见图66~图68;
图66内模滑梁最大压应力图
图67内模滑梁最大拉应力图
图68内模滑梁最大剪应力图
综上所述,悬吊系统各构件强度满足要求。
6.2悬吊系统刚度验算
外模滑梁1最大变形量为7.12mm<L/400=5700/400=14.25mm,见图69;
图69外模滑梁1变形图
外模滑梁2最大变形量为7.73mm<L/400=5700/400=14.25mm,见图70;
图70外模滑梁2变形图
内模滑梁横梁最大变形量为10.89mm<L/400=5700/400=14.25mm,见图71
图71内模滑梁变形图
综上所述,悬吊系统各构件刚度满足要求。
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