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托架及支架施工设计方案
济菏高速公路第十二合同段
梁济运河特大桥主桥
托架及支架施工设计方案
中铁十六局集团第三工程有限公司
济菏高速公路项目部
二00五年九月
梁济运河特大桥主桥托架及支架施工设计方案
一、主桥工程概况
梁济运河特大桥是济南至菏泽高速公路上的一座特大型桥梁,全长527m,位于半径R=9000m的平曲线内,曲线变化由主桥和引桥箱梁翼板长度变化形成。
主桥上部结构采用三跨60+100+60m预应力混凝土半刚构连续箱形梁,全长220m。
桥面纵坡分别为1.700%和-1.785%,变坡点位于主桥上的K122+098.00位置;桥面横坡为单向2%。
本桥按两幅分离设计,两幅间距为100cm,主桥箱梁为三向预应力结构,采用单箱单室截面,箱梁顶板宽13.5m,底板宽6.6m;梁高为2.5~5.0m不等(其中主墩墩顶梁高5.0m,跨中及边跨支点梁高2.5m,1#~9#块及0#块部分梁高按二次抛物线变化,其余箱梁梁高为等高度);翼板长度为3~4m之间不等;1#~9#块底板厚按二次抛物线变化,0#块底板厚为分段线性变截面,10#块底板为等厚;箱梁顶板设置成单向2%横坡。
箱梁除墩顶设置横隔板外,边孔、中孔合拢段各设一块横隔板。
箱梁0#块长度10.0m,在托架或支架上现浇施工。
1#块长度3.75m,考虑挂篮长度的原因,可采用两种施工方案,第一种方案是调整其中一副挂篮中的承重主构架的横向联结间距1m左右,使其在平面错开布置,实现1#块的挂篮施工;第二种方案是采用在托架上现浇施工,建议采用第一种方案(挂篮施工方案)。
2#~10#梁段,每段长3.75m或4.5m,均采用挂篮悬臂浇筑施工,两个“T”构同步施工。
中孔合拢段长度3.0m,边孔合拢段长度1.5m;边孔支架现浇段长度9.93m。
梁济运河特大桥主桥除6号墩的墩梁采用刚性联结外,其余均采用盆式橡胶支座。
梁济运河特大桥主桥每座共用墩(5号、8号墩)为厚度1.6m单薄壁墩,基础为双排φ1.5m钻孔桩,桩顶设规格为10.6×6.5×2.5m的承台。
主墩(6号、7号墩)为厚度1.5m双薄壁墩,两薄壁中心距6.0m,墩高约为11.15m,基础为三排φ1.8m钻孔桩,桩顶设规格为11.9×11.9×3.0m的承台。
梁济运河特大桥主桥除8号墩位于Ⅱ级通航河道的梁济运河内(目前水深2m左右,属第四系孔隙潜水)外,其余墩(5号、6号、7号墩)均位于平坦的旱地上。
该特大桥主桥钻孔在70~90m之间,地质情况为表层0.5m左右耕植土层(对于水中为黑色的淤泥层),褐黄色、松散、稍密,以亚砂土,含植物根系;0.5~40.2m以亚砂土为主,局部地层夹杂姜石;40.2~90.4m为粘土和细砂、中砂、中粗砂及粗砂互层,平均每层2.0~3.0m厚,容许承载力最大达420kPa。
二、方案设计原则及方案的确定和选用
(一)方案设计原则
1、在确保安全质量的前提下,尽量经济的原则;
2、取材和安装方便的原则;
3、尽可能利用现有常备材料的原则;
4、尽可能利用既有结构物并尽量减少对既有结构强度影响的原则。
(二)方案的确定和选用
1、0号块
采用在墩身上设置托架方案(又分预埋式和装配式两种方案,但本设计只叙述装配式托架方案)和在承台顶面上架设碗扣式满堂支架方案,此二种方案可任选一种,但最好选择碗扣式满堂支架方案。
2、1号块
本桥现浇0号块较短,长10.0m,施工1号块时无法正常布置挂篮,可采用以下两种施工方案:
第一种方案是调整其中一副挂篮中的承重主构架的横向联结间距1m左右,使其在平面错开布置,实现1#块的挂篮施工;第二种方案是采用在托架上现浇施工。
这两种方案中,第一种方案简单、经济;第二种方案费用高,托架加工及安装复杂,对墩身整体结构强度有一定的影响。
为此建议采用第一种方案(挂篮施工方案),第二种方案只作参考。
3、陆上边孔现浇段(5号~6号墩之间)
采用碗扣式满堂支架方案,但地基需作加固处理。
4、水中边孔现浇段(7号~8号墩之间)
采用临时墩梁式支架方案。
利用钢管桩、贝雷架、型钢等材料。
建造两个临时墩,其中一个在8号墩承台上设置钢管排架墩,另一个利用震动钢管桩作基础的水中墩。
三、0号块支架及托架方案
1、三角桁架型托架概述
根据梁济运河特大桥的特点,本桥0#块施工采用三角桁架型托架支撑。
托架的主承重架采用三角形桁架,桁架用热轧型钢组拼而成,结构受力明确,自重轻,刚度较大,变形稳定可以有效预防混凝土开裂。
托架顶面主要受力杆件采用贝雷架,连接采用J506焊条焊接,支撑端以直径32mm高强精轧螺纹钢贯通墩柱固定,装拆方便。
外模采用组合钢模,以槽钢焊接支架支撑;内模采用组合钢模,以槽钢焊接的内模支架及钢管支撑。
该托架由三角桁架、贝雷架、拉杆锚固三个基本受力系统组成,其基本结构布置图详见图1所示,节点具体布置图在后面计算检验说明书中有详细说明。
托架主承重的上桁梁采用2[28及斜撑采用2[22b槽钢焊接组成,材质为Q235钢,[σ]=215MPa,[τ]=125MPa。
次要受力杆件采用2[20a槽钢组成,横向系杆为2[20a及L125×14mm角钢焊接而成,均采用Q235钢材,E=210GPa,[σ]=215MPa,[τ]=125MPa。
托架锚固系统由直径32mm高强度精轧螺纹钢、L125×14、2cm钢垫板组成(具体尺寸见附图),钢材为40Si2Mov,屈服强度750MPa,容许拉(压)应力[σ]=0.7×750=525MPa,容许剪应力[τ]=0.5[σ]=0.58×525=304.5MPa。
2、托架结构详图(见下图)
3、托架检算
(1)、荷载分析:
托架所受荷载包括新浇砼梁体自重45t/m;内外模板及其框架重(1t/m);支架自重(4t/m);浇注混凝土、振捣混凝土、施工机具、冬季措施、人员等施工荷载(合计7.5KN/m2)托架结构所受静载作用图如下:
(2)、杆件内力计算:
由于杆件的弯距与剪力相对轴力来说很小,可忽略不计,各杆节点以铰节形式考虑,根据结构及荷载的对称性,取半结构进行计算,计算简图如下:
求出各杆轴向力:
N1=+19.17t;N3=+75t;N2=-31.5t;N4=-106.07t
(3)、构件选材及其截面特性:
(1)、(3)杆件选用2[28b组合结构,截面参数为:
A=45.62cm2,g=35.81Kg/m,Ix=5118.4cm4,Wx=365.6cm3,ix=10.59cm,Iy=241.5cm4,iy=2.3cm,Z0=2.02cm,斜杆
(2)、(4)杆选用2[22b组合结构,截面特征为:
A=36.24cm2,g=28.45kg/m,IX=2571.3cm4,Wx=233.8cm3,ix=8.42cm,Iy=176.5cm4,iy=2.21cm,Z0=2.03cm。
(4)、强度检算:
①二力杆强度检算:
由于在所有杆件中(4)号杆件受力最大,且截面积最小,所以只需对(4)号杆件检算即可。
②对拉杆Ф32j高强精轧螺纹钢的检算:
单根拉杆承受的最大拉力等于N3=18.75t,
单根拉杆承受的最大剪力为:
Qmax=18.75t,
③对连接角钢的检算:
连接角钢采用L125×14,单块角钢承受的最大拉力为单根拉杆所受的最大剪力Qmax,
(5)、受压杆件长细比检算:
只需对(4)杆检算即可。
绕定轴x的长细比:
绕虚轴y的长细比:
按绕虚轴稳定确定分肢轴线间距C和杆截面高h按等稳定原则
λoy=λx,可求λy和iy。
λx=25.2分肢长细比λoy≤0.5λmax=0.5×25.2=12.6,取12
h=c+2Z0=182.32+20.3×2=223mm,采用h=230mm,实际c=h-2Z0=230-2×20.3=189.4>100mm;由于λy=22.6,ψ=0.961,N/ψA=106.07×104/0.961×72.48×102=152.28N/mm2<215N/mm2
受压杆件缀尺寸确定:
A、构件的剪力
每个缀板面剪力为V1=V/2=18.33/2=9.17KN;
B、初选缀板尺寸:
纵向高度hb≥2/3·C=2/3×189.4=126.27mm,厚度tb≥c/40=4.375mm,取hb×tb=70×6,相邻缀板中心距l1=l01+hb,l01=λoyXi1=12×21.1=253.2,l1=253.2+70=423.2mm;
缀板刚度和等分肢线刚度比值:
满足。
C、检算缀板强度:
弯距Mb1=V1L1/2=9.17×403.2/2=1848.67KN
剪力Vb1=V1L1/L=9.17×403.2/189.4=19.52KN
σ=6Mb1/tbhb2=6×1848.67×103/6×1702=63.97τ=1.5Vb1/tbhb=1.5×19.52×103/(6×170)=28.7N/mm2D、缀板焊缝计算:
采用三面周围角钢焊缝,计算时偏于安全地只取端部纵向焊缝,Lw200mm,焊脚尺寸hf
(焊条为E43)
hf=2.9,用4mm。
(6)、结点焊缝强度检算
A、对于A结点即
(1)与
(2)号杆焊接为对接,焊厚t为9mm,焊长
Lw=277.2-10=267.2mm
B、对于B结点,
(2)号杆与角钢之间采用角焊形式,焊缝高度hf=10mm
取
=100mm。
(7)、A、D点竖向位移计算:
A点的竖向位移计算采用单位力法:
D点竖向位移的计算:
=1,
=
四、0#节段满堂支架施工方案
1、扣式脚手架概述:
根据梁济运河特大桥的特点,本桥0#节段大部分位于承台的正上方,只有极少部分翼板处在承台正上方以外,这样为使用脚手架提供了良好的支撑基础,因此采用满堂腕扣式脚手架支撑是一种交好的
方案。
腕扣式满堂支架受力明确,刚度较大,沉降量较小,拆装方便。
支架顶部采用方木满布承力,局部变形小,线形易于控制。
底模采用5cm厚平板钢模平装而成。
内、外模采用组合钢模,用角钢或槽钢焊接成支架支撑。
该支撑系统大部分直接架设在承台上,小部分支撑需地基硬化后架设在硬化层上,具体布置见附图。
支架材料采用Q235钢,[σ]=215Mpa,[τ]=0.58[σ]=125Mpa,E=2.1×105Mpa。
2、荷载分析:
支架所受荷载包括新浇混凝土梁体自重(45T/m),内外模板及其筐架重(0.5T/m),支架自重(5T/m),计算荷载按区段内的1.5倍,所以支架所承受的总荷载为:
Nz=1.5(450×6.2+50×6.2+5×45+6.2×13.5×7.5=1785.98KN)。
3、立杆截面性质:
A=600mm2,I=240000mm4,r2=I/A,r=20mm,长细比λ=l/r=900/20=45,查表得ψ=0.929,考虑偏心影响取ψ=0.5,则杆件零界承载力Ncr=[σ]Aψ=215×600×0.5×10-3=64.5KN。
比较厂家提供其承载力为30KN,检验杆件合格,取单根杆件承载力30KN。
4、立杆承载力检算:
检算时,为了偏于安全,将总荷载全部分配腹板处的杆件中,即单根杆件所受的力为:
Nd=1785.98/174=10.26KN<30KN,符合承载力要求。
5、补充说明:
由于支撑面小,支撑高度较高,必须加强稳定性,因此加密斜撑的间距以及使用钢管使其与墩柱连为一体;支撑承台以外的部分,先压实后浇注20cmC15混凝土。
具体布置情况见附图。
五、
主桥0#、1#节段拖架施工方案
1、三角桁架型托架概述
根据梁济运河特大桥的特点,本桥0#块施工采用三角桁架型托架支撑,又由于0#块总长度只有10米,少于安放挂篮的有效长度,因此采取0#块、1#块托架施工方案。
主承重架采用三角形桁架,桁架用热轧型钢组拼而成,结构受力明确,自重轻,刚度较大,变形稳定可以有效预防混凝土开裂。
托架顶面主要受力杆件采用贝雷架,连接采用J506焊条焊接,支撑端以直径32mm高强精轧螺纹钢贯通墩柱固定,装拆方便。
外模采用组合钢模,以槽钢焊接支架支撑;内模采用组合钢模,以槽钢焊接的内模支架及钢管支撑。
该托架由三角桁架、贝雷架、拉杆锚固三个基本受力系统组成,其基本结构布置图详见附图所示。
托架主承重的上桁梁及斜撑采用2[36a槽钢焊接组成,材质为Q235钢,[σ]=215MPa,[τ]=125MPa。
次要受力杆件采用2[20a槽钢组成,横向系杆为2[20a及L125×14mm角钢焊接而成,均采用Q235钢材,E=210GPa,[σ]=215MPa,[τ]=125MPa。
托架锚固系统由直径32mm高强度精轧螺纹钢、L200×20、2cm钢垫板、锚具组成,钢材为40Si2Mov,屈服强度750MPa,容许拉(压)应力[σ]=0.7×750=525MPa,容许剪应力[τ]=0.5[σ]=0.58×525=304.5MPa。
托架构造见附图。
2、结构检算:
A、结构各构件材料种类及其截面特性
材料种类⑴、⑵、⑶、⑷、⑸、(10)、(11)号杆件采用2[36a,截面参数如下:
A=60.89cm2,g=47.80kg/m,Ix=11874.1cm4,Wx=659.7cm3,ix=13.96cm,Iy=455cm4iy=2.73cm,E0=2.44cm;⑹、⑺、⑻、⑼号杆件采用2[20a,截面参数如下:
A=28.83cm2,g=22.63kg/m,Ix=1780.4cm4,Wx=178.0cm3,ix=128.0cm4,iy=2.11cm,E0=2.01cm。
B、结构计算图见(图1)
C、各杆件内力
将托架承受的荷载(包括静载、动载)全作用在结点上,按桁架进行计算,并考虑的安全系数为2.0,各结点作用荷载如图所示,各杆件内力计算如下:
N1=N2=+72T;N3=-108T;N4=-101.8T;N6=+76.36T;N5=N4+N3·cos45°=-101.8-76.36=-178.16T;N8=N7=N9=0;N10=+75T;N11=-106.5T
D、强度检算
①二力杆检算:
同种截面只需验算轴力最大者,困此只需检算⑸、⑹号杆件
②拉杆检算:
a.上端单根的拉杆的检算:
b.拉杆的削剪力检算:
上部单根拉杆承受的剪力:
下部单根拉杆承受的剪力为:
E、角钢检算:
选用的角钢型号为:
L200×20,A=76.505cm2;
F、受压杆件长细比检算:
根据结构受力只需对⑸号杆进行检算:
a.对实轴x的检算:
b.对虚轴y的检算:
首先按虚轴(即y轴)的等稳定性确定分肢间距c和柱截面高度h:
按等稳定原则
,可求
和
,
;分肢长细比:
取12。
精确验算虚轴稳定:
缀板间净距
采用330mm,
缀板尺寸确定及强度检算:
①杆的剪力
每缀板面剪力V1=V/2=15.4/2=7.7KN。
②初选缀板尺寸:
纵向高度hb≥2/3×C=2/3×291.2=194.13mm,厚度tb≥c/40=291.2/40=7.28mm,取hb×tb=200×8;
相邻缀板中心距l1=l01+hb=330+200=530mm,具体布置如下图:
缀板刚度和等分肢线刚度比值:
满足。
③检算缀板强度:
弯距Mb1=V1L1/2=7.7×530/2=2040.5KN
剪力Vb1=V1L1/L=7.7×530/291.2=14.01KN
σ=6Mb1/tbhb2=6×204.5×103/8×2002=38.26τ=1.5Vb1/tbhb=1.5×14.01×103/(8×200)=13.13N/mm2④缀板焊缝计算:
采用三面周围角钢焊缝,计算时偏于安全地只取端部纵向焊缝,Lw200mm,焊脚尺寸hf
hf≥2.3,用6mm。
G、焊缝长度计算:
结点各构件焊接使用周围角焊,为了便于安全,只考虑恻角焊缝;计算Lw如下:
取
=10mm
a
(1)杆与A点角焊长度:
单个焊缝的长度L1≥478.4/4=119.6mm,取L1=15cm;
b(3)号杆与
(1)、
(2)杆之间采用对接焊,焊长为槽钢高度,在竖向起支撑作用不必检算;
c
(1)、(6)号杆角焊的单条焊缝长度:
,取L6=15cm;
d(7)、(8)、(9)不受力,焊接牢固即可;
e(10)号杆的单条焊缝长度:
,取L10=15cm,(11)号杆与(10)之间采用对接焊,焊缝厚度tw为10mm,焊缝长度:
H、挠度计算:
计算B结点和C结点的挠度即可,方法采用单位荷载法。
计算简图如下:
a、B点的竖向位移计算:
在
b、C点的竖向位移计算:
在
六、5#墩现浇段满堂支架施工方案
1、碗扣式脚手架概述:
根据梁济运河特大桥的特点,本桥现浇段施工采用腕扣式脚手架支撑。
腕扣式满堂支架受力明确,刚度较大,沉降量较小,拆装方便。
支架顶部采用方木满布承力,局部变形小,线形易于控制。
底模采用5cm厚平板钢模平装而成。
内、外模采用组合钢模,用角钢或槽钢焊接成支架支撑。
该支撑系统由石灰稳定土硬化地基,混凝土条带,腕扣式脚手架几个主要受力部分组成。
其布置简图见图1所示。
支架材料采用Q235钢,[σ]=215Mpa,[τ]=0.58[σ]=125Mpa,E=2.1×105Mpa。
2、荷载设计值分析:
考虑下面两种受力情况,分配到每根杆件中,取荷载较大值进行支架设计布置。
a.荷载考虑支架预压重量Gy(取1.2倍梁自重),支架自重Gz(4.74Kg/m),模板自重Gm(0.6KN/m2),施工活荷载Gh(取5KN/m2),平均分配到每根杆件中。
G1=[1.2(Gy+Gz+Gm)+1.4Gh]/270=[1.2×(1.2×252.4+13.4×10×0.06+20)+1.4×9.93×13]/270=2.14T=21.4KN
b.考虑腹板处荷载局部集中影响,其局部受力情况如图2。
q1=2.6×2.566×0.6=4T/m,q2=2.6×0.65×0.6=1.01T/m,q3=0.06×0.6=0.036T/m,q4=0.5×0.6=0.3Tm,Q5=4.7×30÷1000=0.14T
G2=1.2×(0.3q1+0.45q2+0.75q3)+1.4×0.75q4+1.2×Q5=1.2×(0.3×4+0.45×1.01+0.75×0.036)+1.4×0.75×0.3+1.2×0.14=2.5T=25KN
取较大值作为单根立杆控制荷载G=25KN。
3、立杆截面性质:
A=600mm2,I=240000mm4,r2=I/A,r=20mm,长细比λ=l/r=900/20=45,查表得ψ=0.929,考虑偏心影响取ψ=0.5,则杆件零界承载力Ncr=[σ]Aψ=215×600×0.5×10-3=64.5KN。
比较厂家提供其承载力为30KN,检验杆件合格,取单根杆件承载力30KN。
4、立杆承载力检算:
考虑风荷载影响,取Wf=0.7KN/m2,F=0.7×9.93×2.566=17.8KN,形成对支架底部弯矩Mf=17.8×11.5=205KN.m,其对最外行杆件轴力影响值为Nf=4Mf/bn(b为支架布置宽度15.6m,n为单排杆件数量为15根),Nf=4×205÷15÷15.6=3.5KN。
N=G1+Nf=25+3.5=28.5KN〈30KN(满足承载力要求)。
5、支架底混凝土条带承载力检算:
支架底座尺寸为0.15m×0.15m,其受压应力σ=N/A=1.26Mpa〈[σ]=7.9Mpa(满足承载力要求)。
6、地基承载力检算:
由于本地区是粉沙性黏土,压缩性较大,通过加入8%石灰进行改良,改良深度为40cm,取[σ]=180KPa,混凝土条带尺寸宽度为30cm,深度为20cm,混凝土刚性角450,条带满足刚性角要求,以均布荷载考虑地基承载力。
a.石灰稳定土承载力检算:
σ=28.5÷0.3÷0.6=158〈180(满足承载力要求).
b.40cm以下黏土承载力检算:
取单根杆件影响宽度为60cm,σ=28.5÷0.6÷0.6=79Kpa〈100KPa(由设计图纸中查得)(满足承载力要求)。
7、补充说明:
为减小承台边缘地基土不均匀沉降,满布87cm宽条带,并加密纵向斜撑;支架周围挖好排水沟,防止石灰稳定土受雨水浸泡降低承载力;墩身倒角处可先铺设塑料薄膜再浇注65cm宽度条带;现浇段底模合拢处可先向上调高20mm,,墩身处调高4mm,卸载后,根据实际预压测得数据调节。
具体布置情况见图1所示。
七、主桥边跨现浇段施工方案
1、方案概述
由于8号墩位于运河中,给边跨现浇段施工带来不便,无法使用满堂法施工,因此建议采用如下施工方案:
8号墩端采用五个钢筒支撑,钢筒底端与承台采用地脚螺栓连接,钢筒与钢筒之间通过槽钢或角钢交叉连接,使其成为一个稳定整体,另端位于水中,使用震动下沉钢筒桩,中间部分架设贝雷架,结构示意图如下:
2、打入桩数目及其布置,打入深度H的确定
①荷载分析:
钢筒所承受的荷载新浇混凝土自重25.42T/m;内外模及工字钢梁、贝雷架、筐架重5T/m;浇注振捣混凝土、施工机具堆放、人员等施工荷载(合计7.5KN/m2)。
②桩数的确定:
打入桩选用外径为50cm的钢护筒,纵向设两排,桩中心距均为200cm,横向设五排,桩中心距均为230cm,且关于桥中心线对称。
③单桩所受作用力:
④根据容许承载力确定钢筒的最小厚度dmin:
由
(
安全系数取1.5)
考虑施工及刚度、震动锤的冲击作用,取d=5mm。
⑤打入桩深度h的确定:
主要根据桩周土的极限摩擦阻力fi及桩尖土的极限承载力R与桩承受的荷载的平衡确定。
由地质勘测报告可知地质分布极限摩擦阻力
和容许承载力R。
计算hmin时桩承受的荷载考虑1.6的安全系数即:
P=20.145×1.5=30.22T,计算式如下:
P:
桩的承载力(KN);
U:
桩身截面周长(m;
li:
各土层厚度(m),见下表;
A:
桩底支撑面积(m2);
ai,a:
震动沉桩对各土层周摩擦阻力和桩底承压力的影响系数,砂土取1.1,粘土取0.6;
:
桩周土的极限摩擦力(见下表);
Ra:
容许承载力(见下表)
地质受力层特征表
层号
层厚(m)
岩性
状态密度
极限摩擦阻力
(KPa)
容许承载力
(KPa)
1
1.6
填筑土
2
0.4
亚砂土
稍密
20
100
3
2.5
粘土
软塑~可塑
25
120
4
4.40
亚粘土偶见小径姜石和贝壳碎片
可塑
30
140
5
2.40
亚粘土,粉粒含量高偶见小径姜石和贝壳碎片
可塑~硬塑
35
150
6
4.30
亚粘土,含姜石粒径0.5~2.0cm含量5~10%
可塑~硬塑
40
170
7
2.70
亚粘土、偶见姜石,有锈染
可塑~硬塑
40
180
8
4.30
亚粘土、见姜石径0.5~3.0cm含量5%,有锈染
可塑~硬塑
45
190
3、结构检算:
1支撑钢筒的检算:
a、钢筒厚度的确定:
该支撑使用5个外径为1m的钢筒,中间三个为主要承力部分,外边两个主要用在支撑侧模上,计算时设全部力作用在中间三个钢筒上;单个钢筒承受轴向力为:
为了安全取1.5的安全系数,
设钢的厚度为d,由
可得
考虑施工及其他构