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      1. 組合高支架設計與計算(h>20m 專家評審)

        1支架設計1.1前期準備

        1)設計勘察圖對現場地質情況的描述

        橋址區位于XX江河III級階地,河谷呈寬緩“U”字形,河谷開闊平坦,并為第四系全新統沖洪積可塑狀粉質粘土覆蓋,層厚為0.0-11.30m;下伏白堊系下統七曲寺組地層,其巖性以砂巖與泥巖不等厚互層韻律呈現,溝谷側緣基巖裸露,砂巖多形成階梯狀斜坡或臺地地形,上覆層厚0.0-3.7m的殘坡積可塑狀粉質粘土。(如下圖所示)

        C匝道地質特征斷面圖

        D匝道地質特征斷面圖

        2)現場實地勘查情況

        橋址區橋墩已基本成型,地表多處于原始覆蓋層地貌,為施工方便,現場依山開挖之字形上坡道路。開挖出的地質特征與設計勘察基本吻合,地表土覆蓋層較薄,為保證箱梁支架地基承載力,基礎放置區域須挖除表層覆土才能作為基礎地基層。

        1.2支架設計說明

        1)設計范圍

        本次支架設計主要針對XX互通立交C匝道全橋及D匝道第2聯現澆箱梁,此部分現澆箱梁大部分凈空高度大于20m,支架設計按照特殊支架進行。

        (2)設計原則

        本支架設計以科學合理、按規按章、結合現場實際、便于施工的原則進行設計。

        3)設計參考規范及技術標準

        1)XX市二環路三期工程第一合同段XX互通立交施工圖設計

        2)《建筑施工碗扣式腳手架安全技術規范》(JGJ166-2008)

        3)《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T 50-2011)

        4)竹膠合板模板GT3026-1995木結構設計規范GB50005-2003

        5)路橋施工計算手冊(周水興等編著,2006年5月版)

        6)公路橋涵施工技術規范實施手冊(劉吉士等編著,2002年1月版)

        7)橋梁施工常用數據手冊

        8)國家相關規范及標準

        4)支架功能區劃分及材料組成

        1)本支架由如下幾部分組成:下部基礎、支撐立柱、立柱整體連接裝置、主梁、分配梁、滿堂調坡層等六部分組成,如下圖所示。

        支架構成圖

        2)調坡層:箱梁整體橫坡由支架滿堂調坡層來進行調整,調坡層同時將箱梁荷載通過立桿均布傳遞到分配梁上。調坡層按照滿堂腳手架標準進行搭設,高度在2m左右,材料為一般碗扣式鋼管及扣件。

        3)分配梁:分配梁橫向放置與主梁上,按照調坡層的縱向間距(90cm)進行排布,將調坡層傳遞下來的力均勻分散到主梁整個截面上,保證主梁受力方式為均布荷載。分配梁采用結構型鋼I25b工字鋼,單根長度12m。(如下圖所示)

        分配梁I25b工字鋼斷面圖

        4)主梁:主梁置于支架立柱上,縱向放置。將次梁傳遞下來的力傳遞到支架立柱上,主梁橫向放置4排,均采用結構型鋼I56b工字鋼。如下圖所示。

        主梁I56b工字鋼斷面圖

        5)支架立柱:支架立柱采用螺旋立柱鋼管,規格為D720mm*8mm。上層立柱與下層立柱之間通過法蘭盤進行連接。

        支架立柱斷面圖

        6)立柱整體連接裝置:為保持支架立柱的整體受力性能,縱橫向立柱間分布設置水平連接桿和斜撐,采用無縫鋼管,規格為D108mm*4mm。連接桿與立柱之間采用剛性焊接連接。如下圖所示。

        立柱間連接桿斷面圖

        7)支架下部基礎:下部基礎采用整體墊層 獨立基礎的方式進行設計,為保證每排基礎傳遞至地面的力分散均勻,每一跨設置5排基礎墊層,每排基礎墊層規格為:11.3m*3.5m*0.4m(長*寬*高),如下圖所示。獨立基礎采用鋼筋混凝土方形基礎,規格為2.5m*2.5m*0.4m,基礎內配置鋼筋骨架,并且預埋有立柱連接法蘭盤和螺栓。

        支架下部基礎布置圖

        5)支架設計的合理性與先進性

        本支架針對C匝道和D匝道特點對支架進行合理設計,主要考慮因素如下:

        1)支架本身高度高,且梯度高差較大,各立柱受力不均勻,因此加設了基礎墊層。

        2)箱梁底部寬度僅6.5m,支架高度達到了40m,寬度與高度比值為0.16,相對較小,需考慮風荷載作用下的整體抗傾覆性,因此橫向設置了4根立柱進行整體連接,對橫向抗風荷載能力進行了加強。

        3)匝道橋橋面橫坡較大,為減小支架偏心受壓,支架頂部設置碗扣式滿堂調坡層進行橫坡調整,同時結合碗扣式腳手架的傳力特點減少了支架偏心受壓。

        4)整個支架主體采用較大截面的型鋼和鋼管進行組裝,整體抗彎、抗剪、抗壓等性能較強,安全度有保障。

        6)支架設計要點

        本支架適用于支架搭設高度大于20m的現澆箱梁支架,支架的穩定性和支架的抗傾覆性是本支架設計的要點。

        1)支架的穩定性設計方案

        支架的穩定性主要在于支架立柱的穩定性,按照鋼管12m一節計算,40m凈空,立柱鋼管需要搭設3層。為確保支架的穩定性,每一層均按5m-8m間距由下而上設置水平和縱向連接桿,保證整垮支架立柱連接為整體。同時根據支架受力特點,可將支架立柱頂端考慮為鉸支連接,根部考慮為固定端,結合壓桿穩定原理,一端鉸支一端固定的壓桿失穩撓度曲線如下。

        立柱2/3區域失穩后撓度最大,因此在進行支架立柱穩定性設計時在立柱計算高度2/3區域設置加固層,增加支架立柱的穩定性能。

        2)支架的抗傾覆性設計方案

        由于支架寬高比較小,支架相對“單薄”,為減小支架根部彎矩破壞,采用橫向4根立柱對支架進行“加厚”處理,從而提高支架的抗傾覆能力。同時,結合墩身寬度特點,單排支架橫向中間2根在通過橋墩時可設置抗橫向滑移裝置,對支架橫向移動進行限制,從而提高支架的抗傾覆能力。(如下圖所示)

        支架墩柱位置抗傾覆措施示意圖

        2支架布置與驗算2.1 支架布置

        單跨支架縱向布置5排立柱,橫向布置4列立柱,縱向間距根據地形變化,整體為4-6m間距,橫向間距為2.6m(立柱中到中)。

        支架主梁縱向放置與立柱頂端中心,整垮連通,立柱頂端與主梁之間通過加斜撐來進行穩定,使主梁與立柱頂端平面垂直。主梁底部與立柱頂面之間空隙通過填塞鋼板,保證主梁與立柱受力方式為面對面受力,而非點對點受力。主梁橫向間距同立柱橫向間距為2.6m。

        支架分配梁按照90cm間距放置于主梁上端,靠近墩頂段區域分配梁可適當加密,單根分配梁長12m,因此,放置時以箱梁軸線為對稱線排列。分配梁與主梁之間固定采用兩端設置“U”型卡。

        分配梁上按照90*60*120規格設置滿堂調坡層腳手架,腳手架根部離分配梁頂面20cm位置設置縱橫向掃地桿,縱向90cm間距,橫向60cm間距,豎向120cm間距進行腳手架搭設。腳手架縱橫向設置豎向和水平剪刀撐或斜撐,確保腳手架整體受力。腳手架立桿與分配梁之間設置抗滑擋塊,抗滑擋塊焊接在分配梁上,以防止腳手架因外力而滑移。

        滿堂調坡層頂端安放頂托,以調節方木高度對箱梁進行坡度調整,頂托上方縱向放置10*15cm大方木,大方木串聯后應進行整體連接,確保整體受力。

        大方木上方按照20-30cm間距放置橫向方木,橫向方木可采用4*6cm鋼方木或10*10cm方木,橫向方木直接與模板進行連接作為模板支撐。

        2.2 支架結構驗算

        本計算書以驗算最不利原則,以C匝道橋第1聯第1跨預應力混凝土連續箱梁支架最大高度42米為例,對荷載進行計算及對其支架體系進行檢算。

        1)支架材料參數

        A、基礎墊層C20砼:設計抗壓強度fcd=11MPa,彈性模量E=2.6*104MPa

        B獨立基礎C40砼:設計抗壓強度fcd=23MPa,彈性模量E=3.3*104MPa.

        C、支架立柱(72*0.8cm)螺旋鋼管:密度ρ=140.46kg/m,截面面積s=0.0179m2,彈性模量E=2.1*105MPa,彎曲容許應力f1=160Mpa,軸向容許應力f2=140Mpa,剪應力f3=90Mpa,抗彎截面系數w=2.39*10-3m3

        D、縱橫向連接桿(10.8*0.4cm)無縫鋼管:密度ρ=10.3kg/m,截面面積s=0.009m2,彈性模量E=2.1*105MPa,彎曲容許應力f1=160Mpa,軸向容許應力f2=140Mpa,剪應力f3=90Mpa,抗彎截面系數w=1.64*10-5m3

        E、主梁(I56b工字鋼):密度ρ=115.11kg/m,截面面積s=0.0147m2,彈性模量E=2.1*105MPa,彎曲容許應力f1=160Mpa,軸向容許應力f2=140Mpa,剪應力f3=90Mpa,抗彎截面系數w=2.446*10-3m3

        F、分配梁(I25b工字鋼):密度ρ=42.03kg/m,截面面積s=0.0054m2,彈性模量E=2.1*105MPa,彎曲容許應力f1=160Mpa,軸向容許應力f2=140Mpa,剪應力f3=90Mpa,抗彎截面系數w=0.422*10-3m3

        2)荷載分析

        根據《公路橋涵施工技術規范》(JTG/T 50-2011)相關規定及本橋現澆箱梁的結構特點,在施工過程中將涉及到以下荷載形式:

        1、模板、支架自重;

        (1)q2—— 箱梁內模、底模、內模支撐及外模支撐荷載,按均布荷載計算,經計算取q21.0kPa(偏于安全)。

        2)q7—— 支架自重,根據不同布置取值不同。

        2、q2——新澆筑混凝土、鋼筋、預應力筋或其他圬工結構物的重力新澆筑鋼筋混凝土(含筋梁>2%)密度取26KN/m3

        3、q3——施工人員及施工設備、施工材料等荷載;按均布荷載計算,當計算模板及其下肋條時取2.5kPa;當計算肋條下的梁時取1.5kPa;當計算支架立柱及替他承載構件時取1.0kPa;

        4、q4——振搗混凝土時產生的振搗荷載對底板取2.0kPa,對側板取4.0kPa

        5、q5——新澆混凝土對模板側面的壓力;

        6、q6——混凝土入模時產生的水平方向的沖擊荷載取2.0kPa;

        7、q7——設于水中的支架所承受的水流壓力、波浪力、流冰壓力、船只及其他漂浮物的撞擊力;根據本地區特點,無設于水中的支架故在計算時不考此類荷載。

        8、q8——其他其他可能產生的荷載,如風荷載、雪荷載、冬季保溫設施荷載等;根據本地區特點,降雪天氣極少故在計算時不考慮雪荷載。

        3)荷載組合分項系數

        模板、支架設計計算荷載組合

        荷載分項系數

        4)荷載計算

        1) 箱梁自重——q1計算

        根據C匝道大橋現澆箱梁結構特點,我們按單跨取箱梁I-I截面(墩頂及端橫梁0~2m)、II-II截面(端橫梁~箱室變化段2m~4m、21.5m~23.5mIII-III截面(跨中箱室4m~21.5mⅣ-Ⅳ橫斷面(中橫梁23.5m~25m)等4個代表截面進行箱梁自重計算,并對4個代表截面下的支架體系進行檢算,首先分別進行自重計算。

        箱梁I-I截面處q1計算(墩頂及端橫梁0~2m)

        根據橫斷面圖,則:

        1.2的安全系數,則q146.2×1.255.4kPa

        注:B—— 箱梁底寬,取6.50m,將箱梁全部重量平均到底寬范圍內計算偏于安全。

        箱梁II-II截面處q1計算(端橫梁~箱室變化段2m~4m、21.5m~23.5m

        根據橫斷面圖,則:

        1.2的安全系數,則q134.904×1.241.885kPa

        注:B—— 箱梁底寬,取6.50m,將箱梁全部重量平均到底寬范圍內計算偏于安全。

        箱梁III-III截面處q1計算(跨中箱室4m~21.5m

        根據橫斷面圖,則:

        1.2的安全系數,則q124.064×1.228.877kPa

        注:B—— 箱梁底寬,取6.50m,將箱梁全部重量平均到底寬范圍內計算偏于安全。

        箱梁IV-IV截面處q1計算(中橫梁23.5m~25m)

        根據橫斷面圖,則:

        1.2的安全系數,則q144.2×1.253.04kPa

        注:B—— 箱梁底寬,取6.50m,將箱梁全部重量平均到底寬范圍內計算偏于安全。

        2)新澆混凝土對側模的壓力——q5計算

        因現澆箱梁采取水平分層以每層30cm高度澆筑,在豎向上以V=1.0m/h澆筑速度控制,砼入模溫度T=23℃控制,因此新澆混凝土對側模的最大壓力

        K為外加劑修正稀數,取摻緩凝外加劑K=1.2

        V/T=1.0/23=0.0430.035

        h=1.53 3.8V/t=1.69m

        =1.2*24*1.69=48.672kPa

        3)支架自重——q7計算

        支架自重按照平均值取值,根據支架布置,單跨支架總重約合231噸(2310KN),按照6.5m寬度25m跨徑計算面積S=162.5m2,故q7=2310/162.5=14.21kpa,取1.2安全系數,則q7=14.21*1.2=17.05Kpa

        5)結構驗算

        1滿堂調坡層碗扣式腳手架承載力驗算

        碗扣式鋼管腳手架與支撐和扣件式鋼管腳手架與支架一樣,同屬于桿式結構,以立桿承受豎向荷載作用為主,但碗扣式由于立桿和橫桿間為軸心相接,且橫桿的“├”型插頭被立桿的上、下碗扣緊固,對立桿受壓后的側向變形具有較強的約束能力,因而碗扣式鋼管架穩定承載能力顯著高于扣件架(一般都高出20%以上,甚至超過35%)。

        本工程現澆箱梁支架調坡層滿堂腳手架高度取2m,按φ48×3.5mm鋼管扣件架進行立桿內力計算,計算結果同樣也適用于WDJ多功能碗扣架(偏于安全)。

        由于整垮箱梁在I-I截面計算的箱梁自重最大,因此只計算該截面區域腳手架立桿的承載力。該截面區域鋼管扣件式支架體系采用90×60×90cm的布置結構,如圖:

        滿堂調坡層腳手架布置圖

        根據立桿的設計允許荷載,當橫桿步距為60cm時,立桿可承受的最大允許豎直荷載為[N]=40kN(參見公路橋涵施工手冊中表135)。

        立桿實際承受的荷載為:N=1.2NG1K NG2K 0.85×1.4ΣNQK(組合風荷載時)

        NG1K支架結構自重標準值產生的軸向力;

        NG2K構配件自重標準值產生的軸向力

        ΣNQK施工荷載標準值;

        于是,有:NG1K=0.6×0.9×q1=0.6×0.9×46.2=24.95KN

        NG2K=0.6×0.9×q2=0.6×0.9×1.0=0.54KN

        ΣNQK=0.6×0.9×(q3 q4 q7)=0.54×(1.0 2.0 3.38)=3.44KN

        則:N=1.2NG1K NG2K 0.85×1.4ΣNQK=1.2×24.95 0.54 0.85×1.4×3.44=34.68KNN]=40kN,強度滿足要求。

        滿堂調坡層設計安全,滿足承載力要求。

        2分配梁承載力計算

        分配梁采用工字鋼橫放于主梁上,間距為90cm,最大計算跨徑為2.6m,為方便計算,取一個計算跨徑按照簡支梁模型進行分配梁的承載力計算,計算模型如下圖所示。

        分配梁計算模型簡化圖

        根據前面對箱梁各截面的荷載計算,取最重截面I-I區域荷載進行驗算。分配梁間距為90cm,所以1m箱梁范圍內分配梁根數為2根,故分配梁均布荷載q=q1/2=55.4/2=27.7KN/m2。按照材料力學對梁的分析方法,對分配梁進行受力分析。

        抗彎強度分析

        均布荷載作用下的最大彎矩位置為計算跨中,按照材料力學計算公式,最大彎曲應力

        滿足要求。(其中M為彎矩,W為截面抗彎系數,取值為0.422*10-3m3

        抗剪強度分析

        均布荷載作用下的最大剪力位置為構件兩端靠近支座位置,按照材料力學計算公式,最大彎曲剪應力

        ,滿足要求。(其中b0h0為工字鋼腹板寬度和高度)

        剛度分析

        均布荷載作用下的最大撓度計算公式為:

        3主梁承載力計算

        主梁采用工字鋼縱放于支架立柱上,橫向間距為2.6m,最大計算跨徑為6m,為方便計算,取一個計算跨徑按照簡支梁模型進行主梁的承載力計算,計算模型如下圖所示。

        主梁計算模型簡化圖

        根據前面對箱梁各截面的荷載計算,取最重截面I-I區域荷載進行驗算。主梁橫向間距為2.6m,橫向布置4根,所以1m箱梁范圍內主梁根數為4根,故主梁梁均布荷載q=(q1 q2)/4=55.4 1.55/4=14.24KN/m2(其中q1為箱梁自重,q2為主梁上分配梁、調坡層的豎向荷載,主梁自重不考慮)。按照材料力學對梁的分析方法,對主梁梁進行受力分析。

        抗彎強度分析

        均布荷載作用下的最大彎矩位置為計算跨中,按照材料力學計算公式,最大彎曲應力

        滿足要求,為保證結構安全,在計算跨徑為6m區域,采用2根工字鋼并排焊接作為主梁。(其中M為彎矩,W為截面抗彎系數,取值為2.446*10-3m3

        抗剪強度分析

        均布荷載作用下的最大剪力位置為構件兩端靠近支座位置,按照材料力學計算公式,最大彎曲剪應力

        滿足要求。(其中b0h0為工字鋼腹板寬度和高度)

        剛度分析

        均布荷載作用下的最大撓度計算公式為:

        4支架立柱承載力計算

        支架立柱承載著箱梁、分配梁、主梁傳遞下來的豎向荷載,橫向間距為2.6m,縱向間距為最大6m,最大高度為43m。為方便計算,根據支架特點,對支架立柱進行模型簡化,按照一端鉸支連接,一端固端連接的方式進行簡化,計算模型如下圖所示。

        支架立柱計算模型簡化圖

        根據支架立柱受力特點,計算單個立柱受力時按照整垮荷載均勻分攤到每根立柱的方式進行荷載分析,單跨箱梁自重約合為:G1=185m3*26KN/m3=4810KN,支架自重經計算約合G2=1200KN,故單根立柱受力F=(G1 G2)/20=300.5KN,考慮1.2分項系數后F=300.5*1.2=360.6KN

        軸壓強度分析

        根據材料力學軸壓強度計算公式,不考慮偏心荷載作用,軸壓應力為:

        軸壓強度滿足要求。

        壓桿穩定性分析

        根據支架立柱軸壓簡化模型,結合材料力學壓桿穩定原理進行立柱穩定性分析。立柱考慮為大柔度桿件。

        臨界失穩應力為:

        根據軸壓計算的實際壓應力為:

        且安全系數N=46.13/20.15=2,支架立柱穩定性滿足要求,為保證支架的穩定,采取提高穩定性的措施對支架通過設置剛性剪刀撐固定層對支架穩定性進行加強。

        5支架整體抗傾覆性計算

        依據《公路橋涵技術施工技術規范實施手冊》第9.2.3要求支架在自重和風荷載作用下時,傾覆穩定系數不得小于1.3

        K0=穩定力矩/傾覆力矩=y*Ni/ΣMw

        采用最高凈空跨箱梁,C匝道第1驗算支架抗傾覆能力:

        主橋寬度10.5m,長25m,根據支架各部分重量計算Ni

        調坡層滿堂腳手架總重:17.67t

        分配梁總重:13.61t

        主梁總重:11.51t

        立柱總重:112.37t

        Ni=(17.67 13.61 11.51 112.37)*9.8=1520KN

        穩定力矩= y*Ni=5.25*1520=7980KN.m

        風荷載計算WK=0.7uz×us×w0=0.7×1.38×1.2×0.8=0.927KN/ m2

        支架迎風面考慮為鏤空形式,按接觸面積計算直接迎風面受力,風力為:q=0.927*3*25 0.56*25 0.72*5*43=243.8KN

        傾覆力矩=q*5=243.8*21.5=5241.7KN.m

        K0=穩定力矩/傾覆力矩=7980/5241.7=1.52>1.3,支架抗傾覆性滿足要求。為了加強支架的抗傾覆性,采用每5-6m對支架進行一層縱橫向連接的方式使支架整體性加強。

        6)Midas建模結構驗算

        C匝道第1聯第1跨進行建模分析,通過鋼結構計算軟件Midas建立單跨支架計算模型,如下圖所示,進行支架結構性能計算。

        支架Midas建立模型圖

        1)豎向荷載作用下支架各部分受力分析

        軸壓力分布云圖

        最大軸向壓力為302.9KN,位于立柱根部,與實際情況相符,軸向應力為:

        軸壓強度滿足要求,與理論計算相符。

        主梁彎矩分布云圖

        最大彎矩發生在最大計算跨徑5m段,取值89.1KN.m,彎曲應力為:

        滿抗彎要求,與理論計算相符。

        風荷載作用下支架自身彎矩分布云圖

        最大彎矩發生在立柱根部,取值298.9KN.m,彎曲應力為:

        滿抗彎要求。

        (完)

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