扒杆吊装梁板安全性验算.docx

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扒杆吊装梁板安全性验算

扒杆吊装梁板安全性验算

[摘  要]  本文通过对扒杆架梁全过程的分析和验算——扒杆格构式骨架强度和稳定性、混凝土地锚的稳定性、钢丝绳和缆风绳的剪破拉力，验证了其安全性。

[关键词]  扒杆格构式骨架  钢丝绳  缆风绳  稳定性  剪破拉力

为什么一种古老的架桥方式——扒杆吊装，在众多的高速上能够大受欢迎，甚至胜过架桥机！

其使用效果也得到了业主和施工单位广泛的好评！

在一些地方高速特定的地理条件下，这种架桥方法表现出几大优点：

1.设备简单、轻便，易于运输；2.有些高速公路上有大量的空心简支板梁，重量大都在十几吨到二十几吨之间，非常适合扒杆的起吊吨位；3.扒杆吊装较轻量级的梁板时，速度快，安全系数大；4.箱梁数量不多时，用扒杆吊装速度快，价格低！

下面是关于扒杆吊装梁板全过程的安全性验算。

1  架桥器材

①扒杆

扒杆是由两支型钢格构，在顶端用钢铰组成八字形，钢铰接处挂起起重滑车组，在下设置防滑钢丝绳或横拉杆

以承受水平推力。

②16t吊车两辆，用来起吊储存的梁板到轮胎平车上。

③卷扬机三台，功率分别为5Kw、5Kw、3Kw。

5Kw的

卷扬机用来带动钢丝绳竖直吊梁，3Kw的卷扬机用来带动

钢丝绳牵引轮胎平车和纵向定位梁板。

④手葫芦四个，安全荷载均为：

3吨。

⑤起重滑车组两对，导向滑车组四个。

⑥卡环（卸扣）两个，安全承载力35吨。

⑦齿条千斤顶两个，安全荷载15吨，用来将图

（1）扒杆从

盖梁移动到梁板上。

⑧钢丝绳3根，其中两根用来竖直吊装梁版，一根用来纵向    图1  扒杆骨架

定位梁板。

⑨轮胎平车两个，用来运输梁板。

⑩骑马式钢丝绳夹**，用来夹住缆风绳。

2扒杆纵向“钓鱼”架设受力计算

用设在安装孔墩台上的两副人字扒杆，配合运梁设备，以绞车相互牵吊，在梁下无支架，无导梁支托的情况下，把梁悬空掉过桥孔，再横移、落梁，就位安装。

一般主扒杆高度不宜小于梁长的1/2，其有效高度不宜小于梁长的30%。

2.1牵吊绳张拉力

吊梁过程中为了确保安全，在“钓鱼”的前阶段，钢丝绳不是吊着梁前面的吊环，而是捆着梁体，如图

（1）所示。

当梁体运输到靠近b墩时，再取回后面的钢丝绳改换后面捆住梁体，如图

（2），然后再缓慢将梁移动前行，到盖梁的正上方时再下落到枕木上。

这时再将前后钢丝绳改换到吊环上，将梁体精确定位。

精确定位时前后方向由卷扬机带动一钢丝绳来调整，左右方向由两个链条葫芦来调整。

架桥全过程中，吊绳拉力与梁体轴线方向几乎都保持垂直，不会对梁体产生较大的轴力！

图2  扒杆“钓鱼”架设

图3  改换吊绳

吊装的梁板中有长为16m、20m，现在选取20m的边板作为计算对象，其体积为10.3m3,实际重力为G=10.3×25×1.05=270.375kN（考虑5%的施工误差）。

滑车组质量为2×50kg,Ф19.5钢丝绳密度为1.327kg/m,其长度为8×11m，则钢丝绳的重量为：

1.327×8×11=116.78kg。

吊具总重为：

M=（2×50+116.78）×10=2167.8N=2.168kN。

图中：

a=11.832-0.85-0.6-=10.382m，b=11.832-0.85-0.2=10.782m，l=20m，l’=0.8m，h1=h2=11.832m

（1）

（2）

P——预制梁重力的1/2+吊具重力+冲击荷载

K——动荷载系数，对电动卷扬机为1.1；对手动卷扬机为1.0

吊装重力为：

P=0.5KG+M=0.5×1.1×270.375+2.168=150.874kN

因为，故x=0时，  kN

                x=l时，  kN

当预制梁前端接近B墩，T1牵吊绳解下改系到梁的后端，T2牵吊绳全部承受梁的荷载时：

                                        （3）

                        （4）

由公式（3）得：

由公式（4）得：

2.2风缆的拉力

这里的风缆拉力不是真正的风缆拉力，S1、S2是两根风缆拉力的合力，吊装过程中拉力分别为：

                    （5）

                    （6）

因为a≠b，则S1在时最大，此时x=9.905

S2在时最大，此时x=10.095

2.3扒杆所受的竖直轴向力

2.3.1吊装荷载P产生的竖向力

                  （7）

                    （8）

因为，故x=0时，  

            x=l时，

2.3.2起重滑车绕出绳对扒杆的压力

起重滑车绕出绳对扒杆压力：

                    （9）

2.3.3缆风绳初拉力对扒杆的竖直压力

缆风绳由于自重会对扒杆产生一个初压力，计算式为：

                    （10）

                      （11）

w1缆风绳的自重挠度，m，一般取l1的3%—5%。

型号为Ф24，6×37的缆风绳，其长度密度为1.982kg/m，

q=1.982kg/m=1.982×102kN/m，α=arctg（12/20）=30.964，

l1=12/sinα=23.324m，w1=0.04l1=0.933m，由（11）式得：

四根缆风绳对扒杆产生的总压力由（11）得：

N3=4×sin30.964×1.239=2.550kN

图4　扒杆尺寸示意

3  典型截面内力计算  

3.1边板就位时受力分析

图5  就位时边梁受力平衡                图6  A点的受力平衡

扒杆两肢，每肢长度为12m，下脚间距为4m，两肢夹角为2α，α=arcsin（2/12）=9.594o扒杆尺寸示意如图（3）。

边板就位时，横向必须有链条葫芦的保护，防止其向两边滑移。

对梁体进行受力分析如图（4）。

为了保证板梁精确就位，图（5）中d=0.45m。

Ф=arctg（2-0.45）/11.832=7.463o，θ=α-Ф=2.131o，β=α+Ф=17.057o。

由图（4）钢丝绳拉力为：

T=P/cosФ=150.874/cos7.463o=152.163kN。

链条葫芦拉力为：

H=TsinФ=152.163×sin7.463o=19.764kN<30kN（链条葫芦的安全荷载为3t，符合要求。

）

图（5）以A点为对象进行受力分析，在力的三角形中由几何关系有：

，求得：

M=151.089kN

缆风绳对扒杆的轴向压力为：

故扒杆所受的总轴向压力为：

N=151.089+1.293=152.382kN

3.2典型截面内力计算

扒杆重力为G=10kN，垂向分力G’=Gsin9.594o

G’=1.667kN，由扒杆自重引起的弯矩为：

3.2.1扒杆截面所受的压力

对顶端截面有：

N0=152.382kN

对中部截面有：

Ncp=N0+G/2=157.382kN

3.2.2扒杆截面所受的弯矩

对顶部截面有：

M0=0

对中部截面风载引起的弯矩:

风载：

w0——基本风压，陕西汉中五十年一遇风压为0.3kN/m；

k1——结构体形系数，双斜腹杆为1.0；AF——扒杆受风面的轮廓面积。

中部截面的总弯矩为：

4  扒杆骨架强度、刚度、稳定性计算

扒杆主肢型钢为4—L63×6，其截面特性为：

A’=7.288cm2，I=27.12cm4，Z0=1.78cm，i=1.93cm

扒杆的缀条为L40×5，其截面特性为：

A1=3.791cm2，I=5.53cm4，i=1.21cm

计算组合截面的有关参数：

图8  扒杆一支截面

由中部截面尺寸得

z

0

图9  一肢截面

由端部截面尺寸得  

A=4A’=4×7.288=29.152cm2；  

4.1顶部截面整体验算

顶部截面整体验算满足下式：

                        （12）

γ——截面的发展系数，因直接承受动力荷载，取1.1；Wx——顶端截面抵抗矩；

f——钢材抗拉、抗压、抗弯强度设计值，对A3钢取215MPa。

由（12）得：

  满足要求

4.2中部截面整体稳定性验算

4.2.1变截面构件的长细比

扒杆中间没有等宽处，L1=0，求得：

图10

查《路桥施工计算手册》表15-47，再进行插值，其结果如下表：

    u  L1/L

Imin/Imax

L1/L

0

0.1

0.2

0.4

1.14（已知）

1.08（已知）

0.417

1.189

1.133

1.077

0.5

1.10（已知）

1.06（已知）

扒杆计算长度为：

l0’=μl0=1.189×12=14.268m（两端铰接时l0=l；下端固定上端铰接时l0=0.7l）。

扒杆的长细比λx为：

扒杆的换算长细比为：

                        （13）  

中部截面按下式验算弯矩作业平面内的整体稳定性：

                    （14）

查《钢结构设计规范》附表3.2得：

φx=0.590，

βmx——等效弯距系数，βmx=1.0；γx——截面塑性发展系数，γx=1；

φx——弯距作用平面内轴心受压构件稳定系数，由长细比λx而定。

欧拉临界力为：

由（14）式得：

=

              =111.026MPa

满足弯矩作用平面内稳定性要求。

4.3扒杆主肢型钢单肢稳定性验算

4.3.1顶端截面

主肢角钢内力：

计算长度：

l0=40cm    imin=iy=1.93cm

由《钢结构设计规范》按b类构件，由附表3.2查得=0.969，

由（12）式得：

图11  扒杆一轴线尺寸

满足要求  

4.3.2中部截面

主肢角钢内力：

由（12）式得：

满足要求

4.4斜缀条稳定性验算

一般仅验算斜缀条的稳定性；横缀条可不验算，而采用和斜缀条相同的截面

缀条所受实际剪力为：

                      （15）

根据《钢结构设计规范》，计算剪力为：

                （16）

fx——钢材的屈服强度，对Q235号钢取235MPa；β——斜缀条的水平夹角。

由式（15）得：

由时（16）得：

两者中较大者进行计算，单根缀条的轴向力为：

根据《钢结构设计规范》查得φ=0.885，由（12）式得：

满足要求

4.5焊缝验算

在任何外力作用下，贴角焊缝的破坏主要是由剪切而引起的。

其计算式如下：

              （17）

N——作用于连接构件的计算轴向力；——焊缝厚度；

——各侧焊缝计算长度之和，手工焊时每个自由端减5mm；

——贴角焊缝的容许剪应力，其值等于基本钢材的永许剪应

力。

图12  角钢焊接分配系数

4.5.1缀条的连接  

缀条的连接形式为周边环焊缝，焊缝厚度角钢相同为5mm。

由于角钢具有不对称性，为避免缀条受到附加弯矩作用，焊接时角尖与角背的长度比为k2:

k1如图（12），查《结构设计原理》表20-2得：

k2:

k1=0.3:

0.7。

端焊缝长40mm，角尖长24mm，角背长56mm。

由（17）式得：

4.5.2主肢的连接

扒杆一支分为上下两部分，中间最宽

通过连接角钢连接在一起，连接角钢的型

号与主肢角钢相同。

四主肢通过缀条连接

图13扒杆中部连接截面

后与连接角钢焊接在一起，焊接形式为周  

边环焊缝。

连接角钢再通过九个螺栓连接，

由于扒杆中部弯矩较小，拉力较小，故不必进行螺栓连接验算。

下面仅对主肢角钢与连接角钢的焊缝连接进行验算。

端焊缝长60mm，角尖长30mm，角背长70mm。

由（17）式得：

满足要求

5  混凝土锚碇计算

桥头地锚埋置在风化花岗岩里，采用混凝土片石地锚。

浇注地锚时尽量将埋深，其几何尺寸为长3m，宽1.5m，深2.5m，混凝土容重γ=25kN/m3，则混凝土地锚的重力为：

G=25×3×2.5×1.5=281.25kN。

根据地锚的几何形式和地基岩层情况，可按立式地龙来验算。

5.1倾覆稳定性

地基为风化花岗岩，地锚倾覆时会绕某一点o转动（去掉表皮的松土和不稳定的风化岩50cm），如图（14）所示。

N为被动压力，在自身重力能满足抗倾覆要求时是不存在的。

由重力产生的稳定力矩：

MG稳=pb=281.25×0.75=210.94

M倾=F1sinα×0.75+F1cosα×0.5+F2×0.5

=82.83×sin30.9640×0.75+82.83×cos30.9640×0.5+2×17.132×0.5

=84.556

抗倾覆稳定性必须满足下式：

                      （18）

由式（18）得：

  满足要求

5.2上拔力验算

  上拔力验算必须满足：

                            （19）

由上式得：

  满足要求

5.3混凝土剪切应力验算

在o点处混凝土界面的抗剪强度要求满足下式：

                    （20）

由（20）式得：

其中为15号混凝土的抗剪设计强

图（14）地锚计算示意

6  其它验算

6.1钢丝绳、缆风绳

6.1.1钢丝绳

Ф19.5钢丝绳的容许拉应力（安全荷载）为：

                          （21）

                        （22）

Sb——钢丝绳的剪破拉力；K1——钢丝绳使用的安全系数，取K1=7；

α——考虑钢丝绳之间荷载不均匀系数，对6×19、6×37、6×61钢丝绳，分别取0.85，0.82，0.80；Pg——剪破拉力总和，近似Pg=0.5d2=0.5×19.52=190.125  kN

由（21）、（22）式得：

6.1.2缆风绳

两缆风绳的夹角为θ=17.4650，一根缆风绳拉力为：

缆风绳型号Ф24，3×37，α=0.82，查《路桥施工计算手册》表15-6得K1=3.5，Pg=0.5d2=0.5×242=288kN。

由（21）、（22）式得：

  满足要求

6.2卡环、滑车组、绳卡

卡环安全荷载为35t，即350kN，完全满足吊装总重力150.874kN。

滑车组安全荷载为20t，即200kN，能够满足吊装总重力150.874kN。

绳卡为骑马式，缆风绳所受荷载为T=82.83kN，螺栓直径为22.2mm，需要螺栓数量为：

（个）

7  结语

  桥梁的架设是（预制梁板）桥梁施工过程中的一个重要的环节。

扒杆吊装——一种古老的安装方法，即节约了成本，又加快了工程进度！

由此可见，安装方法的施工方法先进与否只是相对而言。

落后的施工方法，在特定的环境下，经精心的施工设计与验算，也能达到意想不到的效果！