京沪高铁托架计算书.docx
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京沪高铁托架计算书
悬浇托架计算书
一、工程概况
京沪高速铁路土建六标五工区第四作业工区承建阳澄湖桥段位于昆山境内,标段范围:
DK1252+017.79~DK1256+911.65,里程长度4.89km。
主要工程内容:
五座连续梁,分别为:
跨娄江连续梁(70m+136m+70m)、跨沪宁铁路连续梁(40m+72m+40m)、跨江浦路连续梁(40m+72m+40m)、跨朝阳西路连续梁(40m+56m+40m)、跨通澄南路连续梁(40m+56m+40m)。
连续梁全部为实体方墩,墩身尺寸9×3.8米。
连续梁上部结构采用挂篮悬浇法施工。
0#、1#块采用托架现浇。
0#块、1#块节段长度分别为9米,3.5米。
在安全、经济的原则下,对托架进行设计、验算。
二、计算依据及参考资料
1、时速350公里客运专线铁路无碴轨道现浇预应力混凝土连续梁(双线)铁路工程建设通用参考图―铁道部经济规划研究院发布;
2、《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2-2005J461-2005);
3、《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-2005J462-2005);
4、《结构设计原理》叶见曙——人民交通出版社;
5、《钢结构原理与设计》王国周——清华大学出版社;
6、《结构力学教程》龙驭球包世华——高等教育出版社;
三、整体设计
0#块、1#块悬出部分长6.1m。
设计托架横梁长6.1米。
根据安全,经济的原则,并保证托架拆装的方便性,拟采用如下结构:
墩身每侧布置两片托架。
安装时,先将托架吊装放置于牛腿上,然后将其竖梁上部用JL32精轧螺纹钢与墩身锚固即可。
托架外框横梁、斜撑、左侧竖杆均采用双[36c格构式杆件。
内框竖、横、斜杆均采用单[36c型钢。
杆件之间均用螺栓联结。
墩身托架布置图附后。
图一:
设计模型
四、计算分析内容
1、牛腿受力以及牛腿底部混凝土局部承压计算
2、JL32预应力拉杆计算
3、各杆件的强度、刚度、稳定性验算
4、各杆螺栓联结结点设计、验算
五、计算简图
1、计算荷载
56m跨悬浇梁1#块体积52方,0#块悬出部分2.6米,体积41方。
浇注方量为:
52+41=93方
考虑施工荷载40吨(模板、机具、人员、辅助物等)。
总荷载:
93×2.5+40=272.5吨
单个托架荷载:
272.5/2=136吨
在保证安全性的原则下,为简化计算,在平均分配梁体与支架、模板荷载的前提下,考虑1.3倍安全系数。
按以上原则,则分配单个托架的最不利计算荷载如下:
单个托架计算荷载:
F=136×1.3=177(吨)=1770KN
按6.1米长布置均布荷载:
q=1770/6.1=290KN/m
2、简化模型
上部JL32拉杆简化为受拉链杆,下部牛腿支撑简化为固定铰支座。
各型刚构件之间采用连接板螺栓联结,全部简化为铰结。
横梁长6.1米,受均布荷载,简化计算模型如下(横梁长度扣除180mm):
图二:
计算模型
六、计算、验算方法
托架的设计采用近似概率极限状态法。
托架与墩身联结,整体为静定结构。
但托架内部为超静定,有3个多余约束。
结构整体分析简化为平面杆件模型,采用矩阵位移法进行计算。
运用辅助软件:
结构力学求解器version1.5(清华大学土木系结构力学教研室)。
将托架结构划分为7个结点,10个单元。
离散情况见下图:
图三:
结构单元划分
七、计算结果
1、支座反力
首先对结构进行整体分析,求支座反力,如下图所示:
对结点1取矩,由∑1=0;
T×4.82-q×6.12/2=0
T=1119KN向左
由整体∑x=0,∑y=0;得:
N=1119KN向右
F=1770KN向上
图四:
外力图
2、内力和变形
采用矩阵位移法并结合结构力学求解器,求得各杆件内力。
1)、轴力
如下图所示,杆件轴力受压为负,显示蓝色。
受拉为正,显示为红色。
图五:
轴力图
单元
(2)受最大压力1486KN;单元(7)受压力955KN;单元(8)受最大拉力1057KN;
2)、弯矩
如下图所示,该托架结构除上横梁外,其余杆件几乎不受弯。
其中单元(8)以及单元(9)受负弯矩157KN.m。
单元(9)以及单元(10)受最大负弯矩175KN.m。
3)、剪力
结构剪力如下图所示。
图七:
剪力图
4)、变形
将结构整体变形图放大后显示如下图。
图八:
变形图
5号结点最大沉降量为4mm;
6号结点最大沉降量为6mm;
托架变形可以满足要求。
八、牛腿及底部混凝土承压验算
根据前面计算的支座反力结果,牛腿承受向下压力为1770KN。
每个牛腿由四块
=30mm钢板插入预埋盒组成。
牛腿具体尺寸及设置见后附图。
每块钢板受力:
f=1770/4=443KN
抗剪截面积:
At=400mm×30mm=12×103mm2
剪切应力:
=443×103N/12×103mm2=37MPa 即牛腿满足要求。 局部承压混凝土配间接钢筋(矩形钢筋网片),具体布置见后附图。 混凝土局部承压面积: Ac=500mm×200mm=100×103mm2 压应力σf=1770×103N/100×103mm2 =18MPa<35Mpa 即混凝土局部承压满足要求。 九、预应力拉杆计算 根据以上计算,上部链杆受拉力1119KN 采用Φ32精轧螺纹钢,其屈服强度为830MPa。 每根钢筋受力T’=830×322×3.14/4=667KN 采用三根Φ32精轧螺纹钢。 十、构件强度验算 Q235钢强度设计值采用: 抗拉、压、弯f=200MPa 抗剪fv=115MPa 单[36a截面特性如下: x轴惯性矩Ix=13400×10-8m4 y轴惯性矩Iy=536×10-8m4 x轴截面弯曲模量Wx=746×10-6m3 y轴截面弯曲模量Wy=70×10-6m3 截面积A=75.31×10-4m2 钢材弹性模量: E=2.06×1011Pa 根据前文内力计算结果,单元 (2)受最大压力1486KN;单元(8)受最大拉力1057KN并在结点5处受负弯矩157KN.m,单元(9)受最大负弯矩175KN.m;上述三处为控制性截面。 分别对单元 (2)、单元(8)和单元(9)进行强度验算。 1、单元 (2)强度验算 该单元只受轴力,不受弯矩,剪力 σ=N/A=1486×103N/(2×75.31×10-4)m2=99MPa 即单元 (2)强度满足要求。 2、单元(8)强度验算 单元(8)按拉弯构件计算。 该单元在右端截面(5号结点处)既受轴力,又受弯矩、剪力,为最危险截面,且腹板与翼板连接处纤维(a点)应力最大,为该截面最危险点。 以该处纤维不进入塑性状态考虑极限荷载: 图九: 截面应力计算 轴力引起拉应力: σN=N/A=1057×103N/(2×75.31×10-4m2)=70MPa 弯矩引起拉应力: σM=M/W=157×103N.m/(2×746×10-6m3)=105MPa 剪应力 简化为: =342×103N/(2×360×13mm)=36.5MPa σ=σN+σM=70+105=175MPa 折算应力: σeq= <1.1f=220MPa 即单元(8)强度满足要求。 可考虑在5号节点顶部对横梁进行加强! 3、单元(9)强度验算 6号结点上翼缘处为最危险点 轴力引起拉应力: σN=N/A=675×103N/(2×75.31×10-4m2)=45MPa 弯矩引起拉应力: σM=M/W=175×103N.m/(2×746×10-6m3)=117MPa 剪应力 简化为: =319×103N/(2×360×13mm)=34MPa σ=σN+σM=45+117=162MPa 折算应力: σeq= <1.1f=220MPa 即单元(9)强度满足要求。 十一、斜撑压杆稳定性验算 根据前文内力计算结果,斜撑即单元 (2)、(7)为压杆,且长度最大,为整个结构稳定性的控制杆件。 需进行稳定性验算。 其受剪力和弯矩较小,按轴心受压构件考虑。 忽略斜撑中间的支撑杆件,并全部按单元 (2)的最大压力计算。 计算长度取6米。 受压N=1486KN。 杆件截面如下图。 双[36c截面如右图所示,为b类截面,计算参数及截面特性如下: y轴回转半径: iy=134mm 1-1轴回转半径: i1=27.3mm 1-1轴边矩: y0=24.4mm 1-1轴惯矩: I1=4.55×106mm4 受压柱容许长细比: [ ]=150 截面积: A=15062mm2 计算长度: 缀板净间距 ,厚度 ,高度 分肢轴线间距 1、验算绕y轴整体稳定性: 满足, 由《钢结构》附表5-2,根据 =43查Q235钢b类截面,得整体稳定系数 0.887, =1486×103/(0.887×15062)=111MPa y轴稳定性满足要求。 2、验算绕x轴整体稳定性: (格构式绕虚轴需按换算长细比验算) x轴回转半径: =158mm, 长细比: 换算长细比: 满足, 由《钢结构》附表5-2,根据 =44查Q235钢b类截面,得整体稳定系数 0.882, =1486×103/(0.882×15062)=112MPa x轴稳定性满足要求。 3、验算分肢稳定性: 分肢长细比 /i1=600/27.3=22 因为 44,无须验算单肢整体稳定和强度;单肢采用型钢,也不必验算分肢局部稳定。 4、缀板验算: (1)、柱的剪力 =35.4KN 每个缀板面剪力 高度 厚度 相邻缀板中心距 600+210=810mm 缀板线刚度之和与分肢线刚度比值: 缀板构造满足要求。 (2)验算缀板强度 弯矩 剪力 缀板强度满足要求。 (3)缀板焊缝计算 采用三面围焊。 计算时偏于安全地只取端部纵向焊缝, 取210mm,焊脚尺寸 =8mm。 满足要求。 十二、结点设计 各杆件间的结点采用双 12mm和双 20mm连接板,10.9级M27高强螺栓连接,孔径28mm。 螺栓抗剪强度设计值 =130MPa 承压强度设计值 =305MPa 抗拉强度设计值 =170MPa 螺栓承受剪力时,一个螺栓的承载力设计值为: 抗剪: 承压: 取小值: 1、结点4 布置图如下: 节点板采用 20mm钢板,右边螺孔做成竖向扁孔。 梁的剪力由柱上承托承担。 具体设置见后附图。 承托采用350×360×20mm钢板,焊接于柱上。 螺栓群受力: 剪力N=1057KN 剪力作用下每个螺栓受力: =N/18=1057KN/18=58.7KN< 螺栓受力满足要求。 钢板开孔削弱后净截面验算: =96MPa 钢板满足要求。 构件开孔削弱后截面强度验算: 正应力: =78MPa 剪应力: 按前文34MPa计 折算应力: σeq= <1.1f=220MPa 构件满足要求。 此处受力较小,构件削弱后强度不作验算。 2、节点2、3、5 采用10.9级M27高强螺栓。 将小段[36做成连接件,一端焊于相应构件上。 另一端用两块节点板将单[36构件对接起来。 螺栓群受力: 剪力N=540KN 使用6个螺栓,满足要求。
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