菱形挂篮设计方案计算书(老漳河特大桥主桥).doc

邢（台）衡（水）高速公路邢台段老漳河特大桥主梁挂篮方案设计 中铁十五局集团第七工程有限公司 2012年03月目 录摘要. 31.引言. 32.设计概况及总体构思. 33.承重结构设计和计算. 53.1 底板纵梁计算.63.2 前后托梁计算.73.3 钢吊带计算.153.4 内外模带杆计算. .173.5 主桁架前横梁计算.183.6 主桁架计算.204主桁架销轴.225抗倾覆计算.256结束语.26主梁悬浇挂篮方案设计摘要：菱形挂篮由于其主要受力构件均为二力杆，能够充分地利用材料的特性，具有结构轻巧 ，受力明确的特点，已广泛应用于中等跨径的悬浇施工。1引言挂篮按构造形式可分为桁架式（包括平弦无平衡重式、菱形、弓弦式等）、斜拉式（包括三角斜拉式和预应力斜拉式）、型钢及混合式四种。当前国内外的挂篮正向轻型化发展，挂篮的轻型化有助于节约钢材、便于运输和施工、同时挂篮的轻型化也有利于优化设计，减小跟部弯矩，进而节约纵向预应力的配束。挂篮设计的主要控制指标为：挂篮的总用钢量与最大块件重量之比值K1，主桁架用钢量与最大块件重量之比值K2。K1 值愈低，表示整个挂篮的设计愈合理，K2 值愈低，表示挂篮承重构件的受力愈合理，使用材料愈节省。减轻挂篮自重所采用的手段有：优化结构形式、不设平衡重并改善滑移系统、改进力的传递系统。方案选用菱形主桁、滑移行走机构、整体模板、标高调整系统的挂篮设计。2.设计概况及总体构思2.1 设计概况及箱梁参数箱梁底宽7m，顶宽14.1m，箱梁翼缘宽度每侧均为3.55m。箱梁顶板厚度一般为70-50 cm。箱梁0号梁段长14m，采用托架现浇施工。主桥箱梁采用挂篮悬臂浇注，先在支架上浇注0号块，然后在0号块上拼装挂篮。一个主墩上采用一对挂篮对称悬臂浇筑施工，悬浇长度分1m、4m、4.5m四种规格，其最大重量为140t（1块）。为了保证挂篮在大桥箱梁悬浇中安全、可靠、方便的投入使用，根据本桥的实际情况，对挂篮结构方案进行了详细的设计。现将计算结果和挂篮总体结构等编制成文件，以供审查。序号名 称数 量体 积（m3）密 度重 量(kg)备 注1顶 板18.72600kg/ m322000最重分段重量为：140t2翼缘板25.82600kg/ m315000（单块）3腹 板2112600kg/ m329000（单块）4底 板111.52600kg/ m3299002.2 挂篮的设计总体构思（1）选用一种受力合理、安全可靠的轻型结构（菱形）作为挂篮承重主桁；（2）挂篮用材利用国内生产主要的高强轻质钢材，以便于加工。（3）挂篮前移时尾部充分利用箱梁竖向预应力平衡倾覆力矩以取消平衡重。（4）吊升系统采用级钢，使锚固、装拆方便、调整简单。（5）模板采用整体大模板，通过内外纵梁与挂篮主桁同时移动就位。2.3 通用的菱形挂篮的结构形式2.4 菱形挂篮的组成挂篮主要由三个系统组成：主桁承重系统、底篮和模板系统、走行系统。（1）主桁承重系统：主桁与前后横梁、行走装置、锚固装置、等。（2）底篮和模板系统：底篮、外模、内模、端模和工作平台等。（3）走行系统：行走滑轨、滑梁小车、后锚等。2.5 施工荷载分析：2.5.1 荷载传递路径：内顶板荷载 内滑梁 前横梁翼板荷载 内、外纵梁 后横梁 主桁架腹板荷载 加强型纵梁 前托梁底板荷载 普通纵梁 后托梁 底篮后锚挂篮的设计顺序也是根据荷载的传递路径，一级一级的确定各级结构。先根据各自的荷载情况对内滑梁、纵梁、前、后托梁、前横梁等杆件进行设计，再设计主桁架并校核其刚度、前端的下挠度和销接的强度。随后再对锚固系统和走行系统进行设计。2.5.2 挂篮结构材料挂篮主桁架和前后横梁采用 Q235 钢，销子采用40Cr，纵梁、托梁、滑梁等采用组合型钢（Q235）。2.5.3 各类荷载的选定（1）悬臂浇筑砼结构最大重量1400 KN(2) 人群及机具荷载取2.5 KPa。(3) 风荷载取800 Pa。(4) 钢筋砼比重取值为26KN/m3；（5）超载系数取1.05；（6）新浇砼动力系数取1.2；（7）挂篮行走时的冲击系数取1.1；（8）抗倾覆稳定系数不小于2.5；（9）钢材的应力： Q345 钢容许轴向应力取1.2=1.2200=240MPa。 Q235 钢容许弯曲应力取1.3w=1.3145=188.5MPa。钢材其他容许应力按公路桥梁钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）表1.2.5 规定值取。（10）荷载组合：砼重+挂篮自重+人群机具+动力附加系数 (强度、刚度)挂篮自重+冲击附加系数+风荷载 (行走稳定)3承重结构设计和计算承重结构设计内容有：内滑梁、底板纵梁和前、后托梁、顶板及翼板纵梁、滑梁及吊带、后托梁锚杆与锚梁、主桁架横梁、主桁架。3.1 底板纵梁设计和计算底板纵梁位于腹板和底板下主要承受底板和腹板的重量,纵梁根据它承受荷载的种类可分为普通型和加强型。普通型位于箱梁两腹板中间段，承受底板的荷载；加强型纵梁位于箱梁腹板下方除承受底板的荷载外，还承受腹板的荷载。3.1.1 普通纵梁设计和计算3.1.1.1 普通纵梁（箱梁两腹板中间段）受力分析 体积：V112m3 底板重G=31200kg 底面积S=21 m2表1 普通纵梁荷载分析表项 目左幅1#块（长400cm）1底模面板自重Kg/m21562/2.4*7=932纵梁自重Kg/m863底板砼理论重量Kg/m231200/21=14864底板砼理论重量动载系数1.2超载1.05Kg/m214861.21.05=18725施工荷载Kg/m22506荷载取值q(纵梁间距为0.8 米)Kg/m(93+1872+250)0.8+86=18583.1.1.2 普通纵梁（箱梁两腹板中间段）强度计算其主要承受底板的重量并传递与前后托梁（图3 示）RA=qcb/L=185842.92/5.42=4004kg RB=qca/L=185842.5/5.42=3428kgMmax=qcbd+cb/(2L)/L=185842.920.5+42.92/(25.42)/(10005.42)=6.32t.m普通纵梁选用1个Q235工字钢30a,其截面特性为:Wx=615cm3Ix=9225cm4= Mmax/ Wx=6.32105/615=1028kg/ cm21700kg/ cm23.1.1.3 普通纵梁刚度计算当x=d+cbL=2.25 时(弯矩最大处)，挠度最大。fmax=qcb(4L-4b2/L-c2/L)x-4x3/L+(x-d)4/(bc)/(24EI) =2.1mmL500=10.1mm刚度满足要求。3.1.2 加强型纵梁设计和计算3.1.2.1 加强型纵梁(箱梁腹板下方)受力分析：体积：V211m3 腹板重G=28600kg 底面积S=0.875*4=3.5 m2表1 加强纵梁荷载分析表项 目左幅1#块（长400cm）1底模面板自重Kg/m2932纵梁自重Kg/m1103底板砼理论重量动载系数1.2超载1.05Kg/m214861.21.05=18724单侧腹板重量Kg/m228600/3.5=81715(4)项动载系数1.2超载系数1.05Kg/m281711.21.05=102956施工荷载Kg/m22507荷载取值q(纵梁间距为0.3 米)Kg/m(93+1872+10295+250)0.3+110=38633.1.2.2加强型纵梁(箱梁腹板正下方)强度计算加强型纵梁与普通纵梁不同，还要承受底板和腹板的重量并传递与前后托梁（图4 示）为了减小纵梁的截面高度,加强型纵梁采用2个Q235工钢30a，其组合截面特性:Wx=2*615=1250cm3Ix=2*9225=18450cm4RA=qcb/L=386342.92/5.42=8325kg RB=qca/L=386342.5/5.42=7127kgMmax=qcbd+cb/(2L)/L =386342.920.5+42.92/(25.42)/(10005.42)=13.1t.m= Mmax/ Wx= 1048kg/cm21700kg/ cm2加强型纵梁受力分析图（图5 示）3.1.2.3 加强型纵梁刚度计算当x=d+cbL=2.25 时(弯矩最大处)，挠度最大。fmax=qcb(4L-4b2/L-c2/L)x-4x3/L+(x-d)4/(bc)/(24EI) =1.5mmL500=10.1mm刚度满足要求。3.2 前后托梁设计和计算3.2.1 前托梁计算前托梁接受普通纵梁和腹板下方加强型纵梁传递的荷载3.2.1.1 前托梁受力分析表3 前托梁荷载分析表项 目左幅1#块（长400cm）1普通纵梁传给前托梁的荷载KgRB=3428kg2将1 项化为作用于前托梁的均布荷载（纵梁间距为0.8m）Kg/m3428/0.8=42853前托梁自重Kg/m1804作用于前托梁的均布荷载q前Kg/m4285+180=44655腹板下方加强型纵梁传至前托梁的支座反力KgRB=8325kg6将5 项化成集中荷载P(假设纵梁连成一体)KgP前 =83253=213813.2.1.2 前托梁强度的计算对前托梁进行受力分析时,不考虑工作梁带来的荷载(很小),则前托梁受力示意图如图6 所示。悬臂端最大弯距发生在支座A 处截面，其值为：MA=28.3 t.m最大剪力发生在支座A 处截面,其值为:Qmax =30758kg3.2.1.3 前托梁的截面特性前托梁的断面，槽钢32 的截面特性：Ix=34411cm4 Wx=2042cm33.2.1.4 前托梁强度校核最大弯应力： =MmaxWx = 28.31052042 = 1385kg1700kg满足要求3.2.2 后托梁计算3.2.2.1 后托梁受力分析表4 后托梁荷载分析表项 目左幅1#块（长400cm）1普通纵梁传给后托梁的荷载KgRA=4004kg2将1 项化为作用于前托梁的均布荷载（纵梁间距为0.8m）Kg/m4004/0.8=50053后托梁自重Kg/m1854作用于后托梁的均布荷载q后Kg/m5005+185=51905腹板下方加强型纵梁传至后托梁的支座反力KgRA=8325kg6将5 项化成集中荷载P(假设纵梁连成一体)KgP后 =83253=24975悬臂端最大弯距发生在支座A 处截面，其值为：MA=46 t.m最大剪力发生在支座A 处截面,其值为:Qmax=35874kg3.2.2 后托梁的截面特性后托梁的断面要素如图8 所示，槽钢36b 的截面特性：Ix=56534cm4 Wx=2944cm33.2.3 后托梁强度校核最大弯应力： =MmaxWx= 461052944 = 1562kg1700kg满足要求3.2.4顶板内外纵梁、滑梁设计与计算内外纵梁设于腹板外侧的翼板下，用于承受翼板的重量，滑梁设于腹板内侧的顶板下，用于承受腹板内侧顶板的重量，并将其传递与悬挂和锚固系统。3.2.5 内外纵梁计算3.2.5.1 内外纵梁的受力分析箱梁节段翼板的最大重量乘1.2 动载系数和1.05 超载系数：G1=150001.21.05=18900kg侧模板自重约：G2=4500 kg箱梁翼板重心距箱梁腹板外边缘的距离：e=1390mm箱梁翼板重量与侧模板重量传与内纵梁与外纵梁的荷载可近似成图8 所示计算。图 8 内外纵梁受力分析图 单位：mm 图9 内纵梁受力分析图 单位：mm内纵梁承受的荷载为：P1=RB=( G1+ G2)（1395-480）/1395=15348kg外纵梁承受的荷载为：P2=RA=(Gl+G2)4801395=8052 kg3.2.5.2 内纵梁设计与计算浇筑砼时内纵梁受力示意图如图9 所示ql=P1/4+90=3927kg/m支点反力： RA= qcb/L=392742.92/5.42=8463kg RB= qca/L=392742.5/5.42=7245kgMmax=qcbd+cb(2L)L=3.92742.920.5+(42.92)/(25.42)/5.42=13.34 t.m内纵梁选用槽钢232b，其断面特性Ix=28057cm4 Wx=2503.5cm3=MmaxWx= 13.341052503.5=1324kg1700kg强度满足要求。刚度检算：当x=d+cbL=2.25 时(弯矩最大处)，挠度最大。fmax=qcb(4L-4b2/L-c2/L)x-4x3/L+(x-d)4/(bc)/(24EI) =1.7mmL500=10.1mm满足要求。3.2.5.3 外纵梁设计与计算ql=P2/4+90=2103kg/m支点反力： RA= qcb/L=210342.92/5.42=4532kg RB= qca/L=210342.5/5.42=3880kgMmax=qcbd+cb(2L)L=2.10342.920.5+(42.92)/(25.42)/5.42=7.1 t.m外纵梁选用槽钢225b，其断面特性Ix=23619cm4 Wx=2289.6cm3=MmaxWx= 7.11052289.6=1226kg1700kg强度满足要求。刚度检算：当x=d+cbL=2.25 时(弯矩最大处)，挠度最大。fmax=qcb(4L-4b2/L-c2/L)x-4x3/L+(x-d)4/(bc)/(24EI) =2mmL500=10.1mm满足要求。3.2.6 滑梁计算滑梁位于箱梁的内部，主要承受顶板的荷载，同时滑梁在挂篮前移时承担模板的重量一同前移。3.3.6.1 滑梁受力分析箱梁顶部砼通过内模传给单条滑梁的荷载：G1=220001.21.05/2=13860kg内模自重传给单条滑梁的荷载G2=45002=2250kg3.2.6.2 滑梁度和刚度计算滑梁在砼浇筑时，其受力如图11 所示图11 滑梁受力分析图 单位：mmq3=(G1+G2)/4+60=(13860+2250)/4+60=4088 kg/m支点反力：RA= qca/L=408842.92/5.42=8810kg RB= qca/L=408842.5/5.42=7542kgMmax=q3cbd+cb(2L)L=13.9t.m滑梁选用槽钢228b+28200，其断面特性Ix=16874cm4 Wx=1140cm3=MmaxWx=13.91051140 =1219kg1700kg强度满足要求。刚度检算：当x=d+cbL=2.18时(弯矩最大处)，挠度最大。fmax=qcb(4L-4b2/L-c2/L)x-4x3/L+(x-d)4/(bc)/(24EI) =1.7mmL500=10.1mm满足要求。3.3. 前后托梁钢吊带计算箱梁1/2底板和腹板重心距箱梁腹板外边缘的距离：e=940mm1/2箱梁底板和腹板重量传与内钢吊带与外钢吊带的荷载可近似成如下图所示计算。RE= P前+q前L/2=21381+44657/2=37009 kg （L-梁底宽度L=7m）内钢吊带: F2= RE1515/2610=21482kg 外钢吊带: F3= RE1095/2610=15527kg前托梁钢吊带所受的最大荷载：Qmax= P5=21482kg后托梁钢吊受力分析如下图RG= P后+q后L/2=24975+51907/2=43140 kg （L-梁底宽度L=7m）后托梁钢吊带所受的最大荷载：Qmax= N=43140kg前后托梁钢吊带按所受的最大荷载进行计算吊带选用16Mn40*180 =2100kg/cm2实际应力：=结论：所以选用材料满足要求1、前托梁钢吊带采用单轴双剪,材质40Cr（调质HB241286），销轴材质40Cr =235 MPa销轴直径D12=1164mm2 销轴 D=34mm， 取D=60mm结论：销轴取60mmA、销孔钢吊带板强度： 起重运输机金属结构单耳N=21.482t A-A截面：孔径d=6cm，耳板宽b=18cm，阳头耳板厚=3cmh=7cm， 材质：16Mn， =0.85s=0.85*2750=2330 kg/cm2K=1.3 (起重机设计手册P734)孔边最大拉应力：内=B-B截面：d=6cm ，h=7cm，=3cm则外=轴孔处平均挤压应力：bs= kg/cm2bs=1.4=3262kg/cm22、后托梁钢吊带采用单轴双剪,材质40Cr（调质HB241286），销轴材质40Cr =235 MPa销轴直径D12=2339mm2 销轴 D=48mm， 取D=75mm结论：销轴取70mmA、销孔拉板强度： 起重运输机金属结构单耳N=75.471t A-A截面：孔径d=7.5cm，耳板宽b=18cm，阳头耳板厚=4.8cmh=7.5cm， 材质：16Mn， =0.85s=0.85*2750=2330 kg/cm2K=1.3 (起重机设计手册P734)孔边最大拉应力：内=B-B截面：d=7.5cm ，h=7.5cm，=4cm则外=轴孔处平均挤压应力：bs= kg/cm2bs=1.4=3262kg/cm23.4. 外模和内模吊杆选用:25 预应力钢筋的标准强=750MPa3.5 前后横梁设计计算3.5.1 前横梁（采用钢结构计算软件：MIDAS6.7）前横梁受力示意图如图14 所示F1=7542kg(内滑梁的载荷通过吊杆传于前横梁的力RB)F2=21482kg(前托梁内钢吊带的载荷通过钢吊传于前横梁的力)F3=15527kg(前托梁外钢吊带的载荷通过钢吊传于前横梁的力)F4=7245kg(内纵梁的载荷通过吊杆传于前横梁的力)F5=3880kg(外纵梁的载荷通过吊杆传于前横梁的力)前横梁承受由钢吊带、吊杆传来的荷载，由MIDAS6.7计算可得：由软件计算可知，前横梁由钢吊带、吊杆传来的荷载引起的最大弯矩值：Mmax=13.05*2=26.1 t.m 前横梁材料选用：2*45b工字钢 应力验算 =1700kg/cm2由软件计算可知，前横梁由钢吊带、吊杆传来的荷载引起的最大位移： f=7.3mmL500=13.6mm结论：通过以上验算可知，所选材料满足要求。3.5.2 后横梁后横梁在砼浇筑时，承载极小。在挂篮前移时，其承受部分底模重与部分侧模重，所受的荷载也较小，所以后横梁杆件均选用槽钢220b截面，后横梁强度已足够满足要求，无需再对其进行校核。3.6 主桁架设计和计算（采用钢结构计算软件：MIDAS6.7）选择各杆件的断面为232b槽钢，为便于安装和拆卸采用采用40Cr 钢销子连接。单榀主桁架承受由前横梁传来的荷载见上图F= F1+ F2+ F3+ F4+ F5=7542+21482+15527+7245+3880=55676kg主桁架受力示意图如下图所示：已知： AB=5200mm ; CD=5600mm ; BC=3500mm ; F=56tFA=F56005200=60t FB=F108005200=116t通过计算分别得到各杆件的轴力NAC=108t(拉) NAB=0t NCD=90t(拉) NBC=-60t(压) NBD=-106t(压)3.6.2 主桁架强度选择各杆件的断面为232b槽钢，Q235A。则截面积:A=552=110cm2 惯性矩I=16114cm4 惯性半径：i=12cm1、AC杆 L=295cm 入=Li=129512=25查表知稳定系数：=0.97=N(A)=108104(0.9711000)=101MPa170MPa2、CD杆 L=521cm 入=Li=152112=43查表知稳定系数：=0.92=N(A)=90104(0.9211000)=89MPa170MPa3、BC杆 L=175cm 入=Li=117512=15查表知稳定系数：=0.98=N(A)=60104(0.9811000)=56MPa170MPa4、BD杆 L=620cm 入=Li=162012=52查表知稳定系数：=0.88=N(A)=106104(0.8811000)=110MPa170MPa结论：通过以上验算可知，所选材料满足要求。5、 主桁架销子、销孔尺寸校核销子材料采用40Cr，销子两面受剪。销子应对其最大剪应力、挤压应力、销子抗弯进行计算钢结构设计