跨北环线48米连续箱梁门洞设计.docx

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跨北环线48米连续箱梁门洞设计

京杭大运河特大桥现浇连续箱梁（主跨48米）门洞设计计算书

一、工程概况

我部承建京杭大运河特大桥跨北环线连续梁,主跨48米,为保证施工期间所跨既有铁路正常通车，主跨采用贝雷片膺架法施工，跨度分别为25米和17米。

二、施工方案介绍

模板采用1.5cm厚竹胶板；纵向上分配梁采用10cm×10cm方木，翼缘板下和跨中底板下布置间距0.4米，腹板侧面、腹板下、边跨端隔板和中隔板段底板下布置间距0.3米；底板和腹板下横向上分配梁采用15cm×15cm方木，布置间距都为0.6米，立杆采用φ48×3.5mm碗扣式支架，水平连接杆件有0.6米、0.9米和1.2米四种规格，步距为1.5米，横向间距为0.6米、0.9米和1.2米四种，纵向间距都为0.6米；主跨段纵向下分配梁采用双层贝雷片，横向连接支撑架采用0.45米、0.9米和1.35三种型号；主横梁采用3I56工字钢；钢管柱采用Q235钢管，外径609mm，壁厚8mm，纵向布置间距为4.85米、18.0米和18.5米，横向布置间距为3米和4.5米，单根长度小于13米；18.5米门洞处基础采用桩基础，采用C35水下混凝土浇注，每根桩长55.0米，桩径1.25米，系梁采用C35混凝土浇注，每个长12米，宽1.2米，高1.5米；支架和门洞处原地面地基应做换填处理，处理后的地面地基承载力大于180KPa。

边跨支架传力途径为：

模板纵向上分配梁横向上分配梁立杆

混凝土垫层处理后地面基础（σ≥180KPa）。

主跨门洞传力途径为：

模板纵向上分配梁横向上分配梁纵向下分配梁（双层贝雷片）主横梁钢管柱系梁（或主墩承台）桩基础。

三、结构检算

箱梁混凝土竖向荷载取值为q砼=γcH，模板荷载取值为q模=2KN/m2，设备和人员荷载取值为q均=1KN/m2；砼浇注作用于底模冲击及振捣荷载q冲=2KN/m2；砼浇注作用于侧模冲击及振捣荷载q冲=4KN/m2；混凝土竖向荷载和模板荷载的荷载分项系数取为1.2，施工荷载的荷载分项系数取为1.4。

（一）、模板检算

模板采用1.5cm厚竹胶板，由于模板单个受力单元最长边为1.2米，1200/15=80＜100，属小跨度连续梁，面板可按三跨连续梁检算。

模板力学参数有：

E=7.6GPa，[σ]=80MPa，W=bh2/6，I=bh3/12，[f]=L/400。

工况一、受力单元宽0.3米，长0.6米，模板以上砼高3.25。

按照计算简图，q=（1.2×（3.25×26+2）+1.4×（1+2））×0.6=64.8KN/m

Mmax=qL2/10=64.8×0.32/8=0.729KNm

σ=Mmax/W=729/（0.6×0.015×0.015/6）=32.4MPa＜[σ]=80MPa,

f=0.677ql4/（100EI）

=0.677×64.8×103×0.34/（384×7.6×109×10-9×0.6×153/12）

=0.7mm＜[f]=L/400=300/400=0.75mm

强度和刚度满足要求。

工况二、受力单元宽0.4米，长0.6米，模板以上砼高1.1米。

按照计算简图，q=（1.2×（1.1×26+2）+1.4×（1+2））×0.6=24.552KN/m

Mmax=qL2/10=24.552×0.42/8=0.491KNm

σ=Mmax/W=491/（0.6×0.015×0.015/6）=21.8MPa＜[σ]=80MPa,

f=0.677ql4/（100EI）

=0.677×24.552×103×0.44/（384×7.6×109×10-9×0.6×153/12）

=0.9mm＜[f]=L/400=400/400=1.0mm

强度和刚度满足要求。

（二）、纵向分配梁验算

纵向分配梁采用10cm×10cm方木，方木的力学参数如下：

W=bh2/6=10×102/6=166.7cm3,Im=bh3/12=10×103/12=833.3cm4,[σ]=9.5MPa，[f]=l/400。

按简直梁均布荷载结构分别进行检算，计算跨度为0.6米。

翼缘板下和跨中底板下布置间距0.4米，腹板侧面、腹板下、边跨端隔板和中隔板段底板下布置间距0.3米。

工况一、跨度为0.6米，砼高3.25米（0#梁段根部腹板），布置间距0.3米。

q=（1.2×（3.25×26+2）+1.4×（1+2））×0.3=32.4KN/m

Mmax=qL2/8=32.4×0.62/8=1.458KNm

σ=Mmax/W=1458/166.7=8.746MPa＜[σ]=9.5MPa,

f=5ql4/（384EI）

=5×32.4×103×0.64/（384×1010×833.3×10-8）

=0.7mm＜[f]=L/400=600/400=1.5mm

强度和刚度满足要求。

工况二、跨度为0.6米，砼高1.1米（端隔板段底板），布置间距0.4米。

q=（1.2×（1.1×26+2）+1.4×（1+2））×0.4=16.368KN/m

Mmax=qL2/8=16.368×0.62/8=0.737KNm

σ=Mmax/W=737/166.7=4.421KN/m2＜[σ]=9.5MPa,

f=5ql4/（384EI）

=5×16.368×103×0.64/（384×1010×833.3×10-8）

=0.3mm＜[f]=L/400=600/400=1.5mm

强度和刚度满足要求。

（三）、横向上分配梁验算

底板和腹板下横向分配梁采用15cm×15cm方木

W=bh2/6=15×152/6=562.5cm3,

Im=bh3/12=15×153/12=4218.75cm4,

[σ]=9.5MPa,

[f]=L/400。

按简直梁均布荷载结构分别进行检算，有三种跨度，分别0.6米、0.9米和1.2米。

按简直梁均布荷载结构分别进行检算，计算跨度为

工况一、跨度为0.6米，砼高3.25米（0#梁段腹板），布置间距0.6米。

q=（1.2×（3.25×26+2）+1.4×（1+2））×0.6=64.8KN/m

Mmax=qL2/8=64.8×0.62/8=2.916KNm

σ=Mmax/W=2916/562.5=5.184MPa＜[σ]=9.5MPa

fmax=5ql4/（384EI）

=5×64.8×103×0.64/（384×1010×4218.75×10-8）

=0.3mm＜[f]=L/400=600/400=1.5mm

强度和刚度满足要求。

工况二、跨度为1.2米，砼有效高度1.1m米（翼缘板），布置间距0.6米。

q=（1.2×（1.1×26+2）+1.4×（1+2））×0.6=24.552KN/m

Mmax=qL2/8=24.552×1.22/8=4.149KNm

σ=Mmax/W=4149/562.5=7.376MPa＜[σ]=9.5MPa

fmax=5ql4/（384EI）

=5×24.552×103×1.24/（384×1010×4218.75×10-8）

=1.6mm＜[f]=L/400=1200/400=3mm

强度和刚度满足要求。

（四）、碗扣式支架立杆验算

碗扣式支架立杆采用φ48×3.5mm钢管，横向间距为0.3米、0.6米、0.9米和1.2米四种，纵向间距都为0.6米，步距为1.5米，长细比（Φ48×3.5的钢管）为λ=L/i=1500/15.78=95,（回转半径i=

）查表可得Ф=0.626，则有[N]=ФA[σ]=0.626×489×205=62.753KN。

工况一、腹板下立杆检算

取箱梁高4.35m，单箱单室，腹板下立杆按60cm*60cm布置，取1#梁段根部腹板进行验算。

q腹=1.2×（q砼+q模）+1.4×（q均+q冲）

=1.2×（4.35×26+2）+1.4×（1+2）

=142.32KN/m2；

由于腹板处立杆布置为60cm×60cm，所以：

N=P×0.60×0.60=142.32×0.60×0.60=51.235KN<[N]=62.753KN。

腹板下立杆稳定性满足要求。

工况二、底板下立杆检算

取箱梁底板以上有效高度1.2m，单箱单室，底板下立杆按60cm*90cm布置，取1#梁段根部底板进行验算。

q腹=1.2×（q砼+q模）+1.4×（q均+q冲）

=1.2×（1.2×26+2）+1.4×（1+2）

=44.04KN/m2；

由于腹板处立杆布置为60cm×90cm，所以：

N=P×0.60×0.90=44.04×0.60×0.90=23.782KN<[N]=62.753KN。

底板下立杆稳定性满足要求。

工况三、翼缘板下检算

取箱梁翼缘板以上有效高度0.6m，单箱单室，底板下立杆按60cm*120cm布置，取1#梁段根部翼缘板进行验算。

q腹=1.2×（q砼+q模）+1.4×（q均+q冲）

=1.2×（0.6×26+2）+1.4×（1+2）

=25.32KN/m2；

由于腹板处立杆布置最大间距为60cm×120cm，所以：

N=P×0.6×1.2=25.32×0.6×1.2=18.23KN<[N]=62.753KN。

翼缘板下立杆稳定性满足要求。

（五）、主跨25米门洞纵向分配梁检算

采用双层单排贝雷片进行施工，取其材料常数有：

[M]=3004KNm,[Q]=490.4KN,E=2.0×105MPa,I=2003976cm4，W=14314cm3

考虑到组装的贝雷梁施工使用时非弹性变形较大，则对贝雷梁的横向分布情况为翼缘板部分2排，腹板部分2排，底板部分4排。

因为门洞设在连续梁跨中，则取跨中荷载进行检算。

工况一、翼缘板部分检算

贝雷片在翼缘板下布置2排，每排按有效砼高0.65米，有效间距0.9米，最大跨度为25m检算。

混凝土自重：

q1-1=0.65×26KN/m3=16.9KN/m2

堆积荷载：

g=1.0KN/m2

施工荷载：

g=2.0KN/m2

模板：

qm=2.0KN/m2

贝雷片自重：

q贝=2*1KN/m=2KN/m

q=（1.2×（16.9+2+2）+1.4×（1+2））×0.9+1.2×2=28.752KN/m

工况二、底板部分检算

贝雷片在底板下布置4排，每排按有效砼高1.1米，有效间距0.45米，最大跨度为25m检算。

混凝土自重：

q1-1=1.1×26KN/m3=28.6KN/m2

堆积荷载：

g=1.0KN/m2

施工荷载：

g=2.0KN/m2

模板：

qm=2.0KN/m2

贝雷片自重：

q贝=2*1KN/m=2KN/m

q=（1.2×（28.6+2+2）+1.4×（1+2））×0.45+1.2×2=21.894KN/m

强度和刚度均满足要求。

工况三、腹板部分检算

贝雷片在腹板下布置4排，每排按有效砼高3.25米，有效间距0.45米，最大跨度为25m检算。

混凝土自重：

q1-1=3.25×26KN/m3=84.5KN/m2

堆积荷载：

g=1.0KN/m2

施工荷载：

g=2.0KN/m2

模板：

qm=2.0KN/m2

贝雷片自重：

q贝=2*1KN/m=2KN/m

q=（1.2×（84.5+2+2）+1.4×（1+2））×0.225+1.2×2=27.24KN/m

强度和刚度均满足要求。

（六）、主横梁检算

门洞处主横梁采用3I56工字钢，力学参数：

G=3.2KN/m,W=7020cm3,

Im=196578cm4，E=2.06×1011Pa，[σ]=215MPa,[f]=l/400。

取中跨临时中墩上主横梁为检算对象：

F1=28.752×41.22/2=592.579KN

F2=27.24×41.22/2=561.416KN

F3=（（1.2×（0.775×26+2+2）+1.4×（1+2））×0.45+1.2×2）×41.22/2

=357.192KN

R1=F2×（0.45+0.45+0.225+0.45+0.225+0.45）+F1×（0.45+0.225+0.45+

0.45+0.45+0.225+0.45+0.45+0.9+0.45+0.225+0.45+0.45+0.9+0.9+0.45+0.225+0.45+0.45+0.9+0.9+0.9）

=561.416×（0.45+0.45+0.225+0.45+0.225+0.45）+592.579×（0.45+

0.225+0.45+0.45+0.45+0.225+0.45+0.45+0.9+0.45+0.225+0.45+0.45+0.9+0.9+0.45+0.225+0.45+0.45+0.9+0.9+0.9）

=2375.756KN

R2外=4×F1+3×F2-R1=4×592.579+3×561.416-2375.756=1678.808KN

R2内=7×F3/2=7×357.192/2=1250.172KN

R2=R2外+R2内+F2=1678.808KN+1250.172KN+561.416KN=3490.396KN

Mmax外=R2外×（0.45+0.225+0.45）-F2×（0.45+0.225+0.45）+G×3.45×3.45/8

=1678.808×（0.45+0.225+0.45）-561.416×（0.45+0.225+0.45）+3.2×3.45×3.45/8

=1261.827KNm

σmax外=Mmax外/W＜1261827/7020=180MPa＜[σ]=215MPa

fmax外＜（F2×0.45m×（3×3.45m×3.45m-4×0.45m×0.45m）+F2×0.675m×（3×3.45m×3.45m-4×0.675m×0.675m）+F2×1.125m×（3×3.45m×3.45m-4×1.125m×1.125m）+F1×1.575m×（3×3.45m×3.45m-4×1.575m×1.575m））/（24×2.06×1011Pa×196578×10-8m4）+5×G×3.45m×3.45m×3.45m×3.45m/（384×2.06×1011Pa×196578×10-8m4）

=（561.416×0.45m×（3×3.45m×3.45m-4×0.45m×0.45m）+561.416×0.675m×（3×3.45m×3.45m-4×0.675m×0.675m）+561.416×1.125m×（3×3.45m×3.45m-4×1.125m×1.125m）+592.579×1.575m×（3×3.45m×3.45m-4×1.575m×1.575m））/（24×2.06×1011Pa×196578×10-8m4）+5×3.2×3.45m×3.45m×3.45m×3.45m/（384×2.06×1011Pa×196578×10-8m4）

=6.7mm＜[f]=L/400=3450/400=8.6mm

Mmax内=R2内×3.6/2-F3×（0.45+0.9+1.35）+G×3.6×3.6/8

=1250.172×3.6/2-357.192×（0.45+0.9+1.35）+3.2×3.6×3.6/8

=1291.075KNm

σmax内=Mmax内/W＜1291075/7020=184MPa＜[σ]=215MPa

fmax外＜（F3×0.45m×（3×3.6m×3.6m-4×0.45m×0.45m）+F3×0.9m×（3×3.6m×3.6m-4×0.9m×0.9m）+F3×1.35m×（3×3.6m×3.6m-4×1.35m×1.35m））/（24×2.06×1011Pa×196578×10-8m4）+F3×3.6m×3.6m×3.6m/（48×2.06×1011Pa×196578×10-8m4）+5×3.2×3.6m×3.6m×3.6m×3.6m/（384×2.06×1011Pa×196578×10-8m4）

=（357.192×0.45m×（3×3.6m×3.6m-4×0.45m×0.45m）+357.192×0.9m×（3×3.6m×3.6m-4×0.9m×0.9m）+357.192×1.35m×（3×3.6m×3.6m-4×1.35m×1.35m））/（24×2.06×1011Pa×196578×10-8m4）+357.192×3.6m×3.6m×3.6m/（48×2.06×1011Pa×196578×10-8m4）+5×3.2×3.6m×3.6m×3.6m×3.6m/（384×2.06×1011Pa×196578×10-8m4）

=4.25mm＜[f]=L/400=3600/400=9mm

强度和刚度满足要求。

（七）、临时支墩上纵梁检算

临时支墩上纵梁采用3I56工字钢，力学参数：

G=3.2KN/m,W=7020cm3,

Im=196578cm4，E=2.06×1011Pa，[σ]=215MPa,[f]=l/400，按计算简图取集中力P=R2=3490.396KN进行检算。

Rmax=P/2+GL/2=3490.396/2+3.2×1.1/2=1746.958KN

Mmax=PL/4+GL2/8=3490.396×1.1/4+3.2×1.1×1.1/8=960.343KNm

σ=Mmax/W＜960343/7020=137MPa＜[σ]=215MPa

f=PL3/（48EI）+5GL4/（384EI）

=3490.396×103×1.1×1.1×1.1/（48×2.06×1011×196578×10-8）+5×3.2×103×1.1×1.1×1.1×1.1/（384×2.06×1011×196578×10-8）

=0.2mm＜[f]=l/400=1100/400=2.75mm

强度和刚度满足要求。

（八）、砂箱检算

砂箱承载力取决于两个方面，即：

上半部分的钢管混凝土承载力（即顶心）、下半部分砂筒承载力。

而砂筒承载力又取决于：

砂子的容许承压应力和筒壁的屈服应力。

将这几项分别考虑，取最小值，即得到临时支座承载力。

a、上半部分的钢管混凝土

根据《钢管混凝土拱桥》P125，按钢管混凝土结构设计与施工规程（JCJ01-89）

由于钢材料未知，暂按Q235考虑。

其中，

——核心混凝土轴心抗压强度提高系数，查表为1.66；

——筒壁屈服应力（MPa）；

——筒壁截面面积（mm2），As=3.14*（2802-2702）=17270mm2；

——混凝土强度设计值（MPa）；

——混凝土截面面积（mm2），As=3.14*2702=228906mm2。

极限承载力

Pu=fyAs+K1fcAc=235×17270+1.66×18.4×228906=11050KN

3.4.2、下半部分砂筒

按《公路桥涵施工手册》（下册,P277）计算：

1）按砂子的容许承压应力计算，容许外荷载

：

由

得：

极限承载力Pu=π[σ]d02/4=3.14×10×5602=2461.76KN

2）按筒壁的屈服应力计算，容许外荷载

：

σ=T/（H+h0-d2）/δ=4Pd1H/πd02/（H+h0-d2）/δ=0.000076324P，

（P单位为N，σ单位为MPa）

按上式反推设计承载力Pu=σ/0.000076324，当

时有：

极限承载力Pu=205/0.000076324=2686KN

其中，

——砂筒顶心直径，

＝560mm

——砂筒内壁直径，

＝570mm

——泄砂孔直径，

＝25mm

——顶心放入砂筒的深度，

＝125mm

——降落高度，

＝100mm

——筒壁受力，单位：

N

——筒壁应力，MPa

δ——砂筒壁厚，δ=15mm

——筒内砂子的容许承压应力，采用10MPa，如将其预压，可达30MPa。

图1砂筒构造示意图

由以上检算，即按上半部分的钢管混凝土，按砂子的容许承压应力，按筒壁的屈服应力综合考虑，单个砂筒的承载能力为三者中最小值：

Pu=2461.76KN。

单个砂筒实际承受的最大压力

Pmax=Rmax+G砂箱=1746.958KN+2.41KN=1749.368KN＜Pu=2464.17KN。

砂筒承载力满足要求。

（九）、临时支墩检算

立柱采用Q235钢管，外径609mm，壁厚10mm，截面积A=188.086cm2,回转半径i=42.5cm,压杆的长细比λ=l0/I,l0取为10.0m,则λ=l0/i=23.5,则压杆的承载力折减系数ψ取值为，压杆稳定的允许应力=ψ[σ],单根钢管的允许承载力:

[P]=ψA[σ]=0.938×188.086×10-4×215×103=3793KN

根据单根主横梁检算结果，单根立杆的最大压力为:

Pmax=1749.368KN+188.086×10-4×10×78500/1000KN

=1764.043KN＜[P]=3793KN

所以立柱的稳定性满足要求。

（十）、桩基基础检算

1、单桩竖向极限承载力特征值

桩基采用φ1.25mC35灌注桩，取混凝土管桩入土深度共计55m，本计算暂以上层10m为淤泥（极限侧阻力特征值暂取10Kpa），下层粉质粘土（极限侧阻力特征值暂取30Kpa，底层极限阻力特征值暂取400Kpa），（极限侧阻力特征值和底层极限阻力特征值实际取值应根据设计提供），根据混凝土强度检算R=0.6×3.14×1.25m×1.25m×16700KN/m2=12290KN，则取单桩竖向极限承载力特征值：

Quk=3.14×1.25m×10m×10KN/m2+3.14×1.25m×45m×30KN/m2+（0.8/1.25

）1/4×3.14×1.25m×1.25m×400KN/m2=6130KN。

2、单桩最大轴压力标准值计算：

P=Fk+Gk

=Pmax+G砼

=1764.043KN×2+1.5m×3m×6.5m×0.5×26KN/m2

=3908.336KN＜Quk=6130KN。

综合以上计算结果单桩最大轴压力标准值小于单桩竖向极限承载力特征值，所以采用55米长φ1.25mC35灌注桩承载力能满足要求。

（十一）、承台基础检算

承台几何尺寸为1.5m×3m×13m，采用C35混凝土。

顶层布置一层HRB335φ20mm螺纹钢筋网顺桥向布置间距为40cm，布置在承台底面和顶面；横桥向布置间距为15cm，布置在承台顶面；底面横桥向布置间距为60cm。

1、管柱与承台接触面承载力检算

σmax=Pmax/S

=1764.043KN/（3.14×（0.5m×0.5m-0.3m×0.3m））

=3.5MPa＜[σ]=16.7MPa,

承台选用C35混凝土强度等级符合要求。

2、承台受桩基冲切承载力检算

桩为圆形截面，固换算成方形截面的边长为0.8倍桩径，即为0.8×1.25m=1m

，所以每个桩基冲切锥体包含了两个支柱，柱荷载与桩顶反力抵消，承台受桩基冲切承载力满足要求。

3、承台受墩柱冲切承载力检算

墩柱为圆形截面，固换算成方形截面的边长为0.8倍桩径，即为0.8×0.6m=0.54m，所以每个桩基冲切锥体包含了两个支柱，a1x=a1y=0,从墩身内边缘到墩身外边缘的横向距离c1=1.48米，从墩身内边缘到墩身外边缘的纵向距离c2=1.685米，则:

[N]=（0.56/（0/1.5+0.2））×（1.48+1.685）×0.95×1.