[分享]组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)

发表于2019-12-10    255人浏览    1人跟帖    总热度:719  


1支架设计 

1.1前期准备

(1)设计勘察图对现场地质情况的描述
桥址区位于XX江河III级阶地,河谷呈宽缓“U”字形,河谷开阔平坦,并为第四系全新统冲洪积可塑状粉质粘土覆盖,层厚为0.0-11.30m;下伏白垩系下统七曲寺组地层,其岩性以砂岩与泥岩不等厚互层韵律呈现,沟谷侧缘基岩裸露,砂岩多形成阶梯状斜坡或台地地形,上覆层厚0.0-3.7m的残坡积可塑状粉质粘土。(如下图所示)
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_1
C匝道地质特征断面图
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_2
D匝道地质特征断面图
(2)现场实地勘查情况
桥址区桥墩已基本成型,地表多处于原始覆盖层地貌,为施工方便,现场依山开挖之字形上坡道路。开挖出的地质特征与设计勘察基本吻合,地表土覆盖层较薄,为保证箱梁支架地基承载力,基础放置区域须挖除表层覆土才能作为基础地基层。

1.2支架设计说明

(1)设计范围
本次支架设计主要针对XX互通立交C匝道全桥及D匝道第2联现浇箱梁,此部分现浇箱梁大部分净空高度大于20m,支架设计按照特殊支架进行。
(2)设计原则
本支架设计以科学合理、按规按章、结合现场实际、便于施工的原则进行设计。
(3)设计参考规范及技术标准
 1)XX市二环路三期工程第一合同段XX互通立交施工图设计
 2)《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》(JGJ166-2008)
 3)《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 50-2011)
 4)竹胶合板模板GT3026-1995木结构设计规范GB50005
 5)路桥施工计算手册
 6)公路桥涵施工技术规范实施手册
 7)桥梁施工常用数据手册
 8)国家相关规范及标准
(4)支架功能区划分及材料组成
1)本支架由如下几部分组成:下部基础、支撑立柱、立柱整体连接装置、主梁、分配梁、满堂调坡层等六部分组成,如下图所示。
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_3
支架构成图
2)调坡层:箱梁整体横坡由支架满堂调坡层来进行调整,调坡层同时将箱梁荷载通过立杆均布传递到分配梁上。调坡层按照满堂脚手架标准进行搭设,高度在2m左右,材料为一般碗扣式钢管及扣件。
3)分配梁:分配梁横向放置与主梁上,按照调坡层的纵向间距(90cm)进行排布,将调坡层传递下来的力均匀分散到主梁整个截面上,保证主梁受力方式为均布荷载。分配梁采用结构型钢I25b工字钢,单根长度12m。(如下图所示)
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分配梁I25b工字钢断面图
4)主梁:主梁置于支架立柱上,纵向放置。将次梁传递下来的力传递到支架立柱上,主梁横向放置4排,均采用结构型钢I56b工字钢。如下图所示。
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主梁I56b工字钢断面图
5)支架立柱:支架立柱采用螺旋立柱钢管,规格为D720mm*8mm。上层立柱与下层立柱之间通过法兰盘进行连接。
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支架立柱断面图
6)立柱整体连接装置:为保持支架立柱的整体受力性能,纵横向立柱间分布设置水平连接杆和斜撑,采用无缝钢管,规格为D108mm*4mm。连接杆与立柱之间采用刚性焊接连接。如下图所示。
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立柱间连接杆断面图
7)支架下部基础:下部基础采用整体垫层+独立基础的方式进行设计,为保证每排基础传递至地面的力分散均匀,每一跨设置5排基础垫层,每排基础垫层规格为:11.3m*3.5m*0.4m(长*宽*高),如下图所示。独立基础采用钢筋混凝土方形基础,规格为2.5m*2.5m*0.4m,基础内配置钢筋骨架,并且预埋有立柱连接法兰盘和螺栓。
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支架下部基础布置图
(5)支架设计的合理性与先进性
本支架针对C匝道和D匝道特点对支架进行合理设计,主要考虑因素如下:
1)支架本身高度高,且梯度高差较大,各立柱受力不均匀,因此加设了基础垫层。
2)箱梁底部宽度仅6.5m,支架高度达到了40m,宽度与高度比值为0.16,相对较小,需考虑风荷载作用下的整体抗倾覆性,因此横向设置了4根立柱进行整体连接,对横向抗风荷载能力进行了加强。
3)匝道桥桥面横坡较大,为减小支架偏心受压,支架顶部设置碗扣式满堂调坡层进行横坡调整,同时结合碗扣式脚手架的传力特点减少了支架偏心受压。
4)整个支架主体采用较大截面的型钢和钢管进行组装,整体抗弯、抗剪、抗压等性能较强,安全度有保障。
(6)支架设计要点
本支架适用于支架搭设高度大于20m的现浇箱梁支架,支架的稳定性和支架的抗倾覆性是本支架设计的要点。
1)支架的稳定性设计方案
支架的稳定性主要在于支架立柱的稳定性,按照钢管12m一节计算,40m净空,立柱钢管需要搭设3层。为确保支架的稳定性,每一层均按5m-8m间距由下而上设置水平和纵向连接杆,保证整垮支架立柱连接为整体。同时根据支架受力特点,可将支架立柱顶端考虑为铰支连接,根部考虑为固定端,结合压杆稳定原理,一端铰支一端固定的压杆失稳挠度曲线如下。
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_9
立柱2/3区域失稳后挠度最大,因此在进行支架立柱稳定性设计时在立柱计算高度2/3区域设置加固层,增加支架立柱的稳定性能。
2)支架的抗倾覆性设计方案
由于支架宽高比较小,支架相对“单薄”,为减小支架根部弯矩破坏,采用横向4根立柱对支架进行“加厚”处理,从而提高支架的抗倾覆能力。同时,结合墩身宽度特点,单排支架横向中间2根在通过桥墩时可设置抗横向滑移装置,对支架横向移动进行限制,从而提高支架的抗倾覆能力。(如下图所示)
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_10
支架墩柱位置抗倾覆措施示意图

2支架布置与验算

2.1 支架布置

单跨支架纵向布置5排立柱,横向布置4列立柱,纵向间距根据地形变化,整体为4-6m间距,横向间距为2.6m(立柱中到中)。
支架主梁纵向放置与立柱顶端中心,整垮连通,立柱顶端与主梁之间通过加斜撑来进行稳定,使主梁与立柱顶端平面垂直。主梁底部与立柱顶面之间空隙通过填塞钢板,保证主梁与立柱受力方式为面对面受力,而非点对点受力。主梁横向间距同立柱横向间距为2.6m。
支架分配梁按照90cm间距放置于主梁上端,靠近墩顶段区域分配梁可适当加密,单根分配梁长12m,因此,放置时以箱梁轴线为对称线排列。分配梁与主梁之间固定采用两端设置“U”型卡。
分配梁上按照90*60*120规格设置满堂调坡层脚手架,脚手架根部离分配梁顶面20cm位置设置纵横向扫地杆,纵向90cm间距,横向60cm间距,竖向120cm间距进行脚手架搭设。脚手架纵横向设置竖向和水平剪刀撑或斜撑,确保脚手架整体受力。脚手架立杆与分配梁之间设置抗滑挡块,抗滑挡块焊接在分配梁上,以防止脚手架因外力而滑移。
满堂调坡层顶端安放顶托,以调节方木高度对箱梁进行坡度调整,顶托上方纵向放置10*15cm大方木,大方木串联后应进行整体连接,确保整体受力。
大方木上方按照20-30cm间距放置横向方木,横向方木可采用4*6cm钢方木或10*10cm方木,横向方木直接与模板进行连接作为模板支撑。

2.2 支架结构验算

本计算书以验算最不利原则,以C匝道桥第1联第1跨预应力混凝土连续箱梁支架最大高度42米为例,对荷载进行计算及对其支架体系进行检算。
1)支架材料参数
A、基础垫层C20砼:设计抗压强度fcd=11MPa,弹性模量E=2.6*104MPa
B独立基础C40砼:设计抗压强度fcd=23MPa,弹性模量E=3.3*104MPa.
C、支架立柱(72*0.8cm)螺旋钢管:密度ρ=140.46kg/m,截面面积s=0.0179m2,弹性模量E=2.1*105MPa,弯曲容许应力f1=160Mpa,轴向容许应力f2=140Mpa,剪应力f3=90Mpa,抗弯截面系数w=2.39*10-3m3
D、纵横向连接杆(10.8*0.4cm)无缝钢管:密度ρ=10.3kg/m,截面面积s=0.009m2,弹性模量E=2.1*105MPa,弯曲容许应力f1=160Mpa,轴向容许应力f2=140Mpa,剪应力f3=90Mpa,抗弯截面系数w=1.64*10-5m3
E、主梁(I56b工字钢):密度ρ=115.11kg/m,截面面积s=0.0147m2,弹性模量E=2.1*105MPa,弯曲容许应力f1=160Mpa,轴向容许应力f2=140Mpa,剪应力f3=90Mpa,抗弯截面系数w=2.446*10-3m3
F、分配梁(I25b工字钢):密度ρ=42.03kg/m,截面面积s=0.0054m2,弹性模量E=2.1*105MPa,弯曲容许应力f1=160Mpa,轴向容许应力f2=140Mpa,剪应力f3=90Mpa,抗弯截面系数w=0.422*10-3m3
2)荷载分析
根据《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 50-2011)相关规定及本桥现浇箱梁的结构特点,在施工过程中将涉及到以下荷载形式:
1、模板、支架自重;
(1) q2—— 箱梁内模、底模、内模支撑及外模支撑荷载,按均布荷载计算,经计算取q21.0kPa(偏于安全)。
2)q7—— 支架自重,根据不同布置取值不同。
2、q2——新浇筑混凝土、钢筋、预应力筋或其他圬工结构物的重力新浇筑钢筋混凝土(含筋梁>2%)密度取26KN/m3
3、q3——施工人员及施工设备、施工材料等荷载;按均布荷载计算,当计算模板及其下肋条时取2.5kPa;当计算肋条下的梁时取1.5kPa;当计算支架立柱及替他承载构件时取1.0kPa;
4、q4——振捣混凝土时产生的振捣荷载对底板取2.0kPa,对侧板取4.0kPa
5、q5——新浇混凝土对模板侧面的压力;
6、q6——混凝土入模时产生的水平方向的冲击荷载取2.0kPa;
7、q7——设于水中的支架所承受的水流压力、波浪力、流冰压力、船只及其他漂浮物的撞击力;根据本地区特点,无设于水中的支架故在计算时不考此类荷载。
8、q8——其他其他可能产生的荷载,如风荷载、雪荷载、冬季保温设施荷载等;根据本地区特点,降雪天气极少故在计算时不考虑雪荷载。
3)荷载组合分项系数
模板、支架设计计算荷载组合
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_11
荷载分项系数
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_12
4)荷载计算
1) 箱梁自重——q1计算
根据C匝道大桥现浇箱梁结构特点,我们按单跨取箱梁I-I截面(墩顶及端横梁0~2m)、II-II截面(端横梁~箱室变化段2m~4m、21.5m~23.5m)、III-III截面(跨中箱室4m~21.5m)、Ⅳ-Ⅳ横断面(中横梁23.5m~25m)等4个代表截面进行箱梁自重计算,并对4个代表截面下的支架体系进行检算,首先分别进行自重计算。
箱梁I-I截面处q1计算(墩顶及端横梁0~2m)
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_13
根据横断面图,则:
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_14
1.2的安全系数,则q146.2×1.255.4kPa
注:B—— 箱梁底宽,取6.50m,将箱梁全部重量平均到底宽范围内计算偏于安全。
箱梁II-II截面处q1计算(端横梁~箱室变化段2m~4m、21.5m~23.5m
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根据横断面图,则:
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1.2的安全系数,则q134.904×1.241.885kPa
注:B——箱梁底宽,取6.50m,将箱梁全部重量平均到底宽范围内计算偏于安全。
箱梁III-III截面处q1计算(跨中箱室4m~21.5m
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根据横断面图,则:
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1.2的安全系数,则q124.064×1.228.877kPa
注:B——箱梁底宽,取6.50m,将箱梁全部重量平均到底宽范围内计算偏于安全。
箱梁IV-IV截面处q1计算(中横梁23.5m~25m)
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根据横断面图,则:

组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_20
1.2的安全系数,则q144.2×1.253.04kPa
注:B——箱梁底宽,取6.50m,将箱梁全部重量平均到底宽范围内计算偏于安全。
2)新浇混凝土对侧模的压力——q5计算
因现浇箱梁采取水平分层以每层30cm高度浇筑,在竖向上以V=1.0m/h浇筑速度控制,砼入模温度T=23℃控制,因此新浇混凝土对侧模的最大压力
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_21
K为外加剂修正稀数,取掺缓凝外加剂K=1.2
V/T=1.0/23=0.0430.035
h=1.53+3.8V/t=1.69m
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_22
=1.2*24*1.69=48.672 kPa
3)支架自重——q7计算
支架自重按照平均值取值,根据支架布置,单跨支架总重约合231吨(2310KN),按照6.5m宽度25m跨径计算面积S=162.5m2,故q7=2310/162.5=14.21kpa,取1.2安全系数,则q7=14.21*1.2=17.05Kpa
5)结构验算
1满堂调坡层碗扣式脚手架承载力验算
碗扣式钢管脚手架与支撑和扣件式钢管脚手架与支架一样,同属于杆式结构,以立杆承受竖向荷载作用为主,但碗扣式由于立杆和横杆间为轴心相接,且横杆的“├”型插头被立杆的上、下碗扣紧固,对立杆受压后的侧向变形具有较强的约束能力,因而碗扣式钢管架稳定承载能力显著高于扣件架(一般都高出20%以上,甚至超过35%)。
本工程现浇箱梁支架调坡层满堂脚手架高度取2m,按φ48×3.5mm钢管扣件架进行立杆内力计算,计算结果同样也适用于WDJ多功能碗扣架(偏于安全)。
由于整垮箱梁在I-I截面计算的箱梁自重最大,因此只计算该截面区域脚手架立杆的承载力。该截面区域钢管扣件式支架体系采用90×60×90cm的布置结构,如图:

组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_23
满堂调坡层脚手架布置图

根据立杆的设计允许荷载,当横杆步距为60cm时,立杆可承受的最大允许竖直荷载为[N]=40kN(参见公路桥涵施工手册中表135)。
立杆实际承受的荷载为:N=1.2NG1K+NG2K+0.85×1.4ΣNQK(组合风荷载时)
NG1K支架结构自重标准值产生的轴向力;
NG2K构配件自重标准值产生的轴向力
ΣNQK施工荷载标准值;
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
则:N=1.2NG1K+NG2K+0.85×1.4ΣNQK=1.2×24.95+0.54+0.85×1.4×3.44=34.68KNN]=40kN,强度满足要求。
满堂调坡层设计安全,满足承载力要求。
2分配梁承载力计算
分配梁采用工字钢横放于主梁上,间距为90cm,最大计算跨径为2.6m,为方便计算,取一个计算跨径按照简支梁模型进行分配梁的承载力计算,计算模型如下图所示。
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_24
分配梁计算模型简化图
根据前面对箱梁各截面的荷载计算,取最重截面I-I区域荷载进行验算。分配梁间距为90cm,所以1m箱梁范围内分配梁根数为2根,故分配梁均布荷载q=q1/2=55.4/2=27.7KN/m2。按照材料力学对梁的分析方法,对分配梁进行受力分析。
抗弯强度分析
均布荷载作用下的最大弯矩位置为计算跨中,按照材料力学计算公式,最大弯曲应力
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_25
满足要求。(其中M为弯矩,W为截面抗弯系数,取值为0.422*10-3m3
抗剪强度分析
均布荷载作用下的最大剪力位置为构件两端靠近支座位置,按照材料力学计算公式,最大弯曲剪应力
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_26
,满足要求。(其中b0h0为工字钢腹板宽度和高度)
刚度分析
均布荷载作用下的最大挠度计算公式为:
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3主梁承载力计算
主梁采用工字钢纵放于支架立柱上,横向间距为2.6m,最大计算跨径为6m,为方便计算,取一个计算跨径按照简支梁模型进行主梁的承载力计算,计算模型如下图所示。
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_28
主梁计算模型简化图
根据前面对箱梁各截面的荷载计算,取最重截面I-I区域荷载进行验算。主梁横向间距为2.6m,横向布置4根,所以1m箱梁范围内主梁根数为4根,故主梁梁均布荷载q=(q1+q2)/4=55.4+1.55/4=14.24KN/m2(其中q1为箱梁自重,q2为主梁上分配梁、调坡层的竖向荷载,主梁自重不考虑)。按照材料力学对梁的分析方法,对主梁梁进行受力分析。
抗弯强度分析
均布荷载作用下的最大弯矩位置为计算跨中,按照材料力学计算公式,最大弯曲应力
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_29
满足要求,为保证结构安全,在计算跨径为6m区域,采用2根工字钢并排焊接作为主梁。(其中M为弯矩,W为截面抗弯系数,取值为2.446*10-3m3
抗剪强度分析
均布荷载作用下的最大剪力位置为构件两端靠近支座位置,按照材料力学计算公式,最大弯曲剪应力
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满足要求。(其中b0h0为工字钢腹板宽度和高度)
刚度分析
均布荷载作用下的最大挠度计算公式为:
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4支架立柱承载力计算
支架立柱承载着箱梁、分配梁、主梁传递下来的竖向荷载,横向间距为2.6m,纵向间距为最大6m,最大高度为43m。为方便计算,根据支架特点,对支架立柱进行模型简化,按照一端铰支连接,一端固端连接的方式进行简化,计算模型如下图所示。

组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_32
支架立柱计算模型简化图
根据支架立柱受力特点,计算单个立柱受力时按照整垮荷载均匀分摊到每根立柱的方式进行荷载分析,单跨箱梁自重约合为:G1=185m3*26KN/m3=4810KN,支架自重经计算约合G2=1200KN,故单根立柱受力F=(G1+G2)/20=300.5KN,考虑1.2分项系数后F=300.5*1.2=360.6KN
轴压强度分析
根据材料力学轴压强度计算公式,不考虑偏心荷载作用,轴压应力为:
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_33
轴压强度满足要求。
压杆稳定性分析
根据支架立柱轴压简化模型,结合材料力学压杆稳定原理进行立柱稳定性分析。立柱考虑为大柔度杆件。
临界失稳应力为:
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根据轴压计算的实际压应力为:
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_35

且安全系数
N=46.13/20.15=2,支架立柱稳定性满足要求,为保证支架的稳定,采取提高稳定性的措施对支架通过设置刚性剪刀撑固定层对支架稳定性进行加强。
5支架整体抗倾覆性计算
依据《公路桥涵技术施工技术规范实施手册》第9.2.3要求支架在自重和风荷载作用下时,倾覆稳定系数不得小于1.3
K0=稳定力矩/倾覆力矩=y*Ni/ΣMw
采用最高净空跨箱梁,C匝道第1验算支架抗倾覆能力:
主桥宽度10.5m,长25m,根据支架各部分重量计算Ni
调坡层满堂脚手架总重:17.67t;
分配梁总重:13.61t;
主梁总重:11.51t;
立柱总重:112.37t
Ni =(17.67+13.61+11.51+112.37)*9.8=1520KN
稳定力矩= y*Ni=5.25*1520=7980KN.m
风荷载计算WK=0.7uz×us×w0=0.7×1.38×1.2×0.8=0.927KN/ m2
支架迎风面考虑为镂空形式,按接触面积计算直接迎风面受力,风力为:q=0.927*3*25+0.56*25+0.72*5*43=243.8KN
倾覆力矩=q*5=243.8*21.5=5241.7KN.m
K0=稳定力矩/倾覆力矩=7980/5241.7=1.52>1.3,支架抗倾覆性满足要求。为了加强支架的抗倾覆性,采用每5-6m对支架进行一层纵横向连接的方式使支架整体性加强。
6)Midas建模结构验算
取C匝道第1联第1跨进行建模分析,通过钢结构计算软件Midas建立单跨支架计算模型,如下图所示,进行支架结构性能计算。
组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_36
支架Midas建立模型图
1)竖向荷载作用下支架各部分受力分析
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轴压力分布云图
最大轴向压力为302.9KN,位于立柱根部,与实际情况相符,轴向应力为:
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轴压强度满足要求,与理论计算相符。
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主梁弯矩分布云图
最大弯矩发生在最大计算跨径5m段,取值89.1KN.m,弯曲应力为:
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抗弯要求,与理论计算相符。
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风荷载作用下支架自身弯矩分布云图
最大弯矩发生在立柱根部,取值298.9KN.m,弯曲应力为:

组合高支架设计与计算(h>20m 专家评审)_42
抗弯要求。



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 发表于2019-12-10   |  只看该作者      

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