特大桥菱形挂篮设计计算共30页

1、28xxxx大桥菱形挂篮设计计算xxxxxxxx2004-12-22目 录目 录1第1章 设计计算说明11.1 设计依据11.2 工程概况11.3 挂篮设计21.3.1 主要技术参数21.3.2 挂篮构造21.3.3 挂篮计算设计荷载及组合31.3.4 内力符号规定3第2章 挂篮底篮及吊杆计算42.1 1#块段重量作用下底篮各项指标计算42.1.1 腹板下面加强桁架纵梁的计算42.1.2 底板下普通纵梁的计算72.1.3 底篮后横梁受力验算92.1.4 底篮前横梁受力验算122.1.5 吊带 (或精轧螺纹钢) 计算14第3章 挂篮主桁计算153.1 荷载组合i(混凝土重量+超载+动力附加荷载+

2、挂篮自重+人群和机具荷载)153.1.1荷载计算153.1.2 荷载组合i作用下主桁计算153.2 荷载组合ii(混凝土重量+超载+混凝土偏载+挂篮自重+人群和机具荷载)183.2.1 荷载计算183.3 荷载组合iii(混凝土重量+超载+挂篮自重+人群和机具荷载)213.3.1 荷载计算213.4 荷载组合iv(挂篮自重+冲击荷载)233.3.1 荷载计算23第4章 挂篮支点反力计算254.1 计算挂篮自重作用下前后支点反力254.1.1 作用荷载254.2 混凝土作用下挂篮支点反力26第1章 设计计算说明1.1 设计依据、xxxx施工图设计；、公路桥涵施工技术规范jtj041-2000；、

3、钢结构设计规范gbj17-88；、路桥施工计算手册；、桥梁工程、结构力学、材料力学；、其他相关规范手册。1.2 工程概况本主桥作为国道主干线xxxx一座特大型桥梁，跨越xxxx，主桥桥跨组成为70+110+110+70m的变截面单箱双室连续梁，采用垂直腹板。箱梁顶宽17.35m，底宽10.25m，翼缘板长3.55m，支点处梁高6.3m，跨中梁高2.5m，梁高及底板厚按二次抛物线变化，其方程为及。腹板厚100cm（支点）40cm（跨中），底板厚度为70cm（支点）25cm（跨中），顶板厚度保持26cm不变，设支点横隔板及中跨跨中横隔板。箱梁顶面设2单向横坡，腹板上方设通气孔。箱梁0#块梁段长度为

4、10m，边、中合拢段长度为2m；挂篮悬臂浇注箱梁最重块段为1#块，其重量为149.1t。该桥箱梁悬臂浇注拟采用菱形挂篮进行施工。xxxx特大桥箱梁悬臂浇注段采用菱形挂篮施工其各块段基本情况如下表1-1所示。表1-1 各梁段基本情况名称砼(m3)重量(吨)长度(m)高度(cm)底板厚(cm)腹板(cm)顶板(cm)1#块59.64149.135827050262#块56.52141.335426150263#块53.6134350656.550264#块50.88127.2347152.350265#块48.44121.1344048.350266#块53.64134.13.541044.740

5、267#块50.92127.33.537840.840268#块48.48121.23.535037.440269#块46.41163.532634.4402610#块50.84127.1430531.8402611#块48.96122.4428529.4402612#块47.32118.3427027.5402613#块46.52116.3425826.1402614#块45.92114.842522540261.3 挂篮设计1.3.1 主要技术参数、砼自重gc26kn/m3；、钢弹性模量es2.1×105mpa；、材料容许应力：容许材料应力提高系数：1.3。1.3.2 挂篮构造挂

6、篮为菱形挂篮，菱形桁片由230普通热轧槽钢组成的方形截面杆件构成，前横梁由2i45b普通热轧工字钢组成，底篮前横梁由2i36b普通热轧工字钢组成，底篮后横梁由2i36b普通热轧工字钢组成，底篮腹板下加强纵梁为由8和10普通热轧槽钢组成的桁架，底篮底板下加强纵梁为i28b普通热轧工字钢，吊杆采用32精轧螺纹钢。主桁系统重7.8t、行走系统重4.6t、底篮8.6t、提升系统重10.7t、外模重10.8t、内模系统重4t、张拉操作平台重0.5t，整个挂篮系统重47t，自重与载荷比为（以1#为例）0.315：1。1.3.3 挂篮计算设计荷载及组合、荷载系数考虑箱梁混凝土浇筑时胀模等系数的超载系数：1.

7、05；浇筑混凝土时的动力系数：1.2；挂篮空载行走时的冲击系数1.3；浇筑混凝土和挂篮行走时的抗倾覆稳定系数：2.0；挂篮正常使用时采用的安全系数为1.2。、作用于挂篮主桁的荷载箱梁荷载：箱梁荷载取1#块计算。1#块段长度为3m，重量为149.1t；施工机具及人群荷载：2.5kmpa；挂篮自重：47t；混凝土偏载：箱梁两侧腹板浇筑最大偏差取5m3混凝土，重量13t。、荷载组合荷载组合i：混凝土重量+超载+动力附加荷载+挂篮自重人群和机具荷载；荷载组合ii：混凝土重量+超载+混凝土偏载+挂篮自重+人群和机具荷载；荷载组合iii：混凝土重量+超载+挂篮自重+人群和机具荷载；荷载组合iv：挂篮自重+

8、冲击附加荷载；荷载组合i、ii用于主桁承重系统强度和稳定性计算；荷载iii用于刚度计算（稳定变形）计算；荷载组合iv用于挂篮系统行走计算。1.3.4 内力符号规定轴力：拉力为正，压力为负；应力：拉应力为正，压应力为负；其它内力规定同结构力学的规定。第2章 挂篮底篮及吊杆计算挂篮底篮计算荷载：箱梁荷载：取1#块计算，1#块梁段长度为3m，重量为149.1t，施工机具及人群荷载；2.5kpa。2.1 1#块段重量作用下底篮各项指标计算1#块段长度为3m，重量为149.1t，恒载分项系数k1=1.2；活载分项系数k2=1.4。2.1.1 腹板下面加强桁架纵梁的计算箱梁梁段两端高度分别为5.823m和

9、5.428m，加强桁架纵梁间腹板宽0.5m（由两片加强桁架纵梁承受），加强桁架纵梁与其它加强纵梁的间距为0.55m，混凝土荷载为(q11，q12分别表示梁段两端的线荷载)： 为便于计算，除侧模外，模板重量按2.5kn/m2计，模板荷载为：人群及机具荷载为：倾倒和振捣混凝土产生的荷载；底板混凝土重量为：加强纵梁上的均布荷载为：(1#块i端)(1#块j端)加强纵梁（桁架梁）的受力及计算模型如图2-1所示。(a) 加强桁架纵梁空间图(黄色为8槽钢、青色为10槽钢)(b) 加强桁架纵梁单元划分图q=64087n/m(c) 加强桁架纵梁单元加载图(d) 加强桁架纵梁构造图图2-1 加强桁架纵梁计算模型桁

10、架杆件内力如下表2-1所示，支点反力分别为109.05kn(内端)和85.017kn(外端)。表2-1 底篮加强桁架纵梁内力单元号轴力(n)剪力(n)弯矩(n-m)单元号轴力(n)10.09.60011.0271206202-72741.0-647.22284.7281102703-72741.0-628.02157.1291304604-72741.0-608.8233.5301023905-72741.05819.1554.531-353256-72741.0-16576-486.232-863247-72741.0-3739.8-2517.833191018-72741.09096.8-

11、1982.134-491689-72741.0219331120.9353777210-131220.0-209411230.536-9583111-131220.0-8103.9-1673.937-4109.312-131220.04732.7-2011.113-131220.017569219.114-131220.0-18669112.015-131220.0-5832.6-2338.216-131220.07004-2221.017-131220.019841463.518-57111.0-15409859.919-57111.0-2572.1-938.220-57111.03855.

12、8-809.821-57111.03875-36.722-57111.0-122.72327.623-57111.0-103.52305.024-57111.0-84.324286.225-57111.0-65.124271.2260.0-9.60011.0根据上述模型计算结果可得，加强桁架纵梁在荷载作用下产生的最大竖向挠度为=0.37cm<480/400=1.2cm，满足整体变形要求。但上弦杆在荷载作用下，杆件局部竖向变形达3.2mm，须注意加强局部杆件刚度。由上表可知，上弦杆(15号单元)最大轴力为n=-131.22kn(压力)，相应的弯矩为m=-2.338kn-m；最大剪力(10号

13、单元)q=-20.941kn。查表知10槽钢的截面特性参数为：应力为：(满足要求)。剪应力：(满足要求)。端腹杆(29号单元)最大拉力为n=130.460kn，杆件为10槽钢，其拉应力为：(满足要求)内腹杆(36号单元)最大压力为n=-95831n，杆件为8槽钢，杆件长度为l0=1.442m，其计算长度为0.8l0，稳定性计算如下：8槽钢截面特性为：长细比为：，查表得(满足要求)由上述计算可知加强桁架纵梁的各构件强度满足要求，受压腹杆稳定性也满足要求。2.1.2 底板下普通纵梁的计算 计算普通纵梁强度计算混凝土高度按距腹板外边1m的底板厚度0.7m，普通纵梁间距为0.66。混凝土荷载：模板重量

14、按2.5kn/m2计，模板荷载为：人群及机具荷载：倾倒和振捣混凝土产生的荷载：加强纵梁上的均布荷载为：普通纵梁为i28b普通热轧工字钢，纵梁计算模型和受力如下图2-2所示。支点反力分别为30.602kn(外端)和39.002kn(内端)。(a)普通纵梁构造及支反力(b)普通纵梁空间图(c)普通纵梁弯矩图(单位:n-m)(d)普通纵梁剪力图(单位:n)(e)普通纵梁变形图(单位:m)图2-2 普通纵梁模型及内力、变形图查表得i28b普通热轧工字钢的截面特性参数为：普通纵梁的最大弯矩为m=55.788kn-m，最大剪力为q=38.864kn,弯曲正应力和剪应力分别为：普通纵梁最大变形为=0.855

15、cm<满足变形要求。由上式计算可知，普通纵梁应力强度和变形条件均满足要求。2.1.3 底篮后横梁受力验算1#块箱梁横断面计算如图2-3所示，图中尺寸以米计。模板、支架按2.5kn/m2计，人群及机具荷载按2.5kn/m2计，倾倒和振捣混凝土荷载按4.0kn/m2计，1#块长度为3m，从底篮计算可知，后横梁承受箱梁56.2%的荷载。图2-3 底篮后横梁位置处箱梁截面图对a截面：对b截面：对c截面：对c，d截面：对d截面：对e截面：对f截面：上述a-f截面为箱梁50%的荷载，乘以0.562/0.5=1.124的系数，将最后得到的值加到后横梁上，计算图示如图2-4所示。(a) 底篮后横梁计算模

16、型及受力图(内力单位：kn/m，长度单位:m)(b) 底篮后横梁计算模型空间图(c) 底篮后横梁弯矩图(d) 底篮后横梁剪力图图2-4 底篮后横梁计算模型与内力图由上述计算结果可知，荷载作用下，后横梁最大弯矩为：m=118.511kn/m；最大剪力为q=132.572kn；跨中最大挠度为0.3mm<l/400=150/400=0.375cm，满足变形要求，两个内支座反力为78.328kn，两个外支座反力为246.07kn。底篮后横梁采用i36b普通热轧工字钢，其截面特性参数为：从而可以得到其应力为：(满足要求)由上述计算可知，底篮后横梁满足应力强度和变形要求。2.1.4 底篮前横梁受力验

17、算1#块箱梁横断面计算如图2-5所示，图中尺寸以米计。模板、支架按2.5kn/m2计，人群及机具荷载按2.5kn/m2计，倾倒和振捣混凝土荷载按4.0kn/m2计，1#块长度为3m，从底篮计算可知，后横梁承受箱梁56.2%的荷载。图2-5 底篮前横梁位置处箱梁截面图对a截面：对b截面：对c截面：对c，d截面：对d截面：对e截面：对f截面：上述a-f截面为箱梁50%的荷载，应乘以0.483/0.5=0.876系数，偏于安全考虑，将上述值直接加到前横梁上，计算图示如图2-6所示。(a)底篮前横梁计算模型及受力图(内力单位：kn/m，长度单位:m)(b)底篮前横梁计算模型空间图(c)底篮前横梁弯矩图

18、(e) 底篮前横梁剪力图87.512kn120.2174.7120.287.512kn(e)底篮前横梁支点反力图(单位：kn)图2-6 底篮前横梁计算模型与内力图由上述计算结果可知，荷载作用下，前横梁最大弯矩为：m=30.467kn/m；最大剪力为q=70.259kn；跨中最大挠度为0.567mm<l/400=355/400=0.887cm，满足变形要求支点反力如图所示。底篮前横梁采用i36b普通热轧工字钢，其截面特性参数为：从而可以得到其应力为：(满足要求)由上述计算可知，底篮前横梁满足应力强度和变形要求。2.1.5 吊带 (或精轧螺纹钢) 计算后吊带所承受的最大支点反力为246.07

19、kn，采用32精轧螺纹钢时，其应力为：其安全储备为：k=650/305.943=2.125(精轧螺纹钢控制应力取650mpa)。前吊带所承受的最大支点反力为174.7kn，采用32精轧螺纹钢时，其应力为：其安全储备为：k=650/217.208=2.993。由上述计算可知，底篮前后横梁的吊带安全储备均大于2，满足要求。第3章 挂篮主桁计算3.1 荷载组合i(混凝土重量+超载+动力附加荷载+挂篮自重+人群和机具荷载)3.1.1荷载计算 混凝土重量+超载+动力附加荷载：由底篮计算知，后吊点承受混凝土荷载的56.2%，即前吊点承受43.8%的混凝土荷载，即 挂篮荷载：主桁荷载作用于挂篮前支点p1=7

20、.8×1.29.36t前吊点承担底篮、侧模、内模1/2荷载：p2=(8.6+10.8+4)×1.2/2=14.04t前提升系统，端模。张拉操作平台作用在挂篮前支点：p3=(4.6+1.0+0.5)×1.2=7.32t 前吊点承担人群和机具荷载的一半p4=(0.25×3×17.35)×1.4/2=9.109t 倾倒和振捣混凝土荷载p5=0.4×3/2×17.35×1.4=14.574t单片主桁前吊点荷载3.1.2 荷载组合i作用下主桁计算 计算简图菱形桁架简化后计算简图如图2-7所示。(a) 主桁计算简图(

21、单位：cm、n)(b) 主桁杆件轴力图图2-7 主桁计算简图及轴力图由计算结果得到支反力和各杆的轴力大小，如表2-2所示。表2-2 主桁支反力及内力内力及支反力单元号支点号12345后支点前支点轴力(kn)01288.2-722.56-12761090-反力(kn)-679.081393.6注:支点反力为负表示拉力，为正表示压力。后锚及倾覆安全系数后锚安全系数取2，则所需的32精轧螺纹钢(张拉力513kn)根数为：取n=3。则倾覆安全系数为：主桁杆件强度验算主桁各杆件均由普通热轧轻型230槽钢组成图2-8所示的截面形状，30槽钢截面特性如下：图2-8 主桁构件截面示意图2号和5号杆件均受拉，杆

22、件长度分别为5.576m和5m，组合截面对虚轴y-y的长细比分别为0.8×557.6/15.45=28.87和0.8×500/15.45=25.89，换算长细比分别为49.33和47.65，满足要求，应力分别为：2号： (满足要求)改用普通热轧32b槽钢后应力为： (满足要求)5号： (满足要求)3号和4号杆件均为受压杆件，杆件长度分别为3m和5.831m，且4号杆件的轴压力大于3号杆件，故在此只验算4号杆件的应力强度及受压稳定性，其轴力为1276kn。4号杆件的换算长细比为：缀板间距按70cm考虑，则单肢对其1-1轴的长细比为：则换算长细比为： (满足要求)查表得到强度验

23、算： (满足要求)改用普通热轧32b槽钢后应力为： (满足要求)稳定性验算：由于热轧轻型30槽钢按轴压计算时不满足，故直接采用普通32b槽钢验算： (满足要求)而3号杆件的轴力只有4号杆件的56.5%，故3号杆件采用热轧轻型30槽钢满足强度和稳定性要求。由上述计算结果可知，4号杆件采用热轧轻型230槽钢不能满足强度和稳定性要求，而采用普通热轧232b槽钢即可满足要求。3.2 荷载组合ii(混凝土重量+超载+混凝土偏载+挂篮自重+人群和机具荷载)3.2.1 荷载计算 混凝土重量+超载由底篮计算知，后吊点承受混凝土荷载的56.2%，即前吊点承受43.8%的混凝土荷载，即混凝土偏载取值：箱梁两侧腹板

24、浇筑最大偏差取5m3，的混凝土，重量为13t。可知主桁一侧前吊点受力为g2/2=41.143t,另一侧为g2/2-13/2×0.438=38.296t。 挂篮荷载：主桁荷载作用于挂篮前支点，每个主桁支点为p1=7.8×1.2/24.68t每个主桁前吊点承担底篮、侧模、内模1/4荷载：p2=(8.6+10.8+4)×1.2/4=7.02t每个主桁前吊点承受前提升系统，端模1/2荷载,张拉操作平台作用在一个主桁挂篮前支点：p3=(4.6+1.0)×1.2/2+1.2×0.5=3.96t一个主桁前吊点按偏载承担人群和机具荷载的一半p4=(0.25&#

25、215;3×17.35)×1.4/4=4.555t 一个主桁前吊点按偏载承担倾倒和振捣混凝土荷载p5=0.4×3/2×17.35×1.4/2=7.287t单片主桁前吊点荷载由以上计算可知，两个主桁的前吊点荷载分别为:主桁结构计算简图如图2-9所示，主桁轴力以及弯矩如图2-10所示。图2-9 主桁计算简图(a) 前吊点力小的一侧主桁轴力图(单位：n)(b) 前吊点力小的一侧主桁弯矩图(单位：n-m)(c) 前吊点力大的一侧主桁轴力图(单位：n-m)(d) 前吊点力大的一侧主桁弯矩图(单位：n-m)图2-10 主桁内力图由上述计算结果可知，偏心荷载

26、作用一侧的主桁内力大于另一侧的主桁杆件内力，故采用偏心荷载一侧的杆件内力进行验算，杆件编号按图2-7中(b)所示。2号和5号杆件的拉力分别为1272.7kn和1069.9kn，杆件长度分别为5.576m和5m，组合截面对虚轴y-y的长细比分别为0.8×557.6/15.45=28.87和0.8×500/15.45=25.89，换算长细比分别为49.33和47.65，满足要求，应力分别为：2号： (满足)改用普通热轧32b槽钢后应力为： (满足要求)5号：(满足要求)3号和4号杆件均为受压杆件，杆件长度分别为3m和5.831m，且4号杆件的轴压力大于3号杆件，故在此只验算4号

27、杆件的应力强度及受压稳定性，其轴力为1255.2kn，4号杆件的换算长细比为：缀板间距按70cm考虑，则单肢对其1-1轴的长细比为：则换算长细比为： (满足要求)查表得到强度验算： (满足要求)改用普通热轧32b槽钢后应力为： (满足要求)稳定性验算：由于热轧轻型30槽钢按轴心轴力计算不满足，故直接采用普通32b槽钢验算： (满足要求)而3号杆件的轴力只有4号杆件的56.5%，故3号杆件采用热轧轻型30槽钢满足强度和稳定性要求。在偏心荷载作用下，最大竖向位移为=18.244mm。由上述计算结果可知，4号杆件采用热轧轻型230槽钢不能满足强度和稳定性要求，而采用普通热轧232b槽钢即可满足要求。

28、3.3 荷载组合iii(混凝土重量+超载+挂篮自重+人群和机具荷载)3.3.1 荷载计算 混凝土重量+超载由底篮计算知，后吊点承受混凝土荷载的56.2%，即前吊点承受43.8%的混凝土荷载，即所以每片主桁的前吊点承受的混凝土荷载为41.143t。 挂篮荷载：主桁荷载作用于挂篮前支点，每个主桁支点为p1=7.8×1.2/24.68t每个主桁前吊点承担底篮、侧模、内模1/4荷载：p2=(8.6+10.8+4)×1.2/4=7.02t每个主桁前吊点承受前提升系统、张拉操作平台和端模的1/2荷载,作用在一个主桁挂篮前支点：p3=(4.6+1.0)×1.2/2+1.2

29、15;0.5/2=3.66t一个主桁前吊点按偏载承担人群和机具荷载的一半p4=(0.25×3×17.35)×1.4/4=4.555t单片主桁前吊点荷载由以上计算可知，两个主桁的前吊点荷载均为:主桁结构计算简图如图2-11所示，主桁轴力以及弯矩如图2-12所示。图2-11 主桁计算简图(a) 主桁杆件轴力图(b) 主桁杆件弯矩图图2-12 主桁杆件内力图挂篮前吊点承受拉力p=639.65kn，前吊点精轧螺纹钢受拉长度约为8.6m，e=2.0×105mpa，面积为a=16.08cm2(232精轧螺纹钢)，其伸长量为：1.71cm所以挂篮的底篮前吊点最大竖向位

30、移为：=18.448+17.1=35.548mm3.4 荷载组合iv(挂篮自重+冲击荷载)3.3.1 荷载计算 混凝土重量+超载挂篮前移时，主桁靠反压轮扣在轨道上行走，挂篮的底篮加侧模的自重为23.4t，端模及张拉操作平台1.5t，前提升系统自重4.6t，则挂篮的前支点的荷载为：p1=23.4/2+1.5+4.6=17.8t，考虑冲击荷载后，单个前吊点荷载为：t=17.8×1.3/2=11.57t。主桁结构计算简图如图2-13所示，主桁轴力以及弯矩如图2-14所示。图2-13 主桁计算简图(a) 主桁杆件轴力图(b) 主桁杆件弯矩图图2-14 主桁杆件内力图由计算结果可知，主桁吊点处

31、竖向变形为=3.4mm；一侧反压轮所受力为：n=-125.099kn（拉力），为了确保挂篮行走的安全，挂篮前移时，在主桁上的锚固梁不能完全松开，以减小反压轮的压力。第4章 挂篮支点反力计算为计算箱梁的预拱度，须计算挂篮的前后支点反力。主桁系统7.8t，分别在前、后支点处产生80.094kn和-2.0186kn的反力。行走系统4.6t(后支点2.438t，前支点0.46t，其它1.702t为轨道荷载)，底篮8.6t(前后吊点各1/2)，提升系统10.7t(前提升4.6t、后提升6.1t)，外模10.8t、内模4t，张拉操作平台0.5t。挂篮支点反力的计算仅考虑了挂篮和混凝土的自重，没有考虑施工中

32、的冲击、安全及超载等不利荷载的影响，梁段的基本情况如下表4-1所示。表4-1 各梁段基本情况名称砼(m3)重量(吨)长度(m)高度(cm)底板厚(cm)腹板(cm)顶板(cm)1#块59.64149.135827050262#块56.52141.335426150263#块53.6134350656.550264#块50.88127.2347152.350265#块48.44121.1344048.350266#块53.64134.13.541044.740267#块50.92127.33.537840.840268#块48.48121.23.535037.440269#块46.41163.5

33、32634.4402610#块50.84127.1430531.8402611#块48.96122.4428529.4402612#块47.32118.3427027.5402613#块46.52116.3425826.1402614#块45.92114.842522540264.1 计算挂篮自重作用下前后支点反力4.1.1 作用荷载前吊点承受1/2底篮自重4.3t，前提升系统4.6t，端模1.0t，张拉操作平台0.5t，内模2t，外模5.4t，则前吊点的荷载为：p1=4.3+4.6+1.0+0.5+2+5.4=17.8t=178kn后吊点(主桁的前支腿)承受1/2底篮自重4.3t，后提升系统6.1t，内模1.0t，外侧模板5.4t，前支腿0.46t，则后吊点的荷载为：p2=4.3+6.1+1.0+5.4+0.46=17.26t=172.6kn后支腿受力为p3=24.38kn，结构按