56m钢管拱顶推施工支架验算.docx
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56m钢管拱顶推施工支架验算
新建铁路赣州至韶关线
韶关疏解线浈江特大桥1-56m单线简支钢管拱
系梁顶推施工检算
计算责任人：
兰州铁成工程检测有限公司
2011.8
1.支架总体布置及计算依据
1.1支架总体布置
新建铁路赣州至韶关线韶关疏解线浈江特大桥1-56m简支拱桥跨越京广铁路且与京广铁路斜交60º。
为了尽量减少该桥的施工对铁路的干扰与影响,采用先梁后拱的施工方法，即将系梁的一部分采用支架现浇，然后顶推到位，再施工系梁的剩余部分，然后完成钢管拱及吊杆部分。
本计算只涉及待顶推部分的系梁在支架上浇注时支架的验算，顶推过程中相关结构的检算，主要包括临时墩钢立柱和钢导梁、预埋节检算、预埋筋强度、以及预埋部分与导梁外露部分连接的焊缝检算等。
待顶推部分的系梁浇注时的支架总体布置图如图1.1所示，其余布置图详见设计图。
图1.1系梁现浇支架总体布置图
1.2计算依据
《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068-2001）
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）
《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）
《混凝土结构设计规范》（GB500010-2002）
《钢结构设计规范》（GB500017-2003）
《建筑结构设计术语和符号标准》（GB/T50083-97）
《钢结构高强螺栓连接的设计、施工及验收规程》（JGJ82-91）
施工单位提供支架设计详图和大桥施工图。
1.3检算内容
根据对支架总体布置及顶推工艺过程的分析，认为验算的构件有：
1）系梁现浇满堂支架强度及稳定性验算；
2）顶推过程中系梁本身的变形及应力验算；
3）顶推过程中导梁的变形及应力验算；
4）各临时墩的稳定性检算；
5）顶推过程中钢导梁预埋部分与导梁外露部分连接的焊缝检算
2系梁现浇满堂支架强度及稳定性验算
2.1梁体混凝土自重纵向分布荷载
满堂支架的受力以梁体混凝土自重为主，模板及其支撑系统的重量以及施工荷载等均以增大系数来考虑。
普通梁段的截面面积为7.5m^2，则支架的计算荷载估计为：
p=1.3*7.5*26.5=258kN/m
其中1.3是考虑到梁上施工荷载以及模板及其支撑系统的重量等不利因素而引入的增大系数。
横隔板的重量估计：
14.7*0.4*26.5=156kN
近似按均布荷载考虑，则梁体自重荷载为
258+9*156/45=289kN/m
系梁总重：
289*45=13005kN
钢导梁总重：
368kN
2.2单位面积上梁体混凝土自重荷载分布
梁底宽度为7.2m，单位面积上荷载分布集度为
q=289/7.2=40.2/m^2
2.3计算横向方木时单位长度上的荷载集度
横向方木直接承受底模上方传来的重量（包括混凝土自重，梁上施工荷载以及模板及其支撑系统的重量），体现为分布荷载。
由于横向方木的间距为30cm，则横向方木单位长度上的荷载集度为：
40.2*0.3=12.06kN/m
计算腹板下方的横向方木时，可将上述荷载再乘以1.2的增大系数，取14.5kN/m进行计算。
横向方木的验算偏安全地按简支梁图式进行计算，如下图2.1。
计算跨度q取L=0.6m。
图2.1横向方木的验算图式
上述荷载值均小于附表A所示的方木的最大承载力,安全。
2.4计算纵向方木时的集中荷载
纵向方木承受由横向方木传来的力，体现为集中力。
最大值为
P=14.5*0.6=8.7kN
位于顶托处的横向方木将力直接传给顶托及立杆，并不对纵向方木产生弯曲作用（但受压）。
所以纵向方木只受到单个的横向方木传来的力而产生弯曲。
纵向方木的验算图式见图2.2。
图2.2:
纵向方木的验算图式
纵向方木的计算跨度为L=600mm。
查附表A，B可知，上述荷载值均未超过方木的最大承载力，故所有方木的强度均满足。
2.5单根立杆所受到的最大压力
假设单根立杆最大可承受0.6m×0.6m区域的箱梁均布荷载，大小为：
N=q×A=1.2*40.2×0.6×0.6=17.4kN<40kN
单根立杆的承载力（稳定性）足够。
附录A:
方木极限承载力
A.1不同规格的方木承受线分布荷载时，按简支梁模式计算所得的可以承受的最大线分布荷载数值见下表A。
附表A：
不同规格的方木所能承受的最大线分布荷载
方木规格
最大承载力（kN/m）
b（mm）
h（mm）
跨度L=600mm
跨度L=300mm
100
120
53.33
106.67
100
150
66.67
133.33
120
150
80.00
160.00
A.2不同规格的方木在跨中承受一个集中荷载时，按简支梁模式计算所得的可以承受的最大集中荷载数值见下表B。
附表B：
不同规格的方木所能承受的最大集中荷载
方木规格
最大承载力（kN）
b（mm）
h（mm）
跨度L=600mm
跨度L=300mm
100
120
16.00
32.00
100
150
25.00
40.00
120
150
30.00
48.00
附录B.单根立杆极限承载力
φ48.5*5立杆的容许承载力取40kN。
依据如下：
立杆的截面回转半径i=1.58cm；立杆的净截面面积A=4.89cm2；立杆净截面模量（抵抗矩）W=5.08cm3；立杆的抗压容许应力[σ]=120.0N/mm2；
立杆的计算长度L0按下式计算：
L0=h+2a
其中：
h—大横杆步距,取h=1.2m；a—立杆上端伸出顶层横杆中心线至模板支撑点长度；取a=0.10m；则
L0=1.20+0.10×2=1.40m；
立杆的长细比为
λ=l/i=1400/15.78=88.72，
查表可得稳定系数φ=0.724，则立杆的容许承载力为：
[N]=φA[σ]=0.724×489×120=42.5kN
3．顶推过程中系梁及导梁的结构状态分析
3.1工况1——顶推开始时
满堂支架拆除，结构状态如图3.1a，计算图式如图3.1b。
图3.1.1a工况1下的结构状态
图3.1.1b工况1下的结构计算图式
计算采用有限元分析软件Midas/civil进行，考虑结构自重、钢束预应力。
边界条件是将支墩处模拟为铰支座。
计算结果如下：
1）变形计算结果（见图3.1.2）
图3.1.2工况1下的变形计算结果
最大挠度：
18.7mm
2）应力计算结果（见图3.1.3）
图3.1.3工况1下的应力计算结果
系梁最大应力15.2MPa（压）。
导梁最大应力49.7MPa（拉、压）
3）系梁与导梁连接焊缝强度计算
根据有限元计算输出该处的最大弯矩为M=2332.5kNm，则单个T形焊缝最大受力N=2332.5/1.95=1196kN
预埋节与钢导梁之间的连接焊缝采用贴角焊缝，计算中取焊脚尺寸6mm，采用周边围焊，焊缝的计算面积如图3.1.4所示
图3.1.4角焊缝计算模型
单个T形焊缝的计算面积：
0.7hfΣl=0.7*6*（350+2*140+2*670）=8274mm
Q235钢材的角焊缝抗剪强度设计值为160N/mm^2
一个T形截面的连接焊缝所能承受的轴向力为
160*8274/1000=1323kN>1196kN
所以，在工况1下，预埋件连接焊缝受力满足强度要求。
4）支承反力计算结果（见图3.1.5）
图3.1.5工况1下的支承反力计算结果
墩号
12＃
L1＃
13＃
L2＃
L3＃
工况1
墩顶竖向力（kN）
7499.1
2281.3
1742.6
-35.8
0
3.2工况2——顶推到导梁前段靠近临3支墩，但尚未支撑到临3支墩时
结构状态如图3.2.1a，计算图式如图3.2.1b。
图3.2.1a工况2下的结构状态
图3.2.1b工况2下的结构计算图式
计算采用有限元分析软件Midas/civil进行，考虑结构自重、钢束预应力。
边界条件是将支墩处模拟为铰支座。
计算结果如下：
1）变形计算结果（见图3.2.2）
图3.2.2
最大挠度：
26.9mm
2）应力计算结果（见图3.2.3）
图3.2.3
系梁最大应力12.5MPa（压）。
导梁最大应力19MPa（拉、压）
3）系梁与导梁连接焊缝强度计算
根据有限元计算输出该处的最大弯矩为M=893kNm，小于工况1下的弯矩，故不必在检算。
工况2下，预埋件连接焊缝受力满足强度要求。
4）支承反力计算结果（见图3.2.4）
图3.2.4
表墩顶竖向力（kN）
墩号
12＃
L1＃
13＃
L2＃
L3＃
工况1
7499.1
2281.3
1742.6
-35.8
0
工况2
0
3746.1
2737.6
5003.4
0
3.3工况3——顶推至导梁前端支撑到临3支墩上
结构状态如图3.3.1a，计算图式如图3.3.1b。
图3.3.1a工况3下的结构状态
图3.3.1b工况3下的结构计算图式
计算采用有限元分析软件Midas/civil进行，考虑结构自重、钢束预应力。
边界条件是将支墩处模拟为铰支座。
计算结果如下：
1）变形计算结果（见图3.3.2）
图3.3.2
最大挠度：
5.9mm
2）应力计算结果（见图3.3.3）
图3.3.4
系梁最大应力11.8MPa（压）。
导梁最大应力18.6MPa（拉、压）
3）系梁与导梁连接焊缝强度计算
根据有限元计算输出该处的最大弯矩为M=868.7kNm，小于工况1下的弯矩，故不必在检算。
所以，工况3下，预埋件连接焊缝受力满足强度要求。
4）支承反力计算结果（见图3.3.4）
图3.3.4
表墩顶竖向力（kN）
墩号
12＃
L1＃
13＃
L2＃
L3＃
工况1
7499.1
2281.3
1742.6
-35.8
0
工况2
0
3746.1
2737.6
5003.4
0
工况3
0
3380
3104.8
4838.9
81.7
3.4工况4——顶推至导梁前端靠近14#墩，但尚未支撑在14#墩上
结构状态如图3.4.1a，计算图式如图3.4.1b。
图3.4.1a工况4下的结构状态
图3.4.1b工况4下的结构计算图式
计算采用有限元分析软件Midas/civil进行，考虑结构自重、钢束预应力。
边界条件是将支墩处模拟为铰支座。
计算结果如下：
1）变形计算结果（见图3.4.2）
图3.4.2
最大挠度：
-14.4mm
2）应力计算结果（见图3.4.3）
图3.4.3
系梁最大应力13.4MPa（压）。
导梁最大应力130.6MPa（拉、压）
3）系梁与导梁连接焊缝强度计算
根据有限元计算输出该处的最大弯矩为M=6124.3kNm，则单个T形焊缝最大受力N=6124.3/1.95=3141kN
预埋节与钢导梁之间的连接焊缝采用贴角焊缝，计算中取焊脚尺寸6mm，采用周边围焊，焊缝的计算面积如图所示
单个T形焊缝的计算面积：
0.7hfΣl=0.7*6*（350+2*140+2*670）=8274mm
Q235钢材的角焊缝抗剪强度设计值为160N/mm^2
一个T形截面的连接焊缝所能承受的轴向力为
160*8274/1000=1323kN<3141kN
所以，在工况4下，预埋件连接焊缝受力不满足强度要求。
4）支承反力计算结果（见图3.4.4）
图3.4.4
表墩顶竖向力（kN）
墩号
12＃
L1＃
13＃
L2＃
L3＃
14#
工况1
7499.1
2281.3
1742.6
-35.8
0
0
工况2
0
3746.1
2737.6
5003.4
0
0
工况3
0
3380
3104.8
4838.9
81.7
0
工况4
4129.2
5960.1
698.9
0
3.5工况5——顶推至导梁前端支撑在14#墩上
结构状态如图3.5.1a，计算图式如图3.5.1b。
图3.5.1a工况5下的结构状态
图3.5.1b工况5下的结构计算图式
计算采用有限元分析软件Midas/civil进行，考虑结构自重、钢束预应力。
边界条件是将支墩处模拟为铰支座。
计算结果如下：
1）变形计算结果（见图3.5.2）
图3.5.2
最大挠度：
-6.3mm
2）应力计算结果（见图3.5.3）
图3.5.3
系梁最大应力16.6MPa（压）。
导梁最大应力74.8MPa（拉、压）
3）系梁与导梁连接焊缝强度计算
根据有限元计算输出该处的最大弯矩为M=3507.8kNm，则单个T形焊缝最大受力N=3507.8/1.95=1799kN
一个T形截面的连接焊缝所能承受的轴向力为1323kN<1799kN
所以，在工况5下，预埋件连接焊缝受力不满足强度要求。
4）支承反力计算结果（见图3.5.4）
图3.5.4
表墩顶竖向力（kN）
墩号
12＃
L1＃
13＃
L2＃
L3＃
14#
工况1
7499.1
2281.3
1742.6
-35.8
0
0
工况2
0
3746.1
2737.6
5003.4
0
0
工况3
0
3380
3104.8
4838.9
81.7
0
工况4
4129.2
5960.1
698.9
0
工况5
2187.3
8221.6
627
-87.9
3.6工况6——顶推至系梁与导梁连接处达到临时支墩3上
结构状态如图3.6.1a，计算图式如图3.6.1b。
图3.6.1a工况6下的结构状态
图3.6.1b工况6下的结构计算图式
计算采用有限元分析软件Midas/civil进行，考虑结构自重、钢束预应力。
边界条件是将支墩处模拟为铰支座。
计算结果如下：
1）变形计算结果（见图3.6.2）
图3.6.2
最大挠度：
-9.2mm
2）应力计算结果（见图3.6.3）
图3.6.3
系梁最大应力13.5MPa（压）。
导梁最大应力40.8MPa（拉、压）
3）系梁与导梁连接焊缝强度计算
根据有限元计算输出该处的最大弯矩为M=1912.4kNm，则单个T形焊缝最大受力N=1912.4/1.95=981kN
一个T形截面的连接焊缝所能承受的轴向力为1323kN>981kN
所以，在工况6下，预埋件连接焊缝受力满足强度要求。
4）支承反力计算结果（见图3.6.4）
图3.6.4
表墩顶竖向力（kN）
墩号
12＃
L1＃
13＃
L2＃
L3＃
14#
工况1
7499.1
2281.3
1742.6
-35.8
0
0
工况2
0
3746.1
2737.6
5003.4
0
0
工况3
0
3380
3104.8
4838.9
81.7
0
工况4
4129.2
5960.1
698.9
0
工况5
2187.3
8221.6
627
-87.9
工况6
223.5
7715.6
3695
-147
3.7工况7——顶推至系梁后端脱离13#墩
结构状态如图3.7.1a，计算图式如图3.7.1b。
图3.7.1a工况7下的结构状态
图3.7.1b工况7下的结构计算图式
计算采用有限元分析软件Midas/civil进行，考虑结构自重、钢束预应力。
边界条件是将支墩处模拟为铰支座。
计算结果如下：
1）变形计算结果（见图3.7.2）
图3.7.2
最大挠度：
-8.8mm
2）应力计算结果（见图3.7.3）
图3.7.3
系梁最大应力13.0MPa（压）。
导梁最大应力58.8MPa（拉、压）
3）系梁与导梁连接焊缝强度计算
根据有限元计算输出该处的最大弯矩为M=2756.6kNm，则单个T形焊缝最大受力N=2756.6/1.95=1413.6kN
一个T形截面连接角焊缝的轴向承载力为1323kN.
所以，在工况7下，预埋件连接焊缝受力不满足强度要求。
4）支承反力计算结果（见图3.7.4）
图3.7.4
表墩顶竖向力（kN）
墩号
12＃
L1＃
13＃
L2＃
L3＃
14#
工况1
7499.1
2281.3
1742.6
-35.8
工况2
3746.1
2737.6
5003.4
工况3
3380
3104.8
4838.9
81.7
工况4
4129.2
5960.1
698.9
工况5
2187.3
8221.6
627
-87.9
工况6
223.5
7715.6
3695
-147
工况7
7357.9
4500.5
-371.2
3.8工况8——顶推到位
结构状态如图3.8.1a，计算图式如图3.8.1b。
图3.8.1a工况8下的结构状态
图3.8.1b工况7下的结构计算图式
计算采用有限元分析软件Midas/civil进行，考虑结构自重、钢束预应力。
边界条件是将支墩处模拟为铰支座。
计算结果如下：
1）变形计算结果（见图3.8.2）
图3.8.2
系梁最大挠度：
-7.9mm
2）应力计算结果（见图3.8.3）
图3.8.3
系梁最大应力12.7MPa（压）。
导梁最大应力48.1MPa（拉、压）
3）系梁与导梁连接焊缝强度计算
根据有限元计算输出该处的最大弯矩为M=2257.7kNm，则单个T形焊缝最大受力N=2257.7/1.95=1157.8kN
一个T形截面连接角焊缝的轴向承载力为1323kN，所以，在工况8下，预埋件连接焊缝受力满足强度要求。
4）支承反力计算结果（见图3.8.4）
图3.8.4
表墩顶竖向力（kN）
墩号
12＃
L1＃
13＃
L2＃
L3＃
14#
工况1
7499.1
2281.3
1742.6
-35.8
工况2
3746.1
2737.6
5003.4
工况3
3380
3104.8
4838.9
81.7
工况4
4129.2
5960.1
698.9
工况5
2187.3
8221.6
627
-87.9
工况6
223.5
7715.6
3695
-147
工况7
7357.9
4500.5
-371.2
工况8
5362.7
6666.0
541.6
4．临时钢管立柱检算
由于临时钢立柱构造相同，故选择受力最大的工况计算即可。
单个钢管的截面积：
16328mm^2
单个钢管的稳定承载力：
0.75*16328*200=2449200N=2449.2kN
检算临时钢立柱时，钢立柱所受的压力取最大值8221.6kN
临时钢立柱由4根钢管组成，则每个钢管所分配的压力为：
8221.6/4=2055.4kN
小于单个钢管的稳定承载力2449.2kN，即钢管的稳定性满足。
5.检算结论
经计算，新建铁路赣州至韶关线韶关疏解线浈江特大桥1-56m单线简支钢管拱系梁顶推施工中，工况4,5,7下的系梁与导梁之间的连接焊缝强度不足。
其余结构强度满足。
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