溱水路大桥主桥施工支架设计计算书.docx
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溱水路大桥主桥施工支架设计计算书
溱水路大桥主桥施工支架
设计计算书
中铁十五局集团有限公司新密市
溱水路东段路桥工程项目经理部
2010年7月
一、
工程概况
溱水路大桥位于新密市溱水路东段。
大桥全长227.96m,由引桥和主桥两部分组成。
主桥上部结构采用30+70+30m塔梁固结体系独塔双索面无背索斜拉桥。
主桥布置如图1所示。
图1溱水路大桥主桥布置图(尺寸单位:
m)
主梁和斜塔的施工均采用支架现浇的方法进行。
为确保箱梁及主塔施工安全,特编制此计算书。
计算采用容许应力法,利用手算和软件计算相结合的方式。
计算书包括箱梁支架计算和主塔支架计算两个部分。
二、主梁支架计算
主梁跨径布置为30+70+30m。
其中3~4号墩、4~5号墩之间地势比较平坦,拟采用碗扣支架。
5号墩与6号台之间地形比较复杂,拟采用军用梁和碗扣支架配合的方案。
主梁每隔6m设置一道横隔梁,厚度50cm。
墩顶为实心段,3、4号墩及6号台处梁高2733mm,5号墩顶实心段梁高3733mm。
碗扣支架的布置分为几个区段。
横隔板及墩顶附近纵向间距60cm,其余范围纵向间距90cm;横向间距根据不同位置采用60~120cm,具体见详图。
(一)3、4号墩间支架计算
3~4号墩间主梁支架采用碗扣支架。
1.荷载分析
荷载包括主梁自重及施工荷载两部分。
混凝土容重按26kN/m3计。
计算时施工荷载包括施工人员荷载、振捣荷载及模板重量等,共计三项,按2+2+2=6kN/m2计算。
不计风荷载。
3~4号墩间横隔板附近碗扣支架间距60cm(纵)×90cm(横),横隔板厚度50cm,由两道支架承受。
其余位置支架间距90cm(纵)×90cm(横)。
翼板部分横向间距略大。
横隔板处单根立柱承受的最大荷载为
(2.733×0.5/2×0.9+0.38×0.45)×26+6×0.9×(0.25+0.45)=24.2kN
其余位置单根立柱承受的最大荷载为
0.38×0.9×26+6×0.9×0.9=13.8kN
根据上述荷载分析,其余位置虽然支架间距稍大,但横隔板处荷载远大于其余位置,故仅对横隔板处进行验算。
2.支架布置
3、4号墩间主梁下的支架从上到下依次为模板(12mm优质竹胶板),横梁(采用A-3级以上木材,截面尺寸10×15cm),纵梁(工14),碗扣式钢管支架。
支架下地基处理后上铺20cm厚C20混凝土。
碗扣支架纵向等间距布置,间距为90cm。
横向采用不等间距布置,横向布置见图2。
图23~4号墩间横隔板处支架布置横断面(尺寸单位:
cm)
3.支架验算
(1)横梁验算
横梁采用A-3级木材,截面尺寸10×15(高)cm,顺桥向间距为40cm。
木材顺纹容许弯应力12.0MPa,容许弯曲剪应力为1.9MPa,弹性模量9×103MPa。
W= bh2/6=10×152/6=375cm3
横隔板处横梁承受混凝土荷载如图3中的阴影线所示。
图中数字为混凝土截面面积,单位为m2。
图3横梁受力较大的区域
①应力验算
荷载q=0.72×26+6×0.4=21.1kN/m,横梁按跨度0.9m的简支梁验算。
<[
]=12MPa,抗弯可以。
由矩形梁弯曲剪应力计算公式得:
τ=3Q/2A=3×21.1×103×(0.9/2)/(2×100×150)
=0.95MPa<[τ]= 1.9MPa,抗剪可以。
②变形验算
由矩形简支梁挠度计算公式得:
E=9×103MPa; I=bh3/12=2812.5cm4
fmax =5ql4/384EI=5×21.1×9004 /(384×2812.5×104×9000)
=0.7mm<[f]=2.25mm([f]=L/400)
刚度满足要求。
(2)纵梁验算
纵梁采用工14,计算跨度1m(实际跨度0.9m)。
在1m跨度范围按放置4个横梁计(实际只能放3个),即纵梁最多承受4个集中力,每个为21.1×0.9=19kN。
纵梁近似按承受均布荷载的简支梁计算,荷载为19×4/1=76kN/m。
①应力验算
工14截面积为2150mm2,W=102000mm3
<[
]=140MPa,抗弯可以。
②变形验算
E=200×103MPa; I=712cm4
fmax =5ql4/384EI=5×76×10004 /(384×200×103×7120000)
=0.7mm<[f]=2.5mm([f]=L/400)
刚度满足要求。
(3)钢管验算
钢管规格φ48×3.5。
单根管回转半径15.8mm,重量3.84kg/m。
按3mm壁厚计算,计算截面积424mm2,惯性矩121900mm4,抵抗矩W=5080mm3,
,按b类查(偏安全),
按前述,单根钢管承受的较大荷载为24.2kN。
此时钢管应力为
,小于容许值140MPa,可以。
单根钢管承受的最大外荷载为24.2kN,按最大高度26m计算,钢管最大弹性变形为:
△L=NL/EA=24.2×103×26×103/(2.1×105×489) =6.1mm
实际由于模板及横梁和纵梁的分配,钢管的最大变形小于此值。
(4)地基验算
主梁宽度50m,截面积约为25.24m2,考虑1.1的预压荷载放大系数,且考虑6kN/m2的施工荷载,则主梁范围内地基以上的荷载约为:
(25.24×26×1.1)/50+6=24.4kN/m2=24.4kPa。
考虑到箱梁荷载的不均匀性,不均匀系数取2,则受力为48.4kPa。
地表铺20cm后混凝土,混凝土自重荷载0.2×26=5.2kPa,总荷载为53.6kPa,按55kPa计。
故处理后的地基承载力应大于55kPa。
(二)、4号墩支架计算
4号墩纵向1.5m长度范围内,主梁截面为实心箱形截面,自重较大,碗扣支架纵向1.8m范围内,纵向间距变为0.6m,横向支架间距加密,除墩顶横向5m宽度及箱梁翼板外缘外,其余部分横向间距为0.6m。
具体布置见图4。
图44号墩纵向中心线支架布置横截面(尺寸单位:
cm)
(1)横梁验算
横梁布置同3~4号墩间的情况,计算跨度0.6m,
荷载q=2.733×0.4×26+6×0.4=30.8kN/m
①应力验算
横梁按跨度0.6m的简支梁验算。
<[
]=12MPa,抗弯可以。
由矩形梁弯曲剪应力计算公式得:
τ=3Q/2A=3×30.8×103×(0.6/2)/(2×100×150)
=0.92MPa<[τ]= 1.9MPa,抗剪可以。
②变形验算
由矩形简支梁挠度计算公式得:
E=9×103MPa; I=bh3/12=2812.5cm4
fmax =5ql4/384EI=5×30.8×6004 /(384×2812.5×104×9000)
=0.2mm<[f]=1.5mm([f]=L/400)
刚度满足要求。
(2)纵梁验算
纵梁采用工14,计算跨度0.6m。
在0.6m跨度范围按放置2个横梁计,即纵梁最多承受2个集中力,每个为30.8×0.6=19kN。
纵梁近似按承受均布荷载的简支梁计算,荷载为19×2/0.6=63kN/m。
①应力验算
工14截面积为2150mm2,W=102000mm3
<[
]=140MPa,抗弯可以。
②变形验算
E=200×103MPa; I=712cm4
fmax =5ql4/384EI=5×63×6004 /(384×200×103×7120000)
=0.1mm<[f]=1.5mm([f]=L/400)
刚度满足要求。
(3)钢管验算
单根钢管承受最大荷载为2.733×0.6×0.6×26+6×0.6×0.6=27.7kN
,小于容许值140MPa,可以。
(三)、4、5号墩间支架计算
4~5号墩间支架布置情况同3~4号墩间的情况,不再重复。
(四)、5号墩支架计算
5号墩中心线纵向10.8m长度范围内,主梁截面为混凝土箱形截面,截面尺寸大,碗扣支架纵向间距变为0.6m,横向支架间距加密,除墩顶横向5m宽度及箱梁翼板外缘外,其余部分横向间距为0.6m。
具体布置见图5。
(1)横梁验算
横梁布置同4号墩顶。
实心段箱梁底部范围。
梁最大高度3.575m。
①应力验算
横梁跨度0.6m,q=(3.575×0.4×26+6×0.4)=39.6kN/m
<[
]=12MPa,抗弯可以。
由矩形梁弯曲剪应力计算公式得:
τ=3Q/2A=3×39.6×103×(0.6/2)/(2×100×150)=1.15<[τ]= 1.9MPa,抗剪可以。
图55号墩纵向中心线支架布置半横截面(尺寸单位:
cm)
②变形验算
由矩形简支梁挠度计算公式得:
E=9×103MPa; I=bh3/12=2812.5cm4
fmax =5ql4/384EI=5×39.6×6004 /(384×2812.5×104×9000)
=0.264mm<[f]=1.5mm([f]=L/400)
刚度满足要求。
(2)纵梁验算
纵梁采用工14,计算跨度0.6m(碗扣纵向间距)。
在0.6m跨度范围最多可放置2个横梁,即纵梁最多承受2个集中力,每个为39.6×0.6=23.8kN。
纵梁近似按承受均布荷载的简支梁计算,荷载为23.8×2/0.6=79.3kN/m。
①应力验算
工14截面积为2150mm2,W=102000mm3
<[
]=140MPa,抗弯可以。
②变形验算
E=200×103MPa; I=712cm4
fmax =5ql4/384EI=5×79.3×6004 /(384×200×103×7120000)
=0.094mm<[f]=1.5mm([f]=L/400)
刚度满足要求。
(3)钢管验算
单根钢管承受最大荷载为3.575×0.6×0.6×26+6×0.6×0.6=35.6kN,
钢管应力为
,小于容许值140MPa,可以。
需要注意的是,此处钢管受力较大,需使用6mm钢模板代替竹胶板,使荷载比较均匀地向下传递,并应特别注意检查钢管自身的质量(完好程度)和连接情况。
(五)、5号墩与6号台之间的支架计算
5号墩与6号台之间因地形限制,拟采用军用梁和碗扣支架相结合的方式,具体布置见图6。
图65号墩与6号台之间的支架布置示意图(单位:
mm)
该跨支架分为左右两部分。
左侧部分从上之下依次为模板及碗扣支架,纵梁(木材,100×150(高),间距与碗扣支架横向间距相同),横向支承梁(工16,间距30cm),纵向军用梁(计算跨径14m,总长度约16m),横向及纵向的传递工字钢(工32a),横向军用梁,纵向传递工字钢(工32a)。
左侧通过钢管柱将荷载传递到承台上,右侧荷载传递到临时基础上。
右侧部分碗扣支架直接落于处理后的混凝土铺砌面及6号台的承台上。
碗扣支架部分的计算同前,不再重复,其计算结果均安全。
以下仅对左侧碗扣支架以下的部分进行计算。
1.碗扣架下的横梁计算
左侧碗扣架支承于纵梁上,其下对应位置设横梁,纵梁承受和传递节点力,故不再计算。
其下为横梁,用工16,横梁间距为300mm,纵向军用梁最大横向间距2.2m,故工16横梁可近似按跨度2.2m的简支梁计算。
工16计算跨径2.2m,在此宽度内最多可设置3道纵梁(纵梁与碗扣架等距,最小距离0.6m),每个碗扣钢管最大受力为(按5号墩顶横梁处计算):
0.6×0.6×(6+3.733×26)=37.1kN
因横梁间距0.3m,此钢管的力传递到纵梁后由两排横梁承担,故每排横梁2.2m内承受的3个集中力近似简化为均布荷载q为
q=37.1×4/2/2.2=25.2kN/m
强度可以。
fmax =5ql4/384EI=5×25.3×22004 /(384×200×103×11300000)
=3.6mm<[f]=5.5mm([f]=L/400)
刚度满足要求。
2.纵向军用梁计算
纵向军用梁计算跨径14m,按简支梁计算。
主梁横向分为三个部分,即箱梁之间的主梁,箱梁部分和箱梁翼板部分。
(1)箱梁之间的主梁
中间部分混凝土截面积7.08m2,混凝土重量为7.08×26=184.1kN/m,宽度19.6m,施工荷载如果同时计入施工人员荷载、振捣荷载和模板荷载,即按6kN/m2计算,则表示整个桥面满布人员,且同时振捣混凝土,显然不切实际,结果将过于保守,故此处按4kN/m2计算,即施工荷载共计4×19.6=78.4kN/m,荷载总计:
184.1+78.4=262.5kN/m
纵向军用梁跨中弯矩
6431/1.5=4287kN,需用4287/750=5.7,实际用9片。
一跨单片军用梁由3个标准三角、2个1.5m辅架和3个标准弦杆及2个端弦杆组成,自重为3×455+2×345+2×231+2×177=2871kg=28.7kN
(2)箱梁部分
箱梁宽度范围混凝土截面积3.95+0.3+0.3+0.33+2.82=7.7m2,混凝土重量为7.7×26=200.2kN/m,宽度11.4m,施工荷载共计4×11.4=45.6kN/m
荷载总计:
200.2+45.6=245.8kN/m
跨中
6022/1.5=4015kN,需用4015/750=5.4,实际用8片。
(3)两侧箱梁翼板
单侧翼板混凝土截面积1.38m2,混凝土重量为1.38×26=35.9kN/m
宽度3.8m,施工荷载共计4×3.8=15.2kN/m,荷载总计:
35.9+15.2=51.1kN/m
跨中
1252/1.5=835kN,需用835/750=1.1,实际用2片。
3.横向军用梁计算
5号墩每个承台上设3根钢管柱,两承台外侧各设一个临时基础,两承台间设条形临时基础,横向军用梁为两端悬臂的多跨连续梁,跨度为3+10×4+3=48m。
每端设3片横向军用梁,横向军用梁近似按承受均布荷载计算。
箱梁之间宽19.6m,设9片纵向军用梁,纵向军用梁承受16m长度范围内的荷载,按17m计算,并考虑纵向军用梁自重,则横向军用梁承受荷载为:
q1=(262.5×17+9×28.7)/2/19.6=121kN/m。
箱梁底11.4m,各设8片纵向军用梁,则横向军用梁承受荷载为:
q2=(245.8×17+8×28.7)/2/11.4=193kN/m。
翼板宽3.8m范围有2片纵向军用梁,则横向军用梁承受荷载为:
q3=(51.1×17+2×28.7)/2/3.8=121kN/m。
计算模型按一片军用梁的一半建立,横向共3片军用梁,则反力结果需乘以6为实际结果,其余结果与实际结果相同。
荷载为:
121/6=20.2kN/m,193/6=32.2kN/m,121/6=20.2kN。
模型如图7。
图7横向军用梁计算模型及应力结果(单位:
kPa)
最大应力132MPa,如图7,小于容许值200MPa,可以。
横向军用梁竖杆为等边角钢∠50×5,截面积480mm2,总长度1500mm,两端有约束,中间设一道连接,偏于安全地按两端铰接,考虑面内失稳,计算长度为1500mm,最小回转半径15.3mm
长细比
<[
]=150
按军用梁手册:
=0.594
可承受的最大荷载为:
480×200×0.594=57024N=57kN,但由于支架为施工临时结构,可以放宽到1.3倍,即最大可以承受57×1.3=74kN。
根据计算,竖杆承受的最大荷载为63.3kN,大于57kN,但小于74kN,稳定性可以。
但此处中竖杆计算应力较大,建议局部加强。
用立木在中竖杆处进行支撑。
立木截面尺寸100×150mm,长度按军用梁上下弦杆间距加工。
最大挠度1.0mm,位于箱梁下,如图8。
容许挠度4000/400=10mm,满足要求。
图8横向军用梁变形结果(单位:
m)
根据钢管柱布置图,横向军用梁最外侧的反力通过斜撑作用于最外侧的钢管上,故最外侧的钢管受力为两部分反力之和。
承台外侧钢管反力为:
44.3×6=265.8kN
承台上的三根钢管柱承受反力依次为:
(18.7+48.9+33.4)×6=606kN
(38.4+60.2+35.2)×6=802.8kN
(35.9+60.3+35.7)×6=791.4kN
临时基础上的钢管受力依次为
(31.6+39.8+23.6)×6=570kN
(21.5+37.6+22.8)×6=491.4kN
(22.4+37.6+22.4)×6=494.4kN
其余反力对称。
承台上的钢管受力最大的是802.8kN,临时基础上的钢管受力最大为570kN。
4.钢管验算
验算两处的钢管。
一是承台上的钢管,受力较大,但由于与桥墩有联结,其面内和面外的自由长度均较小;二是临时基础上的钢管,受力较小,但面外计算长度大。
承台上的钢管柱与墩有横向联结,自由长度按4.5m计。
临时基础上的钢管与桥墩无横向联结,自由长度按13.2m计算。
钢管柱采用外径720mm,壁厚10mm的圆钢管,材质Q235钢材。
仅验算受力最大的柱子,按照轴心受压构件进行验算。
(1)承台上的钢管验算
回转半径
m
长细比
<[
]=150
按b类构件查表得:
=0.976
故每根钢管可承受的荷载为:
0.976×
×0.71×0.01×140×106=3.05×106N=3050kN。
而每根钢管柱承担的最大荷载为802.8kN,小于其承载力3050kN,故钢管柱整体稳定性安全。
另外验算钢管柱的局部稳定,对于圆管截面,
D/t=0.72/0.01=72
故其局部稳定满足要求,可以。
(2)临时基础上的钢管验算
临时基础上的钢管与桥墩无联结,按上下两端均为铰接,计算长度为13.2m(等于钢管实际长度)。
回转半径
m
长细比
<[
]=150
按b类构件查表得:
=0.842
故每根钢管可承受的荷载为:
0.842×
×0.71×0.01×140×106=2.63×106N=2630kN。
临时基础上的钢管柱承担的最大荷载为570kN,小于其承载力2630kN,故钢管柱整体稳定性安全。
另外验算钢管柱的局部稳定,对于圆管截面,
D/t=0.72/0.01=72
故其局部稳定满足要求,可以。
5.地基承载力计算
横向共计13根钢管柱,6根支撑于承台上,不考虑地基问题。
中间5根支撑于临时基础上,承受反力依次为570kN,491.4kN,494.4kN,491.4kN,570kN,总荷载为2617kN。
钢管柱长度13.2m,按15m计算,共5根,自重为5×15×
×0.71×0.01×7850/100=132kN,另外考虑100kN的其它部件重量,故临时基础顶部受力约为:
2617+132+100=2849kN。
此处的临时基础尺寸为18×2×1m,自重为26×1×2×18=936kN,基底受力为2849+936=3785kN,基底应力为3785/18/2=105.1kPa
承台外侧两根钢管落在独立的临时基础上,荷载为265.8kN,钢管自重26kN,考虑其他部件重量15kN,混凝土临时基础尺寸为2×3×1m,自重为26×1×2×3=156kN,基底受力为265.8+26+15+156=463kN,基底应力为463/3/2=77kPa
处理后的地基容许承载力约为200kPa,大于临时基础下的最大应力105.1kPa,地基安全。
(六)模板计算
1.普通横梁下的模板
普通横梁下用12mm优质竹胶板,横梁顺桥向间距400mm,竹胶板净跨径300mm,按对边简支单向板计算,
=300mm
荷载q=(0.25×2.733+0.45×0.65)×26+0.7×6=29.6kN/m
弹性模量约为4700MPa(按中硬材取值),泊松比取0.05
单位板宽的刚度为
容许值为300/400=0.75mm,超限,故改为普通横梁下设三道横木,间距200mm,净距100mm,按l=150mm计算。
此时较大荷载为q=(0.2×2.733)×26+0.2×6=15.4kN/m
容许值为150/400=0.38mm,大于计算值0.12mm,可以。
容许值为(按中硬材垂直受力)为41MPa,大于计算值,可以。
2.5号墩顶横梁下的模板
5号墩顶横梁下用6mm钢板作为面板,横梁顺桥向间距225mm,净距125mm,按l=225mm计算。
钢板承受的较大荷载q=(0.225×3.733)×26+0.225×6=23.2kN/m
弹性模量取200GPa,泊松比取0.3
单位板宽的刚度为
容许值为225/400=0.56mm,大于计算值,可以。
容许值为140MPa,大于计算值,可以。
3.4号墩顶横梁下的模板
4号墩顶横梁下用6mm钢板作为面板,横梁顺桥向间距225mm,净距125mm,按l=225mm计算。
钢板承受的较大荷载q=(0.225×3.733)×26+0.225×6=23.2kN/m
弹性模量取200GPa,泊松比取0.3
单位板宽的刚度为
容许值为225/400=0.56mm,大于计算值,可以。
容许值为为140MPa,大于计算值,可以。
4.其他位置的模板
其它位置模板用12mm竹胶板,横梁顺桥向间距300mm,横木宽100mm,偏于安全地按l=250mm计算。
竹胶板承受的较大荷载q=(0.3×0.65)×26+0.3×6=6.9kN/m
弹性模量约为4700MPa(按中硬材取值),泊松比取0.05
单位板宽的刚度为
容许值为300/400=0.75mm,大于计算值,可以。
容许值为40MPa,大于计算值,可以。
综上,整个主梁支架结构安全。
附件:
1、各种支架材料统计详表
2、主梁支架布置详图
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