重庆市中渡长江大桥索塔液压爬模系统计算书(终稿)

江苏丰润模板·中渡长江大桥液压自动爬模系统结构设计复核计算丰润模板图1.2-2上塔肢爬模布置平面图1.3结构计算复核的主要内容本计算复核报告的主要内容包括以下七点内容：（1）计算混凝土按照1：18.5倾斜(下塔肢侧仰爬面)角度倾斜后，混凝土的自重作用在架体上，架体各部件的强度、刚度，预埋件的强度是否足够；（2）主平台架稳定性验算；（3）主三角架稳定性验算；（4）主纵梁变形计算；（5）架体在风载下的抗风稳定性验算；（6）模板受力计算；（7）对于计算结果不满足规范要求的杆件提出优化建议。本次计算采用有限元方法计算模式。有限元计算方法计算模式按照1：18.5倾斜角斜爬，面宽6.527米，分层高度4.5米进行计算。1.4编制计算书遵守的规范和规程《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）《建筑施工计算手册》江正荣编著《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205-2001）《液压爬升模板工程技术规程》（JGJ195-2010）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD06-2004）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004《钢结构用高强度大六角头螺栓》（GB/T1228-2006）《钢结构高强度螺栓连接技术规程》（JGJ82-2011）2液压自爬升模板系统的相关参数2.1液压自爬升模板系统基本参数（1）架体系统：架体支承跨度：≤6米（相邻埋件点之间水平距离）；外架体高度：约13.5米；外架体宽度：主平台2.70m，上平台1.20米、下平台2.2米，吊平台1.20米；（2）液压升降系统额定工作压力：25MPa；油缸行程：400mm；伸出速度：外墙油缸380mm/min；(依配用的控制台型号和顶升油缸的数量的多少其值略有所差别)顶升油缸额定推力：100kN；串联双油缸不同步差:≤20mm.（3）爬升机构爬升机构有自动导向、液压升降、自动复位的锁定机构，能实现架体与导轨互爬的功能。2.2液压自爬升模板系统计算参数（1）塔肢内外墙液压自爬模各操作平台的设计施工荷载为:模板，浇筑，钢筋绑扎工作平台（即上平台）最大允许承载4.0kN/m2爬升装置工作平台（即下平台）最大允许承载1.0kN/m2模板后移及倾斜操作平台（即主平台）最大允许承载1.0kN/m2吊平台最大允许承载1.0kN/m2（2）爬模整体提升，同一榀爬架提升机位间同步差控制在20mm以内。（3）爬模的每根液压缸的推力为100kN(即10t)。（4）自爬模爬升时，结构砼抗压强度不低于15Mpa，其轴心抗压强度设计值按C15混凝土等级换算为7.2MPa。3液压自爬升模板系统荷载计算3.1荷载计算核算部位的确定：按塔肢倾斜形状，塔身内侧爬模工作状态最为恶劣，如塔身内侧爬模满足要求，其它面的爬模也必满足要求，故只需计算内侧爬模是否满足要求，内侧爬模系统由二个爬升机位组成。按浇筑施工程序，标准层浇筑高度4500mm，要求相应削减因倾斜向上而收缩的模板宽度，最大的一块模板为6.527mm，高度为4800mm，取最大面积为6.527x4.8=31.33平方米的模板来进行验算。这块模板重量最大，若它满足设计要求，其它就都能满足要求。以下按二个机位一起顶升这块大模板来验算其支撑能力。为确保液压爬模架体的受力状态充分满足本工程的需要，塔肢的倾斜度按照1：18.5的斜度计算。该计算结果如能通过复核，在实际施工中液压爬模安全系数将大幅提高。图3.1顺桥向内侧面爬模架体简图3.1.1恒载计算外爬架的恒载包括脚手板自重、模板自重、外架自重。（1）脚手板自重W1：由图纸可知脚手板共分五层，上平台1-2层长8米，宽1.2米，面积为：A=8×1.2=9.6m2主平台长8米，宽2.7米,面积为：A=8×2.7=21.6m2下平台-1层平台长8米，宽2.2米,面积为：A=8×2.2=17.6m2吊平台-2层平台长8米，宽1.2米,面积为：A=8×1.2=9.6m2所以整个单面架子脚手板总面积：A1=9.6+9.6+21.6+17.6+9.6=68m2查木材比重：(含水率15%)为0.4-0.75t/m3,取平均值为0.57t/m3木板选用厚度为5cm的板材木板总重量为68×0.05×0.57=1.938t=19.38kN分摊到每个机位的木板重量为W1=19.38/2=9.69kN（2）模板的自重W2：模板标准重量为：72kg/m2，面积A=31.33m2(每平方模板含木梁四根共计25.6kg，[14a背楞两根共计29.07kg，WISA面板14.81kg，小配件计2.5kg，以上合计72kg/m分摊到两个机位上的重量:W2=72×31.33/2=1127.88kg=11.28kN（3）外架自重W3：每个机位爬模架自重(不含导轨和埋件支座及埋件总成)18kN，机位间联系机构(栏杆，剪刀撑，跳板支承等)为18.52kN(见下表)，所以：W3=18+18.52/2=27.26(kN)（4）单个机位的爬模自重合计W0：每个机位的永久荷载总重：W0=W1+W2+W3=9.69+11.28+27.26=48.23KN则每个机位的设计恒荷载为：W=W0×1.2=57.88kN（式中1.2为荷载分项系数）自重由程序自动加载表3.1.1横桥向联系结构重量统计表名称材料长度数量重量上架体横杆φ48×3.58米10根307.3kg下架体横杆φ48×3.58米7根215.1kg上平台剪刀撑φ48×3.54.5米6根103.7kg下平台剪刀撑φ48×3.53.8米6根87.6kg平台护栏立杆φ48×3.51.6米15根92.2kg跳板支撑[148米9根1046.5kg合计1852.4kg=18.52kN3.1.2活载计算上平台（钢筋绑扎、混凝土浇筑平台）最大承载：K上=4.0×8×1.2=38.4(kN)分配到每个节点的节点荷载为：K上节点=38.4/6=6.4(kN)主平台（模板后移操作平台）最大承载：K主=1.0×8×2.7=21.6(kN)分配到每个节点的节点荷载为：K主节点=21.6/6=3.6(kN)下平台（爬模爬升操作平台）最大承载：K下=1.0×8×2.2=17.6(kN)分配到每个节点的节点荷载为：K下节点=17.6/6=2.9(kN)吊平台最大承载：K3=1.0×8×1.2=9.6(kN)吊平台施工荷载不参与荷载效应组合。3.1.3风荷载计算ωk=βgzμsμzωO式中:ωk风荷载标准值（KN/m2）βgz高度z处的阵风系数；查表《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中表8.6.1地面按B类150m高空，βgz=1.47μs局部风压的体型系数；背靠的桥墩全封闭，爬架自主平台以下外挂密目网，主平台以上外挂大眼网。挡风系数φ=1，因而风荷载的体形系数为1.0μz风压高度变化系数,地面按B类150m高空μz=2.25ωO基本风压(kN/m2)，ωO=V02/1600（kN/m2）（1）施工工况按七级风载计算七级风最大风速：V0=17.1m/s，基本风压：ωO=17.1*17.1/1600=0.18kN/㎡风荷载标准值：ωk=βgzμsμzωO=1.47*1*2.25*0.18=0.59kN/㎡上架体承受风载标准值：Fwh上=0.58*8*4.8=22.27kN上架体分配到每个节点上的荷载为：Q1=22.27/18=1.24KN下架体承受风载标准值：Fwh下=0.59*8*6=28.32kN下架体分配到每个节点上的荷载为：Q2=28.32/16=1.77KN（2）停工工况按九级风载计算九级风最大风速：V0=24.4m/s，基本风压：ωO=24.4*24.4/1600=0.37kN/㎡风荷载标准值：ωk=βgzμsμzωO=1.47*1*2.25*0.37=1.22kN/㎡上架体承受风载标准值：Fwh上=1.22*8*4.8=46.8kN上架体分配到每个节点上的荷载为：Q1=46.8/18=2.6KN下架体承受风载标准值：Fwh下=1.22*8*6=58.56kN下架体分配到每个节点上的荷载为：Q2=58.56/16=3.66KN（3）风荷载加载如下：图3.1.3风载在架体上的加载图3.1.4混凝土压力由于模板倾斜，新浇筑的混凝土对模板有竖向压力，其值与混凝土的有效高度有关。对于本工程来说，三榀上桁架间最大承压宽度为7m，斜度0.243m,因此：W=0.243×4.5/2×7×26/(4.507×3)=7.35kN/m加载如下:图3.1.4砼浇筑对主背楞的加载图3.2计算工况本报告共进行四种工况的验算，分别为：（1）工况一：施工状态（钢筋绑扎施工状态）荷载效应组合为：1.2×结构自重+0.9×[1.4×(上平台荷载+主平台荷载+风载)](风载按七级计算)（2）工况二：停工状态（无作业施工状态）荷载效应组合为：1.2×结构自重+1.4×风载(风载按九级计算)（3）工况三：爬升状态荷载效应组合为：1.2×结构自重+0.9×[1.4×(下平台荷载+风载)](风载按七级计算)（4）工况四：砼浇筑状态荷载效应组合为：1.2×结构自重+0.9×[1.4×（风载+砼浇筑附加压力）](风载按七级计算)4液压自爬升模板系统的空间有限元仿真分析该爬模的计算简图如下图所示。模型中共有9种截面类型，上架体4种，下架体4种，另外还有一种平台横梁截面，各种杆件的规格及相关参数见表4-1。根据这些截面，在Midas中建立如图4-1、4-2所示的模型。图4-1斜爬模的计算简图(杆件号相同者具有相同特性)图4-2斜爬模的Midas模型表4-1各杆件规格及相关参数杆件号规格面积I/mm4回转半径/mm杆件最大长度长细比稳定系数临界应力（MPa）1方管80×80×412161.17E+0631.1146047.00.87178.42][14a槽36561.12E+0755.3300054.30.835171.23圆管89×410681.17E+0629.8260086.40.645132.24][16a槽43401.72E+0762.993814.90.983201.55][18a槽50822.52E+0770.593813.30.987202.36圆管165×525138.05E+0656.6401570.90.751153.97][22a槽63004.75E+0786.8360041.50.895183.58方管100×100×415362.36E+0639.24015102.40.542111.19H型钢200×200×8×1264284.77E+0786.1220025.50.951194.94.1工况一：施工状态（钢筋绑扎施工状态）此工况荷载组合：1.2×结构自重+0.9×[1.4×(上平台荷载+主平台荷载+风载)](风载按七级计算)图4.1-1工况一的应力图（单位：N/mm2）从上图可知，所有杆件最大拉应力为82.4N/mm2，最大压应力为110.9N/mm2，均小于强度设计值[f]=205N/mm2，并且最大压应力小于各杆件临界应力，因此满足要求。该工况下的变形如下图所示。图4.1-2工况一的变形图（单位：mm）由上图可知，该工况下最大竖向变形为4.9mm，最大横向变形为11.5mm，满足要求。该工况下的支座竖向最大反力为50.5kN，水平最大反力为39.6kN。4.2工况二：停工状态（无作业施工状态）此工况荷载组合：1.2×结构自重+1.4×风载(风载按九级计算)经Midas计算，得到各杆件应力如图所示。图4.2-1工况二的应力图（单位：N/mm2）从上图可知，所有杆件最大拉应力为87.5N/mm2，最大压应力为111.9N/mm2，均小于强度设计值[f]=205N/mm2，因此满足要求。各杆件应力均小于临界应力，稳定性满足要求。该工况下的变形如下图所示。图4.2-2工况二的变形图（单位：mm）由上图可知，该工况下最大竖向变形为4.36mm，最大横向变形为12.3mm，满足要求。该工况下的支座竖向最大反力为42.7kN，水平最大反力为36.3kN。4.3工况三：爬升状态此工况荷载组合：1.2×结构自重+0.9×[1.4×(下架体荷载+风载)](风载按七级计算)经Midas计算，得到各杆件应力如图所示。图4.3-1工况三的应力图（单位：MPa）从上图可知，所有杆件最大拉应力为66N/mm2，最大压应力为112.89N/mm2，均小于强度设计值[f]=205N/mm2，因此满足要求。各杆件应力值均小于临界应力，稳定性满足要求。该工况下的变形如下图所示。图4.3-2工况三的变形图（单位：mm）由上图可知，该工况下最大竖向变形为8.54mm，最大横向变形为13.9mm满足要求。该工况下的支座竖向最大反力为50.3kN，水平最大反力为28.8kN。4.4工况四：浇筑状态此工况荷载组合：1.2×结构自重+0.9×[1.4×（风载+砼浇筑附加压力）](风载按七级计算)经Midas计算，得到各杆件应力如图所示。图4.4-1工况四的应力图（单位：MPa）从上图可知，所有杆件最大拉应力为90.7N/mm2，最大压应力为119.5N/mm2，小于强度设计值[f]=205N/mm2，满足要求。各杆件应力值均小于临界应力，稳定性满足要求。该工况下的变形如下图所示。图4.4-2工况四的变形图（单位：mm）由上图可知，该工况下最大竖向变形为4.4mm，最大横向变形为14.5mm，满足要求。图4.4-3工况四的支座受力图（单位：N）该工况下的支座竖向最大反力为50.1kN，水平最大反力为45.7kN。5系统局部承载构件的验算5.1锚杆承载力验算锚杆直径为20mmIV级钢筋，设计抗拉强度550MPa，抗拉能力：F＝3.14×102×550＝172.7KN＞Fid＝45.7/2=22.85KN，满足要求。5.2混凝土冲切承载力验算根据《液压爬升模板工程技术规程》附录B计算混凝土冲切承载力：F≤2..8（d+s-30）（s-30）ft式中：F承载螺栓所承受的轴力（N）；d预埋件锚固板直径（mm），d=105mm；s锥形承载接头埋入长度（mm），s=150mm；ft混凝土轴心抗拉强度设计值（M/mm2），ft=0.91Mpa.计算：F=45.7/2=22.85KN≤2..8（d+s-30）（s-30）ft=2.8*（105+150-30）*（150-30）*0.91=75600N=75.6KN满足要求。5.3混凝土局部受压承载力验算根据《液压爬升模板工程技术规程》附录B计算混凝土局部受压承载力：F≤2.0a2fc式中：F承载螺栓所承受的轴力（N）；a承载螺栓的垫板尺寸（mm）；fc混凝土轴心抗压强度设计值，fc=7.2MpaF=45.7/2=22.85KN≤2.0a2fc=2.0*100*100*7.2/1000=144KN满足要求。5.4受力螺栓扭矩计算高强螺栓须分两次（即初拧和终拧）进行拧紧，终拧后进行扭矩值检查。根据《建筑施工计算手册》扭矩值可按下式计算：=1\*GB2⑴初拧扭矩值计算：TO=0.065PCd式中：TO高强螺栓的初拧扭矩（N·mm）；PC高强螺栓施工拉力（kN）；PC=P+△P=31.42kN；P高强螺栓拉力设计值（kN）；P=22.85/0.8＝28.56kN；△P预拉力损失值，一般取拉力设计值的10%；△P=2.86kN；d高强螺栓公称直径（mm）；d=42mmTO=0.065×31.42×42=85.78(kN)·mm=2\*GB2⑵终拧扭矩值计算：TC=KPCd式中：K高强螺栓连接副的扭矩系数平均值，一般取0.13；TC高强螺栓的终拧扭矩（N·mm）；其它符号意义同前。TC=0.13×31.42×42=171.55(kN)·mm=3\*GB2⑶检查扭矩值计算：高强度大六角头螺栓扭矩检查应在终拧1h后，24h以内完成。扭矩检查时，应将螺母退回30o～50o，再拧到原位测定扭矩，该扭矩与检查扭矩的偏差应在检查扭矩的±10%以内，检查扭矩应按下式计算：Tch=KPd式中：Tch高强螺栓的检查扭矩（N·mm）；其它符号意义同前。Tch=KPd=0.13×31.42×42=171.55(kN)·mm5.5受力螺栓承载力验算高强螺栓材料：35VB或40Cr号钢强度等级：10.9型号：M36有效面积：A=816.7mm2查《钢结构设计规范》GB50017-2003表3.4.1-4，10.9级的高强螺栓抗拉、抗剪以及承压强度设计值分别为：=500MPa，=310MPa，=470MPa。高强螺栓承受荷载为：剪力Nv=50.1/2=25.05KN，拉力Nt=45.7/2=22.85KN（1）螺栓抗剪验算Nv=25.05KN≤A*=816.7*310/1000=253.18KN满足要求。（2）螺栓抗拉验算Nt=22.85≤A*=816.7*500/1000=408.35KN满足要求。（3）螺栓抗拉抗剪综合验算承载力验算公式：计算：Nv=25.05KN,Nt=22.85KN=A*=253.18KN,=A*=408.35KN=36*15*470/1000=253.8KN则：满足要求。5.6导轨验算（1）导轨刚度验算导轨刚度验算时取最不利工况（爬升工况）进行验算，该工况下的最大竖向反力为52.3kN，上面支座在水平方向受拉，最大拉力为28.8kN。根据《液压爬升模板工程技术规程》，导轨跨中的变形值按下式计算：ΔL=FH3/48EI≤5mm式中：ΔL导轨跨中的变形值（mm）；F爬升状态时防坠爬升器作用在导轨上的水平力（N）；H固定导轨的上下承载螺栓之间的距离（mm）；H=4500mm.E导轨的弹性模量（N/mm2）；E=2.06*105N/mm2；I导轨的截面惯性矩（mm4）；I=5.4X107mm4ΔL=FH3/48EI=28.8*103*45003/（48*2.06*105*5.4*107）=4.92mm≤5mm满足要求（2）导轨梯档抗剪验算梯档高度为80mm，四面均要求焊接，焊高为8mm，焊缝总长度为4X80mm=320mm，梯档仅承受剪应力，因此只需对焊缝处剪应力进行校核即可。根据《钢结构设计规范》GB50017中式7.1.3-2直角角焊缝的强度计算侧面角焊缝(作用力平行于焊缝长度方向):τf=N/(helw)≤ffw式中：N--角焊缝处的受力设计值,设计顶升力为100kN（油缸推力值）；τf按焊缝有效载面计算，沿焊缝长度方向的剪应力；he角焊缝的计算厚度,对直角角焊缝等于0.7hf,hf为焊脚尺寸8mm，he=0.7hf=0.7×8=5.6mm；lw角焊缝的计算长度，对每条焊缝取其实际长度减去2hflw=(80-2×8)×4=256mm；ffw角焊缝的强度设计值:材料Q235钢的焊缝抗剪强度为160N/mm2ιf=N/(helw)=100000N/（5.8mm×256）mm=69.75N/mm2≤ffw=160N/mm2故满足要求。6模板部分的受力计算液压爬模模板系统包括WISA面板（18mm）、H20木工字梁背楞以及双[14槽钢背楞，面板和木梁采用的木材相当于阔叶材B-3材料，根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》中规定，其轴向容许应力取9.5MPa，弯曲容许应力取14.5MPa，容许剪应力取2.8MPa，弹性模量为10*103；槽钢背楞容许应力取145MPa，弹性模量为2.1*105MPa；变形按L/400进行控制。6.1混凝土侧压力计算混凝土作用于模板的侧压力，根据测定，随混凝土的浇筑高度而增加，当浇筑高度达到某一临界时，侧压力就不再增加，此时的侧压力即为新浇筑混凝土的最大侧压力（侧压力达到最大值的浇筑高度称为混凝土的有效压头）。根据《桥梁施工常用数据手册》，混凝土侧压力可按下列二式计算，并取其较小值：式中：新浇筑混凝土对模板的最大侧压力（kPa）；混凝土的重力密度（kN/m3），取=26kN/m3；t0新浇混凝土的初凝时间（h）,取t0=10h；K1外加剂影响修正系数，掺外加剂时，取K1=1.2；K2塌落度影响修正系数，索塔采用泵送混凝土，坍落度较大，取K2=1.15；V混凝土的浇筑速度（m/h）;取V=1m/h；h有效压头高度（m），,所以m；T混凝土入模时的温度（℃），取T=25℃；则：取二者中的较小值，作为模板侧压力的标准值。倾倒混凝土产生的水平载荷标准值取4KN/m2，荷载分项系数取