托架及支架施工设计方案

济浦高速公路第十二合同段梁济运河特大桥主桥托架及支架施工设计方案

中铁十六局集团第三工程有限公司

济荷高速公路项目部二00五年九月梁济运河特大桥主桥托架及支架施工设计方案一、主桥工程概况梁济运河特大桥是济南至荷泽高速公路上的一座特大型桥梁，全长527m,位于半径R=9000m的平曲线内，曲线变化由主桥和引桥箱梁翼板长度变化形成。主桥上部结构采用三跨60+100+60m预应力混凝土半刚构连续箱形梁,全长220m。桥面纵坡分别为L700%和-1.785%,变坡点位于主桥上的K122+098.00位置；桥面横坡为单向2%。本桥按两幅分离设计，两幅间距为100cm,主桥箱梁为三向预应力结构，采用单箱单室截面，箱梁顶板宽13。5m,底板宽6.6m;梁高为2.5~5.0m不等（其中主墩墩顶梁高5.0m,跨中及边跨支点梁高205m,1#〜9#块及0#块部份梁高按二次抛物线变化，其余箱梁梁高为等高度）；翼板长度为3~4nl之间不等；1#~9#块底板厚按二次抛物线变化，0#块底板厚为分段线性变截面，10#块底板为等厚；箱梁顶板设置成单向2%横坡。箱梁除墩顶设置横隔板外，边孔、中孔合拢段各设一块横隔板.箱梁0#块长度10.0m,在托架或者支架上现浇施工。1#块长度3.75m,考虑挂篮长度的原因，可采用两种施工方案，第一种方案是调整其中一副挂篮中的承重主构架的横向联结间距1m摆布，使其在平面错开布置，实现1#块的挂篮施工；第二种方案是采用在托架上现浇施工，建议采用第一种方案（挂篮施工方案）。2#~10#梁段,每段长3.75m或者4.5m,均采用挂篮悬臂浇筑施工，两个“T”构同步施工.中孔合拢段长度3o0m,边孔合拢段长度1.5m；边孔支架现浇段长度9。93m。梁济运河特大桥主桥除6号墩的墩梁采用刚性联结外，其余均采用盆式橡胶支座。2、荷载设计值分析：考虑下面两种受力情况，分配到每根杆件中，取荷载较大值进行支架设计布置。a。荷载考虑支架预压重量Gy(取1。2倍梁自重)，支架自重Gz(4.74Kg/m)，模板自重Gm(O。6KN/m2),施工活荷载(取5KN/m2),平均分配到每根杆件中.G1=[1.2(Gy+Gz+Gm)+1o4Gh]/270=[102X(1o2X252o4+13o4X10X0.06+20)+1.4X9.93X13]/270=2o14T=21。4KNb。考虑腹板处荷载局部集中影响，其局部受力情况如图2。q1=2。6X2.566X0.6=4T/m,q2=206X0.65X0.6=1o01T/m,q3=0o06X0.6=0o036T/m,q4=0.5X0。6=0。3Tm,Q5=4o7X304-1000=0.14TG2=1o2X(0o3qi+0.45q2+0。75q3)+1.4X0o75q4+1.2XQ5=1o2X(0.3X4+0.45X1.01+0.75X0.036)+104*0。75X0o3+1。2X0。14=2.5T=25KN取较大值作为单根立杆控制荷载G=25KNo3、立杆截面性质：A=600mm2, |=240000mm4, r2=l/A,r=20mm,长细比人=l/r=900/20=45,查表得巾=0。929,考虑偏心影响取小=0。5,则杆件零界承载力Nc=[o]A=215X600X0.5X10-3=64.5KN.比较厂家提供其承载力为30KN,检验杆件合格，取单根杆件承载力30KN。4、立杆承载力检算：考虑风荷载影响，取Wf=0o7KN/m25F=0o7X9.93X20566=17.8KN,形成对支架底部弯矩Mf=17O8X11o5=205KNom,其对最外行杆件轴力影响值为Nf=4Mf/bn(b为支架布置宽度15.6m,n为单排杆件数量为15根)，Nf=4X205^15^15.6=3o5KN。N=G1+Nf=25+3o5=28.5KN<30KN(满足承载力要求)。5、支架底混凝土条带承载力检算：支架底座尺寸为0。 15mX。15m,其受压应力。=N/A=1。26Mpa〈［。］=7o9Mpa（满足承载力要求）。6、地基承载力检算：由于本地区是粉沙性黏土，压缩性较大，通过加入8%石灰进行改良，改良深度为40cm，取［。］=180KPa,混凝土条带尺寸宽度为30cm,深度为20cm,混凝土刚性角45o,条带满足刚性角要求，以均布荷载考虑地基承载力。a。石灰稳定土承载力检算：。=28。5+0。34-0.6=158<180（满足承载力要求）.b.40cm以下黏土承载力检算：取单根杆件影响宽度为60cm,。=28o5+0.6+0.6=79Kpa〈WOKPa（由设计图纸中查得）（满足承载力要求）.7、补充说明：为减小承台边缘地基土不均匀沉降，满布87cm宽条带，并加密纵向斜撑；支架周围挖好排水沟，防止石灰稳定土受雨水浸泡降低承载力；墩身倒角处可先铺设塑料薄膜再浇注65cm宽度条带；现浇段底模合拢处可先向上调高20mm,,墩身处调高4mm,卸载后，根据实际预压测得数据调节。具体布置情况见图1所示.七、主桥边跨现浇段施工方案1、方案概述由于8号墩位于运河中，给边跨现浇段施工带来不便，无法使用满堂法施工，因此建议采用如下施工方案：8号墩端采用五个钢筒支撑，钢筒底端与承台采用地脚螺栓连接，钢筒与钢筒之间通过槽钢或者角钢交叉连接，使其成为一个稳定整体，另端位于水中，使用震动下沉钢筒桩，中间部份架设贝雷架，结构示意图如下：2、打入桩数目及其布置，打入深度H的确定①荷载分析:钢筒所承受的荷载新浇混凝土自重25o42T/m；内外模及工字钢梁、贝雷架、筐架重5T/m；浇注振捣混凝土、施工机具堆放、人员等施工荷载（合计7o5KN/m2）o②桩数的确定：打入桩选用外径为50cm的钢护筒，纵向设两排，桩中心距均为200cm,横向设五排,桩中心距均为230cm,且关于桥中心线对称。③单桩所受作用力：④根据容许承载力确定钢筒的最小厚度dmin：由 （安全系数取1.5）考虑施工及刚度、震动锤的冲击作用，取d=5mm。⑤打入桩深度h的确定：主要根据桩周土的极限磨擦阻力％及桩尖土的极限承载力R与桩承受的荷载的平衡确定.由地质勘测报告可知地质分布极限磨擦阻力和容许承载力Ro计算hmin时桩承受的荷载考虑1.6的安全系数即：P=20.145X1。5=30.22T,计算式如下：P：桩的承载力（KN）;U:桩身截面周长（m；li：各土层厚度（m）,见下表；A：桩底支撑面积（m2）；ai5a：震动沉桩对各土层周磨擦阻力和桩底承压力的影响系数，砂土取1.1,黏土取0o6;：桩周土的极限磨擦力（见下表）；Ra：容许承载力（见下表）地质受力层特征表层号层厚(m)岩性状态的度极限磨擦阻力(KPa)容许承载力(KPa)1lo6填筑土20。4亚砂土稍密2010032。5黏土软塑〜可塑2512044.40亚黏土偶见小径姜石和贝壳碎片可塑3014052O40亚黏土，粉粒含量高偶见小径姜石和贝壳碎片可塑~硬塑3515064.30亚黏土，含姜石粒径0.5~2.0cm5~10%可塑~硬塑4017072O70亚黏土、偶见姜石，有锈染可塑~硬塑4018084。30亚黏土、见姜仁径0.5~3.0cm含量5%,有锈染可塑~硬塑451903、结构检算:①支撑钢筒的检算：a、钢筒厚度的确定：该支撑使用5个外径为1m的钢筒，中间三个为主要承力部分，外边两个主要用在支撑侧模上,计算时设全部力作用在中间三个钢筒上；单个钢筒承受轴向力为：，为了安全取1。5的安全系数，设钢的厚度为d,由可得考虑施工及其他构件的连接，取d=6mm。b、长细比检算:本结构相当于两端绞支座l0=L=9o734m类截面(pb=0o92<N/mm20②、震动钢桩的检算：a、强度检算：由于震动钢桩的截面尺寸布置及打入深度都是通过极限荷载确定的,均已符合要求，不必检算。b、长细比检算：此轴心受压构件相当于一端固定一端较接的轴心受压构件，lo=O.7la类截面(pb=0o90<N/mm2.4、贝雷架数目的确定及其挠度的检算：①纵向贝雷架数目的确定及其挠度的检算a、选用贝雷架几何构造为三排单层，它的几何特性为：归23097。4cm3,1=751491o9cm4,[M]=2246.妹N.m。b、贝雷架数目的确定及其挠度的检算根据贝雷架容许弯矩确定其数目：作用在贝雷架的荷载作为均布荷载处理，荷载极度为q=40o54t/m,为了安全，计算时考虑1。5的安全系数；N22o3,取N=5;单个贝雷架挠度的检算：■②横向贝雷架三排一层即可，由于的每一个结点的位置正好在钢筒附近，引起挠度很小，可忽略。5、结论：本结构主要用于跨径小、地基承载力较小及一些施工艰难的特殊地段。它具有结构简单、拆卸方便的优点，充分利用了贝雷桁架抗弯能力的优点；钢筒桩也是水中施工较艰难的情况下所采用的较好的支撑结构。梁济运河特大桥主桥每座共用墩（5号、8号墩）为厚度106m单薄壁墩，基础为双排小lo5m钻孔桩，桩顶设规格为。5m的承台。主墩（6号、7号墩）为厚度lo5nl双薄壁墩,两薄壁中心距6o0m,墩高约为11。15m,基础为三排61.8m钻孔桩，桩顶设规格为11.9X11。9X3O0m的承台。梁济运河特大桥主桥除8号墩位于n级通航河道的梁济运河内（目前水深2m摆布，属第四系孔隙潜水）外，其余墩（5号、6号、7号墩）均位于平整的旱地上.该特大桥主桥钻孔在70~90m之间，地质情况为表层0o5m摆布耕植土层（对于水中为黑色的淤泥层），褐黄色、松散、稍密，以亚砂土，含植物根系;0。5〜40.2m以亚砂土为主，局部地层夹杂姜石;40.2〜90.4m为黏土和细砂、中砂、中粗砂及粗砂互层，平均每层2o0~3.0m厚，容许承载力最大达420kPao二、方案设计原则及方案的确定和选用（一）方案设计原则1、在确保安全质量的前提下，尽量经济的原则；2、取材和安装方便的原则；3、尽可能利用现有常备材料的原则；4、尽可能利用既有结构物并尽量减少对既有结构强度影响的原则.（二）方案的确定和选用1、0号块采用在墩身上设置托架方案（又分预埋式和装配式两种方案，但本设计只叙述装配式托架方案）和在承台顶面上架设碗扣式满堂支架方案，此二种方案可任选一种，但最好选择碗扣式满堂支架方案。2、1号块本桥现浇0号块较短，长10.0m,施工1号块时无法正常布置挂篮，可采用以下两种施工方案：第一种方案是调整其中一副挂篮中的承重主构架的横向联结间距1m左右，使其在平面错开布置，实现1#块的挂篮施工；第二种方案是采用在托架上现浇施工。这两种方案中，第一种方案简单、经济；第二种方案费用高，托架加工及安装复杂，对墩身整体结构强度有一定的影响。为此建议采用第一种方案（挂篮施工方案），第二种方案只作参考。3、陆上边孔现浇段（5号~6号墩之间）采用碗扣式满堂支架方案，但地基需作加固处理。4、水中边孔现浇段（7号~8号墩之间）采用暂时墩梁式支架方案。利用钢管桩、贝雷架、型钢等材料.建造两个暂时墩，其中一个在8号墩承台上设置钢管排架墩，另一个利用震动钢管桩作基础的水中墩。三、0号块支架及托架方案1、 三角桁架型托架概述根据梁济运河特大桥的特点，本桥o#块施工采用三角桁架型托架支撑。托架的主承重架采用三角形桁架,桁架用热轧型钢组拼而成,结构受力明确，自重轻，刚度较大,变形稳定可以有效预防混凝土开裂。托架顶面主要受力杆件采用贝雷架，连接采用J506焊条焊接，支撑端以直径32mm高强精轧罗纹钢贯通墩柱固定，装拆方便。外模采用组合钢模，以槽钢焊接支架支撑；内模采用组合钢模，以槽钢焊接的内模支架及钢管支撑.该托架由三角桁架、贝雷架、拉杆锚固三个基本受力系统组成，其基本结构布置图详见图1所示,节点具体布置图在后面计算检验说明书中有详细说明。托架主承重的上桁梁采用2[28及斜撑采用2:22b槽钢焊接组成，材质为Q235钢，[o]=215MPa,[t]=125MPa.次要受力杆件采用2[20a槽钢组成，横向系杆为2[20a及L125X14mm角钢焊接而成,均采用Q235钢材，E=210GPa,[。]=215MPa,[t]=125MPao托架锚固系统由直径32mm高强度精轧罗纹钢、L125X14.2cm钢垫板组成（具体尺寸见附图），钢材为40SiMov,屈服强度750MPa,容许拉（压）应力[。]=0.7X2750=525MPa,容许剪应力[1]=0。5[。]=0。58X525=304o5MPao2、托架结构详图（见下图）3、托架检算（1）、荷载分析：托架所受荷载包括新浇碎梁体自重45t/m;内外模板及其框架重（lt/m）；支架自重（4t/m）；浇注混凝土、振捣混凝土、施工机具、冬季措施、人员等施工荷载（合计7o5KN/m2）托架结构所受静载作用图如下：(2)、杆件内力计算：由于杆件的弯距与剪力相对轴力来说很小，可忽稍不计，各杆节点以较节形式考虑，根据结构及荷载的对称性，取半结构进行计算，计算简图如下：求出各杆轴向力：Nl=+19.17t;N3=+75t；N2-31。5t；N4=-106.07t(3)、构件选材及其截面特性：⑴、(3)杆件选用2[28b组合结构，截面参数为：A=45o62c%g=35.81Kg/m,IX=5118o4cmi,W=365o6cm3,i=10。59cm,Iy=241o5cnn,i=2.3cm,Z=2.02cm,x x y 0斜杆⑵、 ⑷杆选用2[22b组合结构，截面特征为：A=36.24cm2,g=28.45kg/m,I=2571.3cmi,W=233.8cm3,i=8。42cm,Iy=176。5cnn,iX xx y=2。21cm,Z—2o03cm。0(4)、强度检算：①二力杆强度检算：由于在所有杆件中(4)号杆件受力最大，且截面积最小，所以只需对⑷号杆件检算即可.②对拉杆中」高强精轧罗纹钢的检算：32单根拉杆承受的最大拉力等于N3=18.75t,单根拉杆承受的最大剪力为：Q=18.75t,max③对连接角钢的检算:连接角钢采用L125X14,单块角钢承受的最大拉力为单根拉杆所受的最大剪力Q,max(5)、受压杆件长细比检算：只需对(4)杆检算即可。绕定轴x的长细比：绕虚轴y的长细比:按绕虚轴稳定确定分肢轴线间距C和杆截面高h按等稳定原则入=入，可求入和i。入=25。2分肢长细比入W0.5入=0.5X25.2=12。TOC\o"1-5"\h\zoy x y y x oy max6,取12h=c+2Z=182。32+20o3X2=223mm,采用h=230mm,实际c=h-2Z=230—20 0X20.3=189o4>100mm；由于人=22.6,叱=0.961,N/力=106。07X10./0.961Xy A72o48X102=152.28N/mm2<215N/nw受压杆件缀尺寸确定：A、构件的剪力每一个缀板面剪力为v=V/2=18.33/2=9.17KN；B、初选缀板尺寸：纵向高度h三2/3•C=2/3X189.4=126.27m叫厚度tNc/40b b=4.375mm,ht=70X6,相邻缀板中心距1=1+h,1=入X=12X21。1=253。bXb 1 01b01oyil2,1—253o2+70=423。2mm；i缀板刚度和等分肢线刚度比值：满足.C、检算缀板强度：弯距M=VL/2=9.17X403.2/2=1848.67KNbl11剪力V=VL/L=9.17X403o2/189o4=19。52KNbl11。=6M/th2=6X1848.67X103/6X1702=63。97<f=215KNblbbt=1.5V/th=1.5X19o52X103/(6X170)=28。7N/mni2<f=125N/nw

blbb 2D、缀板焊缝计算：采用三面周围角钢焊缝，计算时偏于安全地只取端部纵向焊缝，L200mm,焊脚尺W寸hf(焊条为E43)h=2。9,用4mm.f(6)、结点焊缝强度检算A、对于A结点即(1)与⑵号杆焊接为对接，焊厚t为9mm,焊长Lw=277.2—10=267。2mmB、对于B结点，(2)号杆与角钢之间采用角焊形式，焊缝高度h=10mmf取=lOOmm。(7)、A、D点竖向位移计算：A点的竖向位移计算采用单位力法： D点竖向位移的计算：=1,=四、州节段满堂支架施工方案扣式脚手架概述根据梁济运河特大桥的特点，本桥0#节段大部分位于承台的正上方，只有极少部分翼板处在承台正上方以外，这样为使用脚手架提供了良好的支撑基础，因此采用满堂腕扣式脚手架支撑是一种交好的方案。腕扣式满堂支架受力明确，刚度较大，沉降量较小，拆装方便。支架顶部采用方木满布承力，局部变形小，线形易于控制。底模采用5cm厚平板钢模平装而成。内、外模采用组合钢模，用角钢或者槽钢焊接成支架支撑。该支撑系统大部分直接架设在承台上，小部分支撑需地基硬化后架设在硬化层上，具体布置见附图。支架材料采用Q235钢，［。］=215Mpa,［t］=qo58［。］=125Mpa,E=2o1X105Mpa02、荷载分析：支架所受荷载包括新浇混凝土梁体自重（4517m）,内外模板及其筐架重（0.517m）,支架自重（5T/m）,计算荷载按区段内的1。5倍，所以支架所承受的总荷载为：Nz=1.5（450X6o2+5OX6.2+5X45+6。2X13.5X7.5=1785.98KN）.3、立杆截面性质：A=600mm2,l=240000mm4,r2=I/A,r=20mm,长细比人=l/r=900/20=45,查表得巾=0。929,考虑偏心影响取力=0.5,则杆件零界承载力Nc=［。］A力=215X600义0。5X1-=64。5KN。比较厂家提供其承载力为30KN,检验杆件合格，取单根杆件承载力30KN.4、立杆承载力检算：检算时，为了偏于安全，将总荷载全部分配腹板处的杆件中，即单根杆件所受的力为：Nd=1785.98/174=10o26KN<30KN,符合承载力要求。5、补充说明：由于支撑面小，支撑高度较高，必须加强稳定性，因此加密斜撑的间距以及使用钢管使其与墩柱连为一体；支撑承台以外的部分，先压实后浇注20cme15混凝土。具体布置情况见附图。五、主桥0#、1#节段拖架施工方案1、三角桁架型托架概述根据梁济运河特大桥的特点，本桥0#块施工采用三角桁架型托架支撑,又由于0#块总长度惟独10米,少于安放挂篮的有效长度，因此采取0#块、1#块托架施工方案。主承重架采用三角形桁架，桁架用热轧型钢组拼而成，结构受力明确，自重轻，刚度较大，变形稳定可以有效预防混凝土开裂。托架顶面主要受力杆件采用贝雷架，连接采用J506焊条焊接，支撑端以直径32mm高强精轧罗纹钢贯通墩柱固定，装拆方便。外模采用组合钢模,以槽钢焊接支架支撑；内模采用组合钢模，以槽钢焊接的内模支架及钢管支撑.该托架由三角桁架、贝雷架、拉杆锚固三个基本受力系统组成，其基本结构布置图详见附图所示。托架主承重的上桁梁及斜撑采用2:36a槽钢焊接组成，材质为0235钢，[o]=215MPa,[t]=125MPa.次要受力杆件采用2[20a槽钢组成，横向系杆为2[20a及L125X14mm角钢焊接而成，均采用Q235钢材，E=210GPa,[o]=215MPa, [T]=125MPao托架锚固系统由直径32mm高强度精轧罗纹钢、L200X20.2cm钢垫板、锚具组成，钢材为40SiMov,屈服强度750MPa,容许拉(压)应力[。]=0.7X750=525MPa,容许2剪应力[t]=0.5[o]=0o58X525=304o5MPao托架构造见附图.2、结构检算：A、结构各构件材料种类及其截面特性材料种类⑴、⑵、⑶、⑷、⑸、(10)、(H)号杆件采用2[36a,截面参数如下:A=60o89cm2,g=47o80kg/m,Ix=11874o1cmi, Wx=659o7cm3,ix=13.96cm,Iy=455cirniy=2.73cm,E=2。44cm;(6)、⑺、⑻、⑼号杆件采用2[20a,截面参数如下：A=28O083cm2,g=22o63kg/m,Ix=1780o4cni4,Wx=178o0cm3,ix=128.Ocnu, iy=2.11cm,E=2.01cmo0B、结构计算图见(图1)C、各杆件内力将托架承受的荷载(包括静载、动载)全作用在结点上，按桁架进行计算，并考虑的安全系数为2.0,各结点作用荷载如图所示，各杆件内力计算如下：N=N=+72T；N=-108T；N=-101.8T；N=+76。36T；N=N+N-cos45°=—101o8—76。1 2 3 4 6 5 4 336二T78。16T； N=N =N=0； N =+75T；N二一106。5T8 7 9 10 11D、强度检算①二力杆检算：同种截面只需验算轴力最大者，困此只需检算⑸、⑹号杆件②拉杆检算：a。上端单根的拉杆的检算：bo拉杆的削剪力检算:上部单根拉杆承受的剪力：下部单根拉杆承受的剪力为：E、角钢检算：选用的角钢型号为：L200X20,A=76.505cm2；F、受压杆件长细比检算：根据结构受力只需对⑸号杆进行检算：a.对实轴x的检算：b.对虚轴y的检算：首先按虚轴（即y轴）的等稳定性确定分肢间距c和柱截面高度h:按等稳定原则，可求和，；分肢长细比：取12。精确验算虚轴稳定：缀板间净距采用330mm,缀板尺寸确定及强度检算：①杆的剪力每缀板面剪力V=V/2=15.4/2=7。7KNo1②初选缀板尺寸：纵向高度h