黄沙河中桥180m系杆拱支架验算.docx
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黄沙河中桥180m系杆拱支架验算
设计说明
一、设计范围
1-80m系杆拱系梁临时墩支架设计图纸。
二、设计依据
设计图。
三、设计主要参考规范
1、《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1-2005)
2、《铁路桥涵钢结构设计规范》(TB10002.2-2005)
3、《客运专线施工技术规范》
4、《钢结构设计规范》(GB50017-2003)
5、《桥涵》上下册
6、《建筑施工计算手册》第二版
四、主要材料
1、型钢
主要采用符合(GB/T11263-1998)标准的HN型工字钢。
2、钢板
采用Q235C材质钢板。
3、高强螺栓
高强螺栓性能级为10.9s,技术标准应满足《钢结构扭剪型高强度螺栓连接》(GB/T3632-1995)的规定。
4、主要焊接材料
焊接材料采用与母材相匹配的焊丝、焊剂和手工焊条,各材料均应符合现行国家标准。
六、设计要点
1.结构设计
(1)支架设计
二端边坡采用钢管桩作为支架,横桥向均匀布置5排钢管桩(直径630mm,壁厚10mm),钢管桩间距3.5米,钢管桩下设置200cm*200cm*150cm砼独立基础,砼基础与其下基岩用锚筋锚固,每基础设置16根Φ28钢筋,并伸入基岩长度为2.5m;处于河中的五跨采用直径为1m的砼立柱作为支撑,横桥向均匀布置4根砼立柱,立柱间距为4.66m。
钢管桩和砼立柱下均采用直径为1.5m的桩基础(桩基要求进入基岩2米),为防止河道中漂流物撞击砼立柱,桩伸出河床至少2m,外露桩侧采用浆砌片石及方木进行包护。
砼立柱上预埋法兰钢板,以便与砂筒或其它调节装置连接。
(2)横梁支架上部结构设计
桩顶上布置3根H600×200型钢作为刚性支撑分配梁;分配梁上方布置贝雷梁,贝雷梁布置如下图示意布置,共18排贝雷片,贝雷片均采用上下弦杆;贝雷梁上方铺设间距0.6m的16cm*10cm方木作为分配梁一,上方布置间距为0.3m的8cm*8cm方木作为模板分配梁,横梁底模板面板采用δ=15mm的竹胶板。
(3)预埋件设计
砼立柱顶面预埋钢板,以便于砂筒与H型钢分配梁等连接。
2.结构计算
(1)主要材料力学性能
1)结构钢材
力学性能参考有关规范,本设计具体使用值如下:
弹性模量E(MPa):
210000
剪切模量G(MPa):
81000
轴向容许应力[σ](MPa):
145
弯曲容许应力[σ](MPa):
145
剪切容许应力σs(MPa):
85
2)贝雷片
参考《桥涵》其抗剪容许值取245KN;抗弯允许值取975KN.m,加上下弦杆抗弯允许值取1950KN.m。
(2)计算图式及规定
1)钢管支架计算
采用轴向承压稳定性计算,钢管桩底考虑与系梁固结。
2)横梁支架上部结构计算
采用清华大学的“结构力学求解器”建模,逐层进行平面分析。
(3)计算荷载
恒载:
横梁自重按实际标准断面计,按照均布荷载计入恒载,不考虑系梁砼的强度演变,将其作为安全储备。
根据箱梁截面确定不同断面(见黄沙河中桥施工方案立面图)的重量分别为III-III断面90.896t/m,IV-IV断面37.102t/m,V-V断面125.112t/m,VI-VI断面91.598t/m,砼容重取ρ=26KN/m3。
(4)计算工况
仅考虑支架承受的恒载,包括系梁自重(系梁浇筑后,而强度未形成时)。
七、施工要点
1、施工时应使用测量仪器精确定位,特别是需保证立柱平面位置的精确度。
2、钢管桩立柱接高前各加工件需编号并试拼,拼装时不得打乱拼装顺序。
接高时施工人员需采取安全措施保证施工安全。
3、钢管桩采用汽车吊起吊,首节钢管桩与承台预埋件焊接,采用法兰接高,由于钢管桩单桩稳定性差,钢管桩间应尽早采用平联剪刀撑进行固结。
八、施工安全
1、在支架四周布设安全栏杆、安全网,确保人员安全。
2、工人在高空作业时,佩戴安全帽及安全带,特别是在支架接高施工,必须挂好安全带。
1-80m系杆拱系梁支架设计计算书
一、结构概况
根据系梁结构,采用钢管桩作为支柱,在钢管桩顶设横桥向分配梁(3根HN600×200);分配梁上布设贝雷梁,贝雷梁布设方向与横桥向分配梁垂直,贝雷梁上方铺设间距0.6m的16cm*10cm方木作为模板分配梁,下方布设间距0.3m的8*8cm方木作为分配梁,面板采用1.5cm厚竹胶板。
总体结构布置图见图1
图1支架总体结构布置图
二、计算参数及荷载取值
恒载:
横梁自重按实际标准断面计,按照均布荷载计入恒载,不考虑系梁砼的强度演变,将其作为安全储备。
砼容重取ρ=26KN/m3。
钢结构力学性能取值:
弹性模量E(MPa):
210000;
剪切模量G(MPa):
81000;
轴向容许应力[σ](MPa):
140;
弯曲容许应力[σ](MPa):
145;
剪切容许应力σs(MPa):
85;
贝雷架:
贝雷架均加上上下弦杆。
单片贝雷架允许弯矩取值为2×975=1950KN.m。
允许剪力为245KN。
计算工况:
仅考虑支架承受的恒载,包括系梁自重(系梁浇筑后,而强度未形成时)。
三、支架主体结构计算
1.系梁底模板面板计算
图1-1(单位:
mm)
根据图1-1所示,底模板面板采用δ=15mm的竹胶板,模板分配梁采用间距为0.30m的方木(8cm*8cm),竹胶板允许应力[σ]=11MPa,[f]=300/400=0.75mm,按照系梁最不利位置计算,即横隔梁实心处考虑,荷载取值为系梁部分,采用均布荷载建模。
按单向板、三跨连续梁进行计算
l=30cm取1m长度进行计算b=1m
腹板最厚处高度为2.8m那么:
q=p×b=26×2.8×1=72.8kN/m
l=30cm,b=1m,h=1.5cm,w=bh2/6=37.5cm3,I=bh3/12=28.125cm4
恒载(线荷载)
①系梁砼重量
kn/m
72.8
活载
②施工人员和料具行走运输或堆放荷载,均布荷载取2.5KN/m2,另以2.5KN的集中荷载验算。
kn/m
2.5
③砼浇注与振捣荷载:
由于系梁底模为水平,故取2.0KN/m2。
kn/m
2
荷载组合
1.2*①+1.4*(②+③)
kn/m
93.66
弯矩
M=ql*l/10
n*m
453.31
计算应力
σ=M/W
Mpa
12.09
挠度
f=0.677ql4/100/E/I
mm
0.025
计算应力及挠度均满足规范要求。
2.方木计算
图1-2(单位:
mm)
根据上图1-2方木采用8*8cm的方木,分配梁采用间距为0.4m的16*10cm方木。
方木允许应力[σ]=14.5MPa,[f]=300/400=0.75mm,
恒载(线荷载)
①系梁砼重量
kn/m
21.84
活载
②施工人员和料具行走运输或堆放荷载,均布荷载取2.5KN/m2,另以2.5KN的集中荷载验算。
kn/m
0.75
③砼浇注与振捣荷载:
由于系梁底模为水平,故取2.0KN/m2。
kn/m
0.6
荷载组合
1.2*①+1.4*(②+③)
kn/m
28.10
按照三跨连续计算,l=0.6m,b=0.1m,h=0.1m,腹板最厚位置为2.5m高,w=bh2/6=166.7cm3,I=bh3/12=833.3cm4
弯矩
M=ql*l/10
n*m
252.88
计算应力
σ=M/W
Mpa
2.96
挠度
f=0.677ql4/100/E/I
mm
0.002
计算应力及挠度均满足规范要求。
3.分配梁(16*10cm方木)计算
1)计算参数及施工荷载
方木允许应力[σ]=14.5MPa,[f]=900/400=2.25mm,(取最大跨径为0.9米)
恒载(线荷载)
①系梁砼重量
kn/m
29.12
活载
③施工人员和料具行走运输或堆放荷载,均布荷载取2.5KN/m2,另以2.5KN的集中荷载验算。
kn/m
1
④砼浇注与振捣荷载:
由于系梁底模为水平,故取2.0KN/m2。
kn/m
0.8
按照单向板计算,l=0.9m,b=0.16m,h=0.1m,腹板最厚位置为2.8m高,w=bh2/6=266.67cm3,I=bh3/12=1333.33cm4
荷载组合
1.2*(①+②)+1.4*(③+④)
kn/m
37.46
弯矩
M=ql*l/8
n*m
3793.23
计算应力
σ=M/W
Mpa
14.22
挠度
f=5ql4/384/E/I
mm
0.114
计算应力及挠度均满足规范要求。
3.支架贝雷梁受力计算
(1)、荷载分析
1)箱梁及拱肋部分自重:
本阶段计算对模型进行简化,取支架中心跨进行简支梁计算,箱梁标准断面横截面积S=14.214m2。
根据贝雷架布置形式,对箱梁进行区域划分,简化计算,箱梁截面形式如下。
箱梁自重沿纵桥向分布为:
S×26kn/m3=369.564kn/m
考虑胀模的影响,取1.1的胀模系数。
则箱梁自重沿纵桥向分布为:
q1=348.4×1.1=406.52kn/m;
拱肋砼重量+钢管拱肋钢管重量11809.4kn,其中荷载按照桥向进行线性分配,则此部分自重沿纵桥向分布为:
q2=11809.4/84.25=140.17kn/m;故q=q1+q2=546.69kn/m
2)模板重量
模板重量取0.75kn/㎡
箱梁部分底板、腹板、侧板等:
q3=0.75×(2*2+3.3*2+8+3.3*2+12.214+10.867*2)=39.411kn/m
3)贝雷片重量
贝雷片自重(N片):
q4=N*1.43kn/m,计算不同区域受力状态时,贝雷片自重按照实际形式取值,下表重计入贝雷自重。
4)施工人员及机具
计算贝雷架时,均布活荷载取1.5kn/m2。
Q5=1.5×14.4=21.6kn/m
5)振捣砼时产生的荷载
由于系梁底模为水平,故取2.0kn/m2。
Q6=2×14.4×1=28.8kn/m
(2)、工况分析
最不利工况为拱肋混凝土浇注完成,未产生强度阶段,尚未张拉,不考虑系梁砼的强度作用。
荷载组合:
1.2×【q1+q2+q3+q4】+1.4【q5+q6】
qc=1.2×(546.69+39.411+1.43n)+1.4(21.6+28.8)=773.881+1.716*nkN/m(其中N为贝雷片数量)
n=2时,qc=777.313kN/m;n=3时,qc=779.029kN/m;
n=4,qc=780.745kN/m;(计算容许弯矩时,单排三层或四层贝雷片不均匀系数取0.9)整个箱梁密度是相同的,故单位长度重量与截面面积成比例,根据不同的截面面积,就会产生不同的力的分配.取系梁标准截面进行力的分块,即力的分配,如下图所示:
(3)、计算每组贝雷梁所分布的线荷载
如附表3-1所示。
(4)、计算最不利位置处受力情况,即贝雷梁在最大跨径12m位置的受力情况
根据简支梁计算模型计算,如附表3-2所示。
由受力情况可知,最大弯矩<允许最大弯矩,贝雷梁受力满足承载力要求。
(5)计算系梁端部焊接钢契形块受力情况
贝类架端部与箱梁端部间最后一跨跨径为10.8米,具体如图所示;但根据结构实际受力进行分析确认在承台范围内5.82mHN600*200型钢需要进行受力检算,在此取6m。
计算HN600*200型钢段线荷载,偏于安全考虑通过下式进行计算:
①、箱梁自身重量
[14.27*0.31+(48.12+35.23)/2*1.9+(35.23+14.27)/2*3.82]*26/6.03*1.1=844.96KN/m;
④施工人员及机具(在此取1.5kN/m2)
1.5*15.4=23.1kN/m;
⑤、振捣混凝土时产生的荷载(在此取2kN/m2)
2*15.4=30.8kN/m;
荷载组合:
q=1.2*844.96+1.4*(23.1+30.8)=1089.42kN/m
则跨中最大弯矩为Mmax=1/8*1089.42*36=4951.53KN.m
单根H600*200型钢允许弯矩为[M]=σ*ω=145×2610000=378.45KN.m
则所需H600*200型钢根数为4951.53/378.45=13.09根。
取14根H600*200型钢进行布置,具体如图所示。
(6)、计算各组贝雷架梁支座反力
各排钢管桩支墩上横梁编号依次为A.B…G,如下图所示:
采用连续梁计算模型进行计算各排横梁(2HN600×200)上受力,计算结果如附表3-3所示。
4.分配横梁受力验算
3HN600*200型钢抗弯验算:
取最不利处进行计算,即C排临时墩,梁顶加载形式为下表所示(考虑分配梁自重)。
3HN600*200型钢弯矩图见下图
三根H型钢允许弯矩为[M]=3σ*ω=3×145×2610000=1135.35KN.m,Mmax=1127.9KN.m<[M]
满足要求。
5.计算钢管桩受力情况:
1)钢管桩轴压稳定验算:
根据3HN600*200分配横梁所受剪力计算其所受支座反力,该梁剪力图如下:
从上图看出,钢管桩所受最大支座反力位于本图5点处,R=1279.55KN,按照8m长度计算钢管稳定性,
稳定验算:
根据荷载计算,中间一排钢管最大受力为1279.55kN。
(由于钢管桩最大高度为8米,不考虑风荷载等其它因素影响)
钢管桩选用直径为0.63m,壁厚1mm的钢管,A=77872m²。
①、强度及稳定性验算:
(荷载组合:
静载)Pmax=961.7KN,由于构件截面对称故ix=iy
Ix=3.14/64(6304-6104)
ix=109.6158mm
长细比λ=9500/109.6158=86.666
钢管属于b类截面,查表得轴心受压构件的稳定系数:
0.7625
Φ=0.7625
σ=N/(A*Φ)=1279.55*1000/(0.7625*3.14*(315*315-305*305))=86.2<140MPa
符合要求
②、局部稳定性验算
该管外径与壁厚之比为60,满足《钢结构设计规范》(GB50017--2003的要求。
附表3-1每组贝雷梁所分布的线荷载
分块名称
a
b
c
d
e
f
g
合计
面积(m2)
1.894
1.94
2.326
1.89
2.326
1.94
1.894
14.21
贝雷数量
3
2
3
2
3
2
3
考虑贝雷自重
EI(N*M2)
1578150000
1052100000
1578150000
1052100000
1578150000
1052100000
1578150000
ω(CM3)
23097.3
15398.2
23097.3
15398.2
23097.3
15398.2
23097.3
贝雷架均加上上下弦杆。
单片贝雷架自重为4.3KN,容许应力为245MPa。
荷载组合
779.03
777.31
779.03
777.31
779.03
777.31
779.03
线荷载q(N/M)
103805
106092
127481
103357
127481
106092
103805
允许弯矩M0(KN*M)
5265.00
3510.00
5265.00
3510.00
5265.00
3510.00
5265.00
附表3-2计算最不利位置处受力情况,即贝雷梁在最大跨径12m位置的受力情况
最大跨径(m)
12.00
12.00
12.00
12.00
12.00
12.00
12.00
按照最不利工况,取最大跨径12m,三跨连续计算,临时结构允许挠度[f]=1200/400=3.00cm
按照简支梁计算最大弯矩(KN*M)
1868.49
1909.65
2294.67
1860.43
2294.67
1909.65
1868.49
简支梁计算挠度(CM)
1.78
2.72
2.18
2.65
2.18
2.72
1.78
按照简支计算安全系数
2.82
1.84
2.29
1.89
2.29
1.84
2.82
附表3-3 各排横梁受力
各组贝雷编号
a
b
c
d
e
f
g
合计
计算支反力A(KN)
456.74
466.80
560.92
454.77
560.92
466.80
456.74
456.74
计算支反力B(KN)
1079.57
1103.35
1325.81
1074.92
1325.81
1103.35
1079.57
1079.57
计算支反力C(KN)
1245.66
1273.10
1529.78
1240.29
1529.78
1273.10
1245.66
1245.66
计算支反力D(KN)
1245.66
1273.10
1529.78
1240.29
1529.78
1273.10
1245.66
1245.66
计算支反力E(KN)
1089.95
1113.96
1338.56
1085.25
1338.56
1113.96
1089.95
1089.95
计算支反力F(KN)
923.86
944.22
1134.58
919.88
1134.58
944.22
923.86
923.86
计算支反力G(KN)
456.74
466.80
560.92
454.77
560.92
466.80
456.74
456.74
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