高铁80m连续梁挂篮计算.docx
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高铁80m连续梁挂篮计算
XXX大桥连续梁挂篮设计计算书
1工程概况
根据图纸要求该挂篮能满足铁路80m连续梁的浇筑要求,为此在设计主承重结构中,其构造尺寸和受力性能满足80m的悬浇要求。
2设计依据
1、现浇预应力混凝土连续梁施工图;
2、《高速铁路桥涵施工技术指南》铁建设[2010]241号;
3、《铁路桥梁钢结构设计规范》TB10002.2-2005;
4、《路桥施工计算手册》;
5、《桥梁工程》、《结构力学》、《材料力学》;
6、《机械设计手册》;
3基本设计参数
(1)高速铁路(48+80+48)挂篮悬浇箱梁为变高度预应力混凝土箱梁,
箱梁宽度沿桥轴线为等截面,箱梁自重根据设计混凝土方量计算。
混凝土自重:
G砼=26kN/m3;弹性模量:
E钢=2.1×105MPa;
(2)材料允许应力:
根据我国行业标准,对于Q235材料,[]=85MPa,[]=140Mpa;
对于临时结构(挂篮次要部位)(包括模板、连接系、模板滑梁),容许应力可提高30%,材料容许应力[]=85×1.3=110MPa,[]=140×1.3=182MPa。
(3)挂篮系统设计计算采用计算机电算和手算相结合的方式,电算程序采用美国CSI公司的Sap2000V10专业结构设计软件。
计算中考虑到各种系数如下:
考虑箱梁混凝土浇注时膨胀等的超载系数:
1.05;
新浇混凝土等自重系数:
1.1;
挂篮空载行走时冲击系数:
1.3;
施工人员及机具荷载系数:
1.0;
倾倒混凝土时产生的冲击荷载分项系数:
1.0
振捣混凝土时产生的竖向荷载分项系数:
1.0;
浇注混凝土和挂篮行走时的抗倾覆稳定系数:
2.0。
(4)施工阶段抗风设计的基本风速取V10=13.8m/s(六级风速),挂篮结构设计按该值进行计算。
(5)施工期间,在浇筑箱梁混凝土前,注意气象情况预报,应避开在超出设计条件的气象情况下进行施工。
4箱梁挂篮悬浇设计荷载及组合
4.1悬浇挂篮结构
挂篮为菱形挂篮,主桁杆件由2[32b槽钢组成,槽钢两侧各贴一块钢板形成箱形截面杆件,各杆之间通过节点板及材质45#钢的销子连接。
前上横梁由2I45a型钢组成,后锚梁由2I40a型钢组成,底篮前后托梁由2[40a普通热轧槽钢组成,底篮纵梁为I32a。
模板重量和浇筑混凝土阶段混凝土的重量由挂篮前吊杆和后吊杆承担。
前、后吊杆均采用32mm精轧螺纹钢筋,通过上部分配梁将底篮悬吊。
浇注混凝土时,为了平衡前吊点产生的倾覆力矩,通过一组穿过箱梁顶板的锚筋锚固。
挂篮移动时由反扣在工字钢轨道上的行走小车来平衡倾覆力矩,底模后吊由挂篮顶端中部移篮横梁两端悬吊的钢丝绳及手动葫芦承担。
挂篮共重50.91t,箱梁最重节段为1#节段,重量为139.123t(长2.7m);挂篮质量与箱梁块段重之比(挂篮工作系数):
50.91/139.123=0.36。
4.2荷载计算
(1)箱梁恒载
预应力钢筋混凝土自重每方按26kN计算。
梁高及底板厚按二次抛物线变化。
最重节段为1#块,长2.7m,重量为139.123t,最长节段为4#节段,长3.5m,重134.013t。
(2)人员、施工机具设备及材料堆载等施工荷载
按1.0kPa控制设计,按标准断面计算。
刚度计算时不计。
模板面板及加劲肋计算时取2.5MPa。
(3)振捣混凝土时产生的水平荷载
倾倒混凝土时产生的冲击荷载取1.0kPa控制设计。
刚度计算时不计。
(4)倾倒混凝土时产生的竖向荷载
振捣混凝土时产生的荷载取2.0kPa控制设计。
仅作为水平荷载在分析侧模强度时作用于侧模。
(5)混凝土偏载
箱梁两侧腹板浇注的混凝土最大偏差取腹板重量的20%控制验算。
(6)风荷载
根据《桥涵设计通用规范》JTGD60-2004计算风荷载标准值:
W=k0k1k3Wd=0.75×1.824×0.924×1.0×0.446=0.563KN/m2
纵梁、立柱及前后斜撑qwh=W×0.32×0.563×0.32=0.18KN/m
Vd=k2k5V10=1.42×1.38×13.8=27.04m/s
γ=0.012017e-0.0001z=0.012017e-0.0001×70=0.012017e-0.007
=0.01211KN/m3
式中:
Fwh----风荷载标准(KN);
Wd----设计基准风压(KN/m2);
Awh----迎风面积(m2),纵梁6.6m2,前斜撑及立柱16m2;斜撑及平联6.54m2。
V10----桥梁所在地区的设计基本风速(m/s),当风力大于6级时停止吊装,6级风的最大风速为13.8m/s。
Vd----高度Z处的设计基准风速(m/s);
Z----距地面或水面的高度;取70m;
----空气重力密度(KN/m3);
ko----设计风速重现期换算系数,对于施工架设期桥梁取0.75。
k3----地形、地理条件系数,按《桥涵设计通用规范》中表4.3.7-1取1.00;
k5----阵风风速系数,取1.38;
k2----考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数,可按《桥涵设计通用规范》中表4.3.7-1取1.42;
k1----风载阻力系数;取1.824《桥涵设计通用规范》中表4.3.7-4~4.3.7-6;
----遮挡系数0.924;
g----重力加速度,取9.81m/s2。
4.3荷载组合
挂篮设计荷载包括:
箱梁恒载、超载、挂篮自重、施工荷载、风荷载。
风速超过设计条件时停止施工。
荷载组合如下:
荷载组合Ⅰ:
混凝土重量+动力附加荷载+超载+混凝土偏载+挂篮自重+人群和机具荷载;
荷载组合Ⅱ:
挂篮自重+冲击附加荷载
其中荷载组合Ⅰ、Ⅱ用于主桁承重系统强度、刚度和稳定性计算,荷载组合Ⅲ用于挂篮行走计算。
5挂篮计算
梁箱梁最重的为1#块段(2.7m),最长的为4#块段(3.5m),采用计算软件sap2000建立计算模型对浇筑这两个块段时进行模拟。
5.11#块计算
在该工况下SAP2000的计算受力如图5-1~5-3所示。
各杆件受力的计算结果如表5-1所示。
图5-1轴力图
图5-2弯矩图
图5-3剪力图
表5-1荷载组合Ⅰ杆件受力(2.7m节段)
5.24#块计算
在该工况下SAP2000的计算受力如图5-4~5-6所示。
各杆件受力的计算结果如表5-2所示。
图5-4轴力图
图5-5弯矩图
图5-6剪力图
表5-2荷载组合Ⅰ杆件受力(3.5m节段)
5.3挂篮构件受力验算
通过以上计算,挂篮各杆件的最大受力汇总于表6-3中。
表6-3杆件最大受力情况
对挂篮各受力构件进行强度验算
(1)单侧后锚点计算
R锚固=-385.42KN,负号表示反力方向向下。
后锚点设2根ф32精扎螺纹钢,则倾覆安全系数为Fs=2×700/385.42=3.63>2.0
(2)主桁前斜杆验算
主桁前斜杆由2[32a槽钢组焊而成,上下贴10mm的钢板(宽300mm),材质为Q235b。
L=4.72m,A=15572.69mm2,W=1830.13cm3;前斜杆承受压力N=684.57kN,弯矩M=5.79kN·m。
前斜杆强度验算:
max=N/A+M/W=47.12MPa<182Mpa,满足要求。
稳定验算:
i=141.35mm,λ=Μl/i=33.39
受压杆件的稳定系数φ=0.893
σmax=N/Φa+M/W=52.39Mpa<182Mpa,满足要求。
(3)主桁水平杆验算
主桁水平杆由2[32a槽钢组焊而成,上下贴10mm的钢板(宽300mm),材质为Q235b。
L=5.56m,A=15572.69mm2,W=1830.13cm3;水平杆承受压力N=577.12kN,弯矩M=3.68kN·m。
水平杆强度验算:
max=N/A+M/W=39.07MPa<182Mpa,满足要求。
稳定验算:
i=141.35mm,λ=Μl/i=33.39
受压杆件的稳定系数φ=0.88
σmax=N/Φa+M/W=44.12Mpa<182Mpa,满足要求。
(4)主桁后斜杆验算
主桁后斜杆由2[32a槽钢组焊而成,上下贴10mm的钢板(宽300mm),材质为Q235b。
L=4.4m,A=15572.69mm2,W=1830.13cm3;后斜杆承受压力N=706.94kN,弯矩M=4.85kN·m。
后斜杆强度验算:
max=N/A+M/W=48.05MPa<182Mpa,满足要求。
(5)主桁上弦杆验算
主桁上弦杆由2[32a槽钢组焊而成,上下贴10mm的钢板(宽300mm),材质为Q235b。
L=6.4m,A=15572.69mm2,W=1830.13cm3;上弦杆承受压力N=577.12kN,弯矩M=4.51kN·m。
上弦杆强度验算:
max=N/A+M/W=39.52MPa<182Mpa,满足要求。
(6)中立杆验算
主桁中立杆由2[32a槽钢组焊而成,上下贴10mm的钢板(宽300mm),材质为Q235b。
L=2.79m,A=15572.69mm2,W=1830.13cm3;中立杆承受压力N=423.43kN。
中立杆强度验算:
max=N/A+M/W=27.19MPa<182Mpa,满足要求。
稳定验算:
i=141.35mm,λ=Μl/i=19.47
受压杆件的稳定系数φ=0.933
σmax=N/Φa+M/W=29.14Mpa<182Mpa,满足要求。
(7)前上横梁
前顶横梁由2Ⅰ45a型钢组成,上下贴10mm的钢板。
截面特性为:
A=20244.89mm2,W=2822.43cm3,Ix:
Sx=385.11mm,d=23mm;前顶横梁承受剪力Q=188.84kN,弯矩M=142.32kN.M
前顶横梁强度验算:
σmax=M/W=50.42Mpa<[σ],满足要求;
=QSx/Ixd=21.32Mpa<[],满足要求。
(8)前、后托梁
前、后托梁由2Ⅰ40a型钢组成,上下贴10mm的钢板。
截面特性为:
A=17013.85mm2,W=2138.79cm3,Ix:
Sx=343.78mm,d=21mm;
前、后托梁承受剪力Q=227.42kN,弯矩M=98.84KN.M
前、后托梁强度验算:
σmax=M/W=46.26Mpa<[σ],满足要求;
=QSx/Ixd=31.5Mpa<[],满足要求。
(9)纵梁
纵梁由2Ⅰ32b型钢组成,上下贴10mm的钢板。
截面特性为:
A=6627.9mm2,W=681.88cm3,Ix:
Sx=276.5mm,d=9.5mm;
纵梁承受剪力Q=83.37kN,弯矩M=76.74KN.M
纵梁强度验算:
σmax=M/W=112.54Mpa<[σ],满足要求;
=QSx/Ixd=31.74Mpa<[],满足要求。
(10)吊杆
吊杆为Φ32的精扎螺纹钢筋,由计算知,浇筑1#块时,后吊杆拉力最大为358.37KN。
此时吊杆的拉应力:
σ=N/A=358370/804.25=445.59Mpa<700Mpa
(11)滑梁
滑梁由2[32a槽钢组成,上下贴10mm钢板。
截面特性为:
A=9572.69mm2,W=923.26cm3,Ix:
Sx=270mm,d=16mm;
滑梁承受剪力Q=83.92kN,弯矩M=88.36KN.M
滑梁强度验算:
σmax=M/W=95.7Mpa<[σ],满足要求;
=QSx/Ixd=19.43Mpa<[],满足要求。
6挂篮行走计算
6.1工况计算
在挂篮行走过程中,风速对挂篮构件受力会有一定的影响。
工况:
挂篮自重+横向风载+模板重。
受力情况如图6-1~6-3所示。
图6-1轴力图
图6-2弯矩图
图6-3剪力图
表6-1杆件受力
6.2行走时挂篮构件受力验算
挂篮行走时挂篮各构件受力情况如表6-1所示。
由上表可以看出挂篮在行走时,菱形主桁,前顶横梁,前、后托梁,纵梁,滑梁,吊杆受力均小于箱梁浇筑时,后锚点受力也远小于浇筑时受力。
以下对主桁侧吊架系统受力进行验算。
(1)行走时后锚计算
行走时,移篮轨道的力由锚固轨道的钢筋来承担,行走时,后锚点受力为76.44KN。
按4倍的安全系数[76440×4/(4×140×)]1/2=13
采用4根直径25的钢筋锚固移篮轨道
(2)行走时轨道局部验算
轨道采用2I25a组焊而成。
上面贴10mm的钢板。
在轮压集中力P作用下,普通工字钢轨梁在腹板根部点1和2(见图6-4)的局部应力可分别为:
图6-4轨道横断面图
点1:
σy1=-α1ky1p/t2,σx1=-α1kx1p/t2;
点2:
σx2=-α2kx2p/t2;
单个轨道上一个轮压值为:
P=76.44/4=19.11Mpa;α1取1.38,α2取1.25;a/c=0.72,可查表得:
kx1=0.47,ky1=1.55,kx2=1.70;t取23mm。
根据公式可得:
σy1=-1.38×1.55×19110/232=-77.27Mpa<182Mpa
σx1=-1.38×0.47×19110/232=-23.43Mpa<182Mpa
σx2=-1.38×1.70×19110/232=-76.76Mpa<182Mpa
(3)行走手拉葫芦及钢绳验算
由表1可知,挂篮行走时,悬挂后托梁的钢绳拉力为43.23KN,查施工手册可知,Φ26的钢绳的破断力360KN,360/43.23>8,满足8倍安全系数要求。
7连接结构验算
7.1主桁杆件端部强度的计算
7.1.1局部抗压强度的计算
主桁中立柱、主梁端部组焊件结构形式基本相同:
内侧贴焊20mm的Q235b钢板,故节点处的局部承压采用其中最不利受力进行计算:
前斜杆局部受最大压力684.57kN,节点处杆件截面见图7-1所示,计算中以Q235钢控制。
图7-1主桁局部受压截面
σ=F/A=684570/9572.69=71.51Mpa<[σbs]=200Mpa,满足要求。
7.1.2拉伸强度的计算
主桁杆件端部因销孔的存在而使该断面的截面积减小,导致受力不利;局部加强后拉伸强度的计算如下。
计算中选用该处受力最大的主桁杆件(后斜杆),F=706.94KN,则
σ=F/A=706940/(2×3818.34)=92.57Mpa<182Mpa,满足要求。
7.1.3剪切强度的计算
该计算中主桁后斜杆受力最为不利,以下计算采用后斜杆受力的最大值进行计算Fs=706.94kN,销孔边缘距拉杆端点最近距离为179.5mm,依此面按Q235b钢进行抗剪计算,则:
τ=Fs/As=706940/(2×28×179.5)=70.33Mpa<[τ],满足要求。
7.1.4销子强度的计算
主桁构件中,后斜杆的销子受力最为不利,销子直径为120mm。
根据受力插销为双剪,受最大剪力Fs=706.94kN,故:
τ=Fs/As=(706940/2)/(3.1415926×1202/4)=31.25Mpa<[τ]=585Mpa,满足要求。
7.2节点板强度的计算
节点板材料采用Q235b钢,取其技术参数为[σw]=182Mpa,
[τ]=110Mpa,[σbs]=200Mpa
7.2.1剪切强度的计算
后斜杆处的节点板受力最不利,Fs=706.94KN,销孔边缘节点板端部最近距离为179.5mm,依此面进行剪切强度的计算,则:
τ=Fs/As=(706940/2)/(40×179.5×2)=24.61Mpa<[τ]
7.2.2顶口抗压强度的计算
节点板局部挤压强度的计算采用其中最不利受力状态:
Fs=706.94Kn,销孔直径121mm,厚度40mm,则:
σ=F/A=N/δd=706940/2/(40×121)=116.85Mpa<[σ]=200Mpa,满足要求。
8计算结果分析
1)通过计算可以结果得出:
此挂篮各部分构件均可满足受力要求,主桁、底篮刚度均可满足规范要求,且具有较大的安全储备。
2)图纸中后支座与轨道的连接物滚轮,挂篮行走时会产生很大的摩擦,上述计算中加入了滚轮。
在行走时,车轮中心位置越靠近轨道腹板,轨道型钢翼缘受力越有利,因此,在挂篮行走时,要保证小车的行走位置,不要偏移。
3)挂篮行走时,手拉葫芦可以换成2个10t,钢丝绳选用直径26的。
4)请增加:
腹板下的纵梁弯应力力相对较大(满足规范应力要求),挂篮加工时应注意安装精度,保证均匀受力;同时注意不得损伤截面。
9挂篮荷载试验
为了保证挂篮系统的安全性,在进行箱梁混凝土浇注之前,须在超重情况下逐级进行挂篮荷载的预压试验,设置挂篮施工的预拱度。
预压可采用沙袋堆载、张拉的方式进行。
加载的位置应与箱梁结构相对应,腹板、底板和翼板位置处加载应不同。
加载时严格观测,并记录观测数据。
加载时采取逐次增重的方法:
按设计重量的75%、100%和120%逐级加载;严禁一次加载至120%。
挂篮施工的预拱度的确定除了需要挂篮预压时的测量数据外,还需在每段的施工前后对箱梁进行多次的沉降观测来提供数据。
主要是箱梁浇注后、挂篮移位前,挂篮移位后(张拉前)、张拉后等几次的沉降观测,自0#块浇注完成后便开始此过程直至箱梁合拢完成。
每次沉降观测完成后及时提供数据以便确定下一段模板调整的预拱度。
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