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现浇箱梁满堂支架方案计算
中交三航局大西客专指挥部一项目部
祁县跨G208特大桥上跨G208现浇箱梁
模板及满堂支架方案计算书
二○一○年十二月
祁县跨G208特大桥上跨G208国道现浇箱梁模板
及满堂支架方案计算书
1编制依据
1.1新建铁路大同至西安客运专线施工图设计文件及地勘报告,以及设计变更、补充、修改图纸及文件资料。
1.2国家有关的政策、法规、施工验收规范和工程建设标准强制性条文(城市建设部分),以及现行有关施工技术规范、标准等。
1.3参考《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》、《混凝土工程模板与支架技术》、《铁路桥涵施工手册》、《建筑施工计算手册》。
2工程概况
本段(40+64+40)m连续梁跨越G208国道。
连续段中心里程桩号为DK341+374;绝对标高为772.9~773.6m左右;地形较平坦,相对高差较小。
主线在该处与G108国道斜交叉,G208国道为沥青路面,路面宽22米,与线路交角129.12度。
梁全长145.5m,计算跨度为40+64+40,中支点处梁高6.05m,跨中10m直线段及边跨13.75m直线段梁高位3.05m边支座中心线至梁端0.75m,边支座横桥向中心距5.6m,中支座横桥向中心距5.9m。
梁体为单箱单室、变高度、变截面结构。
箱梁顶宽12.0m,箱梁底宽6.7m。
顶板厚度40cm,腹板厚度40~80cm,底板厚度40~80cm。
全联在端支点、中支点及跨中共设5个横隔板,其中端支点横隔板厚105cm,中支点横隔板厚150cm,跨中横隔板厚50cm。
全联采用满堂支架法现浇施工。
3现浇箱梁满堂支架布置及搭设要求
采用WDJ碗扣式多功能脚手杆搭设,使用与立杆配套的横杆及立杆可调底座、立杆可调托撑。
立杆顶设二层方木,立杆顶托上纵向设15×15cm方木;纵向方木上设10×10cm的横向方木,其中在墩顶端横梁和跨中横隔梁下间距不大于0.25m(净间距0.15m)、在跨中其他部位间距不大于0.3m(净间距0.2m)。
模板宜用厚18mm的优质竹胶合板,横板边角宜用4cm厚木板进行加强,防止转角漏浆或出现波浪形,影响外观。
采用立杆横桥向间距×纵桥向间距×横杆步距为60cm×60cm×90cm支架结构体系,支架纵横均设置剪刀撑,其中横桥向斜撑每1.8m设一道,纵桥向斜撑沿横桥没1.8m道。
4现浇箱梁支架验算
本计算书分别以中支点最大截面预应力混凝土箱形连续梁(单箱单室)和跨中等截面预应力混凝土箱形连续梁(横隔板)处为例,对荷载进行计算及对其支架体系进行检算。
4.1荷载计算
4.1.1荷载分析
根据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:
⑴q1——箱梁自重荷载,新浇混凝土密度取2600kg/m3。
⑵q2——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q2=1.0kPa(偏于安全)。
⑶q3——施工人员、施工材料和机具荷载,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。
⑷q4——振捣混凝土产生的荷载,对底板取2.0kPa,对侧板取4.0kPa。
⑸q5——新浇混凝土对侧模的压力。
⑹q6——倾倒混凝土产生的水平荷载,取2.0kPa。
⑺q7——支架自重,经计算支架在不同布置形式时其自重如下表所示:
满堂钢管支架自重
立杆横桥向间距×立杆纵桥向间距×横杆步距
支架自重q7的计算值(kPa)
60cm×60cm×90cm
3.38
4.1.2荷载组合
模板、支架设计计算荷载组合
模板结构名称
荷载组合
强度计算
刚度检算
底模及支架系统计算
⑴+⑵+⑶+⑷+⑺
⑴+⑵+⑺
侧模计算
⑸+⑹
⑸
4.1.3荷载计算
⑴箱梁自重——q1计算
根据跨G208国道现浇箱梁结构特点,我们取5-5截面(中支点横隔板两侧)、6-6截面(跨中横隔板梁)两个代表截面进行箱梁自重计算,并对两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。
15-5截面(中支点横隔板梁两侧)处q1计算
根据横断面图,用CAD算得该处梁体截面积A=17.15m2则:
q1=
=
=
取1.2的安全系数,则q1=66.55×1.2=79.86kPa
注:
B——箱梁底宽,取6.7m,将箱梁全部重量平均到底宽范围内计算偏于安全。
26-6截面(跨中横隔板梁)处q1计算
根据横断面图,用CAD算得梁体截面积A=10.51m2则:
q1=
=
=
取1.2的安全系数,则q1=40.785×1.2=48.942kPa
注:
B——箱梁底宽,取6.7m,将箱梁全部重量平均到底宽范围内计算偏于安全。
⑵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=1.2m/h浇筑速度控制,砼入模温度T=28℃控制,因此新浇混凝土对侧模的最大压力
q5=
K为外加剂修正稀数,取掺缓凝外加剂K=1.2
当V/t=1.2/28=0.043>0.035
h=1.53+3.8V/t=1.69m
q5=
4.2结构检算
4.2.1扣件式钢管支架立杆强度及稳定性验算
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按φ48×3.5mm钢管扣件架进行立杆内力计算,计算结果同样也使用于WDJ多功能碗扣架(偏于安全)。
⑴中支点横隔板两侧5-5截面处
在中支点横隔板,钢管扣件式支架体系采用60×60×90cm的布置结构,如图:
①、立杆强度验算
根据立杆的设计允许荷载,当横杆步距为90cm,立杆可承受的最大允许竖直荷载为[N]=35kN(参见公路桥涵施工手册中表13-5碗口式构件设计荷载[N]=35kN、路桥施工计算手册中表13-5钢管支架容许荷载[N]=35.7kN)。
立杆实际承受的荷载为:
N=1.2(NG1K+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=0.6×0.6×q1=0.6×0.6×76.08=27.38KN
NG2K=0.6×0.6×q2=0.6×0.6×1.0=0.36KN
ΣNQK=0.6×0.6×0.6(q3+q4+q7)=0.36×(1.0+2.0+3.38)=2.296KN
则:
N=1.2(NG1K+NG2K)+0.85×1.4ΣNQK=1.2×(27.38+0.36)+0.85×1.4×2.296=33.08KN<[N]=35kN,强度满足要求。
②、立杆稳定性验算
根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》有关模板支架立杆的稳定性计算公式:
N/ΦA+MW/W≤f
N—钢管所受的垂直荷载,N=1.2(NG1K+NG2K)+0.85×1.4ΣNQK(组合风荷载时),同前计算所得;
f—钢材的抗压强度设计值,f=205N/mm2参考《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》表5.1.6得。
A—φ48mm×3.5㎜钢管的截面积A=489mm2。
Φ—轴心受压杆件的稳定系数,根据长细比λ查表即可求得Φ。
i—截面的回转半径,查《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》附录B得i=15.8㎜。
长细比λ=L/i。
L—水平步距,L=0.9m。
于是,λ=L/i=57,参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》查附录C得Φ=0.829。
MW—计算立杆段有风荷载设计值产生的弯距;
MW=0.85×1.4×WK×La×h2/10
WK=0.7uz×us×w0
uz—风压高度变化系数,参考《建筑结构荷载规范》表7.2.1得uz=1.38
us—风荷载脚手架体型系数,查《建筑结构荷载规范》表6.3.1第36项得:
us=1.2
w0—基本风压,查〈〈建筑结构荷载规范〉〉附表D.4w0=0.8KN/m2
故:
WK=0.7uz×us×w0=0.7×1.38×1.2×0.8=0.927KN
La—立杆纵距0.6m;
h—立杆步距0.9m,
故:
MW=0.85×1.4×WK×La×h2/10=0.0536KN
W—截面模量查表〈〈建筑施工扣件式脚手架安全技术规范〉〉附表B得:
W=5.08×103mm3
则,N/ΦA+MW/W=33.08×103/(0.829×489)+0.0536×106/(5.08×103)=92.153KN/mm2≤f=205KN/mm2
计算结果说明支架是安全稳定的。
4.2.2满堂支架整体抗倾覆验算
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栽作用下时,倾覆稳定系数不得小于1.3。
K0=稳定力矩/倾覆力矩=y×Ni/ΣMw
采用跨中64m验算支架抗倾覆能力:
跨中支架宽16m,长64m采用60×60×90cm跨中支架来验算全桥:
支架横向27排;
支架纵向106排;
高度11m;
顶托TC60共需要27×106=2862个;
立杆需要27×106×11=31483m;
纵向横杆需要27×11/0.9×64=21120m;
横向横杆需要106×11/0.9×16=28728m;
故:
钢管总重(40608+26880+26737)×3.84=312.311t;
顶托TC60总重为:
2862×7.2=20.606t;
故q=312.311×9.8+20.606×9.8=3262.58KN;
稳定力矩=y×Ni=8×3262.58=26100.64KN.m
依据以上对风荷载计算WK=0.7uz×us×w0=0.7×1.38×1.2×0.8=0.927KN/m2
跨中64m共受力为:
q=0.927×11×64=652.6KN;
倾覆力矩=q×5=652.6×5=3263KN.m
K0=稳定力矩/倾覆力矩=26100.64/3263=7.99>1.3
计算结果说明本方案满堂支架满足抗倾覆要求
4.2.3箱梁底模下横桥向方木验算
本施工方案中箱梁底模底面横桥向采用10×10cm方木,方木横桥向跨度在箱梁跨中截面处按L=60cm进行受力计算,在中支点截面及跨中横隔板梁处按L=60cm进行受力计算,实际布置跨距均不超过上述两值。
如下图将方木简化为如图的简支结构(偏于安全),木材的容许应力和弹性模量的取值参照杉木进行计算,实际施工时如油松、广东松等力学性能优于杉木的木材均可使用。
⑴中支点5-5截面(墩顶及横隔梁)处
按中支点截面处3米范围进行受力分析,按方木横桥向跨度L=60cm进行验算。
①方木间距计算
q=(q1+q2+q3+q4)×B=(66.55+1.0+2.5+2)×3=216.15kN/m
M=(1/8)qL2=(1/8)×216.15×0.62=9.7kN·m
W=(bh2)/6=(0.1×0.12)/6=0.000167m3
则:
n=M/(W×[δw])=9.7/(0.000167×11000×0.9)=5.8(取整数n=6根)
d=B/(n-1)=3/5=0.6m
注:
0.9为方木的不均匀折减系数。
经计算,方木间距小于0.6m均可满足要求,实际施工中为满足底模板受力要求,方木间距d取0.3m,则n=3/0.3=10。
②每根方木挠度计算
方木的惯性矩I=(bh3)/12=(0.1×0.13)/12=8.33×10-6m4
则方木最大挠度:
fmax=(5/384)×[(qL4)/(EI)]=(5/384)×[(265.8×0.64)/(12×9×106×8.33×10-6×0.9)]=5.54×10-4m<l/400=0.6/400=1.5×10-3m(挠度满足要求)
③每根方木抗剪计算
τ=
MPa<[τ]=1.7MPa
符合要求。
4.2.4扣件式钢管支架立杆顶托上顺桥向方木验算
本施工方案中WDJ多功能碗扣架顶托上顺桥向采用15×15cm方木,方木在顺桥向的跨距在箱梁跨中按L=60cm(横向间隔l=60cm布置)进行验算,横桥向方木顺桥向布置间距在中支点桥墩两侧均按0.25m(中对中间距)布设,在箱梁跨中部位均按30cm布设,如下图布置,将方木简化为如图的简支结构(偏于安全)。
木材的容许应力和弹性模量的取值参照杉木进行计算,实际施工时如油松、广东松等力学性能优于杉木的木材均可使用。
⑴中支点两侧截面(按5-5截面受力)处
①方木抗弯计算
p=lq/n=l(q1+q2+q3+q4)×B/n=0.6×(29.1+1.0+2.5+2)×24/80=6.228kN
Mmax=(a1+a2)p=(0.45+0.15)×6.228=3.74kN·m
W=(bh2)/6=(0.15×0.152)/6=5.6×10-4m3
δ=Mmax/W=3.74/(5.6×10-4)=6.68MPa<0.9[δw]=9.9MPa(符合要求)
注:
0.9为方木的不均匀折减系数。
②方木抗剪计算
Vmax=3p/2=(3×6.228)/2=9.342kN
τ=
MPa<0.9×[τ]=1.7×0.9=1.53MPa
符合要求。
③每根方木挠度计算
方木的惯性矩I=(bh3)/12=(0.15×0.153)/12=4.2×10-5m4
则方木最大挠度:
fmax=
=4.912×10-5<0.9×L/400=0.9×0.9/400m=2.025×10-3m
故,挠度满足要求
4.2.5底模板计算
箱梁底模采用竹胶板,取各种布置情况下最不利位置进行受力分析,并对受力结构进行简化(偏于安全)如下图:
通过前面计算,横桥向方木布置间距分别为0.3m和0.25m时最不利位置,则有:
竹胶板弹性模量E=5000MPa
方木的惯性矩I=(bh3)/12=(1.0×0.0153)/12=2.8125×10-7m4
⑴5-5截面处底模板计算
①模板厚度计算
q=(q1+q2+q3+q4)l=(83.1+1.0+2.5+2)×0.25=22.15kN/m
则:
Mmax=
模板需要的截面模量:
W=
m2
模板的宽度为1.0m,根据W、b得h为:
h=
因此模板采用1220×2440×18mm规格的竹胶板。
②模板刚度验算
fmax=
<0.9×0.25/400m=6.25×10-3m
故,挠度满足要求
4.2.6侧模验算
根据前面计算,分别按10×10cm方木以25cm和30cm的间距布置,以侧模最不利荷载部位进行模板计算,则有:
⑴10×10cm方木以间距30cm布置
①模板厚度计算
q=(q4+q5)l=(4.0+50.7)×0.3=16.41kN/m
则:
Mmax=
模板需要的截面模量:
W=
m2
模板的宽度为1.0m,根据W、b得h为:
h=
因此模板采用1220×2440×15mm规格的竹胶板。
②模板刚度验算
fmax=
<0.9×0.3/400m=7.5×10-3m
⑵10×10cm方木以间距25cm布置
①模板厚度计算
q=(q4+q5)l=(4.0+50.7)×0.25=13.675kN/m
则:
Mmax=
模板需要的截面模量:
W=
m2
模板的宽度为1.0m,根据W、b得h为:
h=
根据施工经验,为了保证箱梁底面的平整度,通常竹胶板的厚度均采用12mm以上,因此模板采用1220×2440×18mm规格的竹胶板。
②模板刚度验算
fmax=
<0.9×0.25/400m=6.25×10-3m
4.2.7跨中工字钢平台支架体系验算
本桥施工方案中跨中的门式通道采取钢管柱和工字钢平台支架体系,工字钢平台支架体系由门式立柱上铺设I45a工字钢横向分配梁,横向分配梁上铺设I45a工字钢(横桥向间距0.6m)、工字钢上横向满铺15×15cm方木、横向满铺方木上顺桥向铺设地梁(20×25cm方木,间距0.6m,对应工字钢位置)及搭设满堂扣件式钢管支架。
门式通道支架体系构造图另见附图。
工字钢梁强度及刚度验算
①工字钢强度验算
验算中将工字钢受力体系简化成如下图计算模式(偏于安全)。
A、工字钢间距计算
q=(q1+q2+q3+q4+q7)×B=(76.08+1.0+1.0+2+2.21)×16=1284kN/m
M=(1/8)qL2=(1/8)×1284×62=5085kN·m
查《桥涵计算手册》得I45b:
Ix=16574cm4=0.00016574m4
Wx=920.8cm3=0.0009208m3
=30.6cm=306mm=0.306m
则:
n=M/(W×[δw])=5085/(0.0009208×145000×0.9)=42.3(取整数n=43根)
d=B/(n-1)=32/42=0.76m
注:
0.9为安全提高系数。
经计算,工字钢间距小于0.76m均可满足要求,实际施工时为工字钢按间距d取0.6m,则n=16/0.6=26.15(取27根)。
B、单根工字钢强度检算
单位长度上的荷载为:
q=(q1+q2+q3+q4+q7)×b=(29.1+1.0+1.0+2+2.21)×0.6=21.186kN/m
跨中最大弯距为:
Mmax=
支点处最大剪力设计值:
Vmax=
初选截面:
梁所需要的截面抵抗矩为:
W=
查《桥涵计算手册》得I45b:
Ix=16574cm4=0.00016574m4
Wx=920.8cm3=0.0009208m3
=30.6cm=306mm=0.306m
I45b自重为0.66KN/m(查桥涵手册)
I45b自重产生弯距为:
M=
总弯距Mx=95.337+2.97=98.31KN·m
弯距正应力为
(临时结构,取1.3的容许应力增加值)
支点处剪力为:
Qx=63.56+0.66×3=65.54KN
为腹板板厚度
=12mm
max=
Mpa<1.3×85Mpa(1.3为容许应力增大值)
②工字钢跨中挠度验算:
I45b单位长度上的荷载标准值为:
q=21.186+0.66=21.846KN/m
I45b刚度满足要求,所以采用I45b。
4.2.8立杆底座和地基承载力计算
⑴立杆承受荷载计算
在中支点两侧立杆的间距为60×60cm,每根立杆上荷载为:
N=a×b×q=a×b×(66.55+q2+q3+q4+q7)
=0.6×0.6×(66.55+1.0+1.0+2.0+2.94)=26.45kN
⑵立杆底托验算
立杆底托验算:
N≤Rd
通过前面立杆承受荷载计算,每根立杆上荷载最大值为:
N=a×b×q=a×b×(q1+q2+q3+q4+q7)
=0.6×0.6×(66.55+1.0+1.0+2.0+2.94)=26.45kN
底托承载力(抗压)设计值,一般取Rd=40KN;
得:
26.45KN<40KN立杆底托符合要求。
⑵立杆地基承载力验算
地基薄弱地段分层换填建筑弃渣或片石土等约1.5m厚并填筑30cm厚二灰碎石土,使压实度达到94%以上后,根据经验及试验,地基承载力达到[fk]=200~250Kpa(参考《建筑施工计算手册》。
立杆地基承载力验算:
≤K·
k
式中:
N——为脚手架立杆传至基础顶面轴心力设计值;
Ad——为立杆底座面积Ad=15cm×15cm=225cm2;
按照最不利荷载考虑,立杆底拖下砼基础承载力:
,底拖下砼基础承载力满足要求。
底托坐落在15cm加筋砼层上,按照力传递面积计算:
k为地基承载力标准值;
试验锤击数
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
k(Kpa)
105
145
190
235
280
325
370
435
515
600
680
K调整系数;混凝土基础系数为1.0
按照最不利荷载考虑:
=
≤K·[
k]=1.0×235KPa
经过计算,地基处理要求贯入试验垂击数必须达到11下。
基础处理时填土石混渣或建筑拆迁废渣,并用压路机压实后检测。
将混凝土作为刚性结构,按照间距60×60cm布置,在1平方米面积上地基最大承载力F为:
F=a×b×q=a×b×(q1+q2+q3+q4+q7)
=1.0×1.0×(83.1+1.0+1.0+2.0+2.94)=90.04kN
则,F=90.04kpa<[
k]=1.0×235Kpa
经过地基处理后,可以满足要求。
4.2.9支架变形
支架变形量值F的计算:
F=f1+f2+f3
①f1为支架在荷载作用下的弹性变形量
由上计算每根钢管受力为33.08KN,φ48mm×3.5㎜钢管的截面积为489mm2。
于是f1=б×L/E
б=33.08÷489×103=67.65N/mm2,
则f1=67.65×10÷(2.06×105)=3.28mm。
②f2为支架在荷载作用下的非弹性变形量
支架在荷载作用下的非弹性变形f2包括杆件接头的挤压压缩δ1和方木对方木压缩δ2两部分,分别取经验值为2mm、3mm,即f2=δ1+δ2=5mm。
③f3为支架地基沉降量计算:
支架地基沉降量按《GBJ7-89规范》推荐地基最终沉降量公式计算:
f3=
A、基础底面附加应力计算
根据前面计算结果,支架基础(C15加筋砼)底面以上最大荷载为F=90.4+3.9=94.3KN/m2,同理基础底面的附加压力为P0=F=94.3KN/m2。
B、地基土分层
根据现场地质情况(以地勘报告AK14地质柱状图为例),将地基土按压缩性分层,设压缩层厚度为3m,其中换填砂夹石土层厚1.5m、压缩模量7.0MPa,中液限粘质土层厚1.5m、压缩模量6.2MPa。
C、各分层的压缩量计算
根据最不利荷载受力部位支架布置,将满堂支架基础底面积转化为0.6×0.6基础进行计算分析。
a、换填砂夹石土层:
该土层的顶面及底面分别位于基础地面下Z0=0m及Z1=1.5m处,则:
于是换填砂夹石土层的压缩量
为:
b、中液限粘质土层:
该土层的顶面及底面分别位于基础地面下Z1=1.5m及Z1=3.0m处,则:
于是中液限粘质土层的压缩量
为:
D、确定压缩层厚度
先计算深度Zn=3.0m处向上取0.3m的土层压缩量
:
则,
于是得:
故压缩厚度可取为3.0m(从C15加筋砼基础底面算起)。
E、地基最终沉降量计算
压缩层范围内各土层压缩模量加权平均值ESP为:
因4,则地基最终总沉降量S为:
f3=
故支架变形量值F为:
F=f1+f2+f3=3.28+5+6.31=14.59mm
5支架搭设施工要求及技术措施
现浇箱梁支架采用满堂扣件钢管脚手架或碗口式钢管