反力架计算书.docx

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反力架计算书

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一、设计、计算总说明

该反力架为广州市地铁21号线11标[水西站～长平站]盾构区间右线盾构机始发用。

反力架外作用荷载即盾构机始发的总推力乘以动荷载效应系数加所有不利因素产生的荷载总和，以1600吨水平推力为设计值。

反力架内力计算采用中国建筑科学研究院开发的PKPM2005版钢结构STS模块为计算工具。

对于螺栓连接、角焊缝连接处的设计，仅仅计算其最大设计弯矩和剪力值，而不作截面形式设计，可根据提供弯矩、剪力设计值来调整截面是否需要做加固处理。

二、计算、截面优化原则

1、以偏向于安全性的原则。

所有计算必须满足实际结构受力的情况，必须满足强度、刚度和稳定性的要求。

2、在满足第1项的前提下以更符合经济性指标为修改结构形式、截面参数等的依据。

3、参照以往施工项目的设计经验为指导，借鉴其成熟的结构设计形式，以修改和复核计算为方向进行反力架结构设计。

4、但凡构件连接处除采用螺栓连接外，需要视情况进行必要的角焊缝加固，特殊情况下，可增设支托抗剪、焊钢板抗弯，以保证连接处强度不低于母体强度。

三、结构计算

反力架布置形式

由两根立柱和两根横梁以及水平支撑组成。

立柱与横梁采用高强螺栓连接，为加强整体性一般按照以往施工项目的施工经验另需在连接处焊接，故所有节点都为固定连接。

所有连接在设计时必须要求连接处强度不得低于母体强度。

图3-1反力架平面布置图

力学模型

如上图所示，反力架为一门式刚架。

立柱计算高度为6630mm，上下各有两个横梁，计算跨度为5700mm。

根据连接形式，以及荷载传递路径可按如下计算模型设计：

图3-2反力架计算模型

其中：

L1、L2为水平横梁与部分钢负环直接接触。

H1、H2为立柱，底部与井底板预埋钢板固接，中间与横梁、斜向连杆、水平支撑固定连接。

Z1～Z7为水平支撑，一端固接与反力架一端固接在井壁预埋钢板上。

荷载传递路径分析：

盾构机水平推力F→负环管片→钢负环→反力架→水平支撑以及井底、井壁的支座。

荷载取值

根据海瑞克公司提供的总荷载设计值为F=1600吨。

平均分配到钢负环上。

如下图所示。

钢负环把荷载传递到反力架上的四个受力区域（即图所示的A、B、C、D四个区域）每个区域的Fi为1/4F。

F=1600t*t=15680kN；

图3-3荷载分布示意图

Fi=F/4=3920kN。

力学计算

根据以上分析，我们分别建立横梁、立柱、支撑的计算模型。

因为横梁的荷载是传递到立柱和水平支撑上的，故应计算为横梁-立柱-水平支撑-井壁支座。

横梁L1计算

q1=F1/=1640kN/m.

L0=

X1=X2=。

图3-5L1弯矩图（）

图3-6L1剪力图（kN）

横梁L2计算

q2=F2/=1640kN/m.

L0=

图3-7L2计算简图

X1=X2=。

图3-8L2弯矩图

图3-9L2剪力图（kN）

立柱H12计算

如左图所示，qh即为钢负环传递的荷载，R1、R2为横梁L1、L2传递的支座反力，立柱H1、H2计算模型相同。

Qh=F2/=1640kN/m;

L0=;

R1=382kN;

R2=2678kN.

图3-10H1|z受力图

四、截面承载能力复核

截面参数计算

横梁和立柱采用箱式截面，腹板为2*（640*30）mm，翼缘采用2*（500*30）mm。

A腹板=640*30=19200mm2；

A翼缘=500*30=15000mm2；

As=2*（A腹板+A翼缘）=68400mm2；

Ix=00mm4

图4-1横截面示意图

L1截面复核

查弯矩图、剪力图，得Mmax=；

Vmax=kN；

查钢结构设计规范可知：

[δ]=210MPa；[τ]=120MPa。

故经检验δmax<[δ],τmax<[τ]；横梁L1满足强度设计要求。

L2截面复核

查弯矩图、剪力图，得

Mmax=；

Vmax=kN；

查钢结构设计规范可知：

[δ]=210MPa；[τ]=120MPa。

故经检验δmax〉[δ],τmax<[τ]；横梁L2不能满足正截面强度要求。

H1|2截面复核

查弯矩图、剪力图，得：

Mmax=；

Vmax=；

查钢结构设计规范可知：

[δ]=210MPa；[τ]=120MPa。

故经检验δmax〉[δ],τmax<[τ]；横梁H12不能满足正截面强度要求。

五、截面优化分析

通过以上分析和计算我们发现横梁L1上的最大正应力和最大剪应力远小于许用正应力和许用剪应力；横梁L2的最大正应力略大于许用正应力。

故，从使用角度和经济角度上看，我们需要对横梁L1和L2进行截面参数调整，以使其更符合上述要求。

注：

虽然通过计算立柱H1和H2的最大正应力和最大剪应力也远小于许用正应力和许用剪应力，但立柱不但要承受横梁传递的支座反力R1同时还需要承受横梁传递的扭矩。

考虑到箱型梁抗扭转的极惯性矩

，是非常规计算可以得出的。

故在上述计算中未考虑立柱的抗扭转强度，而是根据经验值预留一定的安全强度储备。

（1）横梁L1截面优化计算

取L1截面参数如下图所示;

Iy=00mm4

Wy=

A腹板=19200mm2

A翼缘=15000mm2

图5-1横截面示意图

As=34200mm2

则有:

所以，横梁L1截面调整为如图5-1所示的截面形状。

（2）横梁L2截面优化计算

Iz=67mm4

Wz=.9mm3

图5-1横截面示意图

A腹板=36000mm2

A翼缘=50000mm2

As=86000mm2

所以，横梁L1截面调整为如图5-1所示的截面形状。

六、水平支撑计算

A腹板=640*30=19200mm2；

A翼缘=500*30=15000mm2；

As=2*（A腹板+A翼缘）=68400mm2；

Ix=00mm4

注：

水平支撑计算中，我们只考虑水平支撑的轴压计算，不考虑其受弯承载能力计算，即假定水平支撑是二力杆结构。

查上述立柱、横梁的剪力图，在水平支撑处，取剪力突变值为水平支撑的轴压力N，从中求得Nmax作为校核依据。

N1=N3=+=；

N2=；

N3=N4=+=；

N6=N7=+=；

则有：

Nmax=；

所以，水平支撑满足强度要求。

七、螺栓连接强度设计

计算参数确定

螺栓采用级A普通螺栓，直径为Ф26mm。

。

弯矩设计值Mmax和剪力设计值Vmax

由

得：

，

通过计算可知，螺栓连接处最大可承受弯矩为为；对于弯矩过大的连接处需要通过增设角焊措施来增强截面抗弯能力。

剪力设计值同时计算剪切破坏和积压破坏的剪力设计值，取其中较小值。

故螺栓连接处可承受的最大剪力为，对于连接处剪应力不满足的地方我们增加角焊缝以增强连接。