系杆拱支架方案验算.docx

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系杆拱支架方案验算

丹阳至昆山特大桥阳澄湖桥段

跨新华街1-96米系杆拱支架、模板方案及验算

一、工程概况：

跨新华街系杆拱中心桩号为DK1240+320.07，总长100m，起讫墩号为310#~311#。

基础为钻孔灌注桩，矩形桥墩。

上部为1孔1-96m下承式钢管混凝土系杆拱桥特殊结构。

其立面图如下:

拱桥设计采用单箱三室预应力混凝土箱型截面，桥面箱宽17.1米,梁高2.5米,底板厚度为30cm,顶板厚度为30cm,边腹板厚度为35cm,中腹板厚度为30cm,底板在2.8米范围内上抬0.5m，以减少风阻力。

吊点处设横梁，横梁厚度为0.4~0.6m。

系梁纵向设68根12-7φ5预应力筋，横向在底板上设3-7φ5的横向预应力筋，横隔板上设3束9-7φ5预应力筋。

系梁计算跨长为96m,矢跨比为f/l=1/5,拱肋平面矢高19.2米,拱肋采用悬链线线型,拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面,截面高度h=3.0米,沿程等高布置,钢管直径为1000mm,由厚16mm的钢板卷制而成,每根拱肋的两根钢管之间用δ=16mm的腹板连接.每隔一段距离,在两腹板中焊接拉筋。

肋管内压注C55无收缩混凝土填充，系梁采用C50混凝土。

吊杆布置采用尼尔森体系，在吊杆平面内，吊杆水平夹角在50.978～65.384度之间；横桥向水平夹角为90度。

吊杆间距为8米，两交叉吊杆之间的横向中心距为340mm。

吊杆均采用127根φ7高强低松弛镀锌平行钢丝束，冷铸镦头锚，索体采用PES（FD）低应力防腐防护。

吊杆的疲劳应力幅为118Mpa在主+附作用下的最大应力幅值为126Mpa。

根据施工设计图纸要求，采用先梁后拱的施工方法，系梁采用满布支架施工。

系梁满布支架需根据现场条件对地面作硬化处理，其地基承载力不小于220kpa；跨越公路部分支架可在中央分隔带上设临时支墩，其临时支撑墩支反力不小于13000KN。

二、系梁支架设计

一）、设计依据：

1、《客运专线施工技术规范》

2、《实用土木工程手册》第三版（作者:

杨文渊）

3、《路桥施工计算手册》（作者：

周水兴、何兆益等）

4、《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）

5、京沪高速铁路《1-96米下承式钢管混凝土系杆拱桥》施工图

6、《建筑施工扣件钢管脚手架安全技术规范》JTJ130-2001

二）、设计说明：

1、高速铁路与新华街公路夹角为88度。

新华街主路为宽27米的现浇箱梁,其中新华街公路桥左右幅宽12米，中央分隔带为3米。

副路为8.6米，非机动车道4米，人行步道5米。

主、副路间为4米绿化带，副路与非机动车道间为3米绿化带。

新华街共计68.2米。

新华街两侧为30米的绿化带，提篮拱桥墩位处于30米绿化带中。

提篮拱系梁底至新华街主路桥面（净空）为8.0米。

2、根据现场情况，跨新华街的主路部分采用钢管贝雷梁柱式支架,钢管或砼桩做基础、钢管立柱，贝雷片做纵梁搭设系梁的现浇平台，其他部分采用门式满布支架施工。

三）支架设计：

1、钢管贝雷梁柱式支架

跨越新华街桥梁支架采用钢管贝雷梁柱式支架，即在其中央分隔带上设临时支撑，主路和副路间的绿化带上地基硬化后布置碗扣支架，跨径布置为15m+15m。

贝雷梁设置26排，布置图如下:

贝雷片采用国产“321”钢桥桁架，横向截面布置根据系梁具体结构布置，每腹板下采用间距为45cm三排单层（上下加强弦杆）贝雷片，底板下采用间距为82cm单层（上下加强弦杆）贝雷片，边腹板外采用间距为100cm双排单层（上下加强弦杆）贝雷片。

贝雷片纵向每3米上下采用[10号槽钢作为横向联系，用U形卡扣扣住，把贝雷片联成整体，使每排贝雷片受力均衡，横向布置如下图：

在贝雷片上横桥向布置间距为30cm的10cm×15cm方木，底模为244cm×122cm×1.5cm竹胶板。

贝雷梁的三个临时墩处为横桥向2I40工字钢。

工字钢下支柱为6根直径为60cm、壁厚为8mm的钢管。

基础为7根长度45m、直径为120cm钻孔灌注桩（图纸为直径80cmC30混凝土钻孔桩）加150×160×2300cm的C30混凝土承台,配筋见相关图纸。

2、门式满布支架

新华街桥梁外的系梁部分采用门式满布支架，单个门式支架规格为Φ57×100×1900，承载能力为75KN。

横桥向布置，横向间距为50cm，排间距为60cm，在横隔梁处加密一排。

拱脚部分横向间距为50cm，排间距为50cm。

三、支架验算

1、计算参数及荷载取值

恒载：

系梁自重按设计断面计算，拱肋、钢管砼按照均布荷载计入恒载，不考虑混凝土强度演变，将其作为安全储备。

砼容重取26KN/m3。

钢结构力学性能取值：

弹性模量E（Mpa）：

206000

剪切模量G（Mpa）：

81000

轴向允许应力[σ]（Mpa）：

145

弯曲允许应力[σ]（Mpa）：

145

剪切允许应力[σ]（Mpa）：

85

贝雷架：

均加上下弦杆，则允许弯矩值为2*975=1950KN.m,允许剪力取值为245KN。

2荷载计算

施工荷载主要由①钢筋混凝土自重；②施工人员和料具行走运输或堆放荷载,均布荷载取2.5KN/m2；③砼浇筑与振捣荷载取2.0KN/m2；④模板自重；⑤贝雷片自重构成。

钢筋混凝土密度采用26kN/m3。

（1）恒载计算:

①根据系梁断面计算，单箱三室（长8米）砼总计129.77m3，系梁平均截面面积16.22m2。

系梁8米实体段及拱脚C50砼方量430m3,即系梁实体段混凝土荷载重

q1=26×16.22×1/17.1=24.7kN/m2（系梁部分）

q1=26×430/8/17.1=81.7kN/m2（拱脚部分）

②拱肋及横撑自重336.3t,由于拱肋荷载分布不均匀,但系梁强度达到95%以上，有部分预应力张拉完。

平均于整个面荷载考虑不均匀系数3.0,即拱肋与横撑荷载

q2=（336.3×9.8/96/17.1）×3=6KN/m2

恒载安全考虑安全系数1.3,则

Q1=1.3×（q1+q2）=39.91KN/m2（系梁部分）

Q1=1.3×（q1+q2）=114.01kN/m2（拱脚部分）

（2）施工人员和料具行走运输或堆放荷载,均布荷载取2.5KN/m2；砼浇筑与振捣荷载取2.0KN/m2，则Q2=4.5KN/m2。

（3）模板自重包括方木、模板、支撑，合计取Q3=2.0kN/m2

荷载总重:

Q=Q1+Q2+Q3=46.41KN/m2（系梁部分）

Q=Q1+Q2+Q3=120.51kN/m2（拱脚部分）

3模板验算

底模板采用244×122×1.5cm竹胶板，竹胶板下为间距30cm的15×10cm方木。

竹胶板允许应力[σ]=13Mpa，[f]=200/400=0.5mm。

按照系梁最不利位置计算，即横隔梁实心处考虑，荷载取值为拱脚部分。

取1.22米宽度计算，b=122cm，h=1.5cm。

弹性模量:

E=10.6×103Mpa

截面惯性矩:

I=bh3/12=122×1.53/12=34.3cm4

截面抵抗矩:

W=bh2/6=122×1.52/6=45.8cm3

竹胶板上均布荷载:

q=Q×1.22=147.0KN/m

最大弯矩:

M=ql2/10=147.0×0.22/10=0.588KN·m

弯拉应力:

σ=M/W=0.588×103/（4.58×10-5）=12.84×106N/m2<[σ]

挠度:

f=ql4/（128EI）=102.85×103×0.24/（128×10.6×103×0.343×10-6×106）=0.0005m=0.5mm≤[f]

故竹胶板强度、刚度满足要求。

4方木验算

上层方木间距为30cm，规格为15cm×10cm。

方木下为贝雷片、门式满布支架，贝雷片横向最大间距为82cm。

门式满布支架最大跨度为1m。

门式满布支架设下层方木方木允许应力[σ]=14.5Mpa，[f]=1000/400=2.5mm。

荷载取值为拱脚部分。

则

作用在方木上均布荷载:

q=Q×0.3=120.51×0.3=36.15kN/m

截面惯性矩:

I=10×153/12=2812.5cm4

截面抵抗矩:

W=10×152/6=375cm3

最大弯矩:

M=qL2/8=36.15×12/8=4.52KN·m

弯拉应力:

σ=4.52×103/3.75×10-4=12.1×106N/m2<13MPa

挠度:

fmax=5×（36.15×103×14）/（384×10.6×103×2.81×10-5×106）

=0.00158m=1.58mm<1000/250=4mm

故方木强度、刚度满足要求。

5贝雷桁架验算

（1）上部荷载计算

砼容重按照26KN/m计。

现浇箱梁每延米重量：

（41.24-（8.77+9.789×2））÷10000×26=335.192KN

横隔板分摊到全桥的每延米重量：

（8.77+9.789×2）÷10000×26×10÷72=56.64KN

钢管及钢管砼分摊到全桥的每延米重量：

1303.27÷96=135.76KN

满堂支架分摊到全桥的每延米重量：

24.5/9.8×10×2/0.6=83.3KN

贝雷验算时不考虑钢管及钢管砼时，每延米施工荷载由上部恒载乘上一个0.2的系数得到。

则每延米总荷载：

（335.192+56.64+135.76+83.3）×1.2=733.11KN

支墩验算时不考虑钢管及钢管砼时，每延米施工荷载由上部恒载乘上一个0.2的系数得到。

则每延米总荷载：

（335.192+56.64+83.3）×1.2=570.16KN

（2）贝雷梁计算

贝雷梁总长36米，两孔等跨布置，净跨径16米计算。

贝雷梁为单排单层贝雷片上下加弦杆,横向最大间距为100cm。

每腹板下门架支腿处布置间距为30cm的贝雷梁，底板下门架支腿处布置1片贝雷梁，门架支腿处横向布置10×20cm，见下图：

贝雷片惯性矩I=577434.4cm4，抵抗矩W=7699.1cm3，容许弯矩[M]=1687.5KN·m，容许剪力[Q]=490.5KN。

单排单层贝雷片上下加弦杆每延米自重（270+160+24）×9.8/1000/3=1.48KN,（贝雷片270kg/片、加强弦杆80kg/件、销子3kg/个），即每平米重：

G1=1.48×28=41.44kN/m。

单排承受的均布荷载q=（570.16+41.44）/28=21.84kN/m。

根据《实用土木工程手册》得知：

最大剪力:

Q=0.625ql=0.625×21.84×18=245.7KN·ｍ〈[Q]

最大弯矩:

Mmax=0.125ql2=0.125×21.84×18×18=884.52KN·ｍ〈[M]

弯拉应力:

σ=M/W=884.52/（7699.1×10-6）=114.9×103KN/ｍ2<210Mpa

挠度:

fmax=ql4/（128EI）

=21.84×103×184/（128×2.06×105×106×577434.4×10-8）

=15.1mm<16000/400=40mm

故贝雷梁强度、刚度满足要求。

底板处门架支腿通过方木垂直作用在贝雷梁上，不需验算。

腹板下门架支腿处布置间距为30cm的贝雷梁，支撑点在两片贝雷梁中间，对此方木进行验算。

作用在方木上集中荷载:

P=570.16/17.1×0.9=30.0kN

截面惯性矩:

I=20×103/12=1666.7cm4

截面抵抗矩:

W=20×102/6=333.3cm3

最大弯矩:

M=PL/4=30×0.3/4=2.25KN·m

弯拉应力:

σ=2.25×103/（333.3×10-6）=6.75×106N/m2<13MPa

挠度:

fmax=ql3/（48EI）=30×103×0.33/（48×10.6×103×1666.7×10-8×106）

=0.096mm<300/250=1.2mm

故方木的强度、刚度满足要求。

（3）墩反力计算

贝雷梁桁架截面纵向受力如下图：

根据《实用土木工程手册》217页得知：

临时中墩反力:

NB=1.25ql=1.25×733.11×18=16494.98KN

临时边墩反力:

NA=0.375ql=0.375×733.11×18=4948.49KN

贝雷梁的边墩、中墩墩顶分别为横桥向6I10、4I50工字钢,长度为22.5cm。

（4）边墩支架验算

4.1边墩支架

边墩采用碗扣支架，支架纵横间距（除边墩两端各2列纵向间距为60cm）为30cm，共6排，共58列（除边墩两端各2列）。

顶托上横向先铺设6I10工字钢，再纵向铺设I50工字钢，则每根碗扣钢管承重P:

4948.49/（6×58）=14.22KN。

碗扣钢管外径48mm，内径43mm，壁厚2.5mm。

截面惯性矩:

I=3.14×（D4-d4）/64=3.14×（4.84-4.344）/64=9.27cm4

截面抵抗矩:

W=3.14×（D4-d4）/（32×D）=3.14×（4.84-4.34）/（32×4.8）=3.86cm3

截面面积:

A=3.14×（D2-d2）/4=3.57cm2

回转半径:

r=（I/A）0.5=（9.27/3.57）0.5=1.61cm

长细比:

λ=l0/r=60/1.61=37.3，查表得：

φ=0.9

[N]=0.9×3.57×10-4×145×106=46.59KN>P，满足要求。

4.2边墩钢横梁

上层纵向铺设6根I10a工字钢，每根工字钢长6.5m，跨度0.3cm,间距0.2cm。

查《桥梁施工计算手册》得W=49cm3，I=245cm4。

截面惯性矩:

I=245×10-8m4

截面惯性矩:

W=49×10-6m3

工字钢均布荷载:

q=4948.49/（17.1×COS（10））=293.85kN/m。

最大弯矩:

M=qL2/10=2.64KN·m

弯曲应力:

σ=M/W=2.64×103/（6×49×10-6）

=8.995×106N/m2<145MPa

挠度:

fmax=ql3/（48EI）

=293.85×103×0.33/（48×2.06×105×106×6×245×10-8）

=0.05mm<300/250=1.2mm

下层纵向铺设I10a工字钢，每根工字钢长2.0m，跨度0.3cm。

查《桥梁施工计算手册》得:

截面惯性矩:

I=245×10-8m4

截面惯性矩:

W=49×10-6m3

工字钢均布荷载:

q=4948.49/（17.1×COS（10））×0.3=85.5kN/m。

最大弯矩:

M=qL2/10=0.77KN·m

弯曲应力:

σ=M/W=0.77×103/（49×10-6）

=15.7×106N/m2<145MPa

挠度:

fmax=ql3/（48EI）

=85.5×103×0.33/（48×2.06×105×106×245×10-8）

=0.095mm<300/250=1.2mm

故工字钢强度、刚度满足要求。

（5）中墩支架验算

5.1中墩支架

临时支墩采用9根Ф600×10mm钢管，最大间距2.925米,高度约7.8米。

则每根碗扣钢管承重:

16494.98/7=2356.43KN。

根据《实用土木工程手册》得知:

截面惯性矩:

I=3.14×（D4-d4）/64=3.14×（604-584）/64=80634.42cm4

截面抵抗矩:

W=3.14×（D4-d4）/（32×D）=3.14×（604-584）/（32×60）=2687.81cm3

截面面积:

A=3.14×（D2-d2）/4=185.26cm2

回转半径:

r=（I/A）0.5=（80634.42/185.26）0.5=20.86cm

长细比:

λ=l0/r=780/20.93=37.37，查表得：

φ=0.9

[N]=0.9×185.26×10-4×145×106=2417.64KN

单根钢管立柱自重：

G3=185.26×10-4×7.8×7850×9.8/1000=11.12KN。

单根钢管支柱承载力N=2356.43+11.12=2367.55KN<[N]，满足要求。

临时支墩采用9根Ф800×10mm钢管，最大间距2.925米,高度约7.8米。

则每根碗扣钢管承重:

16494.98/7=2356.43KN。

根据《实用土木工程手册》得知:

截面惯性矩:

I=3.14×（D4-d4）/64=3.14×（804-584）/64=80634.42cm4

截面抵抗矩:

W=3.14×（D4-d4）/（32×D）=3.14×（604-584）/（32×60）=2687.81cm3

截面面积:

A=3.14×（D2-d2）/4=185.26cm2

回转半径:

r=（I/A）0.5=（80634.42/185.26）0.5=20.86cm

长细比:

λ=l0/r=780/20.93=37.37，查表得：

φ=0.9

[N]=0.9×185.26×10-4×145×106=2417.64KN

单根钢管立柱自重：

G3=185.26×10-4×7.8×7850×9.8/1000=11.12KN。

单根钢管支柱承载力N=2356.43+11.12=2367.55KN<[N]，满足要求。

5.2中墩钢横梁

纵向铺设4根I50a工字钢，每根工字钢长6.5m，跨度292.5cm。

查《桥梁施工计算手册》得:

截面惯性矩:

I=46500×10-8m4

截面惯性矩:

W=1860×10-6m3

工字钢均布荷载:

q=16494.98/（17.1×COS（10））=979.50kN/m。

最大弯矩:

M=qL2/8=1047.53KN·m

弯曲应力:

σ=M/W=1047.53×103/（4×1860×10-6）

=140.8×106N/m2<140MPa

挠度:

fmax=5ql4/（384EI）

=5×979.5×2.9254/（384×2.06×105×4×46500×10-8）

=2.44mm<2925/250=11.7mm

（6）基础验算

6.1边墩基础处理

基底应力检测得基底应力为500Kpa，其上填筑100cm砾石后，浇筑C30混凝土100m，宽度为3.5m。

距顶面5cm处设置10cm×10cm的φ12II级钢筋网片。

钢管布置为6排58列，底托按照10cm×10cm计算，则碗扣钢管立柱根部混凝土受力

P=4948.49/（6×58）/（0.1×0.1）

=4948.49/31.25=1422.26Kpa<[σ]=30Mpa。

混凝土基础为整体基础，素混凝土比重按照24KN/m计算，则混凝土基础底应力为：

（4948.49+3.5×17.1/COS10×1×24）/（3.5×17.1/COS10）=105.43Kpa

砾石顶部宽度为3米，则砾石底部宽度：

b=b0+2H0tan30°=3+2×1.0×1=4.15m

砾石底压应力：

σ=p+γH=105.43+1.6×1.0=107.03Kpa<500Kpa,满足要求。

6.2中墩基础处理

6.2.1承台混凝土验算

钢管立柱9根，支承在宽高分别为150cm、160cm的C30混凝土承台上，则钢管立柱根部混凝土受力

P=16494.98/9/（π×0.32）=16494.98/0.2826=6.49Mpa<[σ]=30Mpa。

6.2.2桩顶混凝土验算

基础为7根长度33m、直径为120cm钻孔灌注桩（C25砼）,钢筋混凝土比重按照25KN/m3计算,则

（16494.98+1.5×1.6×23×25）/7/（π×0.62）=2.26Mpa<[σ]=25Mpa

6.2.2钻孔桩验算

系梁每延米总荷载：

（335.192+56.64+135.76+83.3）×1.2=733.11KN/m

贝雷梁截面纵向受力如下图：

根据《实用土木工程手册》217页得知：

临时中墩反力:

NB=0.625ql=（0.625+0.625）×733.11×18=16494.98KN

临时边墩反力:

NA=0.375ql=0.375×733.11×18=4948.49KN

钢管柱下设长23米、宽1.6米、高1.5米的承台，则中墩总荷载:

16494.98+1.5×1.6×23×26=17930.18KN

根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB10002.5-2005第25页钻（挖）孔桩的容许承载力:

[P]=1/2UΣfi.li+m0A[σ]

其中：

A=π×12/4=0.785m21.13

U=π×1=3.14m3.768

粉质粘土（软塑,中压缩性）：

桩周土的容许摩阻力f3=35～55KPa,P3=σ0=100KPa

粉土（中密,饱和）：

桩周土的容许摩阻力f1=30～55KPa，P1=σ0=100KPa

粉砂（中密,潮湿~饱和）：

桩周土的容许摩阻力f2=30～55KPa，P2=σ0=100KPa

粘土（硬塑）：

桩周土的容许摩阻力f3=55～75KPa,P3=σ0=180KPa

粉土（中密,饱和,中压缩性）：

桩周土的容许摩阻力f4=30～55KPa,P4=σ0=100KPa

粉质粘土（软塑,中压缩性）：

桩周土的容许摩阻力f3=35～55KPa,P3=σ0=120KPa，具体见下表：

土质

特性

深度

摩阻力

[σ]

310

311

平均值

粉质粘土

软塑,中压缩性

-1.7~-4.8

-0.85~-2.4

35~55

粉土

中密,饱和

-3.73~-7.28

-4.8~-8.8

-4.27~-8.04

30~55

100

粉砂

中密,潮湿~饱和

-7.28~-18.13

-8.8~-17.8

-8.04~-17.97

30~55

100

粘土

硬塑

-18.13~-29.58

-17.8~-31.8

-17.97~30.69

55~75

180

粉土

中密,饱和,中压缩性

-29.58~36.68

-31.8~-36.2

-30.69~-36.44

30~55

100

粉质粘土

软塑,中压缩性

-36.68~-40.78

-36.2~-43.8

-36.44~-42.29

35～55

120

取f1=35KPa，f2=30KPa，f3=30KPa，f4=55KPa，f5=30KPa，f6=35KPa计算,摩擦桩桩顶承受的轴向压力加上桩身自重与桩身入土部分所占相同体积土重之差,即π×0.52×L×（ρ砼-ρ土）=3.14×0.52×35×（25-15）=274.75KN

则单根钢管桩需承受的轴向承载力：

Pa设=G总+G6=274.75+17930.18/7=2836.2KN

6、门式支架验算

（1）系梁部分

单根支架承受的荷载:

q=Q×（1×0.6）=41.5×0.8=24.9kN<75/2kN

（2）拱脚部分

单根支架承受的荷载:

q=Q×（0.3×0.8）=120.51×0.3×0.8=28.9kN<75/2kN

故其受力满足要求。

7、跨路支架计算

新华街跨副路、非机动车道采用钢管门架。

墩支架采用φ48×3.5mm钢管15×30cm布置。

每墩支架5排钢管，每个支架上4排方木，其上为间距30cm的I25a工字钢纵向布置，槽钢上为间距30cm方木加模板。

（1）工字钢验算

每根工字钢长6.5m，间距30cm。

查《桥梁施工计算手册》得W=422.2cm3，I=5278cm4。

截面惯性矩:

I=6718.2×10-8m4

截面惯性矩:

W=537.4×10