边拱支架浇筑计算书1-5

1、中铁十五局集团有限公司 郧县汉江二桥边拱支架设计计算书郧县汉江二桥边拱支架设计计算书设计： 计算： 复核： 批准： 二九年十二月36目 录一、 参考资料和使用规范1二、 概况1三、 支架结构形式2四、 荷载组合3五、 结构模型及计算4六、 结论和注意事项 11郧县汉江二桥边拱支架设计计算书一、 参考资料和使用规范：郧县汉江二桥两阶段施工图设计；丹江口库区郧县汉江二桥工程地质勘察报告；钢结构设计规范GB50017-2003；实用土木工程手册杨文渊（参考）；水工建筑物荷载设计规范DL5077-1997（参考）；建筑结构荷载规范GB50009-2001（参考）；荷载与结构设计方法北京大学出版社（参考

2、）。二、 概况：如上图所示，郧县汉江二桥主跨采用钢管砼中承式系杆拱，计算跨径200m，计算矢高45m，拱轴系数m=1.6，拱轴线为悬链线。边跨为砼实心截面拱桥，拱肋断面尺寸4m3m，计算跨径65m，计算矢高19m，拱轴系数m=1.6，拱轴线为悬链线。边跨砼拱采用支架现浇，根据设计加载顺序，现浇边拱需要在支架上存放1年多时间，在完成主拱吊装、填充钢管砼、安装桥面板、施工二期恒载、逐步张拉完成系杆后才能对边跨支架进行卸载。边跨支架的设计必须考虑现浇状态和长期支撑下的刚度需要，避免沉降和刚度不足对边拱产生不利影响；边拱浇筑顺序、支架的设计紧紧围绕这两个主要状态进行。如图所示，边拱拟设置为5个节段进行

3、浇筑，单侧边拱浇筑总方量1779方（525+477+398+300+79），每次浇筑时对称浇筑两边拱肋和横梁，两侧施工的允许荷载差值10%。采用以上分节段浇筑的具体考虑如下：1、分节段浇筑减少了每次浇筑方量，人员和设备工作能力易于保证，施工质量可以得到有效控制；2、支架分段设置，避免新浇节段对已成型节段内力产生不利影响；3、拱脚处为刚接，浇筑时间靠后，降低其余节段浇筑后支架不均匀沉降引起拱脚的负弯矩；4、设置约3.3m合拢段，合拢段设置纵向约束，合拢段方量较小，对已成型的节段产生的附加内力较小。三、 支架结构形式：考虑到现场材料、地质状况、水位、水流速度和支架高程等影响，支架主要材料有P820

4、10mm螺旋钢管、P6006mm螺旋钢管、I360a工字钢、I560a型钢。其中螺旋焊管为竖向支撑管、工字钢为水平横联和斜撑材料，型钢为纵向分配主梁。支架的纵向结构形式如下图：根据支架现浇以及后期支撑的刚度需要，对两种尺寸的螺旋焊管布置情况为：P6006mm螺旋钢管布置在拱脚和合拢段处，纵向间距4m；P82010mm螺旋钢管布置在拱肋加厚段和第三个浇筑节段处，纵向间距4.5m；具体尺寸见下图：支架的第一道水平撑设置为标高149m处，高出常水位1m。P6006mm直缝焊管工字钢水平撑竖向间距5m，P82010mm螺旋钢管水平撑竖向间距5m。螺旋管的横向布置尺寸见图示，每个立面节点处设置I32a水

5、平工字钢和I25a斜向工字钢。水平与竖向型钢之间采用斜向切割和缀板接头焊接，以方便施工保证焊接质量。四、 荷载组合：n 工况1按照钢结构设计规范与荷载与结构设计方法，浇筑阶段考虑荷载如下，重点关注支架的承载能力和稳定性：1. 支架自重：本项目支架总重636t，MIDAS civil自动统计加载。2. 砼自重荷载：砼方量1779方，密度2.65t/m3，总重4715t，按照荷载集度用线荷载加载在四条工字钢纵梁上。3. 水流冲击荷载：本项目的水流速度2m/s，水深13m。820mm螺旋管桩水流冲击荷载；600mm直缝管桩水流冲击荷载；偏于安全考虑，水流冲击荷载作用于常水位（标高148m）。4. 风

6、荷载：按照GB50009-2001建筑结构荷载规范，本项目的10年一遇的基本风压为，（自上而下梯形分布）。820mm螺旋管桩风荷载；600mm直缝管桩风荷载；侧面钢模板风荷载（拱肋）（作用在迎风面最外侧每根立柱顶面）；偏于安全考虑，风荷载作为集中力加载在钢管桩顶面。5. 模板和施工荷载：模板荷载3KN/，施工荷载3KN/。其他：根据项目的施工时间安排，不考虑浇筑过程中有雪荷载。本项目边拱支架高度达到45m，不能承受船舶和漂浮物水平冲击荷载，故在工况验算中未考虑该部分荷载，施工现场应配备观测哨、应急动力驳等措施避免该项工况发生。上面15项荷载中，1、2为永久作用，记为，3、4、5为可变作用，记为

7、，项目未考虑船舶撞击等偶然作用。本项目现浇支架为高耸结构，结构安全等级提高一级按照二级考虑（一般临时工程结构安全等级为三级，结构重要系数），结构重要系数，永久作用分项系数；可变作用分项系数。验算支架结构承载能力的荷载组合为：。本项目的具体荷载值为：支架自重636t1.351=858.6t，通过在MIDAS civil程序内设置重力加速度系数调整来取值。砼自重荷载4715t1.351=6365t，按照荷载集度用线荷载加载在四条工字钢纵梁上。水流冲击荷载按照管桩直径不同分别为：1.77t1.41=2.48t；1.301.41=1.82t，作用常水位（标高148m）处的钢管节点上。风荷载按照钢管直径

8、不同分别为：(1.14t+1.02t/2)1.41=2.31t；（0.65t+1.02t/2）1.41=1.62t，作用于每排钢管顶面。模板和施工荷载为（65m3m2+8m2m8）（3KN/+3KN/）1.41=444t，该部分荷载和砼自重荷载一样按照荷载集度用线荷载加载在四条工字钢纵梁上。将模板和施工荷载以及砼自重荷载组合后，本项目拱脚标准节段处工字钢纵梁的线荷载为：25t/m，拱顶加厚段工字钢纵梁线荷载为42t/m25t/m。钢管桩横向节点水平力2.31t（1.62t）；148m标高节点水平力2.48t（1.82t）。n 工况2砼拱圈浇筑成型后，需要在支架上存放近一年时间，期间需要考虑砼收

9、缩与徐变对拱圈和支架的不利影响；以及支架可能发生不均匀沉降对拱圈的不利作用，重点关注拱圈的内力变化，考虑的荷载如下：支架自重，砼自重，水流冲击，其取值、与砼浇筑阶段一致；不同的是，为了准确反映浇筑过程对结构内力的影响，采用分步加载和单元激活措施模拟实际状况，同时为了比较准确模拟拱圈内力，对分项系数进行了调整，永久作用分项系数；可变作用分项系数。由于不是长期作用，风荷载在该工况验算中不考虑。拱圈砼的混凝土收缩与徐变：查阅叶列平混凝土结构（清华大学出版社）和公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTG D62-2004，混凝土加载龄期14天（拆除侧模），所处环境年平均相对湿度78.8%（郧县科普

10、网），混凝土收缩应变终极值个微应变；混凝土徐变系数终极值取1.65。整个支架施工期间完成混凝土收缩应变的60%，其中2周时25%，4周50%，1年60%；徐变系数的增长状况为：4个月完成终极值的50%，6个月完成60%，1年完成70%。以上参数在MIDAS civil计算程序内采用定义收缩和徐变随时间增长曲线来对结构进行加载（按照CEB-FIP标准）。支架的不均匀沉降：为了验算不均匀沉降对拱圈的不利影响，采取支点强制位移的措施对支架进行了加载计算，（沉降支点数量约占总支点数的40%，考虑到拱圈对支点沉降的敏感性，限制每排钢管支架最大沉降值10mm，支点的容许最大沉降值需要增加工程措施来确保）。

11、建议：采用大吨位振动锤（60t以上）打设钢管桩，钢管桩底设计标高120m，若采取这项措施仍不能保证钢管打入设计标高，则应采取钢管内导管抽砂（或采取钻孔方式到岩面），然后灌注部分砼至钢管内5倍直径高度。五、 结构模型及计算：工况1计算模型：钢管底部采用固结支撑，需要采取施工措施保证嵌固深度。工况1计算位移：最大水平位移4.8cm，最大竖向位移1.4cm。工况1结构应力：最大应力228MPa，出现在交接墩处纵向工字钢梁上（风荷载和水流冲击荷载作用下发生侧弯）。工况1屈曲模态：屈曲模态安全系数10.6大于2倍，安全。工况1支点反力：最大支点反力228吨，在拱脚承台上的钢管支撑位置，打入D820mm桩

12、最大支点反力214.0吨，打入D600mm桩最大支点反力105.5吨。工况1荷载组合偏于不利考虑，荷载采用一次性加载，实际情况要好于计算。从计算情况来看，双I560a型钢的最大应力228MPa，在实际施工过程中该工况不会发生，实际过程中模板是分段安装，且在浇筑完成第二节拱肋后，大部分风载和水流冲击荷载由拱肋承受，传递至两侧交接墩。为了减少支架的横向晃动，建议靠近交接墩处支架和交接墩采取可靠连接。支架水平方向位移是承受风载作用后的总体值，实际在钢管桩打设过程中只需要考虑水流冲击荷载影响，该部分变形在施工过程中已经存在，故打设钢管桩时采取一定的预偏量（约23mm），支架上部模板安装直接采用设计位置

13、放样，不需预偏，底模的预设标高见工况2分析结果。支架的整体稳定性能够满足荷载要求。工况2计算模型：1、支架施工阶段，考虑支架自重和水流冲击荷载。2、浇筑第一节拱圈，支架承受第一节拱圈砼和模板自重。3、浇筑第二节拱圈，支架承受第二节拱圈和模板自重，激活第一节单元。4、浇筑第三节拱圈，支架承受第三节拱圈和模板自重，激活第二节单元。5、浇筑第四节拱圈，支架承受第四节拱圈和模板自重，激活第三节单元。6、浇筑第五节拱圈，支架承受第五节拱圈和模板自重，激活第四节单元。7、大荷载处钢管基础发生10mm沉降，计算沉降对拱圈和支架的不利影响。8、拱圈砼在收缩和徐变影响下的内力和挠度变化。工况2计算结果：P820

14、10mm钢管最大支反力发生在支点沉降之后，旁边支点最大反力226t，P6006mm钢管最大支反力82t。P82010mm钢管最大应力118MPa，发生在钢管局部沉降之后。P6006mm钢管最大应力112MPa，发生在浇筑拱脚处第四节砼之时。平联最大应力134MPa，抵抗水流冲击荷载侧向力和支架不均匀压缩时产生。双I560a型钢最大应力106MPa，出现在浇筑第二节拱圈砼时。浇筑第二节拱圈时，第一节拱圈最大拉应力0.06Mpa，砼不会开裂。浇筑第三节拱圈时，第一、二节拱圈最大拉应力0.19Mpa，砼不会开裂。浇筑第四节拱圈时，第一、二、三节拱圈最大拉应力0.59Mpa，砼不会开裂。浇筑第五节拱圈

15、时，第一、二、三、四节拱圈最大拉应力0.52Mpa，砼不会开裂。发生40%支点沉降时，拱肋最大拉应力0.45MPa，砼不会开裂。收缩徐变1年后，拱肋最大拉应力0.8MPa，砼不会开裂。发生40%支点沉降时，拱肋最大弯矩948tm。收缩徐变1年后，拱肋最大弯矩540tm，拱脚变小，支点沉降处弯矩无变化。叠加计算后的拱圈浇筑整体预拱度设置值见上图，最大19mm，以上为钢管顶部节点处的预拱度设计值，工字钢纵梁还需按照抛物线设置约25mm的挠度（根据使用工字钢材料来确定）。以上计算中C50砼的抗拉强度取抗压强度的1/19，按照14天龄期取值约为2.1MPa。六、 结论和注意事项：根据工况1和工况2的计

16、算，可知该支架方案满足浇筑时的强度和稳定性要求，同时考虑部分支架沉降、砼收缩和徐变后对拱圈的内力影响也在可控范围内，满足设计和规范要求。为确保方案的安全需落实以下具体情况：1、偏于保守考虑，P82010mm钢管桩基础承载能力按照250t考虑，P6006mm钢管桩基础承载能力按照140t考虑，项目根据具体情况确定打入深度，建议按照桩底标高120m考虑（到基岩面），确实不能打入该深度时可采用增大管桩直径和壁厚、管桩内清底浇筑5倍钢管直径以上砼封底来加强支撑（本项目地质柱状图附后），请项目部根据钻探资料重新计算，还需考虑一定安全系数。2、拱圈浇筑成败的关键是降低钢管桩支撑的不均匀沉降值，确保沉降附加

17、内力对拱圈的不利影响在可控范围内，支架计算时考虑了40%支点发生10mm均匀沉降时的拱圈内力，施工时应采取预压和观测措施确保沉降在控制范围内。3、本项目的侧模可考虑周转使用，在钢管桩顶面设置桩帽，桩帽横向布置双型钢枕头梁，纵向工字钢和底模支撑在枕头梁上，侧模可在达到50%强度后拆除。4、高空作业应保证足够的作业空间和安全防护，在此计算中未予考虑，请项目部落实，可安装在底模槽钢梁两侧。5、拱肋间的横梁支架在计算中未予考虑，其荷载分配在相应拱圈荷载中，实际施工中可在桥轴线上拱圈横梁位置打设2根P6006mm钢管桩，利用该管桩承受横梁自重荷载，拆除支架时首先要拆除该排支撑钢管，避免落架时横梁开裂。6

18、、纵向工字钢分配梁在计算程序中按照双HN 70030013/24型钢考虑，实际施工中可按照等刚度替代，具体材料以项目部实际材料为准。7、纵向工字钢与横向枕头粱之间采用18a槽钢和12mm钢板加工的双楔形块调整标高和落架。8、拱圈第五节（合拢段）施工时，需要采取纵向限位措施，可在顶底面预埋钢板，焊接纵向4条HN 70030013/24型钢作为限位，该节砼配比宜采用微膨胀砼，以增加收缩补偿，纵向约束在合拢段强度起来后拆除。9、岸侧支架未做计算，钢管布置状况可与本方案一致，请项目部根据该方案调整具体高度，其安全性比水中支架更好。另需注意岸侧支架基础处理和边坡稳定验算，可采用浇筑扩大基础方案。附件本项目的地质资料：覆盖层为第四系全新统近期