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西南大桥主桥主塔下横梁支架设计及施工计算

一、工程概况

西南大桥工程起点位于迎宾大道，跨仙衣路、石鼓江、鲤鱼江，在贵糖集团至郁江左岸，此段地势较为平坦，地面高程一般44～47m，轴线处石鼓江宽60m，断面呈“V”型，河床面最低高程32.4m，轴线处鲤鱼江宽约70m，断面呈“V”型，河床面最低高程26.6m；桥址区郁江宽310m，河床断面呈不对称的“U”型，左岸宽缓，右岸陡峭，水域宽252m；南引桥及接线部分地势平坦，地面高程一般45～48m，主要为耕地，接近江南大道分布有学校及居民区。全桥分主桥、引桥，桥梁总长1280.0m，主桥为548.0m双塔双索面预应力混凝土边主梁斜拉桥。

主塔：主塔采用流线弧线框架钢筋混凝土结构，塔柱高102.5m，分别由上、下塔柱及上、下横梁组成；上塔柱高78.3m，下塔柱高24.2m。上塔柱外轮廓尺寸为横桥向按流线型变宽，最小处6.5m，顺桥向等宽6m；下塔柱外轮廓尺寸横桥向宽6.5～9m、顺桥向1.4m。

二、编制依据

1、《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）

2、《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）

3、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）

4、《钢结构设计规范》 (GB 50017-2003)

5、《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2001；

6、《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》JGJ166-2008；

7、《建筑地基基础设计规范》

8、《路桥施工计算手册》

三、支架主要材料和性能参数

根据施工设计方案，横梁混凝土支架采用大直径钢管配贝雷片梁支架结构，对支架体系，支架杆件稳定性及斜塔柱支撑力进行计算，计算采用MIDAS civil 2010 有限元分析软件配合计算。

1、Q235型钢容许应力及弹性模量

钢模板采用的钢材均为Q235，根据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)中，表3.4.1-1钢材的强度设计值〔σ〕=205 Mpa、E=2.1×105 MPa

2、贝雷架是以形成一定单元的钢架，可以用它拼接组装成很多构件、设备，如：龙门吊，施工平台等。用贝雷架组装成的桁梁就是贝雷梁。

销子为30鉻锰钛钢，插销为弹簧钢，桁片、加强弦杆、纵横梁及支撑架材质为16锰钢。

16锰钢的拉应力、压应力及弯曲应力：1.3*210=273MPa。

16锰钢的剪应力：1.3*120=156MPa。

30鉻锰钛的拉应力、压应力和弯曲应力：0.85*1300=1105MPa。

30鉻锰钛的剪应力：0.45*1300=585MPa。

焊缝容许应力与母材相同。

四、下横梁支架设计

横梁支撑体系由立柱、分配横梁、贝雷梁、碗扣架、成品钢底模系等组成。

下横梁支撑立柱采用2排5列共10根Ф820×10mm的钢管，钢管最大长度17.7m，分别焊接于承台和临时桩预埋件上，横桥向每跨间距4.5m和7.5m，顺桥向间距4.4m。分配横梁为2根H588型钢，顺桥向布置；主梁为贝雷梁横桥向布置，间距0.45m；顶部安装12工字钢，间距1500px，安装碗扣脚手架纵间距1500px，横间距750px，步距1500px；底模为面部6mm厚钢板，加强肋采用8号槽钢，纵间距1500px，横间距750px。下横梁支架如图。

1、支架荷载

根据主塔下横梁的结构特点，在施工过程中涉及以下荷载型式：

q1——下横梁自重荷载，钢筋混凝土密度取26kN/m3。

下横梁支架处混凝土图

下横梁支架设计图

下横梁支架部位混凝土方量472.8m3。横梁每平方米荷载：q1=472.8 *26/（29.1*5） =84.5kN/m2，横梁支架设计中考虑到腹板处荷载较大在该处布置二片贝雷片，使支架布置的贝雷片承受荷载基本均衡，加之横梁底钢架对荷载的分散作用，在施工验算中可以按照均布荷载进行计算。

q2——箱梁内外模及支撑、底模、分配梁荷载，按均布荷载计算，经计算取q2=2 kN/m2（取值按偏于安全考虑）。

q3——施工人员及设备荷载，规范取值为3kN/m2。

q4——振捣砼时产生的荷载，规范取值为2kN/m2。

q5——支架自重，每根立柱处支架重量4t

荷载组合

   注：偏安全考虑，荷载组合系数按1考虑。

2、底模强度验算

底模为面部6mm厚钢板，加强肋采用8号槽钢，纵间距1500px，横间距750px。

（1）下横梁底模板加强肋验算

采用8号槽钢，纵间距1500px，横间距750px。将加强肋简化为如图的简支结构（偏于安全）。

上均布荷载q=( q1+ q2+ q3+ q4) ×0.3=27.45

=（1/8）×27.45×0.62

=1.24kN·m

则：最大应力 σmax=M/W=1.24/（25325×10-9）=49Mpa＜〔σ〕=205Mpa

挠度计算

f=5ql4/384EI

=5*27.45*0.64/（384*2.1*105*101.3）

=0.22×10-3m＜L/400=0.6/400=1.5×10-3m

 结论：加强肋验算满足要求。

（2）横梁底模验算

底模采用底模为面部6mm厚钢板则有：

底板的截面惯性矩

I=(bh3)/12=（1*0.0063）/12=1.8*10-9m4

取1米宽模板进行演算：

模板均布荷载q=( q1+ q2+ q3+ q4)=91.5kN/m2

则：M=ql2/8 =91.5*0.262/8=0.774kN·m

模板需要的截面模量：

W=M/[σw] =0.774/（2.1*105）=3.69*10-6m3

取模板的宽度b为1m，根据W、b得h为：

＜0.006m

挠度计算

f=0.00127ql4/(Eh3/(12(1-v2))

=0.00127*91.5*0.264/（2.1*105*0.0063/(12*(1-0.32)）

=0.128×10-3m＜L/400=0.26/400=0.65×10-3m

结论：采用6mm厚钢板底模板满足要求。

 3、碗扣脚手架验算

1）荷载设计参数

锚室搭设部分扣件式脚手架，扣件式脚手架纵间距1500px，横间距750px，步距1500px，整体高的2.7m。

立杆的稳定性：

N/（φ·A）≤f

模板支架立杆的轴向力：

N＝91.5×0.6×0.3＝16.47KN

模板支架立杆的计算长度    l0＝h＋2a

h—支架立杆的步距，h＝0.6 m

a—模板支架立杆伸出顶层横向水平杆中心线至模板支撑点的长度。a＝0.45 m

l0＝0.6＋2×0.45＝1.5 m

立杆截面回转半径，查表，对于φ外＝48 mm，t＝3.5 mm的钢管，i＝1.58 cm

长细比  λ＝l0 / i＝1.5×100 / 1.58＝94.9

轴心受压构件的稳定系数，查表，采用直线内插法计算，φ＝0.625

立杆的截面面积，查表   A＝122.24999999999999px2

N／（φ·A）＝16.47×103/（0.625×4.89×102）

＝53.9Mpa＜205Mpa，合格。

结论：碗扣支架满足要求。

4、贝雷梁验算

贝雷梁长度跨度L=27m，跨度为7.5m和4.5m的连续梁，贝雷梁均布荷载Q1=61.6KN/m，每榀贝雷梁结构由二片对称贝雷片组成，本次计算取一片进行验算，一片上的均布荷载q=61.6/2=30.8kN/m。军用梁采用MIDAS Civil计算软件进行杆件内力分析。

⑴计算荷载及结构简图

支点反力+

⑵桁架弯矩图

弯矩图

⑶桁架轴力图

轴力图

⑷桁架内力表

贝雷梁内力表

⑸杆件验算

通过桁架内力分析，受力最大杆件为72和85号杆件,为轴线受压杆件其：

1、轴力N=97.09kN

2、弯矩M=3.64kN*m

杆件同时受到轴力和弯矩，属于压弯组合构件，贝雷梁上下杆件均采用[10（16Mnq），W=39660㎜3，A=1274㎜2， Sx=705px3，tw= 7.6mm，I=6125px4, γ=1.05按《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）第5.2.1式，验算其强度：

σ=M/γ*W+N/A=[848/1.05×39660×10-9+99500/（1274×10-6）] ×10-6 =78.1MPa <f =310 MPa，满足临时结构的要求。

最大应力

ｔ= QmaxSx/I/tw

=15.35*28.2/(245*7.6)=23.2MPa <fv=125 MPa，满足要求。

跨中挠度

计算跨中挠度时，其均布荷载q=30.8kN/m，军用梁上下弦杆均采用2×10[，上下弦杆的中心距离为1.5m，（16Mnq），其中Ix=1983000mm4：

上下弦杆组合截面的惯性矩I=4×（Ix+A×d2）=4×(1983000+1274×7502)=2874432000mm4，则计算如下：

f=5qL4/384EI=5×30.8×75004/（384×2.1×105×2874432000）=2.1㎜<30㎜=L/400，满足规范要求。

5、分配横梁

本次下横梁采用2根H588工字钢，受贝雷梁的支座反力，支座反力479.4kN，贝雷梁安装比较均匀，贝雷梁之间采用连接件形成一个整体，贝雷梁对横梁的作用可以按均布荷载考虑。Q=479.4*4/4.5=426.1KN/m,单根H588型钢均布荷载213.1 KN/m，安装跨度4.5m简支梁计算。

=（1/8）×213.1×4.52

=539.3KN·m

则：最大应力 σmax=M/W=539.3/（7866667×10-9）

=68.5Mpa＜〔σ〕=205Mpa

挠度计算

f=5ql4/384EI

=5*213.1*4.54/（384*2.1*105*118000）

=11.5px＜L/400=4500/400=27.500000000000004px

 结论：分配梁满足要求。

6、立柱验算

⑴立柱变形

17.5px＜L/400=1860/400=116.25000000000001px

    结论：立柱满足要求。

立柱杆件应力表

⑵立柱应力验算

立柱受力最大一组集中荷载为：1941.5KN。

钢管稳定性计算：钢管支撑最大轴力为1941.5KN。

钢管回转半径

长细比   λ=L/i=17.7/0.29=61          

查表用内插法得Ф=0.88，则

σ=(φA)=1941.5/[0.88×3.14(0.822-0.82) /4]=85.7Mpa<205 Mpa

立柱满足要求。

⑶立柱剪应力

ｔ= Qmax/A/2

=345.55/0.0254/2=6.8MPa <fv=125 MPa，满足要求。

7、扩大基础验算

立柱扩大基础下挖至中风化灰岩1m，扩大基础长6m，宽2.5m，高度1.5m。采用上下二层间距150mm，φ25钢筋网片。混凝土标号C35。

立柱扩大基础荷载为：1917.6*2=3835.2KN。

参照路桥施工计算手册中风化灰岩容许承载力800KPa

2.5*6*800=10000KN＞3835.2KN

扩大基础满足设计要求。