门洞受力计算书.docx
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门洞受力计算书
门洞受力计算书
门洞受力计算
1.编制依据
(1)、《公路桥涵施工技术规范》
(2)、《公路工程质量检验评定标准》
(3)、《路桥施工计算手册》
(4)、《建筑施工计算手册》
(5)、《公路施工手册》下册
(6)、《建筑结构荷载规范》
(7)、《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》
2.工程概况
一、工程概况
XX互通BK0+632.243匝道桥位于益阳至娄底高速公路XX互通,下穿C匝道和潭卲高速。
桥梁起点桩号BK0+632.243,终点桩号BK0+732.243,全桥共分三联分别为(2×18)+(2×23+37+2×23)+(2×23+37+2×23),为等宽预应力砼现浇连续箱梁结构,桥宽10.5m。
拟设计模板及支架形式
模板拟采用4mm厚钢模板,支撑方式采用满堂式碗扣支架。
碗扣支架采用WDJ式支架,架杆外径4.8cm,壁厚0.35cm,内径4.1cm。
支架顺桥向纵向间距0.9m,横隔板处纵向间距0.6m,横桥向横向间距梁底为0.9m,翼缘板底为0.9m,纵横水平杆竖向间距1.2m。
考虑支架的整体稳定性,在纵横向布置斜向钢管剪力撑。
3.门洞设计
XX互通B匝道桥第10跨潭卲高速旧路面上设置门洞。
门洞平行于旧路中心线。
基础为两道长12.00米、宽0.8米、高0.5米C30混凝土条形基础,条形基础净宽为4米。
基础上部每侧设5根门洞立柱、门洞立柱中心垂直距离为4.8米,(斜距为5.04米)门洞净高为6米。
门柱钢管采用热轧无缝钢管,直径Φ300mm,壁厚8mm,门柱钢管底部与条形基顶部预埋钢板进行焊接,焊接方式为围焊,四周设6块15mm×15mm×10mm加劲板。
门柱钢管顶部对立柱钢管进行封口,并沿门柱四周设加劲板与柱身焊接牢固。
每排门柱上横桥设1道I50b号工字钢承重梁,承重梁与门柱底部及周围进行焊接固定。
承重梁上顺桥向在腹板处(按斜距0.63米)垂直间距0.6米布设I50b,在翼板处(按斜距0.95)垂直间距0.9米,在底板处(按斜距0.95米)(垂直间距为0.9米)布设I50b,工字钢底部与承重梁进行点焊连接,顶部每2米用Ф16mm钢筋将I50b工字钢连接为一个整体。
连接完成后,垂直于纵梁在门洞范围内满布10cm×10cm方木,之后按原支架设计图搭设碗扣支架,搭设支架时,要用纵横钢管与原支架进行连接牢固。
门洞侧面图
门洞正面图
4.模量数据
方木落叶松,根据《路桥施工计算手册》,容许弯曲应力为:
[σw]=11MPa、弹性模量:
E=9×103MPa,容许弯曲剪应力[τ]=1.9MPa,自重为:
5KN/m³。
A3钢抗压轴向容许应力:
[σ]=140MPa、容许弯曲应力:
[σ]=145MPa、容许剪应力:
[τ]=85MPa,弹性模量为E=2.1×105MPa。
支架容许最大长细比:
[λ]=150
查《路桥施工计算手册》第796页附表3-31可知:
50b工字钢截面面积:
A=129.304cm2,截面抵抗矩W=1940cm3、截面惯性矩I=48600cm4,回转半径为I=19.4cm,自重为1.015KN/m,钢材抗拉弯曲应力为[σ]=145MPa
查《路桥施工计算手册》第781页附表3-8可知,C30混凝土轴心抗压强度为17.5MPA,查资料可知:
混凝土抗剪强度与抗压强度之比为0.065-0.089,计算时比值取0.077,经计算混凝土抗剪强度为:
1.347MPa。
顶托重:
0.045KN/个。
5.荷载组合、计算
根据现浇箱梁的特点,通过分析,选取具有代表性及最不利荷载的不同断面、不同部位进行箱梁传递荷载作用下的门洞受力系统分析,取腹板、底板变截面及翼缘板处进行门洞材料设计及验算。
5.1荷载组合
根据现浇箱梁的结构特点,在门洞施工中涉及以下荷载,取值由《路桥施工计算手册》第172页附表8-1可查:
1、q1:
箱梁自重荷载,钢筋混凝土取值为:
26KN/m3
2、q2:
箱梁内模、底模、内模支撑及外模支撑荷载取值:
0.8KN/m2
3、q3:
施工人员、施工材料及设备荷载,按匀布荷载计算,计算模板及直接支承的小棱时均布荷载取:
2.5KN/m2
4、q4:
振捣荷载,对水平模板取值为2.0KN/m2,
5、q5:
倾倒混凝土产生的冲击荷载取值为:
2.0KN/m2
6、q6:
支架或底模方木荷载
由《路桥施工计算手册》第176页附表8-4可知:
梁底模及支架计算荷载组合为:
(q1+q2+q3+q4+q5+q6)=(26KN/m3+0.8KN/m2+2.5KM/m2+2.0KN/m2+2.0KN/m2+q6)
由《路桥施工计算手册》第175页附表8-5可知恒载荷载分项系数为:
1.2、活荷载分项系数取值为:
1.4。
5.2计算
5.2.1腹板处材料选型、强度、刚度验算
作用在腹板位置处的荷载计算:
腹板处梁体自重、施工荷载及门洞平台顶部支架作用在平台顶上部的荷载
1)腹板处梁体自重及施工荷载:
q=1.2×(26KN/m3×2.21+0.8KN/m2)+1.4×(2.5KN/m2+2.0KN/m2+2.0KN/m2)=79.012KN/m2
2)平台顶部支架作用的荷载:
腹板部位支架纵向间距为0.9cm,横向间距为0.3米。
查图纸,得到原地面离桥面顶高度最大为12.74米,减去门洞净高6米,梁厚2米,方木厚度0.4米,得立杆的高度为为4.34米,设4道Ф48mm×3.5mm纵横连接杆,步矩为1.0米。
立杆顶部横向设10×15cm方木,纵向方木顶部按间距30cm设10×15cm方木。
作用在门洞平台纵梁上的荷载为:
(1)横向方木自重为:
q=1.2×7KN/m3×0.6×0.1×0.15/(0.3×0.9)=0.28KN/m2
(2)纵向方木自重为:
q=1.2×7KN/m³×1.8×0.1×0.15/(0.3×0.9)=0.84KN/m2
(3)支架纵横杆、立杆及顶托重量:
q=1.2×[4.893×10-4×78.5×(5×4+1.2×2×4)+0.045KN/个×4]/(0.3×0.9)=5.85KN/m2
3)平台顶部方木自重
由于门洞纵向工字顶部满铺100mm×100mm方木,纵向工字钢的斜距为0.63米,因此作用在纵向工字钢1米范围内的荷载为:
q=1.2×7KN/m3×(1/0.1+1)×0.63×0.1×0.1/(0.6×1)=0.9702KN/m2
4)作用在腹板处纵向工字钢上均布荷载为:
q=(79.012+0.28+0.84+5.85+0.9702)×0.63=54.78KN/m
纵梁选型
由以上设计可知,纵向工字钢两支点之间的距离为6.2米,垂直距离为5.9米,呈简支状态支撑在门柱横梁上,按一跨简支梁进行内力计算。
(1)内力计算
由简支梁计算公式可知,荷载作用下最大弯矩为:
M=qL2/8=54.78KN/m×6.22/8=263.22KN.m
(2)选择型钢截面
由截面抵抗矩公式可知:
W=M/σ=263.22×106N.mm÷145N/mm2=1815.31cm3
查《路桥施工计算手册》第796页附表3-31可知,50b工字钢的截面抵抗矩W=1940cm³,选1根50b工字钢截面抵抗矩W=1940cm3>1845.31cm3,故施工时选1根50b工字钢作为腹纵向承重梁,可满足受要求。
腹板下50b工字钢纵向分梁强度、刚度验算
(1)作用在腹板下50b工字钢纵向分梁的荷载为:
q=(79.012+0.28+0.84+5.85+0.9702)×0.63=54.78KN/m
(2)50b工字钢自重:
q=1.015KN/m
(3)合计荷载为:
q=54.78KN/m+1.2×1.015KN/m=55.998KN/m
按一跨简梁进行计算:
1弯矩:
Mmax=qL2/8=55.998KN/m×6.22/8=269.07KN.m
②弯曲应力:
σ=Mmax/W=269.07KN.m÷1940cm3
=138.7Mpa<[σ]=145MPa
③刚度:
fmax=5ql4/384EI=5×55.998×6.24×108/384×2.1×105×48600
=10.56mm<[f]=6200/400=15.5mm
④剪应力:
==55.998×6.2÷2÷0.424÷0.014=29.25MPa<85MPa
利用midas核算了下,:
=29MPa,与公式计算相同,剪应力图如下图
⑤反力Ra、Rb:
Ra=Rb=ql/2=55.998×6.2/2=173.59KN
经计算腹板处纵梁采用50b工字钢跨径按6.2米,横向按斜距为0.63米布设,工字钢在荷载作用下的强度、刚度、均满足受力要求。
5.2.2底板处材料选型、强度、刚度验算
作用在底板位置处的荷载计算:
底板处梁体自重、施工荷载及门洞平台顶部支架作用在平台顶上部的荷载
1)底板处梁体自重及施工荷载:
q=1.2×(26KN/m3×0.58+0.8KN/m2)+1.4×(2.5KN/m2+2.0KN/m2+2.0KN/m2)=28.156KN/m2
2)平台顶部支架作用的荷载:
底板部位支架纵向间距为0.9cm,横向间距为0.6米,立杆高度为4.34米,设4道Ф48mm×3.5mm纵横连接杆,立杆顶部横向设10×15cm方木,纵向方木顶部按间距30cm设10×15cm方木。
作用在门洞平台纵梁上的荷载为:
(1)横向方木自重为:
q=1.2×7KN/m3×1.2×0.1×0.15/(0.6×0.9)=0.28KN/m2
(2)纵向方木自重为:
q=1.2×7KN/m³×2.7×0.1×0.15/(0.6×0.9)=0.63KN/m2
(3)支架纵横杆、立杆及顶托重量:
q=1.2×[4.893×10-4×78.5×(5×4+1.5×2×4)+0.045KN/个×4]/(0.6×0.9)=2.76KN/m2
3)平台顶部方木自重
由于门洞纵向工字顶部满铺100mm×100mm方木,纵向工字钢的斜距为0.95米,因此作用在纵向工字钢1米范围内的荷载为:
q=1.2×7KN/m3×(1/0.1+1)×0.95×0.1×0.1/(0.6×1)=1.463KN/m2
4)作用在腹板处纵向工字钢上均布荷载为:
q=(28.156+0.28+0.63+2.76+1.463)×0.95=31.625KN/m
纵梁选型
由以上设计可知,纵向工字钢两支点之间的距离为6.2米,呈简支状态支撑在门柱横梁上,按一跨简支梁进行内力计算。
(1)内力计算
由简支梁计算公式可知,荷载作用下最大弯矩为:
M=qL2/8=31.625KN/m×6.22/8=151.96KN.m
(2)选择型钢截面
由截面抵抗矩公式可知:
W=M/σ=151.96×106N.mm÷145N/mm2=1048cm3
查《路桥施工计算手册》第796页附表3-31可知,50b工字钢的截面抵抗矩W=1940cm³,选1根50b工字钢截面抵抗矩W=1940cm3>1048cm3,故施工时选1根50b工字钢作为腹纵向承重梁,可满足受要求。
腹板下50b工字钢纵向分梁强度、刚度验算
(1)作用在腹板下400b工字钢纵向分梁的荷载为:
q=(28.156+0.28+0.63+2.76+1.463)×0.95=31.625KN/m
(2)50b工字钢自重:
q=1.015KN/m
(3)合计荷载为:
q=31.625KN/m+1.2×1.015KN/m=32.843KN/m
按一跨简梁进行计算:
2弯矩:
Mmax=qL2/8=32.843KN/m×6.22/8=157.81KN.m
②弯曲应力:
σ=Mmax/W=157.81KN.m÷1940cm3
=81.35Mpa<[σ]=145MPa
③刚度:
fmax=5ql4/384EI=5×32.843×6.24×108/384×2.1×105×48600
=6.19mm<[f]=6200/400=15.5mm
④剪应力:
τ==32.843×6.2÷2÷0.424÷0.014=17.152<85MPa
⑤反力Ra、Rb:
Ra=ql/2=32.843×6.2÷2=101.813KN
经计算腹板处纵梁采用50b工字钢跨径按6.2米,横向按斜距为0.95布设,工字钢在荷载作用下的强度、刚度、均满足受力要求。
5.2.3翼板处材料选型、强度、刚度验算
作用在翼板位置处的荷载计算:
翼板处梁体自重、施工荷载及门洞平台顶部支架作用在平台顶上部的荷载
1)翼板处梁体自重及施工荷载:
q=1.2×(26KN/m3×0.5+0.4N/m2)+1.4×(2.5KN/m2+2.0KN/m2+2.0KN/m2)=25/m2
2)平台顶部支架作用的荷载:
底板部位支架纵向间距为0.9cm,横向间距为0.6米,立杆高度为4.34米,设4道Ф48mm×3.5mm纵横连接杆,立杆顶部横向设10×15cm方木,纵向方木顶部按间距30cm设10×15cm方木。
作用在门洞平台纵梁上的荷载为:
(1)横向方木自重为:
q=1.2×7KN/m3×1.2×0.1×0.15/(0.6×0.9)=0.28KN/m2
(2)纵向方木自重为:
q=1.2×7KN/m³×2.7×0.1×0.15/(0.6×0.9)=0.63KN/m2(3)支架纵横杆、立杆及顶托重量:
q=1.2×[4.893×10-4×78.5×(5×4+1.5×2×4)+0.045KN/个×4]/(0.6×0.9)=2.76KN/m2
3)平台顶部方木自重
由于门洞纵向工字顶部满铺100mm×100mm方木,纵向工字钢的斜距为0.95米,因此作用在纵向工字钢1米范围内的荷载为:
q=1.2×7KN/m3×(1/0.1+1)×0.95×0.1×0.1/(0.6×1)=1.463KN/m2
4)作用在腹板处纵向工字钢上均布荷载为:
q=(25+0.28+0.63+2.76+1.463)×0.95=28.63KN/m
纵梁选型
由以上设计可知,纵向工字钢两支点之间的距离为6.2米,呈简支状态支撑在门柱横梁上,按一跨简支梁进行内力计算。
(1)内力计算
由简支梁计算公式可知,荷载作用下最大弯矩为:
M=qL2/8=28.63KN/m×6.22/8=137.57KN.m
(2)选择型钢截面
由截面抵抗矩公式可知:
W=M/σ=137.57×106N.mm÷145N/mm2=948.76cm3
查《路桥施工计算手册》第796页附表3-31可知,50b工字钢的截面抵抗矩W=1940cm³,选1根400b工字钢截面抵抗矩W=1940cm3>948.76cm3,故施工时选1根50b工字钢作为腹纵向承重梁,可满足受要求。
腹板下50b工字钢纵向分梁强度、刚度验算
(1)作用在腹板下400b工字钢纵向分梁的荷载为:
q=(25+0.28+0.63+2.76+1.463)×0.95=28.63KN/m
(2)50b工字钢自重:
q=1.015KN/m
(3)合计荷载为:
q=28.63KN/m+1.2×1.015KN/mKN/m=29.848KN/m
按一跨简梁进行计算:
3弯矩:
Mmax=qL2/8=29.848KN/m×6.22/8=143.419KN.m
②弯曲应力:
σ=Mmax/W=143.419KN.m÷1940cm3
=73.93pa<[σ]=145MPa
③刚度:
fmax=5ql4/384EI=5×29.848×6.24×108/384×2.1×105×48600
=5.63mm<[f]=6200/400=15.5mm
④剪应力:
τ==29.848×6.2÷2÷0.424÷0.014=15.59MPa<85MPa
⑤反力Ra、Rb:
Ra=ql/2=29.848×6.2÷2=92.53KN
经计算腹板处纵梁采用50b工字钢跨径按6.2米,横向按斜距为0.95布设,工字钢在荷载作用下的强度、刚度、均满足受力要求。
5.3横梁材料选型、强度、刚度验算
(1)荷载计算
由以上计算可知,腹板处传递作用在横梁上的集中荷载q=173.59KN、翼缘板处作用在横梁上的集中荷载q=101.813KN、底板处作用在横梁上的集中荷载q=92.53KN。
(2)本次计算利用midas建模,计算横梁的相关力学特征来验算。
荷载组合为从纵梁传递下的集中荷载力和横梁自重,模型图如下
横梁弯应力分析图如下
可看出横梁最大剪应力在节点15即左起第15根工字钢处,=23.281MPa<85MPa,符合要求
荷载作用下横梁的弯矩图
从图中可看出,Mmax=qL2/8=93KN.m,且为负弯矩。
由截面抵抗矩公式可知:
W=m/σ=93×106N.mm/145N/mm2=641.38cm3
查《路桥施工计算手册》第796页附表3-31可知,40b工字钢的截面抵抗矩W=1139cm3,选1根400b工字钢截面抵抗矩W=1139cm3>641.38cm3,故施工时选1根40b工字钢作为纵向承重梁,可满足受力要求。
弯曲应力σ=Mmax/W=93KNm/1139cm3
=81.7MPA<145MPA满足设计要求。
横梁在荷载作用下变形图如下
从图中可看出,变形处最大为fmax=0.746mm<[f]=2260/400=5.65mm,满足要求。
反力作用图如下
左起立柱开始,=466.3KN;=478.4KN;=593.9KN;=478.4KN;=466.3KN。
可知,;=593.9KN。
经计算门洞横向承重梁采用40b工字钢强度、刚度满足设计要求。
(四)门洞立柱选型及强度、刚度验算
由于门洞净空受设计梁底标高及原路面标高限制,门洞立柱高度取6米。
由《路桥施工计算手册》可得门洞立柱钢管力学特性如下:
(1)、钢管截面积:
A=1/4π(D2-d2)=0.25×3.14×(302-28.42)=73.351cm2
(2)、截面惯性矩:
I=π(D4-d4)/64=3.14×(304-28.44)/64=7823.56cm4
(3)、回转半径:
i=(D2+d2)0.5/4=(302+28.42)0.5/4=10.33cm
(4)、截面抵抗矩:
W=π(D4-d4)/4D=3.14×(304-28.44)/4×30=4172.562cm3
(5)钢材弹性模量:
E=2.1×105MPA
(6)钢材容许应力[σ]=140MPA
(7)受压构件容许长细比[λ]=150
门洞立柱与工字钢横梁按简支设计,故立柱只验算轴心受压和稳定性,验算荷载取最大值,Ra=418.9KN
(1)立柱材料选择
由应力计算公式:
A=RA/σ=593.9×103/140=4242.2mm2,在材料选择时,取安全系数为2,因此选取材料面积为:
4242.2mm2×2=8484.4mm2施工时选ф300mm,臂厚为10mm钢管,钢管面积为:
A=1502×3.14-1402×3.14=9106mm2>8484.4mm2可满足设计要求.
(2)门柱强度验算
由横梁传递在单根门柱上的集中荷载为:
593.9KN,直径300mm臂厚10mm、高度为6米的钢管自重为:
q=1.2×(0.3-0.28)×3.14×6×78.5=35.495KN,因此作用在单根门柱上的集中荷载为:
q=593.9KN+35.495KN=629.395KN
由应力公式:
RA/A=629.395×103/8484.4=74.18MPa<140MPa,安全系数为K=140MPa/74.18MPa=1.89,经验算立柱强度满足要求。
(3)门柱稳定性验算
由长细比:
λ=L/i=600/19.4=30.93<[λ]=150
由《路桥施工计算手册》第789页附表3-26可知:
φ=0.9
轴心受压稳定系数:
φ=0.9
单根ф300mm,臂厚为8mm钢管可承受荷载为:
N=φ×A×[σ]=0.9×7335.1×140/1000=924.23KN>629.395KN经验算立杆稳定性满足要求。
经计算门洞立杆采用ф300mm,臂厚为8mm钢管,间距2.26m+2.26m+2.26m+2.26m布设,顶部采用I40b工字钢呈四个等跨两端悬臂连续梁布置承重横梁,纵分配梁采用I50b工字钢,在翼缘板处按斜距0.95米(垂直距离0.9米)布设,腹板处按斜距0.63(垂直距离0.6米)布置,底板处按斜距0.95米(垂直距离0.93米)布置,可满足净高6米,净宽5.9米(斜距6.3米)门洞支架受力要求。