挂篮设计计算书参考范本.docx
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挂篮设计计算书参考范本
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1概况
施州大桥为连接恩施旧城区和城北新区的城市主干线。
大桥采用协作体系,具体跨径布置为:
30m等截面连续箱梁+(100m+145m)直塔单索面斜拉桥+3×30m等截面连续箱梁。
斜拉桥主梁为单箱三室混凝土箱梁,桥面全宽21.5m,设计为双向四车道。
设计时速40km/h,设计荷载为城市—A级。
主梁施工采用悬臂施工,其施工节段分为有索节段和无索节段,长度均为4.25m,最大节段设计重量约为180t。
本挂篮是为此桥主梁的悬臂施工而设计的。
根据本桥的结构特点和施工特点,挂篮设计为铰接菱形挂篮,其由以下几个主要部分组成。
(1)主桁系统:
横向由两片主桁组成,单片主桁由下弦杆、上弦杆、斜杆、立柱和斜拉钢带构成,横向桁式联接系连接而成;
(2)内模系统:
由木质面板和内模支架组成;(3)底模平台系统:
由前下横梁、后下横梁、纵梁、横向分配梁和底模组成;(4)吊挂系统:
由前上横梁、导梁、挑梁和吊带组成;(5)平衡及锚固系统:
由锚固构件、钩板等组成,以便挂篮在灌注混凝土和空载行走时,具有必要的稳定性。
按照上述几个组成系统分别进行计算,计算软件为《桥梁博士(v3.0)》和ANSYS6.0。
计算建模与施州大桥施工挂篮设计图中的相应内容吻合。
2设计依据
(1)恩施市施州大桥施工设计图;
(2)《钢结构设计规范》(GB50017—2003);
(3)《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025—86);
(4)《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000);
(5)其它规范和规程。
3设计假定和说明
根据本挂篮的结构特点,设计计算中采用以下假定和说明。
(1)悬臂施工最大节段重量约为180t,按此重量进行挂篮控制设计。
(2)由于挂篮上部主桁系统和下部底模平台系统仅通过吊挂系统相连,故计算按各自的子结构进行计算,子结构为底模平台体系,主桁体系、吊挂体系和锚固体系。
(3)计算顺序为先对底模平台体系进行结构计算,得出各吊点的支承反力,然后把此支承反力作为外力对主桁体系进行各项计算。
(4)节段施工过程一般分为以下步骤:
①挂篮空载走行就位。
②立模。
③绑扎钢筋并浇注混凝土。
④混凝土养生后,拆模并张拉预应力。
对于挂篮来讲,只有步骤①和步骤③最不利,故挂篮的检算分为以下两个工况。
工况1:
挂篮空载走行;
工况2:
挂篮浇注混凝土时。
(5)主桁体系的结构受力分析和纵向整体稳定性检算,计入纵向风载作用。
桥面以下的结构体系不考虑风载作用。
主桁结构在横向风载作用下的主桁结构横向稳定性不作检算,但挂篮的横向限位装置要满足构造要求。
(6)各施工荷载参照规范或相应资料取值,并按荷载主力+附加力进行组合检算。
(7)检算主桁时考虑挂篮走行时的摇晃和挂篮浇注混凝土时的振捣,故工况1荷载动力系数取为1.3,工况2荷载动力系数取为1.15。
4设计相关参数
(1)材料容重:
C50混凝土26.25kN/m3(考虑体内钢筋和梁段制作误差,提高5%);
钢构件按照设计图中的构件重量采用换算容重。
(2)材料弹性模量:
A3钢材2.1×105Mpa;
Ф32精轧螺纹钢筋2.0×105Mpa。
(3)内模重量、施工机械、作业人群等施工荷载:
2.0kN/m2。
(4)温度荷载:
升温15℃,降温15℃,体系温度20℃。
(5)风荷载:
按8级风考虑,8级以上风则停止作业并加强锚固。
W=K1K2K3K4W0=262.63×1.0×1.3×1.3×1.0=443.8Pa。
5计算内容
5.1箱梁底模平台
箱梁底模平台由前下横梁、后下横梁、纵向分配梁、横向分配梁和底模组成。
浇注混凝土时荷载先由底模面板承受,后由底模面板通过底模下面的∠50×5传递给横向分配梁,横向分配梁传给纵向分配梁,再由纵向分配梁传递给前、后下横梁。
下横梁的支承边界为各自的吊挂系统。
5.1.1模板
模板由6mm厚的面板(A3钢板)和∠50×5的型钢楞条组成,分为底模、侧模和翼板模。
(1)面板
面板最大网格为0.4m×0.4m,它将直接承受上面的面载。
对此网格采用ANSYS6.0进行板单元计算,看网格划分的是否合理。
模板面板所承受的最大荷载为:
q=26.25×0.9+2.0=25.625kN/m2
面板计算采用四边嵌固的板单元进行计算。
计算得面板的变形为0.2mm,面板稳定应力为31.3MPa,其应力云图见图1。
图1模板面板应力云图(Pa)
根据《公路桥涵施工技术规范》第9.2.4条的规定,模板面板在施工过程中的最大变形应小于模板构件跨度的L/400=1.0mm,也应小于规定的1.5mm。
模板面板的最不利变形满足规范要求。
(2)∠50×5角钢棱条
模板面板下面为间隔400mm的∠50×5角钢棱条,面板和钢棱条组成正交异性板。
面板与纵肋焊接在一起共同工作,故应计算纵肋上面板的有效宽度。
有效宽度取其正弯矩部分的平均长度作为纵肋跨长,即t1=0.7t=0.7×400=280mm。
利用有限元进行计算,建立纵肋的计算模型,计算软件为《桥梁博士V3.0》,计算模型见图2。
图2模板纵向钢棱条有限元计算模型
面板下最大荷载为中箱区域:
常截面:
q=0.4×0.9×26.25+0.4×2=10.25kN/m
横隔墙截面:
q=0.4×2.85×26.25+0.4×2=30.73kN/m
计算得挠度为0.024mm,小于L/400=1.25mm。
纵肋的计算应力很小。
5.1.2横向分配梁
横向分配梁为焊接支架,左右对称,沿桥纵向间隔0.5m布置,在横隔墙处并进行了加密(0.3m+0.2m)。
取一半进行建模分析,模型见图3,模型支点位置为纵向分配梁位置。
图3横向分配梁有限元计算模型
单元模型中,单元E1~E14、E44~E61为[10型钢,其余为[8型钢。
根据设计图中的材料重量,构件的换算容重为82.43kN/m3。
作用在横向分配梁上的荷载等效成均布荷载,具体如下.
常截面:
翼缘板q=0.335×0.5×26.25+0.5×2=5.40kN/m
斜腹板
靠近翼板区域q1=0.51×0.5×26.25+0.5×2=7.69kN/m
(为0.674m梯形载)q2=0.93×0.5×26.25+0.5×2=13.21kN/m
其它q=0.58×0.5×26.25+0.5×2=8.61kN/m
底板
边室q=0.65×0.5×26.25+0.5×2=9.53kN/m
中腹板q=2.85×0.5×26.25+0.5×2=38.41kN/m
中室q=0.90×0.5×26.25+0.5×2=12.81kN/m
0.4m横隔墙截面:
边室底板及中室区域q=1.95×0.4×26.25=20.48kN/m
斜腹板区域q1=(0.93-0.58)×0.4×26.25=3.68kN/m
(为2.706m梯形载)q2=1.95×0.4×26.25=20.48kN/m
在横隔板中线各0.2m处进行了加密,按照五弯矩方程计算得反力,可假定0.4m横隔板区域荷载由3根横向分配梁承受,其荷载分配比例为1:
2.7:
1。
常截面区域横向分配梁加载图见图4。
0.4m横隔墙区域加载图见图5。
图4常截面区域横向分配梁加载图示
图5横隔板区域附加荷载加载图示(3片横梁分配)
常截面区域加载下的横向分配梁变形图见图6,横隔板区域下的横向分配梁变形图见图7。
图6常截面区域加载下的横向分配梁变形图
节点竖向位移:
N522.16mm<L/200=4.5mm
N492.39mm<L/400=6.25mm
N100.65mm<L/400=4.125mm
图7横隔板区域加载下的横向分配梁变形图
节点竖向位移:
N521.91mm<L/200=4.5mm
N492.31mm<L/400=6.25mm
N101.89mm<L/400=4.125mm
以上计算过程中,横向分配梁单元最大正应力为E8-I,为102.3MPa,应力水平满足规范要求。
计算得各支点反力见表1。
表1横向分配梁支点反力汇总(kN)
纵梁编号
1#
2#
3#
4#
5#
6#
常截面区域
43.87
5.71
14.79
13.31
23.10
7.77
横隔板区域
23.32
13.22
30.93
24.85
25.98
11.68
横隔板加密
8.64
4.90
11.46
9.20
9.62
4.33
5.1.3纵向分配梁
纵向分配梁布置在前、后下横梁上面,上面承受横向分配梁传来的荷载。
纵向分配梁在桥横向共布置11组,具体布置为2×(1000+2304+1680+1175+1175)mm。
均为全焊接桁架结构,其中1#端纵梁为桁高800mm,中间9组中纵梁(2#~6#)为桁高847mm。
对端纵梁和中纵梁分别建模分析,模型支点位置为前、后下横梁位置。
1#纵梁(端纵梁)各杆件型号如下:
上弦杆:
2[20b型钢,计算长度为8×0.675m
下弦杆:
2[16b型钢,计算长度为3×1.35m
端斜杆:
2[16b型钢,计算长度为1.047m
其余杆件:
2[10型钢
2#~6#纵梁(中纵梁)各杆件型号如下:
上弦杆:
2[14b型钢,计算长度为8×0.675m
下弦杆:
2[12.6型钢,计算长度为3×1.35m
端斜杆:
2[12.6型钢,计算长度为1.083m
其余杆件:
2[8型钢
纵梁计算模型见图8。
图8端纵梁计算模型
模型所加荷载为表1中纵梁反力荷载。
受荷变形图见图9。
图9纵梁受荷变形图
具体计算结果见表2。
表2纵梁最不利计算结果
纵梁编号
1#
2#
3#
4#
5#
6#
最大节点挠度(mm)
3.56
1.03
2.47
2.13
3.10
2.29
上弦杆最大正应力(MPa)
83.7
25.8
61.5
52.2
71.4
54.7
下弦杆最大正应力(MPa)
-95.3
-28.9
-69.7
-59.9
-86.4
-64.2
端斜杆最大正应力(MPa)
-64.8
-19.9
-47.9
-41.6
-62.4
-45.4
腹杆最大正应力(MPa)
71.6
20.9
49.8
42.5
59.3
44.9
前下横梁支点反力(kN)
204.5
39.8
95.5
83.0
123.9
90.3
后下横梁支点反力(kN)
190.7
34.1
81.9
71.9
111.3
79.6
注:
应力以压为正。
从图9和表2可以看出:
纵梁最大节点挠度为9#节点,具体为3.56mm,其挠跨比3.56/5400=1/1517,小于《公路桥涵施工技术规范》第9.2.4条要求的L/400。
1#纵梁变形满足规范要求。
纵梁各杆件中最大应力为端纵梁的下弦杆,为95.3MPa,小于规范要求的[σW]=140MPa,结构受力满足规范要求。
5.1.4下横梁
下横梁分为前下横梁和后下横梁,由于两个下横梁的几何参数相同,但前下横梁所受纵梁传来的荷载要比后下横梁大,故只检算前下横梁。
前下横梁由两根工40a型钢组成,全长18m,对此进行建模计算,模型支点为吊带吊点位置。
计算工况分走行和浇注混凝土。
各自工况的计算模型见图10和图11。
图10挂篮走行前下横梁计算模型
图11挂篮浇注混凝土前下横梁计算模型
挂篮走行时,前下横梁在各纵梁作用点施加10kN的自重荷载;挂篮浇注混凝土时,前下横梁在各纵梁作用点施加表2中前下横梁支点反力荷载。
浇注混凝土时受荷变形图见图12。
图12前下横梁单元内力图
图12中最大节点竖向位移:
N50.6mm<L/400=8.8mm
挂篮走行时前下横梁最大正弯矩位于跨中断面,其应力为137.0MPa;挂篮浇注混凝土时前下横梁最大负弯矩位于吊点处,其应力为39.0MPa。
前下横梁应力小于[σw]=140MPa,满足规范要求。
吊点反力:
挂篮走行68.1kN(对称)
挂篮浇注混凝土235.4kN215.8kN154.3kN(对称)
5.2挂篮吊挂系统
挂篮吊挂系统由前上横梁、吊带等组成。
前上横梁栓接在两片挂篮主桁上面,其所受荷载均为各自吊带各工况的拉力。
所以,要对各自进行单独检算。
5.2.1前上横梁
前上横梁栓接在两片挂篮主桁上面,为两根工40a型钢组成,全长7.85m,对此进行建模计算,模型支点为主桁位置。
计算模型见图13。
承受荷载为挂篮浇注混凝土时的吊带拉力。
图13前上横梁计算模型
经计算,前上横梁受荷变形图见图14。
图14前上横梁节点挠度图
图14中最大节点竖向位移:
N102.39mm<L/400=14.1mm
另外两吊点处N20.60mmN15-0.44mm
前上横梁最大弯矩位于边桁支承处,为-171.0kN.m,其应力为76.2MPa;应力小于[σw]=1400MPa,满足规范要求。
主桁处支点反力:
边桁335.1kN
中桁281.3kN
5.2.2吊带
根据吊带的计算张力,对其进行应力和伸长量计算,计算结果见表3。
吊带型式为150×20×10055mm,
表3挂篮浇注混凝土工况各吊带计算结果
名称
计算长度(m)
计算张力(kN)
应力(MPa)
伸长量(mm)
1#吊带
9.0
235.4
78.5
3.36
2#吊带
9.0
215.8
71.9
3.08
3#吊带
9.0
154.3
51.4
2.20
表3中各吊带的应力均小于210MPa,且最小安全系数为2.68。
5.3主桁体系
单个主桁系统由两片主桁横向通过连接系连接组成,单片主桁由下弦杆、上弦杆、前斜杆、立柱和后斜杆构成,为固接体系。
由于横向联接系与主桁之间为铰接,且其本身的刚度较小,故可不考虑两片主桁的横向内力重分配。
边桁和中桁结构相同,但边桁受荷比中桁大,故需检算边桁即可。
主桁计算模型见图15。
图15主桁计算模型
计算模型中各构件型钢型号如下:
上弦杆及后斜杆2[28b
下弦杆及前斜杆2[32b
竖杆2[25b
计算分为工况1(走行)和工况2(浇注混凝土)进行,根据前面的计算结果,工况中在边桁前端施加的荷载为,
工况1:
12.8×1.3=16.6kN(导梁重量×冲击)
工况2:
335.1×1.15=385.4kN(1.15为动力系数)
纵向风载假定均匀作用在竖杆上,其大小为
q=WA=0.4×443.8×5.65/1000=1.0kN/m。
另外,工况2中在中桁前端施加的荷载为:
工况2:
281.3×1.15=323.5kN(1.15为动力系数)
加载图示见图16。
图16主桁加载图示
经计算,主桁的支点反力见表4。
表4主桁支点计算反力
类别
工况
前支点反力(kN)
后锚点反力(kN)
后锚固弯矩(kN.m)
边桁
工况1
55.4
-16.7
—
工况2
796.1
-389.0
-14.3
中桁
工况1
55.4
-16.7
—
工况2
673.7
-327.5
-12.1
工况1中的后端锚力通过后钩板平衡,工况2中的后端锚力则由锚点的竖向锚筋来平衡。
后锚点的竖向锚筋为2Φ32精扎螺纹钢筋,其屈服强度为930MPa。
其最大应力为σ=(194500+14300/1.7)/804.4=252.3MPa。
主桁工况2节点变形图见图17。
图17主桁工况2节点变形图示
工况2边桁各构件最大内力及其应力详见表5。
表5边桁各构件最大内力及正应力
构件名称
最大轴力(kN)
最大剪力(kN)
最大弯矩(kN.m)
最大正应力(MPa)
下弦杆
574.0
10.7
-29.8
79.2
上弦杆
-577.6
4.4
-13.5
-77.8
前斜杆
697.2
6.4
-24.0
84.7
竖杆
394.9
3.5
-5.8
57.8
后斜杆
-695.8
4.4
-14.0
-90.9
注:
轴力和应力以压为正,剪力和弯矩均下拉为正。
可见,主桁各杆件的最大应力均小于A3钢的[σw]=140Mpa,杆件的应力满足规范要求。
从图17中可以看出:
边桁最大的节点变形在上弦杆前端,其竖向位移为12.3mm。
其位移小于支架悬臂端的L/200=26.25mm,也小于《公路桥涵施工技术规范》第15.3.1要求的20mm,主桁结构刚度满足规范要求。
5.4主桁稳定性计算
5.4.1挂篮行走整体稳定性
以单片主桁进行检算。
倾覆弯矩:
16.7×5.25=87.7kN.m(顺时针方向)。
后钩板提供的最大屈服弯矩为焊缝的屈服力提供的弯矩。
焊缝最大剪力弯矩:
2×20×120×85×5.25×2/1000=4284.0kN.m。
倾覆稳定系数:
4284.0/87.7=48.8>2.0。
所以,挂篮行走稳定性满足规范要求。
5.4.2挂篮工作整体稳定性
挂篮浇注混凝土时边桁最不利,应对边桁进行检算。
由倾覆弯矩引起的后锚筋的最大应力为252.3MPa。
倾覆稳定系数:
930/252.3=3.69>2.0。
挂篮工作稳定性满足《公路桥涵施工技术规范》第15.3.1要求要求。
5.4.3压杆稳定性检算
边桁前斜杆压应力最大,故压杆稳定应检算此类杆。
前斜杆为2[32b加缀板连接的两肢组合压杆,计算长度为6.394m。
均小于
,长细比满足设计要求。
查表知:
。
压杆稳定性满足规范要求。
5.5挂篮底模预抬量计算
根据前面的计算结果,确定挂篮前端预抬标高,预抬标高见表6,固然,此表数值仅为参考,预抬标高以现场挂篮加载测试的数据为准。
表6挂篮前端预抬标高参考值
位置
1#吊带
2#吊带
3#吊带
预抬量(㎜)
16.1
28.3
11.9
注:
吊带编号从外往内排列。
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