20090920(简版)红山路中桥施工方案计算书.pdf

红山路中桥施工方案 计 算 书 编制： 复核： 审核： 中国中铁四局集团第一工程有限公司 技术中心（合肥） 二九年 月 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 i 页 目目 录录 一 工程概况 . 3 二 计算依据 . 3 三 计算参数 . 4 四 计算内容 . 4 五 模板的计算 . 4 5.1 设计荷载 . 4 5.2 荷载分项系数 . 5 5.3 选用材料 . 5 5.4 混凝土压力荷载的计算 . 5 5.5 底模模板的计算 . 5 5.6 底模方木的计算 . 8 5.6.1 底模背肋的计算 . 8 5.6.2 底模脊梁的计算 . 10 六 满堂支架的计算 . 12 6.1 满堂支架的布置 . 12 6.1.1 立杆和横杆的布置 . 12 6.1.2 剪刀撑的布置 . 12 6.2 满堂支架荷载的计算 . 14 6.2.1 荷载类型 . 14 6.2.2 荷载取值 . 15 6.2.3 满堂支架荷载的分项系数 . 18 6.2.4 荷载效应组合 . 18 6.2.5 单肢立杆承载力的计算 19 6.3 立杆力学特性计算 20 6.4 立杆强度验算 21 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 ii 页 6.5 整体稳定性验算 . 22 6.6 局部稳定性计算 . 24 6.7 底座和顶托强度验算 . 25 6.8 地基承载力计算 . 25 七 门式支架的计算 . 26 7.1 门式支架荷载的计算 . 26 7.2 门式支架结构的计算 . 28 7.2.1 门式支架的空间模型及加载 . 28 7.2.2 门式支架内力的计算 . 29 7.2.3 门式支架应力的计算 . 30 7.2.4 门式支架变形的计算 . 32 7.3 支架桩的计算 . 34 7.3.1 支架桩荷载的计算 . 34 7.3.2 支架桩强度计算 . 35 7.3.3 支架桩稳定分析 . 36 7.3.4 支架桩屈曲分析 . 39 7.4 门式支架基础的计算 . 41 7.4.1 连接螺栓的计算 . 41 7.4.2 条形基础的计算 . 43 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 3 页 一 工程概况 本桥位于江苏省南京市玄武区境内，桥下道路为红山路，路面为 沥青路面，结构完好，人车流量均较大。道路两侧均有大片多层住宅 楼，人口密集。全宽 49.4m，与线路的夹角为 82。 本桥跨径为(12+20+20+12)m 普通钢筋混凝土刚构连续梁，全长 65.0m。 连续钢构梁高为 1.4m， 刚壁墩根部梁高为 2.0m， 梁顶宽 12.2m， 主梁全长 65m；刚构墩外缘与梁底同宽，顺桥向壁厚为 1.0m，横桥 向宽 6.892m。 桥梁墩台基础均采用钻孔桩基础； 其中桥墩采用8-1.0m钻孔桩， 桥台采用 9-1.0m 钻孔桩，均为柱桩，桩基施工时要求桩底嵌入 w2 岩层长度不小于 1.0m。 二 计算依据 1.钢结构设计规范 （gb50017-2003） ； 2.建筑结构荷载规范 （gb50009-2001） ； 3.建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范 （jgj166-2008） ； 4.路桥施工手册周水兴等主编（人民交通出版社） ； 5.建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范 （jgj 130-2001） ； 6.铁路桥涵设计基本规范 （tb10002.1-2005） ； 7.竹胶合板模板 （jgt156-2004） ； 8.公路桥涵施工技术规范 （jtj041-2000） ； 9.混凝土结构设计规范 （gb50010-2002） ； 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 4 页 10.材料力学 （西南交通大学出版社） ； 11.结构力学(高等教育出版社)； 12.机械设计手册 （软件版）v3.0； 13. 有限元分析软件 midas/ civil 7.4.1。 三 计算参数 1. 钢筋混凝土的容重：26kn/m3； 2. 钢材的容重：78.5 kn/m3； 3. 钢材的弹性模量：206gpa。 四 计算内容 1. 中桥梁底模的计算； 2. 碗口支架的强度和稳定性； 3. 门洞的整体强度、刚度和稳定性； 4. 门洞钢管桩的强度、刚度和稳定性； 5. 条形基础的计算。 五 模板的计算 由于侧模采用定型钢模，底模采用竹胶板模板，因此只对底模进 行计算。在门洞范围内，底模背肋为门洞纵梁，因此此处不计算底模 背肋。在靠近墙身处底模模板应计算底模背肋和底模脊梁。 5.1 设计荷载 1.施工荷载（机械堆放和混凝土的冲击力） ； 2.人群荷载； 3.结构自重。 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 5 页 5.2 荷载分项系数 根据路桥施工计算手册表 8-5 荷载分项系数如下所示。 1.模板、脚手架自重分项系数考虑为 1.2； 2.新浇筑钢筋混凝土自重分项系数考虑为 1.2； 3.施工人员及施工机具运输或堆放的荷载分项系数考虑为 1.4； 4.振捣混凝土时产生的竖向荷载分项系数考虑为 1.4； 5.新浇筑混凝土对侧面模板的压力分项系数考虑为 1.2； 6.振捣混凝土时产生的水平荷载分项系数考虑为 1.4； 7.雪荷载分项系数考虑为 1.2。 5.3 选用材料 1.竹胶板和型钢； 2.钢材采用 q235 材质。 5.4 混凝土压力荷载的计算 根据红山路中桥施工图纸可知，连续刚构梁高为 1.4m，刚 壁墩根部为 2.0m，其倒角尺寸为 60100.7cm。 连续刚构梁底板处混凝土压力计算如下所示。 p1h261.436.4kpa 刚壁墩处混凝土压力计算如下所示。 p2h26252kpa 根据 路桥施工计算手册 表 8-1 规定水平振动荷载 p22kn/m2。 施工人员荷载及机械临时堆放等荷载取为 p32.5kn/m2。 5.5 底模模板的计算 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 6 页 底模板采用 18mm 厚的竹胶板做模板， 由厂家提供的容重为 10.4 kn/m3，则模板的自重为 p4h10.40.0180.1872kn/m2。 底模的背肋采用工字钢间距为 40cm。则由 5.4 节所计算可知总竖向 荷载计算如下所示。 q11.2p1+1.2p4+1.4p2+1.4p3+1.4sk 1.236.4+1.20.1872+1.42+1.42.5+1.40.65 51.115kpa q21.2p2+1.2p4+1.4p2+1.4p3+1.4sk 1.252+1.20.1872+1.42+1.42.5+1.40.65 69.835kpa 根据以上计算可知，取 1.0cm 宽的竹胶板进行计算。将以上荷载 转化成线均布荷载加载在竹胶板上， 其线均布荷载计算分别如下所示。 q1py0.0151.1150.010.51115kn/m q2py0.0169.8350.010.69835kn/m 在计算时，考虑到模板的连续性，因此模板按连续梁（三跨连续 梁）进行计算。计算简图如下图 5-1 所示。 q 图 5-1 模板计算简图 根据路桥施工计算手册表 8-13 可知，局部荷载和集中荷载 作用下最大弯矩和挠度计算的公式分别如下式 5-1、5-2、5-3 和 5-4 所示。 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 7 页 均布荷载作用下最大弯矩计算如下式 5-1 所示。 mmaxql2/10 （5-1） 集中荷载作用下最大弯矩计算如下式 5-2 所示。 mmaxpl/6 （5-2） 均布荷载作用下最大挠度计算如下式 5-3 所示。 fmaxql4/（128ei） （5-3） 集中荷载作用下最大挠度计算如下式 5-4 所示。 fmaxpl3/（77ei） （5-4） 在计算竹胶板的弯矩时，由于底板和腹板下荷载不一样，但跨度 均为 40cm。因此根据公式 5-1 取腹板下混凝土的压力计算其弯矩， 则竹胶板的最大弯矩计算过程如下所示。 m1ql2/100.511150.402/108.178410-3kn.m m1ql2/100.698350.402/100.0111736kn.m 根据以上计算选取 mmax0.0111736kn.m 进行计算。 由于选用的 是 18mm 厚的竹胶板， 计算跨度按照 40cm 考虑。 取 1cm 宽的计算宽 度进行计算，其截面抵抗矩 wbh2/6 其计算过程如下所示。 wbh2/610182/6540mm3 mmax/w0.0111736106/54020.692mpa 通过以上计算，20.692mpa25.812kn。其中 25.812kn 为立杆所受的最大荷载， 通过计算结果表明底座和顶托的强底座和顶托的强 度满足使用要求度满足使用要求。 6.8 地基承载力计算 地基承载力计算公式如下式 6-12 所示。 pn/a （6-12） 式中：n支架传递基础顶面的轴心力； a硬化层下素土受力面面积。 底座为 140140mm，支承在公路面上。根据表 6-2，碗口支架 自重计算如下所示。 glgn+hgn7.415+（2.82+3.97）10104.95kg 将自重换算为千牛，g1.2g1.2104.951010-31.26kn， 路面强度计算如下所示。 路面（pmax+g）/a（25.812+1.26）10-3/（0.140.14） 1.38mpa 由于路面混凝土采用的是 c25 混凝土，根据混凝土结构设计规 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 26 页 范表 4.1.4 可知，c25 混凝土的轴心抗压强度为11.9mpa。根 据以上计算结果可知，路面1.38mpa11.9mpa，则混凝土强 度满足承载力的要求。 七 门式支架的计算 本章的计算内容包括门式支架结构的计算、钢管桩的计算、和条 形基础的计算。门式支架纵梁采用 56b 的工字钢，分配横梁采用两根 40b 的工字钢焊接起来。钢管桩采用52.9cm 壁厚 1.0cm 的钢管桩。 纵梁与分配梁采用 u 型扣连接， 分配梁焊接在钢管桩上。 钢管桩之间 采用 10 号槽钢作剪刀撑连接起来达到减小自由长度的目的。 7.1 门式支架荷载的计算 根据红山路中桥施工图纸可知，连续刚构梁高为 1.4m，刚 壁墩根部为 2.0m，其倒角尺寸为 60180.7cm。 连续刚构梁底处混凝土压力计算如下所示。 p1h261.436.4kpa 根据 路桥施工计算手册 表 8-1 规定水平振动荷载 p22kn/m2。 施工人员荷载及机械临时堆放等荷载取为 p32.5kn/m2， 其梁底截面 图如下图 7-1 所示。 1 2 3 4 5 6 2 3 4 5 6 93.52 46.65 21.96 46.95 30.65 图 7-1 门式支架荷载计算取样图 计算采用 midas/civil 7.4.1 进行计算， 门式支架的自重由软件自身 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 27 页 加载。其门式支架的计算荷载取值范围如上图 7-1 所示，其门式支架 纵梁荷载计算如下所示。 q11.2p1 +1.4p2+1.4p3 1.236.4+1.42+1.42.5 49.98kpa q21.2h +1.4p2+1.4p3 1.2260.9352+1.42+1.42.5 35.48kpa q31.2h +1.4p2+1.4p3 1.2260.4695+1.42+1.42.5 20.95kpa q41.2h +1.4p2+1.4p3 1.2260.4665+1.42+1.42.5 20.85kpa q51.2h +1.4p2+1.4p3 1.2260.3065+1.42+1.42.5 15.86kpa q61.2h +1.4p2+1.4p3 1.2260.2196+1.42+1.42.5 13.15kpa 由于门式支架采用型钢，在梁底下间距为 40cm。将以上计算的 竖向压强转化为线性荷载，其线荷载计算如下所示。 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 28 页 q1ql49.980.419.992kn/m q2ql35.480.414.192kn/m q3ql20.950.48.38kn/m q4ql20.850.48.34kn/m q5ql15.860.46.344kn/m q6ql13.150.45.26kn/m 7.2 门式支架结构的计算 7.2.1 门式支架的空间模型及加载 门式支架钢管桩采用直径 52.9cm 壁厚 1cm 的钢管桩，梁底下间 距为 2.5m，梁翼缘板下间距为 3.0m。基础采用 11m 的条形基础， 钢管桩上横向分配梁采两根用 40b 工字钢， 纵梁采用 56b 工字钢。 梁 底工字钢间距均为 40cm。 通过软件 midas/civil 7.4.1 建立空间有限元模型， 并将 7.1 节计算 的荷载加载在空间模型上，其荷载加载图如下图 7-2 所示。 图 7-2 门式支架加载图 单位:kn/m 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 29 页 7.2.2 门式支架内力的计算 通过空间有限元分析，其弯矩计算结果如下图 7-3 所示。 图 7-3 门式支架弯矩图 单位：kn.m 通过图 7-3 可知，在纵梁跨中和分配横梁有最大弯矩，其值分别 为 m1190.54kn.m，m2186.7kn.m。 通过空间有限元分析，其剪力计算结果如下图 7-4 所示。 图 7-4 门式支架剪力图 单位：kn 通过图 7-4 可知，在钢管桩上横向分配梁有最大剪力，其值为 439.5kn。 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 30 页 7.2.3 门式支架应力的计算 通过空间有限元分析，其轴应力计算结果如下图 7-5 所示。 图 7-5 门式支架轴应力图 单位：mpa 根据图 7-5 可知，最大轴应力在钢管桩上，其最大轴应力 51.9mpa。根据钢结构设计规范表 3.4.1-1 查 q235 钢的容许轴应 力值为215 mpa。51.9mpa215 mpa，则门式支架的门式支架的 抗压强度抗压强度满足满足施工施工使用的要求使用的要求。 通过空间有限元分析，其剪应力计算结果如下图 7-6 所示。 图 7-6 门式支架剪应力图 单位：mpa 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 31 页 根据图 7-6 可知，最大剪应力在纵梁的支座处，其最大剪应力 51.8mpa。根据钢结构设计规范表 3.4.1-1 查 q235 钢的容许轴 应力值为125mpa。 51.8mpa125mpa， 则门式支架的门式支架的 抗剪强度满足抗剪强度满足施工施工使用的要求使用的要求。 通过空间有限元分析，其弯曲应力计算结果如下图 7-7 所示。 图 7-7 门式支架弯曲应力图 单位：mpa 根据图 7-7 可知，最大弯曲应力在门式支架纵梁跨中和横向分配 梁支反力处，其最大弯曲应力分别为78.5mpa 和82.7mpa。 根据钢结构设计规范表 3.4.1-1 查 q235 钢的容许轴应力值为 215mpa。82.7mpa215mpa，则门式支架的门式支架的抗弯抗弯强度满强度满 足足施工施工使用的要求使用的要求。 通过空间有限元分析，横向分配梁和整个门式支架，其组合应力 （弯曲应力+轴应力）计算结果如下图 7-8 所示。 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 32 页 横向分配梁 图 7-8 门式支架组合应力图 单位：mpa 根据图 7-8 可知，最大组合应力在门式支架纵梁跨中上和横向分 配梁支点上， 其最大组合应力89.92mpa。 根据 钢结构设计规范 表 3.4.1-1 查 q235 钢的容许轴应力值为215mpa。 89.92mpa215mpa，则门式支架的强度满足施工使用的要求门式支架的强度满足施工使用的要求。 7.2.4 门式支架变形的计算 通过空间有限元分析， 其门式支架变形计算结果如下图7-9所示。 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 33 页 图 7-9 门式支架变形图 单位：mm 根据图 7-9 可知，最大变形发生在纵梁的跨中，其最大值 f 13.5mm。则最大变形 f13.5mmfl/4009000/40022.5mm, 其门式支架的刚度满足施工使用的要求其门式支架的刚度满足施工使用的要求。 通过空间有限元分析， 其门式支架支座反力计算结果如下图 7-10 所示。 图 7-10 门式支架支座反力图 单位：kn 通过空间有限元分析，其门式支架支座反弯矩计算结果如下图 7-11 所示。 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 34 页 图 7-11 门式支架支座反弯矩图 单位：kn.m 根据图 7-10 和图 7-11 可知，最大支座反力和支座反弯矩均发生 在跨中钢管桩支座处，其最大值分别为 f838.98kn，最大反弯矩为 my40.249kn/m。 7.3 支架桩的计算 7.3.1 支架桩荷载的计算 采用热轧无缝钢管，且直径为 52.9cm、壁厚为 10mm 的钢管。 钢管桩之间用用 10 号槽钢连接起来。 根据 7.2.4 节计算的支座反弯矩 和支座反力可知道，桩顶的轴向力为桩底的支座反力扣除桩的自重， 则桩的作用力计算如下所示。 fmaxf-g838.98-78.55（0.5292-0.5092）/4832.58kn 桩顶的弯矩就为桩底的支座反弯矩，m40.249kn/m。根据上面 6.2.2 节的计算可知，风荷载总的水平荷载：pxw0.365kn/m2。将 其转化为线荷载作用在钢管桩和斜撑上，其线荷载考虑 1.4 的安全系 数后分别为 f钢管桩0.3650.5291.40.27kn/m，f槽钢0.3650.1 1.40.05kn/m。 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 35 页 7.3.2 支架桩强度计算 根据 7.3.1 节计算可知，钢管桩顶的荷载 p838.98kn，m1 40.249kn/m，钢管桩的风荷载 f钢管桩0.27kn/m，f槽钢0.05kn/m 将 其加载在钢管桩上，其荷载加载图如下图 7-12 所示。 图 7-12 钢管桩荷载加载图 单位：kn（kn/m） 通过空间有限元分析， 钢管桩的应力计算结果如下图7-13所示。 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 36 页 图 7-13 钢管桩应力图 单位：mpa 从图 7-13 可知，最大应力为33.96mpa。根据钢结构设计 规范表 3.4.1-1 查 q235 钢的容许轴应力值为215mpa。则 33.96mpa215mpa，计算结果表明钢管桩抗压钢管桩抗压强度满足强度满足施工施工使使 用的要求用的要求。 7.3.3 支架桩稳定分析 考虑到钢管搭设时竖直度可能存在不足， 忽略桩顶横向分配梁的 摩擦力，因此自由长度假定为 5.0m，并且在自由长度范围内偏斜量 y 取为 5cm， 如 图 7-14 所示。 按单向压弯杆件验算， 产生的偏斜弯矩， 其计算过程如下所示。 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 37 页 500 n 5 图 7-14 立杆变形图 单位：cm m2ny+ql2/2838.980.05+0.2762/246.809kn.m mm1+ m240.249+46.80987.058kn.m 由于钢管桩与工字钢焊接， 但为简化计算钢管桩的计算长度系数 按照一端固定一端自由，根据表 7-1，则由取 2。 表 7-1 等截面柱或压杆的计算长度系数 u 项次 1 2 3 4 杆端连接方式 一端固定一端自由 两端铰接 一端固定一端铰接 两端固定 u 2 1 0.7 0.5 注：此表参照材料力学 。 钢管桩稳定计算的计算简图如下图 7-15 所示。 500cm m n 图 7-15 稳定性计算简图 单位：cm 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 38 页 钢管桩与槽钢焊接， 为简化计算钢管桩的计算长度系数按照一端 固定一端自由，根据表 3-1 则由取 2。 根据路桥施工计算手册附表 2-1 可计算回转半径，其计算过 程如下所示。 m dd i18353 . 0 4 509 . 0 529 . 0 4 2222 = + = + = 长细比h/i25/0.1835354.5， 由 此 可查 建筑施工 碗扣式脚手架安全技术规范 （jgj166-2008）附表 c，钢管桩的稳定 系数8375 . 0 =。 立杆欧拉临界力公式如下公式 7-1 所示。 ne2ea/2 （7-1） 钢材的弹性模量：e2.06105n/mm2，则根据公式 7-1 计算钢 管桩的临界力，其计算过程如下所示。 a(d2-d2)/4(5292-5092)/416304.86587mm 2 ne22.0610516304.8658710-3/54.52 11160.694kn 钢管桩的截面抗弯模量计算过程如下所示。 3 4444 285.2076335 5 . 2644 5 . 254 5 . 264 4 mm r rr w= = = 由欧拉公式计算其应力如公式 7-2 所示。 )/8 . 01/ em nnwm a n +=（ （7-2） 式中： m 为等效弯矩系数 1.0； 为截面塑性发展系数 1.15。 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 39 页 根据公式 7-2 计算钢管桩的临界应力，其计算过程如下所示。 ) 11160.694 98.8388 . 0 1 (285.207633515 . 1 10058.871 716304.86588375 . 0 103898. 8 65 + = mpa232.100 根据钢结构设计规范表 3.4.1-1 查 q235 钢的容许轴应力值为 215mpa。通过以上计算可知100.232n/mm2 215n/mm2，只要只要钢管桩钢管桩范围内偏斜控制在范围内偏斜控制在 5cm 以内以内，钢管桩钢管桩纵向稳纵向稳 定性可以得到保证定性可以得到保证。 7.3.4 支架桩屈曲分析 把作用在钢管桩上的荷载作为屈曲分析的基本荷载，取 10 个模 态进行分析，将轴力作为变量，其值为 p838.98kn，将风荷载（f钢 管桩0.273kn/m，f槽钢0.05kn/m） 、 弯 距 m87.058kn.m 和自重作 为常量。前几阶段屈曲分析结果如图 7-16、7-17、7-18 和图 7-19 所 示。 图 7-16 钢管桩屈曲分析模态一 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 40 页 图 7-17 钢管桩屈曲分析模态二 图 7-18 钢管桩屈曲分析模态三 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 41 页 图 7-19 钢管桩屈曲分析模态四 从图 7-16、7-17、7-18 和图 7-19 可知，四个模态屈曲临界荷载 系数分别为 11.41、11.46、11.50 和 11.53。则模态一、模态二、模态 三和模态四的临界荷载系数均大于 4，由于是荷载是考虑了安全系数 的，因此本结构是安全钢管桩钢管桩稳定稳定承载力承载力满足施工满足施工使用使用的要求的要求。 7.4 门式支架基础的计算 7.4.1 连接螺栓的计算 由于钢管桩的尺寸均为 52.9cm，壁厚均为 10mm。由 7.3.1 节计 算可知结构传下来的弯矩为m87.058kn/m， 则钢管桩绕边缘旋转， 计算简图如下图 7-20 所示。 529 图 7-20 钢板计算简图 单位：mm 红山路中桥施工方案计算书 中国中铁四局 第 42 页 当弯矩作用于钢管桩上时，等效于图 7-20 两个力，则这个力计 算如下所示。 fm/y87.058/0.529164.571kn 在确定地脚钢筋锚固深度的时候，未考虑结构的自重。这样计算 的地脚螺栓在施工过程中偏于安全。 在计算的时候考虑基础内螺纹钢和混凝土的黏结力， 不考虑螺纹 钢端部的弯钩在混凝土的锚固作用。根据路桥施工手册表 8-44 计算公式如 7-3 所示。 b dn f h （7-3） 式中： f锚固力， 即作用于地脚螺纹钢上的轴向拔力(n)； d地脚螺纹钢直径 mm； b 地脚螺纹钢与混凝土的容许黏结强度，一般在 普通混凝土中黏结强度 b 取为 2.53.5mpa，