3rd 挂篮计算书

卡纳夫里三桥挂篮计算书卡纳夫里三桥挂篮计算书中铁大桥局股份有限公司施工设计事业部二零零七年五月2中铁大桥局股份有限公司施工设计事业部卡纳夫里三桥挂篮计算书计 算：复 核：项目负责人：室 主 任：部总工程师：部 长：中铁大桥局股份有限公司施工设计事业部二零零七年五月目 录1 概况12 计算依据13 计算假定和说明14 计算相关参数25 浇注混凝土工况计算内容25.1箱梁侧模支架25.2 箱梁底模平台35.3主桁系统86走行工况137实体分析157.1 计算内容157.2 计算荷载工况167.3 计算模型177.4 计算结果177.5 结果分析及结论198结论及说明20卡纳夫里三桥挂篮计算书1 概况3rd KARNPHULI 桥是一座5跨连续的矮塔单索斜拉桥，其跨度为：1153200115m,主桥是有竖向坡度的斜弯桥，主梁顶板均匀宽度为24.47m,底板均匀宽度为9.85m变化到12.85m桥梁箱梁的高度由4m变化到6.75m,变高度梁节段为0两侧的28m长度，其余节段高度均为4m.箱梁的顶板厚度未25cm,腹板厚度为40cm，底板厚度由25cm变化到65cm ,底板变厚节段与变高节段号相同。由于全桥结构对称，考虑除0以外的所有节段均采用挂篮施工。根据本桥的结构特点和施工特点，挂篮设计为铰接三角挂篮，其由以下几个主要部分组成。（1）主桁系统：横向由两片主桁组成，单片主桁由立柱和斜拉钢带构成；（2）内模系统：内模支架组成；（3）底模平台系统：由前下横梁、后下横梁、纵梁和底模组成；（4）吊挂系统：由前后上横梁吊带组成；（5）平衡及锚固系统：由锚固构件、钩板等组成，以便挂篮在灌注砼和空载行走时，具有必要的稳定性。按照上述几个组成系统分别进行计算,计算软件为通用计算软件。计算建模与卡纳夫里三桥施工挂篮设计图中的相应内容吻合。2 计算依据（1）卡纳夫里三桥施工设计图；（2）公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004）；（3）公路桥涵钢结构及木构设计规范（JTJ 025-86）；（4）公路桥涵施工技术规范（JTJ041-2000）。3 计算假定和说明根据本挂篮的结构特点，设计计算中采用以下假定和说明。（1）悬臂施工最大节段重量为中跨2重量为2201.6KN，按此节段进行挂篮控制设计。（2）由于挂篮上部主桁系统和下部底模平台系统仅通过吊挂系统相连，故计算按各自的子结构进行计算，子结构为底模平台体系，内外模体系、主桁体系、吊挂体系和锚固体系。（3）计算顺序为先对底模平台体系和内模体系进行结构计算，得出各吊点的支承反力，然后把此支承反力作为外力对主桁体系进行各项计算。（4）节段施工过程一般分为以下步骤：挂篮空载走行就位。立模。绑扎钢筋并浇注砼。砼养生后，拆模并张拉预应力。对于挂篮来讲，只有步骤和步骤最不利，故挂篮的检算分为以下两个工况。工况1：挂篮空载走行；工况2：挂篮浇注混凝土时。（5）主桁体系的结构受力分析和纵向整体稳定性检算，计入纵向风载作用。桥面以下的结构体系不考虑风载作用。主桁结构在横向风载作用下的主桁结构横向稳定性不作检算，但挂篮的横向限位装置要满足构造要求。（6）各施工荷载参照规范或相应资料取值，并按荷载主力附加力进行组合检算。（7）检算主桁时考虑挂篮走行时的摇晃和挂篮浇注混凝土时的振捣，故工况1荷载动力系数取为1.3，工况2荷载动力系数取为1.15。4 计算相关参数（1）材料容重：C60砼 26.5kN/m3；钢构件 按照设计图中的构件重量采用换算容重。最大混凝土节段为K1节段，重量为2201.6KN（2）材料弹性模量：A3钢材 2.1105Mpa；16Mn钢材 2.1105Mpa；32精轧螺纹钢筋 2.0105Mpa。（3）内模及侧模重量按1.0kN/m2考虑。（4）施工机械、作业人群等施工荷载：2.5kN/m2。（5）温度荷载：升温15，降温15，体系温度20。（6）风荷载：按8级风考虑，8级以上风则停止作业并加强锚固。WK1K2K3K4W01.01.31.31.0262.63443.8Pa。5 浇注混凝土工况计算内容5.1箱梁侧模支架箱梁侧面模板支撑为一个节段4条，间距为1.2m,由210和28的槽钢焊接而成。用以承受箱梁腹板及悬臂翼板的重量，单个支架承受沿桥纵向1.2m长度的箱梁腹板及悬臂翼板的重量，通过计算。作用在单个支架上的荷载建图1，计算结果见图2。 图1 计算模型 图2 应力计算结果（Kpa）如图2所示：杆件的最大应力为47.8Mpa，在外导梁作用处的上弦杆上。计算得到支架的最大竖向位移为2.68mm在悬臂翼板的前端。翼板的最大悬臂长度为2.1m,则结构允许的挠度为L/200=2100/20010.5mm结构刚度满足要求。5.2 箱梁底模平台箱梁底模平台由前下横梁、后下横梁、纵梁和底模组成。浇注混凝土时荷载先由底模承受，后由底模通过底模下面的8传递给纵梁，再由纵梁传递给前、后下横梁。下横梁的支承边界为各自的吊挂系统。5.2.1 模板模板由6mm厚的面板(A3钢板)和8的型钢楞条组成。 （1）面板面板分为0.30m0.74m（底板区部分），它们直接承受上面的面载。对于此种型式的面板，采用通用计算软件进行板单元计算。(模板自重计算软件自动考虑，取重力加速度为9.8m/s2)取小分隔板尺寸范围内的混凝土重及内模重，模板面板所承受的荷载为：单侧悬臂翼板及腹板重为400KN（其中有250.6KN，由外导梁承受，149.4KN传递到底模上，顶板底板及斜撑重1402KN(其中斜撑重187.5KN)。因此作用在底板上的面板面压力为：其中q1、q2和q3 分别为作用于，有斜撑的0.8m范围的压力；作用于箱梁腹板底部的压力；作用于箱梁底部其他位置的压力。q1=187.5/(0.810.492)（1402187.5）/(410.492)2.5154.7kN/m2q2=149.4/(40.37)2.51104.5kN/m2 q3=（1402187.5）/(410.492)2.5132.4kN/m2 以q2和q3作为最不利荷载计算，计算结果应力云图见图3图4。图中应力是在模型边界为刚性固结下的miss应力结果，最大应力为127Mpa，最大挠度为0.6mm，其实面板下面的钢楞具有一定的弹性变形，根据小西一郎的钢桥中的理论，在考虑面板弹性支承下的应力约为刚性支承的0.7倍左右，图4中模板面板miss应力均小于A3钢的w140MPa，满足规范要求。 图3 计算模型 图4模板面板应力（Pa）云图根据公路桥涵施工技术规范第9.2.4条的规定，模板面板在施工过程中的最大变形应小于模板构件跨度的L/4000.75mm，也应小于规定的1.5mm。面板的最不利变形满足规范要求。（2）8型钢楞条模板面板下的钢楞条为8型，其以0.3m的间距搁置在底模纵梁上，并且焊制成整体，故焊制后的单根8型钢楞条全长为14.8m。采用通用软件对此钢楞条进行梁单元计算。计算模型见图5。图5 8型钢楞条计算模型8型钢的几何参数：A10.24cm2，W25.3cm3，I101.3cm4。计算荷载取q1与q2的组合，单根8型钢楞条所承受的荷载范围为0.30m。单根8型钢楞条，计算内力见图6图6 钢楞内力图从图6可知，8型钢楞条最大弯矩位于最左边纵梁支承处，为-2. kN.m，其应力为79.2MPa，应力小于w140MPa，满足公路桥涵钢结构及木结构设计规范要求。8型钢楞条边跨最大挠度为1.0mm，小于L/4003.0mm。钢楞条变形满足公路桥涵施工技术规范要求。5.2.2 前后下横梁及纵梁前后横梁通过吊带与已浇箱梁底板和上部结构联系，纵梁为桁架式，两端栓接在前、后下横梁上，横向对称布置为7片。其他梁上的计算与5.1.1相同，将荷载按节点荷载形式施加到纵梁上。计算采用通用计算软件进行，由于结构全部焊制而成，故单元划分为梁单元。计算模型见图7。图7 底模计算模型模型各构件几何参数见表1。表1 底模纵梁计算参数构件名称结构型式面积A(cm2)抗弯模量W(cm3)惯性矩I(cm4)上弦杆I1421.5102712下弦杆I1421.5102712端斜杆I1421.5102712中斜杆I1014.349245注：表中为纵梁各构件数据。另外，在上弦杆端部范围两侧各焊贴一钢板，根据设计提供的材料，及前面计算结果，1.2m范围内箱梁自重的线荷载为1.232.4=38.88KN/m，底模结构为400KN。，底模重量由14个底模纵梁承担，因此作用在一个底模纵梁上的最不利荷载为：38.88+400/(144)46.02KN/m。计算后的各杆件应力图见图89（应力图中以拉应力为正，压应力为负），各构件最不利应力见表2。表2 底模纵梁各构件最不利应力及挠度杆件号应力max(Mpa)最大挠度（mm)上弦杆-135.94.67下弦杆126.14.84端斜杆79.5中斜杆-78.3注：“”表示压应力 图8 纵梁梁应力结果（KPa） 图9 挠度计算结果（m）从图9可以看出：纵梁中节点的最大挠度为为4.84mm，具体为其挠跨比4.84/47001/971.1，小于公路桥涵施工技术规范第9.2.4条要求的L/400。底模纵梁变形满足规范要求。所有杆件均满足公路桥梁钢结构及木结构设计规范要求的W=140MPa要求。前、后下横梁由Q235B钢板焊制成箱型结构，全长19.36m，箱内在吊点和加载位置（即底模纵梁位置）均焊有加劲板，结构构造沿中线对称。由吊带与上横梁连接，作用在前后下横梁上的荷载是底模纵梁的反力，底模纵梁为18根，前、后下横梁的荷载图示如图1012所示。前吊带按10.0m计，其弹性刚度为knqEA/L0.9105kN/m图10 后下横梁荷载及支撑图11 前下横梁应力（KPa）图12 前下横梁挠度（m）如图1112所示前、后下横梁最大应力为20.4MPa，满足公路桥涵钢结构及木结构设计规范要求的W=220MPa。最大挠度为4.75mm挠跨比为4.75/2750=1/578.9小于公路桥涵施工技术规范第9.2.4条要求的L/4005.3主桁系统5.3.1外导梁箱梁的悬臂翼板及腹板作用在外侧模桁架结构上，产生的荷载由外导梁及底模纵梁结构承受。按照5.1的计算结构，外导梁上承受的荷载250.6KN，外导梁的几何参数：A222.1cm2，W3100cm3，I65717.9cm4。外导梁单重1743.5N。荷载模式及计算结果如图1314所示。 图13 荷载条件（N） 图14 弯矩图（N.m）外导梁在荷载作用下的最大弯矩为168.42KNm,计算的导外导梁的最大弯曲应力为54.3Mpa，最大挠3mm度满足规范要求。5.3.2主桁结构主桁系统由两片主桁横向通过前、后上横梁连接组成，单片主桁由下弦杆、立柱和斜拉钢带构成，为铰结体系。建立主桁和前上横梁的空间结构模型计算，根据设计图提供的内外模板系统的重量，将重量通过吊带传到前、后上横梁上，下部结构荷载同样也通过吊带传到前、后上横梁上荷载见表6表6 前上横梁荷载型号外吊带（单根）底模吊带1底模吊带2底模吊带3底模吊带4底模吊带5底模吊带6荷载值（KN）119.958.8258.8347.8347.8258.858.8表7 后上横梁荷载型号外吊带（单根）底模吊带1底模吊带2底模吊带3底模吊带4底模吊带5底模吊带6荷载值（KN）150.258.8258.8347.8347.8258.858.8注：底模吊带编号为从左到右的顺序由于前后上横梁上吊带的作用位置一致 前、后上横梁平面图 前、后上横梁轴视图 图15前、后横梁计算模型 前上横梁应力图（Pa） 前上横梁竖向变形（m） 图16前上横梁计算结果 后上横梁应力图（Pa） 后上横梁竖向变形（m） 图17后上横梁计算结果从图16可以看出前上横梁最大应力在上弦杆上最大值为160Mpa，在第四个吊带作用位置处，最大拉应力在下弦杆上最大值为130Mpa，在下弦杆跨中截面，前上横梁的最大竖向挠度为0.022m。从图17可以看出后上横梁最大应力在上弦杆上最大值为160Mpa，在第四个吊带作用位置处，最大拉应力在下弦杆上最大值为130Mpa，在下弦杆跨中截面，后上横梁的最大竖向挠度为0.022m。由于通过垫梁传递到前后上横梁的最大荷载为347.8KN。需要计算上横梁上弦杆，荷载作用处的局部承压。，满足要求。前后上横梁产生的支座反力为：前上横梁：826.82KN，后上横梁为：857.12KN。因此支座处的局部承压为：，满足要求。上横梁上锚固垫梁，在跨中最大作用的最大荷载为374.8KN,因此垫梁的弯曲应力和剪切应力为：；均满足相关规范要求。前后上横梁的最大应力为160MPa，位置在上横梁上弦杆第四个吊带作用处,其值小于W=170MPa，满足钢结构设计规范，前后上横梁的最大挠度为22mm，小于公路桥梁施工技术规范第9.2.4条规定L/40015600/400=39mm的要求，但在建模计算时没有考虑前上横梁上加劲结构，因此计算挠度相对实际情况要大些，上横梁结构可以满足设计要求。挂篮的主桁结构为单片三角形结构,单片主桁的计算结果如图18所示： 图18 主桁内力结果挂篮浇注混凝土时主桁最不利，应对主桁进行检算。倾覆弯矩：826.85.24299.36kN.m（顺时针方向）。后锚筋提供的最大锚力：4930804.4/10002992.4kN。大锚力提供的弯矩：2992.44.814363.52kN.m。倾覆稳定系数：14363.52/4299.363.32.0。挂篮工作稳定性满足公路桥涵施工技术规范第15.3.1要求主桁竖杆为240b工钢，面积166.1cm2其最大应力为：102.5Mpa小于140MPa，斜拉钢带的最大应力为：97.2Mpa均小于 W=200Mpa，主桁结构各杆件的应力满足公路桥涵钢结构及木结构设计规范主桁悬臂端最大竖向位移为0.042m。53.3吊带根据浇注混凝土节段各吊带的计算张力，对其进行应力和伸长量计算，计算结果见表8。表8 挂篮浇注混凝土工况各吊带计算结果名称型式计算张力(kN)应力(MPa)伸长量(mm)前边吊带120201000058.824.5 1.4 前中吊带3210000347.8432.520.6 后边吊带321000058.873.13.5后中吊带3210000347.8432.520.6外吊带120206000150.262.6 1.8表9 主桁支点计算反力项目前支点反力(kN)后锚点反力(kN)混凝土浇注2610.9895.7后锚点的竖向锚筋为432精扎螺纹钢筋，其屈服强度为930MPa。其最大应力为895700/3217.4278.4MPa，后锚满足要求。5.2.4压杆稳定性检算主桁竖杆和下弦杆压力大，故压杆稳定应检算主桁竖杆及下弦杆。中桁竖杆为240b加缀板连接的两肢组合压杆，计算长度为4m。， 两个缀板间的净距为, ，小于，长细比满足设计要求。查表知：。压杆稳定性满足规范要求。主桁下弦杆：下弦杆为232b加缀板连接的两肢组合压杆，计算长度为5.2m。， 两个缀板间的净距为, ，小于，长细比满足设计要求。查表知：。压杆稳定性满足规范要求。主桁下弦杆平面外稳定：，小于，长细比满足设计要求。查表知：主桁Z1支座处的最大反力为2610.9KN，由立柱传递的荷载为1703.3KN，需要检算局部承压：，满足要求。主桁两根斜钢带通过节点板用螺栓与主桁竖杆连接，螺栓直径为27的普通螺栓，单个螺栓的抗剪承载力为：57.2KN单侧螺栓的剪切荷载为：1703.3/2=851.65KN,需要的螺栓数为：，设计螺栓数为18个，满足要求。销孔最大承载力：Q235：10076200/10001520KN1399.2KNQ335：10064300/10001920KN1399.2KN,满足要求！销轴抗剪：(3.141002)1252/4000=1960KN1399.2KN 斜拉带承载：230202002/10001840KN1399.2KN斜拉带净截面承载：180202002/10001440KN1399.2KN6走行工况挂篮在走行工况下，下部结构中的檩条及纵梁均只承受结构的自重，荷载比混凝土浇注工况小，因此不必再对檩条和底板纵梁进行检算。但是对于前后下横梁由原来的4个支点变为只有外部吊带的两个支点，需要对前后下横梁重新计算，底模结构重300KN,其中前后下横梁重共100KN，由14道纵梁承受，每道纵梁的荷载为(300-100)/(144)=3.57KN 图19走行工况前后下横梁计算模型 图20 走行工况前后下横梁应力图(Kpa) 图21 走行工况前后下横梁挠度图（m）计算结果如图2021前后下横梁在走行工况下由于是两点支承结构因此杆件的应力与挠度值都增加，最大应力为106.5MPa，小于W=210MPa，满足公路桥涵钢结构及木结构设计规范，最大挠度为74mm；大于规范规定的L/400=48.4mm，但是此时挂篮为空载状态，在施工时可以通过调节吊杆来消除下横梁的变形。计算的走行工况下后端单个锚点的反力为235.42KN，倾覆弯矩为235.425.21224.18KN.m，此时的稳定由后钩板的焊缝提供，焊缝的稳定弯矩为：89081404.2/1000=3386.88KN.m计算得到走行工况下的稳定系数为：3386.88/1224.18=2.772.0。对于走道梁，在走行工况下最不利由三个U形螺栓连接，每个螺栓杆件的极限承载为：40KN，则3个U形螺栓的承载为640240235.42KN满足要求。外导梁在走行工况下荷载图示如图22所示： 图22外导梁荷载图示 图23外导梁弯矩图（N.m）如图23所示外导梁最大弯矩为341.45KNm,通过计算得到外导梁最大应力为100.1Mpa，最大挠度为14mm。其余上部结构均是只承菱形挂篮的结构自重，荷载均小于施工情况下上部结构荷载，因此不用检算。挂篮主桁走行不同步，会使主桁结构因为两片主桁之间的位移差产生扭转变形，为了保证上部结构在走行过程中的安全性需计算上部结构走行过程中的不同步距离：在计算时考虑两片桁的最大不同步距离为3cm，通过建立上部结构的空间结构模型，计算结构的应力，计算模型如图24，计算结构如图25。 图24 走行不同步计算模型 图25 走行不同步应力结果（pa）通过计算知道，在挂篮上部结构走行过程中，当左右两片主桁有3cm的不同步位移时，上部结构的最大应力为106Mpa,发生在后上横梁与主桁连接的后上横梁的下弦杆上。7实体分析7.1 计算内容本计算着重对卡拉夫里主桥7号墩第36-37箱梁号块进行分析。为真实反映箱梁第36号节段靠塔端边界约束情况，计算时一并建立34-37号共4个节段模型。计算模型顺桥向长度共计16米。7.2 计算荷载工况本计算荷载包括：箱梁自重、箱梁横向预应力、箱梁纵向预应力及施工荷载。其中施工荷载包括施工挂篮自重及38号块混凝土重量。（1）结构自重（load1） 取重力加速度。（2）箱梁横向预应力（load2）采用直接建模法，用降温法模拟预应力效应。（3）箱梁纵向预应力（load3）纵向预应力采用等效节点荷载方式施加。参考卡拉夫里施工设计图，可知在34-37号箱梁节段有T4、T5和T6三束纵向预应力作用。每束预应力为钢绞线，钢束面积为 ，其张拉控制应力为。则张拉力为。（4）施工荷载（load4）（包括施工挂篮自重及38号块混凝土重量）施工挂篮按130吨计算，38号块混凝土重量按170吨计算，则总施工荷载为300吨。根据计算资料，施工荷载加载方式如下：图1-1 施工荷载加载示意图为分析结构在自身荷载作用下的受力情况，并考察纵向预应力对箱梁结构的影响，本计算考虑如下4种计算工况：计算工况1：结构自重+箱梁横向预应力（load1+load2）计算工况2：结构自重+箱梁横向预应力+箱梁纵向预应力（load1+load2+load3）计算工况3：结构自重+箱梁横向预应力+施工荷载（load1+load2+load4）计算工况4：结构自重+箱梁横向预应力+施工荷载箱梁纵向预应力（load1+load2+load4+load3）7.3 计算模型空间结构的计算软件为通用有限元软件。混凝土采用程序单元库中的solid 45单元模拟。边界条件为模型左端（34号块左端）固端约束。有限元模型如图1-2所示。图1-2 计算采用的有限元模型侧视图轴视图注：单元方向定义：X向：桥梁宽度方向； Y向：桥梁高度方向；Z向：桥梁长度方向7.4 计算结果工况1计算结果如图1-3所示；工况2计算结果如图1-4所示；工况3计算结果如图1-5所示；工况4计算结果如图1-6所示；图1-3 工况1计算结果Y方向位移图(单位：m) X方向应力云图-1(单位：pa)X方向应力云图-2(单位：pa)Y方向应力云图(单位：pa)图1-4 工况2计算结果Y方向位移图(单位：m) X方向应力云图-1(单位：pa)X方向应力云图-2(单位：pa)Y方向应力云图(单位：pa)图1-5 工况3计算结果Y方向位移图(单位：m) X方向应力云图-1(单位：pa)X方向应力云图-2(单位：pa)Y方向应力云图(单位：pa)图1-6 工况4计算结果Y方向位移图(单位：m) X方向应力云图-1(单位：pa)X方向应力云图-2(单位：pa)Y方向应力云图(单位：pa)7.5 结果分析及结论从整个模型中取出36-37号共8米长节段，对各工况进行结果比较分析。工况1与工况2结果比较从图1-3可知，在仅有自重和横向与预应力作用时（工况1），箱梁横桥向应力（X方向应力）峰值为3.83Mpa，发生在箱梁底板位置。箱梁底板应力超过1.78 Mpa部分贯通整个底板（图中红色部分）。从箱梁竖向应力（Y方向应力）图可以看出，在靠近斜撑部位腹板有部分位置竖向应力超过2.4Mpa，箱梁两侧腹板内侧靠近底板部分有5*0.5m狭长带应力超过1.66 Mpa。从图1-4可知，在有纵向预应力作用时（工况2），箱梁横桥向应力峰值为3.66Mpa，发生在箱梁底板位置。图中红色部分为应力超过1.61 Mpa部分，该部分同样贯穿整个底板。从箱梁竖向应力（Y方向应力）图可以看出，该方向应力与工况1基本一致。工况3与工况4结果比较从图1-5可知，在施工荷载施加到模型上时，当无纵向预应力作用时（工况3），箱梁横桥向应力（X方向应力）峰值为5.61Mpa，发生在箱梁底板靠悬臂端位置。图中红色部分为应力超过3.49 Mpa区域。从箱梁竖向应力（Y方向应力）图可以看出，在靠近斜撑部位腹板有部分位置竖向应力超过1.4Mpa。应力超过2.4Mpa