郑州市农业路快速通道第九标段工程现浇箱梁碗扣式满堂支架方案计算书

郑州市农业路快速通道工程施工第九标段工程（雄鹰东路～金源东街）现浇箱梁碗扣式满堂支架方案计算书编号：SBC/NYLKSTD-2015-FA012上海宝冶集团有限公司郑州市农业路快速通道工程施工第九标段项目部2015年6月发布受控状态：受控版本：A版发放编号：计算人：陈天成目录一、计算依据 。QUOTE其中，为桥梁所在地区的设计基本风速，采用河南郑州地区27.3m/s；对圆柱型构件：QUOTE风荷载计算结果：φ48×3.5mm钢管： 0.666×0.0483=0.0324kN/m；四、支架计算4.1、支架强度计算MidasCivil2012在许多大跨度桥梁的设计复核过程中广泛运用，基于有限元计算原理，结合相关规范的计算要求，可以准确的反映结构在施工过程中的受力情况，从而合理的评价结构安全及性能。本文按上述计算假定及荷载建立计算模型，以支架有限元模型起点为原点，顺桥向为x轴，横桥向为y轴，竖向为z轴，模型共有25542个节点，52162个单元。图4.1可见，一个节点外伸连接的有许多杆件，一个杆件为一个单元。4.1节点和单元示意图碗扣式满堂支架底部固结，支架中钢管的交叉节点按碗扣支架的实际情况共节点模拟，以箱梁底板左、右侧边缘为分界线，在这三个区域上按实际梁重分配在钢管上。以下给出支架强度计算结果，包括轴向应力、剪应力、弯曲应力、组合应力、轴力、剪力及弯矩，图中对应力及力的方向规定：“-”号为压，“+”号为拉。4.1.1、轴向应力图4.2支架轴向应力图承载能力极限状态组合情况下，竖向钢管主要承受轴力，弯矩和剪力较小，图4.2可见，竖向钢管由轴力产生的应力最大为-55.06（压应力），发生在支架钢管底部。支架承担着混凝土自重及其他荷载，由上至下，随着支架自身的重量不断增加，支架钢管底部受力最大，计算结果与实际情况吻合且满足规范要求（轴向应力205MPa）。最大轴向拉应力发生在剪刀撑位置，为7.94MPa，较小，由于支架横向挤压变形所致，满足规范要求。4.1.2、剪应力图4.3支架剪应力图承载能力极限状态组合情况下，考虑到整个支架受的水平力仅有风荷载的存在（浇筑过程的混凝土倾倒荷载较小），通过计算，整个结构的钢管在施工过程中剪应力最大6.81MPa，最小-4.67MPa，计算结果满足规范要求（剪应力120MPa）。4.1.3、弯曲应力图4.4支架弯曲应力图承载能力极限状态组合情况下，如图4.4所示，该图为支架结构中绕y轴的弯矩对钢管产生的弯曲应力，这种图形主要起评估应力主要来源的作用，图中最大压应力为-31.94MPa，最大拉应力为35.71MPa，满足规范要求。4.1.4、组合应力图4.5支架组合应力图承载能力极限状态组合情况下，显然整个支架的杆件承受着轴力、弯矩、剪力的作用，由图4.2至4.4分析了支架在这三种情况下支架的受力情况。图4.5表明，在这三种力作用下的组合最大值，图中最大压应力为-84.80MPa，最大拉应力为22.89MPa。可见，在承载能力极限状态的验算过程中，支架在各种荷载的作用下，支架的最不利组合应力也满足规范要求（限值205MPa）。4.1.5、轴力图4.6支架轴力图承载能力极限状态组合情况下，单独分析支架的轴力，由图可见，支架最不利轴力与轴向应力类似，发生在支架底部，最大为-26.94kN。即单根钢管的受力最大为2.69t，这也是计算支架局部稳定性及门洞计算时所需要考虑的最大荷载。4.1.6、剪力图4.7支架剪力图承载能力极限状态组合情况下，支架剪力较小，最大为1.67kN，最小为-1.14kN满足规范要求。4.1.7、弯矩图4.8支架弯矩图承载能力极限状态组合情况下，支架的主要受力杆件，承受的绕y轴的弯矩较小，该图主要用于支架局部稳定性计算，图中最大为0.17kN·m。4.2、支架刚度计算结果4.2.1、横向变形图4.9支架横向变形图承载能力极限状态组合情况下，考虑风荷载作用，支架最大横向变形为0.92mm（<5880/500=11.8mm）,满足规范要求。4.2.2、竖向变形图4.10支架竖向变形图承载能力极限状态组合情况下，立杆最大竖向变形为-16.96mm（竖直向下），最大发生在箱梁（横桥向）浇筑过程中两侧的钢管支撑，竖向变形较小，满足规范要求。4.3、支架稳定性计算4.3.1、整体稳定性采用接近工程实际情况的非线性屈曲分析方法，计算整体稳定性，同时考虑初始缺陷，要求其承载力大于一阶屈曲模态下力的4倍,其稳定安全系数不小于4时，稳定性满足要求。一般来说，对于采用有限元法计算的支架施工的桥梁结构，其稳定性系数不小于4即可，且从下文的局部稳定性可知，结构局部稳定性满足要求，按照构造要求布设的碗扣式脚手架，当满足局部稳定性要求时，整体稳定性满足要求。对支架模型进行屈曲分析，可以得到其各阶失稳模态及对应的临界荷载系数，以下给出支架前三阶失稳模态及相应的稳定安全系数。图4.11支架一阶模态图（1）图4.12支架一阶模态图（2）图4.13.支架一阶模态图（3）图4.14支架二阶模态图（1）图4.15架二阶模态图（2）图4.16支架二阶模态图（3）图4.17支架三阶模态图（1）图4.18支架三阶模态图（2）各阶失稳模态如图4.11至图4.18，其中（1）表示各阶正面图，（2）表示为各阶俯视图，（3）表示为各阶侧面图。分析表明，支架没有面外失稳的情况发生，主要表现为面内失稳.各阶失稳模态对应的稳定安全系数如表4.1所示表4.SEQ表\*ARABIC\s11稳定安全系数表失稳模态一阶模态二阶模态三阶模态临界荷载系数6.0786.0816.089一阶模态对应稳定安全系数为6.078>4，故支架整体稳定性满足要求。4.3.2、局部稳定性根据《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》（JGJ166-2008）对支架杆件进行稳定性验算。表4.SEQ表\*ARABIC\s12钢管截面特性表外径F(mm)壁厚t（mm）截面积A（cm2）截面惯性矩I（cm4）截面模量W(cm3）回转半径I（cm）483.54.8912.195.081.58由表4.2可知钢管回转半径i=1.58cm；支架最大杆件间距为120cm，取L0=120，则杆件细长比为：查表得稳定系数QUOTEφ=0.896。根据模型计算结果，最大弯矩为0.17kN·m，最大轴力为26.94kN，对最大轴力考虑1.7的综合影响系数（偏安全考虑），则考虑影响系数的最大轴力为：N=26.94×1.7=45.79kN根据偏心受压杆件的稳定性计算公式，有：故杆件的稳定性满足要求。其径厚比为：故杆件的局部稳定性满足要求。五、地基与基础承载力验算图5.1立杆底部竖向反力图根据《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》（JGJ166-2008）对立杆地基及基础承载力进行验算。立杆地基承载力验算：式中： N——为脚手架立杆传至基础顶面轴心力设计值； Ad——为立杆底座面积Ad=15cm×15cm=225cm2； fk——为地基承载力标准值； K——调整系数；混凝土基础系数为1.0。按照最不利荷载考虑，即N=26.94kN，立杆底拖下砼基础承载力：底拖下砼基础承载力满足要求。底托坐落在15cm加筋砼层上，按照力传递面积计算：按照最不利荷载考虑：≤K·[fk]=1.0×286kPa小结：地基承载力满足要求。六、门式行车通道结构验算为方便施工车辆运行，本施工结构碗扣架预留横桥向及纵桥向行车通道。钢管桩采用φ400*10钢管，上部横梁采用双工40#，下部采用砼结构承台支撑，钢材均为Q235材质。门架间利用剪刀撑连接（按等效刚度模拟），以加强横向稳定性。行车通道行车净宽；宽×高=4.5m×5.0m，纵向间距一道，结构及布置如下图：图6.SEQ图\*ARABIC\s11横桥向门架结构示意图（单位：cm）图6.SEQ图\*ARABIC\s12门架纵向结构示意图（单位：cm）图6.SEQ图\*ARABIC\s13门架有限元模型验算过程中，采用同位置的脚手架轴向受力加载在门架上部，脚手架轴向受力按最不利情况取值28.27kN（单根）。门架有限元计算结果如下：图6.SEQ图\*ARABIC\s14门架组合应力图承载能力极限状态组合情况下，最大组合压应力为-176.09MPa，Q235材质，满足规范要求。图6.SEQ图\*ARABIC\s15门架20工字钢组合应力图承载能力极限状态组合情况下，图6.5表明，20工字钢组合压应力最大为-116.07MPa，组合拉应力最大为113.17MPa，均满足规范要求的205MPa拉压应力限值，支架安装过程中，尽量保证钢管底部与工字钢交接位置对应。图6.SEQ图\*ARABIC\s16门架双肢40a工字钢组合应力图承载能力极限状态组合情况下，图6.7表明，40a工字钢最大组合压应力为-176.09MPa，最大组合拉应力为4.63MPa，受力最大位置为40a工字钢中间，满足规范要求。图6.SEQ图\*ARABIC\s17门架φ400*16钢管组合应力图图6.SEQ图\*ARABIC\s18门架竖向位移变形图小结：由图6.3至6.7可见，组合应力最大发生在40a工字钢，最大为-176.09MPa，小于规范要求的205MPa。图6.8可见，最大竖向变形发生在40I工字钢，最大为-8.28mm，小于规范要求的5.3/400=10.33mm（按横向单跨计算限值，其中5.3m=4.5m净宽+0.8m基础）。七、结论（1）支架轴向应力最大值-55.06MPa，剪应力最大值为6.81MPa（<120MPa），弯曲应力最大值35.71MPa，组合应力最大值-84.80MPa，均小于205MPa，满足规范要求。（2）轴力最大值-26.94kN（一般小于30kN），满足规范要求。（3）支架最大横向变形为0.92mm（<5880/500=11.8mm）,满足规范要求。立杆最大竖向变形为-16.96mm，竖向变形较小，满足规范要求。（4）