源石大桥拱架施工方案计算.docx
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源石大桥拱架施工方案计算
源石大桥拱架施工方案计算
源石大桥拱架施工方案计算
一、工程概况
源石大桥主孔为110m整体式钢筋混凝土箱形拱，主拱圈采用钢拱架上现浇，拱上腹孔空心板采用预制吊装。
主拱圈钢拱架拼装采用工厂加工专用钢拱架，具体结构形式和工程数量参见附图。
钢拱架的安装采用缆索吊装系统进行，缆索吊装系统由缆索（主索、起重索、牵引索）、索塔、索鞍、跑车、起重及牵引滑车组、卷扬机等组成，设置后锚作为缆索和扣索锚固点，缆索的设计跨度为150m。
钢拱架采用10组扣索（每组4根）分两岸对称扣挂，每岸5组。
每组扣索为一个施工节段，分两岸对称施工。
缆索吊装施工一次吊装1联基本节段，连接构件单独安装。
节段吊装之前支撑架均安装好，以保证钢拱架稳定性。
起吊重量包括1联基本节段的总重量。
二、计算编制依据
（1）、本项目施工图纸。
（2）、《一般用途钢丝绳》（GB／T20118-2006）
（3）、《钢结构设计与计算》（ISBN7-111-07664-8）
（4）、《桥涵》（ISBN7-114-03460-1）
（5）、《建筑施工起重吊装安全技术规范》（JGJ276-2012）
三、缆索系统计算
1、索塔高度确定
索塔位于0#桥台和1#桥台位置处，塔与塔中心距离约为150m。
16（拱架高）+2（拱肋高）6（吊装距离）+2（吊具高）+2（安全距离）+150/16（主索垂度）=37.4米
因起拱线位置比桥台顶标高低22.6米，所以塔高从桥面以上为37.4-22.6=14.8米,本计算索塔高度设为18米（考虑吊装空心板）。
吊装主跨径为150m，两边跨跨径为30m。
2、主索计算
因两岸缆索索塔高差为0，所以此计算中cosβ=0。
根据《GB／T20118-2006一般用途钢丝绳》，主索选用φ52（6×37纤维芯）为一组的钢丝绳，左右各一组，φ52（6×37）钢丝绳技术参数为：
米重1000kg/100m，断面积F＝1003.8mm2，钢丝直径d＝2.4mm，抗拉强度为1870Mpa，弹性模量Ek＝75600Mpa。
（1）、主索破断力
主索采用公称抗拉强度为1870Mpa的钢丝绳，其破断拉力等于167t。
（2）、主索最大张力和强度验算
作用于主索上的荷载有集中荷载和均布荷载，集中荷载包括：
a、吊装节段重P1＝13.3t（一联基本标准节段、平横联及螺栓）
b、吊具重（2台跑车、动滑轮）
P2＝1t
c、P3＝0.5t（每台跑车走4线，起重索起落高度40m的重量）
那么Q＝P1＋P2＋P3＝14.8t
均布荷载包括：
a、主索自重q1＝0.01t/m
b、φ22起重索：
q2＝0.0018t/m
c、φ24牵引索：
q3＝0.00214t/m
d、支索器重量（主索每20米布置一道，每个支索器重20kg）
q4＝0.001t/m
那么q＝q1＋q2＋q3＋q4＝0.01t/m
主索跨中设计最大垂度
主索跨中最大弯矩
主索最大水平张力为
则主索最大张力为
式中，
为在靠吊装系统内侧主索与水平线的竖向夹角，按力的三角关系计算得出：
主索与最大吊重在靠吊装系统内侧作用于缆塔的竖向力为：
，则
主索的安全系数为
（3）、主索弯曲应力验算
（4）、接触应力验算
（5）、安装张力H0和初始安装垂度f0
张力的垂直分力：
最大张力：
安装时每根索的拉力：
3、起重索计算
取单组起重索计算，起吊总重Q＝4.8t/2=7.4t,单吊点起吊，转向滑轮轮数μ=2,起重索工作线数n＝4，滑轮组轮数m＝3，滑轮直径为340mm。
起重滑车采用普通6t滑车，滑车直径350mm。
起重索采用φ22（6×37），g起＝0.0018t/m，F起＝174.27mm2，[σ]＝1670Mpa，Tn＝26.7t，Ek＝75600Mpa，d＝1mm
（1）、计算起重索绕过绞车端的张力
（2）、起重索接触应力验算
（3）、卷扬机起升能力计算
起重卷扬机采用8t卷扬机。
起重索在进入跑车滑车组之前，已经经过1个塔顶转向滑轮，进入滑车组的拉力为：
8×0.94＝7.52t,在滑轮组上下挂架走4后，拉力为：
29.18t
2台天车起升力为：
2×29.18=58.36t>Q=14.8t（卷扬机起升力满足要求）
4、牵引索计算
牵引索牵引力由跑车运动阻力W1、起重索运动阻力W2和牵引索自然松弛力W3三部分组成。
牵引索采用φ24（6×37），q1＝0.00214t/m,F引=210.87mm2，d=1.1mm,
T破＝31.7t,[σ]=1670MPa,Ek=75600Mpa。
牵引卷扬机选用两台8t卷扬机，牵引滑轮组选用普通10t滑车，滑车直径450mm。
因为吊装拱脚节段时，跑车至塔架最近距离为15m，当x＝15m时，牵引升角最大，张力方程为：
跑车运动阻力：
（无衬套）
起重索运动阻力：
牵引索自然松弛张力：
总牵引力
牵引索最大拉力：
牵引索接触应力验算：
四、拱架扣索系统计算
扣索的索力采用计算软件进行计算。
具体计算步骤如下：
1、结点及单元
拱架单元划分：
以拱架和扣索的轴线交点、连接构件中心点为结点，每两个结点之间为一个单元，所有结点均为拱架截面中心点。
扣索单元划分：
扣索扣在桥台上的，以桥台实际位置和扣索轴线与拱架截面形心的交点为结点，两结点之间为一单元；扣索锚固在索塔上的，以塔顶和扣索轴线与拱架截面形心的交点为结点，两结点之间为一单元。
结点编号：
半跨拱架共划分为6个单元；每组扣索为一单元，半跨共5个单元。
结点编号由拱脚开始编号。
单元连接方式：
拱架单元之间为刚结，扣索单元与拱架单元之间为铰接。
位移约束：
拱脚及锚点处均根据实际情况约束自由度。
2、确定计算参数
坐标系建立：
以拱架拱脚节段在临时拱座上中心点为坐标原点，以金沙至遵义为横坐标，竖直向上为纵坐标方向。
荷载条件：
荷载包括钢拱架自重、安装时的施工荷载。
施工荷载根据《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041—2000）取值，取1.0KPa，施工荷载只在加载节段计入，即在加载下一节段时前面所有节段只有自重而无施工荷载；拱架自重简化为作用在加载节段上的均布荷载。
材料性质：
包括材料的弹性模量、截面面积、惯性矩及自重。
钢拱架各杆件的材料属性均取弹性模量
，泊松比为0.3，密度为
。
钢丝绳弹性模量取
，泊松比为0.3，密度为
。
3、利用电算软件建立模型
首先输入最后阶段，即扣索全部扣挂时结点坐标，建立单元及位移约束，再输入各计算参数。
4、计算（由软件完成）
5、输出计算结果
扣索模型：
索力输出：
所有拱架加载后各项参数
加载阶段
扣索单元编号
缆索索力T（t）
缆索与背索水平合力H（t）
缆索与背索竖向分力合力（t）
单根索塔上扣索索力F（t）
扣索与索塔夹度a1
缆索产生的索塔压力N1（t）
扣索与背索产生的索塔压力（t）
扣索产生的索塔压力合力N2=∑N2i
索塔压力合力N=N1+N2（t）
所有拱架节段加载后
1
35.6
35.6×（cos7.46°
-cos31°）=3.89
35.6×（sin7.46°
+sin31°）=20.82
8.2
0
20.82
0
48.46
69.28
2
7.25
0
0
3
8.3
52.9
9.48
4
21.95
61.5
22.75
5
16.8
66.8
16.23
备注：
索塔压力为一根钢管索塔上的值
6、扣索验算
根据上表扣索索力值，扣索采用4组φ28（6×37）钢丝绳，总破断力T破＝172.8t,[σ]=1670MPa,Ek=75600Mpa。
根据源石大桥扣索索力表，可知最不利情况为加载第五段拱架时，此时扣索4上的索力最大，为43.9t。
扣索安全系数：
满足要求。
五、其余临时结构计算
1、索塔计算
本缆索吊装系统索塔采用φ630mm×10mm螺旋钢管，其主要荷载为缆索及扣索产生的竖向力和水平力，水平力通过缆风索进行平衡，所以验算其强度和稳定性即可。
（1）、索塔外力
①、缆索产生的竖向压力（单根钢管索塔）
如表，缆索对单根钢管索塔产生的最大竖向压力为20.82t。
②、扣索产生的竖向压力
如表，扣索产生的最大竖向压力为48.46t。
③、索鞍、塔上构件及索塔自重产生的竖向压力（单根钢管索塔）
外力对索塔产生的总竖向力为
（2）、受力计算
①、钢管索塔特性
索塔采用φ630mm×10mm螺旋钢管，钢管截面积为19468mm2。
由于钢管索塔有两道横联，所以钢管的计算长度lp按图纸为7.5m。
②、索塔强度验算
③、索塔整体稳定性计算
2、后锚桩计算
源石大桥每岸设两根锚桩，锚桩形式采用重力式锚锭与圆形锚桩相结合的方式，重力式锚锭顺桥向长6.5米，横桥向宽4米，深度3.5米，圆形锚桩直径为2米，长6米，埋深4米，露出地面2米，锚桩位于锚锭中且均采用C30混凝土。
本计算主要计算锚桩的抗拔性验算、抗剪验算及锚锭的抗滑稳定性计算，由于埋深较深，锚锭的倾覆稳定性可不必验算。
锚锭和锚桩均布设构造钢筋，其中主筋为φ20，间距为20cm；箍筋为φ8，间距15cm，锚桩箍筋按螺旋形布设。
（1）、锚桩验算
作用在锚桩上产生最大外力时，为吊装最后一段拱架时，此时扣索3至扣索5均锚固在后锚桩上，所以此时外力分两部分。
一部分为缆索吊装系统主索所施加的；一部分为后3～5段扣索所施加的。
外力与水平面角度为31°，单根锚桩上所受的拉力为：
水平分力和竖向分力为：
①、锚桩抗拔性验算
源石大桥两岸锚桩处均为砂土质基础，根据《公路桥涵地基与基础设计规范》，桩周极限摩阻力τp为0.06～0.14MPa，取τp为0.1MPa，锚桩容许抗拔力为：
安全系数
②、锚桩抗剪验算
单个锚桩所受剪力为：
查表得，C30混凝土标准强度
为21MPa，其抗剪强度为0.1
即2.1MPa。
（2）、锚锭验算
锚锭主要验算其抗滑稳定性即可。
锚锭处为略微破碎石质基础，基底摩擦系数取0.8。
六、桥台稳定性计算
由于扣索1和扣索2扣挂于桥台上，因此需要计算桥台的抗倾覆稳定性和抗滑稳定性。
1、抗倾覆稳定性计算
取1#桥台进行计算（混凝土方量较小）
扣索1产生的倾覆力矩为：
扣索2产生的倾覆力矩为：
桥台自重产生的稳定力矩为：
抗倾覆稳定性：
满足要求。
2、抗滑稳定性计算
桥台处为夹泥石质基础，基底摩擦系数取0.6。
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