特大桥菱形挂篮设计计算(共33页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上Xxxx大桥菱形挂篮设计计算Xxxxxxxx2004-12-22专心-专注-专业目 录第1章 设计计算说明1.1 设计依据、xxxx施工图设计；、公路桥涵施工技术规范JTJ041-2000；、钢结构设计规范GBJ17-88；、路桥施工计算手册；、桥梁工程、结构力学、材料力学；、其他相关规范手册。1.2 工程概况本主桥作为国道主干线xxxx一座特大型桥梁，跨越xxxx，主桥桥跨组成为70+110+110+70m的变截面单箱双室连续梁，采用垂直腹板。箱梁顶宽17.35m，底宽10.25m，翼缘板长3.55m，支点处梁高6.3m，跨中梁高2.5m，梁高及底板厚按二次抛物线变

2、化，其方程为及。腹板厚100cm（支点）40cm（跨中），底板厚度为70cm（支点）25cm（跨中），顶板厚度保持26cm不变，设支点横隔板及中跨跨中横隔板。箱梁顶面设2单向横坡，腹板上方设通气孔。箱梁0#块梁段长度为10m，边、中合拢段长度为2m；挂篮悬臂浇注箱梁最重块段为1#块，其重量为149.1t。该桥箱梁悬臂浇注拟采用菱形挂篮进行施工。Xxxx特大桥箱梁悬臂浇注段采用菱形挂篮施工其各块段基本情况如下表1-1所示。表1-1 各梁段基本情况名称砼(m3)重量(吨)长度(m)高度(cm)底板厚(cm)腹板(cm)顶板(cm)1#块59.64149.135827050262#块56.52141

3、.335426150263#块53.6134350656.550264#块50.88127.2347152.350265#块48.44121.1344048.350266#块53.64134.13.541044.740267#块50.92127.33.537840.840268#块48.48121.23.535037.440269#块46.41163.532634.4402610#块50.84127.1430531.8402611#块48.96122.4428529.4402612#块47.32118.3427027.5402613#块46.52116.3425826.1402614#块45.

4、92114.842522540261.3 挂篮设计1.3.1 主要技术参数、砼自重GC26kN/m3；、钢弹性模量Es2.1105MPa；、材料容许应力：容许材料应力提高系数：1.3。1.3.2 挂篮构造挂篮为菱形挂篮，菱形桁片由230普通热轧槽钢组成的方形截面杆件构成，前横梁由2I45b普通热轧工字钢组成，底篮前横梁由2I36b普通热轧工字钢组成，底篮后横梁由2I36b普通热轧工字钢组成，底篮腹板下加强纵梁为由8和10普通热轧槽钢组成的桁架，底篮底板下加强纵梁为I28b普通热轧工字钢，吊杆采用32精轧螺纹钢。主桁系统重7.8t、行走系统重4.6t、底篮8.6t、提升系统重10.7t、外模重1

5、0.8t、内模系统重4t、张拉操作平台重0.5t，整个挂篮系统重47t，自重与载荷比为（以1#为例）0.315：1。1.3.3 挂篮计算设计荷载及组合、荷载系数考虑箱梁混凝土浇筑时胀模等系数的超载系数：1.05；浇筑混凝土时的动力系数：1.2；挂篮空载行走时的冲击系数1.3；浇筑混凝土和挂篮行走时的抗倾覆稳定系数：2.0；挂篮正常使用时采用的安全系数为1.2。、作用于挂篮主桁的荷载箱梁荷载：箱梁荷载取1#块计算。1#块段长度为3m，重量为149.1t；施工机具及人群荷载：2.5kMPa；挂篮自重：47t；混凝土偏载：箱梁两侧腹板浇筑最大偏差取5m3混凝土，重量13t。、荷载组合荷载组合I：混凝

6、土重量+超载+动力附加荷载+挂篮自重人群和机具荷载；荷载组合II：混凝土重量+超载+混凝土偏载+挂篮自重+人群和机具荷载；荷载组合III：混凝土重量+超载+挂篮自重+人群和机具荷载；荷载组合IV：挂篮自重+冲击附加荷载；荷载组合I、II用于主桁承重系统强度和稳定性计算；荷载III用于刚度计算（稳定变形）计算；荷载组合IV用于挂篮系统行走计算。1.3.4 内力符号规定轴力：拉力为正，压力为负；应力：拉应力为正，压应力为负；其它内力规定同结构力学的规定。第2章 挂篮底篮及吊杆计算挂篮底篮计算荷载：箱梁荷载：取1#块计算，1#块梁段长度为3m，重量为149.1t，施工机具及人群荷载；2.5kPa。2

7、.1 1#块段重量作用下底篮各项指标计算1#块段长度为3m，重量为149.1t，恒载分项系数K1=1.2；活载分项系数K2=1.4。2.1.1 腹板下面加强桁架纵梁的计算箱梁梁段两端高度分别为5.823m和5.428m，加强桁架纵梁间腹板宽0.5m（由两片加强桁架纵梁承受），加强桁架纵梁与其它加强纵梁的间距为0.55m，混凝土荷载为(q11，q12分别表示梁段两端的线荷载)： 为便于计算，除侧模外，模板重量按2.5kN/m2计，模板荷载为：人群及机具荷载为：倾倒和振捣混凝土产生的荷载；底板混凝土重量为：加强纵梁上的均布荷载为：(1#块i端)(1#块j端)加强纵梁（桁架梁）的受力及计算模型如图2

8、-1所示。(a) 加强桁架纵梁空间图(黄色为8槽钢、青色为10槽钢)(b) 加强桁架纵梁单元划分图Q=64087N/m(c) 加强桁架纵梁单元加载图(d) 加强桁架纵梁构造图图2-1 加强桁架纵梁计算模型桁架杆件内力如下表2-1所示，支点反力分别为109.05kN(内端)和85.017kN(外端)。表2-1 底篮加强桁架纵梁内力单元号轴力(N)剪力(N)弯矩(N-m)单元号轴力(N)10.09.60011.0272-72741.0-647.22284.7283-72741.0-628.02157.1294-72741.0-608.8233.5305-72741.05819.1554.531-3

9、53256-72741.0-16576-486.232-863247-72741.0-3739.8-2517.833191018-72741.09096.8-1982.134-491689-72741.0219331120.9353777210-.0-209411230.536-9583111-.0-8103.9-1673.937-4109.312-.04732.7-2011.113-.017569219.114-.0-18669112.015-.0-5832.6-2338.216-.07004-2221.017-.019841463.518-57111.0-15409859.919-5711

10、1.0-2572.1-938.220-57111.03855.8-809.821-57111.03875-36.722-57111.0-122.72327.623-57111.0-103.52305.024-57111.0-84.324286.225-57111.0-65.124271.2260.0-9.60011.0根据上述模型计算结果可得，加强桁架纵梁在荷载作用下产生的最大竖向挠度为=0.37cm480/400=1.2cm，满足整体变形要求。但上弦杆在荷载作用下，杆件局部竖向变形达3.2mm，须注意加强局部杆件刚度。由上表可知，上弦杆(15号单元)最大轴力为N=-131.22kN(压力)，

11、相应的弯矩为M=-2.338kN-m；最大剪力(10号单元)Q=-20.941kN。查表知10槽钢的截面特性参数为：应力为：(满足要求)。剪应力：(满足要求)。端腹杆(29号单元)最大拉力为N=130.460kN，杆件为10槽钢，其拉应力为：(满足要求)内腹杆(36号单元)最大压力为N=-95831N，杆件为8槽钢，杆件长度为L0=1.442m，其计算长度为0.8L0，稳定性计算如下：8槽钢截面特性为：长细比为：，查表得(满足要求)由上述计算可知加强桁架纵梁的各构件强度满足要求，受压腹杆稳定性也满足要求。2.1.2 底板下普通纵梁的计算 计算普通纵梁强度计算混凝土高度按距腹板外边1m的底板厚度

12、0.7m，普通纵梁间距为0.66。混凝土荷载：模板重量按2.5kN/m2计，模板荷载为：人群及机具荷载：倾倒和振捣混凝土产生的荷载：加强纵梁上的均布荷载为：普通纵梁为I28b普通热轧工字钢，纵梁计算模型和受力如下图2-2所示。支点反力分别为30.602kN(外端)和39.002kN(内端)。(a)普通纵梁构造及支反力(b)普通纵梁空间图(c)普通纵梁弯矩图(单位:N-m)(d)普通纵梁剪力图(单位:N)(e)普通纵梁变形图(单位:m)图2-2 普通纵梁模型及内力、变形图查表得I28b普通热轧工字钢的截面特性参数为：普通纵梁的最大弯矩为M=55.788kN-m，最大剪力为Q=38.864kN,弯

13、曲正应力和剪应力分别为：普通纵梁最大变形为=0.855cm满足变形要求。由上式计算可知，普通纵梁应力强度和变形条件均满足要求。2.1.3 底篮后横梁受力验算1#块箱梁横断面计算如图2-3所示，图中尺寸以米计。模板、支架按2.5kN/m2计，人群及机具荷载按2.5kN/m2计，倾倒和振捣混凝土荷载按4.0kN/m2计，1#块长度为3m，从底篮计算可知，后横梁承受箱梁56.2%的荷载。图2-3 底篮后横梁位置处箱梁截面图对A截面：对B截面：对C截面：对C，D截面：对D截面：对E截面：对F截面：上述A-F截面为箱梁50%的荷载，乘以0.562/0.5=1.124的系数，将最后得到的值加到后横梁上，计

14、算图示如图2-4所示。(a) 底篮后横梁计算模型及受力图(内力单位：kN/m，长度单位:m)(b) 底篮后横梁计算模型空间图(c) 底篮后横梁弯矩图(d) 底篮后横梁剪力图图2-4 底篮后横梁计算模型与内力图由上述计算结果可知，荷载作用下，后横梁最大弯矩为：M=118.511kN/m；最大剪力为Q=132.572kN；跨中最大挠度为0.3mmL/400=150/400=0.375cm，满足变形要求，两个内支座反力为78.328kN，两个外支座反力为246.07kN。底篮后横梁采用I36b普通热轧工字钢，其截面特性参数为：从而可以得到其应力为：(满足要求)由上述计算可知，底篮后横梁满足应力强度和

15、变形要求。2.1.4 底篮前横梁受力验算1#块箱梁横断面计算如图2-5所示，图中尺寸以米计。模板、支架按2.5kN/m2计，人群及机具荷载按2.5kN/m2计，倾倒和振捣混凝土荷载按4.0kN/m2计，1#块长度为3m，从底篮计算可知，后横梁承受箱梁56.2%的荷载。图2-5 底篮前横梁位置处箱梁截面图对A截面：对B截面：对C截面：对C，D截面：对D截面：对E截面：对F截面：上述A-F截面为箱梁50%的荷载，应乘以0.483/0.5=0.876系数，偏于安全考虑，将上述值直接加到前横梁上，计算图示如图2-6所示。(a)底篮前横梁计算模型及受力图(内力单位：kN/m，长度单位:m)(b)底篮前横

16、梁计算模型空间图(c)底篮前横梁弯矩图(e) 底篮前横梁剪力图87.512kn120.2174.7120.287.512kn(e)底篮前横梁支点反力图(单位：kN)图2-6 底篮前横梁计算模型与内力图由上述计算结果可知，荷载作用下，前横梁最大弯矩为：M=30.467kN/m；最大剪力为Q=70.259kN；跨中最大挠度为0.567mmL/400=355/400=0.887cm，满足变形要求支点反力如图所示。底篮前横梁采用I36b普通热轧工字钢，其截面特性参数为：从而可以得到其应力为：(满足要求)由上述计算可知，底篮前横梁满足应力强度和变形要求。2.1.5 吊带 (或精轧螺纹钢) 计算后吊带所承

17、受的最大支点反力为246.07kN，采用32精轧螺纹钢时，其应力为：其安全储备为：K=650/305.943=2.125(精轧螺纹钢控制应力取650MPa)。前吊带所承受的最大支点反力为174.7kN，采用32精轧螺纹钢时，其应力为：其安全储备为：K=650/217.208=2.993。由上述计算可知，底篮前后横梁的吊带安全储备均大于2，满足要求。第3章 挂篮主桁计算3.1 荷载组合I(混凝土重量+超载+动力附加荷载+挂篮自重+人群和机具荷载)3.1.1荷载计算 混凝土重量+超载+动力附加荷载：由底篮计算知，后吊点承受混凝土荷载的56.2%，即前吊点承受43.8%的混凝土荷载，即 挂篮荷载：主

18、桁荷载作用于挂篮前支点P1=7.81.29.36t前吊点承担底篮、侧模、内模1/2荷载：P2=(8.6+10.8+4)1.2/2=14.04t前提升系统，端模。张拉操作平台作用在挂篮前支点：P3=(4.6+1.0+0.5)1.2=7.32t 前吊点承担人群和机具荷载的一半P4=(0.25317.35)1.4/2=9.109t 倾倒和振捣混凝土荷载P5=0.43/217.351.4=14.574t单片主桁前吊点荷载3.1.2 荷载组合I作用下主桁计算 计算简图菱形桁架简化后计算简图如图2-7所示。(a) 主桁计算简图(单位：cm、N)(b) 主桁杆件轴力图图2-7 主桁计算简图及轴力图由计算结果

19、得到支反力和各杆的轴力大小，如表2-2所示。表2-2 主桁支反力及内力内力及支反力单元号支点号12345后支点前支点轴力(kN)01288.2-722.56-12761090-反力(kN)-679.081393.6注:支点反力为负表示拉力，为正表示压力。后锚及倾覆安全系数后锚安全系数取2，则所需的32精轧螺纹钢(张拉力513kN)根数为：取n=3。则倾覆安全系数为：主桁杆件强度验算主桁各杆件均由普通热轧轻型230槽钢组成图2-8所示的截面形状，30槽钢截面特性如下：图2-8 主桁构件截面示意图2号和5号杆件均受拉，杆件长度分别为5.576m和5m，组合截面对虚轴y-y的长细比分别为0.8557

20、.6/15.45=28.87和0.8500/15.45=25.89，换算长细比分别为49.33和47.65，满足要求，应力分别为：2号： (满足要求)改用普通热轧32b槽钢后应力为： (满足要求)5号： (满足要求)3号和4号杆件均为受压杆件，杆件长度分别为3m和5.831m，且4号杆件的轴压力大于3号杆件，故在此只验算4号杆件的应力强度及受压稳定性，其轴力为1276kN。4号杆件的换算长细比为：缀板间距按70cm考虑，则单肢对其1-1轴的长细比为：则换算长细比为： (满足要求)查表得到强度验算： (满足要求)改用普通热轧32b槽钢后应力为： (满足要求)稳定性验算：由于热轧轻型30槽钢按轴压

21、计算时不满足，故直接采用普通32b槽钢验算： (满足要求)而3号杆件的轴力只有4号杆件的56.5%，故3号杆件采用热轧轻型30槽钢满足强度和稳定性要求。由上述计算结果可知，4号杆件采用热轧轻型230槽钢不能满足强度和稳定性要求，而采用普通热轧232b槽钢即可满足要求。3.2 荷载组合II(混凝土重量+超载+混凝土偏载+挂篮自重+人群和机具荷载)3.2.1 荷载计算 混凝土重量+超载由底篮计算知，后吊点承受混凝土荷载的56.2%，即前吊点承受43.8%的混凝土荷载，即混凝土偏载取值：箱梁两侧腹板浇筑最大偏差取5m3，的混凝土，重量为13t。可知主桁一侧前吊点受力为G2/2=41.143t,另一侧

22、为G2/2-13/20.438=38.296t。 挂篮荷载：主桁荷载作用于挂篮前支点，每个主桁支点为P1=7.81.2/24.68t每个主桁前吊点承担底篮、侧模、内模1/4荷载：P2=(8.6+10.8+4)1.2/4=7.02t每个主桁前吊点承受前提升系统，端模1/2荷载,张拉操作平台作用在一个主桁挂篮前支点：P3=(4.6+1.0)1.2/2+1.20.5=3.96t一个主桁前吊点按偏载承担人群和机具荷载的一半P4=(0.25317.35)1.4/4=4.555t 一个主桁前吊点按偏载承担倾倒和振捣混凝土荷载P5=0.43/217.351.4/2=7.287t单片主桁前吊点荷载由以上计算可

23、知，两个主桁的前吊点荷载分别为:主桁结构计算简图如图2-9所示，主桁轴力以及弯矩如图2-10所示。图2-9 主桁计算简图(a) 前吊点力小的一侧主桁轴力图(单位：N)(b) 前吊点力小的一侧主桁弯矩图(单位：N-m)(c) 前吊点力大的一侧主桁轴力图(单位：N-m)(d) 前吊点力大的一侧主桁弯矩图(单位：N-m)图2-10 主桁内力图由上述计算结果可知，偏心荷载作用一侧的主桁内力大于另一侧的主桁杆件内力，故采用偏心荷载一侧的杆件内力进行验算，杆件编号按图2-7中(b)所示。2号和5号杆件的拉力分别为1272.7kN和1069.9kN，杆件长度分别为5.576m和5m，组合截面对虚轴y-y的长

24、细比分别为0.8557.6/15.45=28.87和0.8500/15.45=25.89，换算长细比分别为49.33和47.65，满足要求，应力分别为：2号： (满足)改用普通热轧32b槽钢后应力为： (满足要求)5号：(满足要求)3号和4号杆件均为受压杆件，杆件长度分别为3m和5.831m，且4号杆件的轴压力大于3号杆件，故在此只验算4号杆件的应力强度及受压稳定性，其轴力为1255.2kN，4号杆件的换算长细比为：缀板间距按70cm考虑，则单肢对其1-1轴的长细比为：则换算长细比为： (满足要求)查表得到强度验算： (满足要求)改用普通热轧32b槽钢后应力为： (满足要求)稳定性验算：由于热

25、轧轻型30槽钢按轴心轴力计算不满足，故直接采用普通32b槽钢验算： (满足要求)而3号杆件的轴力只有4号杆件的56.5%，故3号杆件采用热轧轻型30槽钢满足强度和稳定性要求。在偏心荷载作用下，最大竖向位移为=18.244mm。由上述计算结果可知，4号杆件采用热轧轻型230槽钢不能满足强度和稳定性要求，而采用普通热轧232b槽钢即可满足要求。3.3 荷载组合III(混凝土重量+超载+挂篮自重+人群和机具荷载)3.3.1 荷载计算 混凝土重量+超载由底篮计算知，后吊点承受混凝土荷载的56.2%，即前吊点承受43.8%的混凝土荷载，即所以每片主桁的前吊点承受的混凝土荷载为41.143t。 挂篮荷载：

26、主桁荷载作用于挂篮前支点，每个主桁支点为P1=7.81.2/24.68t每个主桁前吊点承担底篮、侧模、内模1/4荷载：P2=(8.6+10.8+4)1.2/4=7.02t每个主桁前吊点承受前提升系统、张拉操作平台和端模的1/2荷载,作用在一个主桁挂篮前支点：P3=(4.6+1.0)1.2/2+1.20.5/2=3.66t一个主桁前吊点按偏载承担人群和机具荷载的一半P4=(0.25317.35)1.4/4=4.555t单片主桁前吊点荷载由以上计算可知，两个主桁的前吊点荷载均为:主桁结构计算简图如图2-11所示，主桁轴力以及弯矩如图2-12所示。图2-11 主桁计算简图(a) 主桁杆件轴力图(b)

27、 主桁杆件弯矩图图2-12 主桁杆件内力图挂篮前吊点承受拉力P=639.65kN，前吊点精轧螺纹钢受拉长度约为8.6m，E=2.0105MPa，面积为A=16.08cm2(232精轧螺纹钢)，其伸长量为：1.71cm所以挂篮的底篮前吊点最大竖向位移为：=18.448+17.1=35.548mm3.4 荷载组合IV(挂篮自重+冲击荷载)3.3.1 荷载计算 混凝土重量+超载挂篮前移时，主桁靠反压轮扣在轨道上行走，挂篮的底篮加侧模的自重为23.4t，端模及张拉操作平台1.5t，前提升系统自重4.6t，则挂篮的前支点的荷载为：P1=23.4/2+1.5+4.6=17.8t，考虑冲击荷载后，单个前吊点

28、荷载为：T=17.81.3/2=11.57t。主桁结构计算简图如图2-13所示，主桁轴力以及弯矩如图2-14所示。图2-13 主桁计算简图(a) 主桁杆件轴力图(b) 主桁杆件弯矩图图2-14 主桁杆件内力图由计算结果可知，主桁吊点处竖向变形为=3.4mm；一侧反压轮所受力为：N=-125.099kN（拉力），为了确保挂篮行走的安全，挂篮前移时，在主桁上的锚固梁不能完全松开，以减小反压轮的压力。第4章 挂篮支点反力计算为计算箱梁的预拱度，须计算挂篮的前后支点反力。主桁系统7.8t，分别在前、后支点处产生80.094kN和-2.0186kN的反力。行走系统4.6t(后支点2.438t，前支点0.

29、46t，其它1.702t为轨道荷载)，底篮8.6t(前后吊点各1/2)，提升系统10.7t(前提升4.6t、后提升6.1t)，外模10.8t、内模4t，张拉操作平台0.5t。挂篮支点反力的计算仅考虑了挂篮和混凝土的自重，没有考虑施工中的冲击、安全及超载等不利荷载的影响，梁段的基本情况如下表4-1所示。表4-1 各梁段基本情况名称砼(m3)重量(吨)长度(m)高度(cm)底板厚(cm)腹板(cm)顶板(cm)1#块59.64149.135827050262#块56.52141.335426150263#块53.6134350656.550264#块50.88127.2347152.350265#

30、块48.44121.1344048.350266#块53.64134.13.541044.740267#块50.92127.33.537840.840268#块48.48121.23.535037.440269#块46.41163.532634.4402610#块50.84127.1430531.8402611#块48.96122.4428529.4402612#块47.32118.3427027.5402613#块46.52116.3425826.1402614#块45.92114.842522540264.1 计算挂篮自重作用下前后支点反力4.1.1 作用荷载前吊点承受1/2底篮自重4.3

31、t，前提升系统4.6t，端模1.0t，张拉操作平台0.5t，内模2t，外模5.4t，则前吊点的荷载为：P1=4.3+4.6+1.0+0.5+2+5.4=17.8t=178kN后吊点(主桁的前支腿)承受1/2底篮自重4.3t，后提升系统6.1t，内模1.0t，外侧模板5.4t，前支腿0.46t，则后吊点的荷载为：P2=4.3+6.1+1.0+5.4+0.46=17.26t=172.6kN后支腿受力为P3=24.38kN，结构按平面模型进行计算，如图2-15所示。图2-15 挂篮自重作用下主桁计算模型ANSYS计算结果：前支点反力为后支点反力为4.2 混凝土作用下挂篮支点反力计算混凝土梁段作用下挂

32、篮支点反力时，先按简支梁计算梁段混凝土在前后吊点处产生的反力，然后再将此荷载加到主桁上进行计算支反力。例如1#梁段在简支梁两端产生的反力如图2-16所示，其它梁段依次类推。图2-15 梁段混凝土作用下支反力计算简图表4-2 为各梁段荷载作用下简支梁支点反力。表4-2 梁段自重作用下支点反力截面号截面面积(m2)支反力(KN)120.2R1R2219.2900.4125636.1875318.3856.7813605.7188417.4815.8313576.4688516.6776.75549.25615.9742.2188525.2813714.2736.9736632.5764813.76

33、77.1601592.2899913.1651.124568.2761012.6623.9819545.36811112.1619.0528665.34721211.7595.9056641.69441311.4577.7417623.45831411.1562.7917607.20831510.94550.3189595.7611将挂篮在简支梁中产生的反力R1、R2分别加载主桁的后支点和前支点上，计算简图如图2-16所示。图2-16 梁段混凝土作用下计算简图梁段作用下主桁前、后支点的反力如表4-3所示。表4-3 荷载作用下挂篮前、后支点反力梁段号砼方量(m3)自重(kN)长度(m)挂篮前支点

34、反力(kN)挂篮后支点反力(kN)备注挂篮空载620.0-167.0自重159.1149132213.4-676.8256.25141332106.9-644.38353.55134032005.6-613.26451127231910.3-584.31548.75121131826.3-558.81652.67513413.52042.5-672.95748.82512733.51899.5-630.1846.9121.23.51823.9-604.55944.97511603.51749.5-580.181049.4127141992.2-707.821147.6122441920.3-682.651246.2118341864.5-663.971345116341816.1-645.971444.08114841779.9-633.79注：挂篮前支点反力向上，前支点处箱梁受向下的压力；挂篮后支点反力向下，后支点处箱梁受向上的拉力。