6華山南樞紐互通立交主線橋鋼管樁支架計算書(最終版).doc

龍口至青島公路萊西（沈海高速）至城陽段第八合同段華山南互通立交主線橋第四聯(lián)第二孔支架計算中鐵十九局集團有限公司龍青高速公路土建八標段項目經(jīng)理部二O一二年十月三十日目 錄一、工程概況11.1 橋跨布置11.2 計算編制依據(jù)11.3 支架布置方案簡介1二、主要計算內(nèi)容32.1支架計算方法32.2支架計算內(nèi)容52.3計算參數(shù)選取52.4箱梁等效荷載取值6三、計算結(jié)果分析83.1支撐反力83.1.1 鋼管樁工況一支撐反力83.1.2 鋼管樁工況二支撐反力93.1.3 滿堂支架工況一支撐反力103.1.4 滿堂支架工況二支撐反力113.2支架結(jié)構(gòu)應力123.2.1 工況一結(jié)構(gòu)應力123.2.2 工況二結(jié)構(gòu)應力153.3支架結(jié)構(gòu)變形173.3.1 鋼管樁支架變形173.3.2 滿堂支架支架變形183.4穩(wěn)定性分析193.5支架基礎(chǔ)及地基承載力驗算21四、結(jié)論與建議224.1計算主要結(jié)論224.2要求及建議22i一、工程概況1.1 橋跨布置華山南樞紐互通立交K125+339.8主線跨線橋起于K124+345，終于K126+180，全長1835米，為跨既有威青高速及E、F匝道橋而設(shè)，其中第四聯(lián)箱梁跨越威青高速。第四聯(lián)為36+45+36m預應力混凝土連續(xù)箱梁，分左右幅，單幅箱梁頂寬16.5m，底寬11.38m，高2.3m，為單箱三室截面。由于被交路威青高速需通車，因此施工時需開設(shè)門洞，門洞凈空5.0m，凈寬10m，使用鋼管樁進行支架搭設(shè)，其余位置采用碗扣式滿堂支架搭設(shè)。1.2 計算編制依據(jù)1、龍青高速公路土建八標段工程設(shè)計文件；2、施工單位支架設(shè)計方案；3、公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范(JTJ0412000)；4、公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(JTJ02586)；5、公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTG D602004）；6、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB500172003)；7、建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范(JGJ 1662008)；8、建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 500092001)；9、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊（第二版）；10、路橋施工計算手冊。1.3 支架布置方案簡介為滿足施工及保證道路交通暢通，在既有威青路上設(shè)鋼管柱和工字鋼平臺支架體系的跨路門洞，以保證車輛的通行。門洞凈高為5.0m，凈寬為10m，具體架設(shè)示意圖如下圖所示。23圖1-1 第四聯(lián)第二孔45m跨門洞縱斷面示意圖門洞基礎(chǔ)為C30砼條形基礎(chǔ)，寬1.5m，高1m，基礎(chǔ)頂面預埋0.8m0.8m的2cm厚鋼板（確保預埋鋼板頂面水平，便于鋼柱與之全面接觸，外露砼面1cm）；邊立柱采用外徑630mm、壁厚16mm的無縫鋼管為立柱，立柱間距3.0m，高4.1m，沿橫橋向（左右幅一起布置）每排布置13根，每根立柱頂托、底座處各設(shè)置4片底寬7.5cm、高20cm、厚1cm的三角鋼板作為加強肋，加強肋與立柱頂托、底座之間通過焊接連接，立柱頂安裝36a工字鋼作為橫向分配梁，每排2根（焊接），36a工字鋼上安裝40a工字鋼作為縱向承重梁，間距0.6m?？紤]門洞的整體穩(wěn)定性，在立柱間用48（壁厚3.5mm）碗扣鋼管做剪刀撐。工字鋼上橫向滿鋪方木、橫向滿鋪方木上順橋向鋪設(shè)地梁（2025cm方木，間距0.9m，對應工字鋼位置）及搭設(shè)碗扣式鋼管滿堂支架。小里程側(cè)碗口滿堂支架架設(shè)方式為，端頭3.6m位置采用0.6m步長加密布置6排碗扣支架，接著采用0.9m步長布置8排碗扣支架，0.6m與0.9m中間過渡橫向連接采用3根0.6m碗扣鋼管，并用剪刀撐加強。最內(nèi)側(cè)布置0.9m碗扣支架層。大里程側(cè)滿堂支架與小里程側(cè)支架布設(shè)方式呈鏡像布置。二、主要計算內(nèi)容2.1支架計算方法由于該橋與被交路斜交成70角，滿堂支架架設(shè)完成后，若滿堂支架最內(nèi)側(cè)層與鋼管樁支架有重疊，可適當調(diào)整鋼管樁（門洞）支架的架設(shè)距離。由于架設(shè)時滿堂支架與鋼管樁支架分開架設(shè)，計算時也應分開計算。但實際施工過程中可將滿堂支架與鋼管樁支架搭接或焊接錨固成一個整體，以提高支架系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。應用大型有限元分析軟件Midas Civil 2011，建立鋼管樁支架空間離散模型，進行支架不同工況下受力及變形分析計算。單位約定：力單位為KN，長度單位為m；坐標約定：X坐標方向為順橋向，Y坐標方向為橫橋向，Z坐標方向為豎向；正負號約定：正號表示拉應力，負號表示壓應力；單元類型及荷載模擬：支架采用梁單元模擬，現(xiàn)澆箱梁采用均布荷載（單位：KN/m）及節(jié)點荷載（單位：KN/節(jié)點）模擬；建模時的考慮：主線跨線橋與被交路斜交成70角，建模時需考慮斜交對支架的影響；鋼管樁左右幅整體架設(shè)，順橋向長210+3=23m，橫橋向斜長133=39m（考慮橫橋向兩端比箱梁伸長0.5m左右），中間為避開管道，設(shè)間距3.0m布設(shè)兩道立柱。采用梁單元模擬支架鋼管，支架共離散為18716個節(jié)點，45544個單元；其中鋼管樁基礎(chǔ)56個單元、剪刀撐208個單元、橫梁208個單元、縱梁198個單元；碗扣式滿堂支架44874個單元。實際仿真模型離散圖如下圖所示。圖2-1 支架單元離散圖（3維圖）圖2-2 考慮70角斜交支架平面布置圖圖2-2中，兩邊為滿堂支架部分，中間部分為鋼管樁支架支撐橫縱梁部分。門洞支架搭設(shè)簡略步驟見下圖：圖2-3 搭設(shè)步驟1架設(shè)鋼管樁及剪刀撐圖2-4 搭設(shè)步驟2架設(shè)橫梁最后搭設(shè)縱梁，同時搭設(shè)滿堂支架，搭設(shè)完成效果圖見圖2-1。2.2支架計算內(nèi)容在支架系統(tǒng)進行施工階段分析時，荷載的確定及荷載的工況組合與運營階段不同，目前尚無具體的規(guī)范可參考，須根據(jù)現(xiàn)場條件、施工工藝等具體情況進行確定。本項目對支架系統(tǒng)進行三個工況組合的結(jié)構(gòu)驗算。（1）工況一：支架系統(tǒng)搭設(shè)完成，考慮自重+模板重量+施工荷載1+風荷載共同作用；（2）工況二：支架系統(tǒng)搭設(shè)完成，澆筑現(xiàn)澆箱梁，考慮自重+模板重量+混凝土濕重+施工荷載2+風荷載共同作用；（3）工況三：支架系統(tǒng)考慮自重+模板重量+混凝土濕重+施工荷載2+風荷載共同作用下穩(wěn)定性分析。2.3計算參數(shù)選?。?）梁體：梁體容重取26 kN /m，截面尺寸參考設(shè)計圖紙，實際過程中梁體荷載采用均布荷載加載至縱梁工鋼上，滿堂支架采用節(jié)點荷載模擬，具體數(shù)值見加載荷載取值；（2）立柱：采用63016mmQ235無縫鋼管；（3）橫梁：采用36a工鋼，材料為Q235，橫梁采用兩塊36a鋼板對焊制成；圖2-5 橫梁工鋼單元示意圖（4）縱梁：采用40a工鋼，材料為Q235；（5）碗扣式滿堂支架及剪刀撐：采用48mm3.5mm碗扣式腳手架鋼管，材料為Q235A級普通鋼管。2.4箱梁等效荷載取值根據(jù)現(xiàn)澆箱梁不同區(qū)域混凝土澆筑的高度不同，其自重荷載施加于支架結(jié)構(gòu)的荷載也不同，所以混凝土自重荷載須根據(jù)混凝土澆筑高度不同分區(qū)確定，主要考慮翼緣板與箱梁中間部分區(qū)別，中間鋼管樁部分上部荷載（半幅荷載）分配如下圖2-6所示。圖2-6 鋼管樁部分荷載分布圖（半幅）其中，q1=8.5KN/m，q2=5KN/m；碗扣支架節(jié)點個數(shù)由于間距（0.6m和0.9m區(qū)別）及斜交影響區(qū)別較大，箱梁等效荷載分布如圖2-7所示。圖2-7 滿堂支架荷載分布圖（左半幅）表2-1 節(jié)點荷載分布情況（單位：KN/節(jié)點）位置左幅右幅q120.318q113.813q17.67q2均6均6.3模板荷載按建筑施工碗扣式腳手架安全技術(shù)規(guī)范(JGJ 1662008)要求按定型鋼模板進行取值q=0.75KN/m2；施工人員及設(shè)備荷載標準值按均布荷載取1.0KN/m2；振搗混凝土時產(chǎn)生的荷載標準值采用2.0KN/m2；水平風荷載取值為Wk=0.7zsWo=0.71.350.80.5=0.378 KN/m2；其他荷載參考建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范確定，分項系數(shù)按永久荷載取1.2，施工荷載取1.3，風荷載取1.4。三、計算結(jié)果分析3.1支撐反力支架底部支撐反力是直接影響支架系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要計算指標，支撐反力也是判斷地基承載力的理論依據(jù)，因此，先進行支撐反力的結(jié)果分析。3.1.1 鋼管樁工況一支撐反力在工況一荷載條件下，鋼管樁支架系統(tǒng)豎向與水平向最大反力分別為95.1KN和14.1KN，反力圖分別如下圖3-13-3所示。圖3-1 鋼管樁支架結(jié)構(gòu)水平向（x向）反力（工況一）圖3-2 鋼管樁支架結(jié)構(gòu)水平向（y向）反力（工況一）圖3-3 鋼管樁支架結(jié)構(gòu)豎向（z向）反力（工況一）3.1.2 鋼管樁工況二支撐反力在工況二荷載條件下，鋼管樁支架系統(tǒng)豎向與水平向最大反力分別為318.9KN和55.0KN，反力圖分別如下圖3-43-6所示。圖3-4 鋼管樁支架結(jié)構(gòu)水平向（x向）反力（工況二）圖3-5 鋼管樁支架結(jié)構(gòu)水平向（y向）反力（工況二）圖3-6 鋼管樁支架結(jié)構(gòu)豎向（z向）反力（工況二）3.1.3 滿堂支架工況一支撐反力在工況一荷載條件下，滿堂支架系統(tǒng)豎向與水平向最大反力分別為8.0KN和0.272KN，反力圖分別如下圖3-73-9所示。圖3-7 滿堂支架結(jié)構(gòu)水平向（x向）反力（工況一）圖3-8 滿堂支架結(jié)構(gòu)水平向（y向）反力（工況一）圖3-9 滿堂支架結(jié)構(gòu)豎向（z向）反力（工況一）3.1.4 滿堂支架工況二支撐反力在工況二荷載條件下，滿堂支架系統(tǒng)豎向與水平向最大反力分別為35.9KN和0.294KN，反力圖分別如下圖3-103-12所示。圖3-10 滿堂支架結(jié)構(gòu)水平向（x向）反力（工況二）圖3-11 滿堂支架結(jié)構(gòu)水平向（y向）反力（工況二）圖3-12 滿堂支架結(jié)構(gòu)豎向（z向）反力（工況二）3.2支架結(jié)構(gòu)應力為確保支架結(jié)構(gòu)安全，需對支架系統(tǒng)各構(gòu)件應力進行計算并判斷是否滿足受力要求。3.2.1 工況一結(jié)構(gòu)應力在工況一的荷載條件下，鋼管樁部分的最大應力為9.9MPa壓應力；剪刀撐部分的最大應力為6.5MPa壓應力；橫梁部分的最大應力為13.7MPa壓應力；縱梁部分的最大應力為55.7MPa壓應力；滿堂支架部分的最大應力為38.1MPa壓應力。各部件應力圖及最大應力出現(xiàn)位置見圖3-133-17所示。圖3-13 鋼管樁部分應力圖（工況一）圖3-14 剪刀撐部分應力圖（工況一）圖3-15 橫梁部分應力圖（工況一）圖3-16 縱梁部分應力圖（工況一）圖3-17 滿堂支架部分應力圖（工況一）3.2.2 工況二結(jié)構(gòu)應力在工況二的荷載條件下，鋼管樁部分的最大應力為38.6MPa壓應力；剪刀撐部分的最大應力為14.1MPa壓應力；橫梁部分的最大應力為50.3MPa壓應力；縱梁部分的最大應力為124.4MPa壓應力；滿堂支架部分的最大應力為78.2MPa。各部件應力圖及最大應力出現(xiàn)位置見圖3-183-22所示。圖3-18 鋼管樁部分應力圖（工況二）圖3-19 剪刀撐部分應力圖（工況二）圖3-20 橫梁部分應力圖（工況二）圖3-21 縱梁部分應力圖（工況二）圖3-22 滿堂支架部分應力圖（工況二）通過應力計算結(jié)果可知，支架各構(gòu)件應力均滿足其材料結(jié)構(gòu)容許應力要求，支架系統(tǒng)應力符合受力要求。3.3支架結(jié)構(gòu)變形為保證主線橋45m跨現(xiàn)澆箱梁澆筑質(zhì)量，須對臨時支架系統(tǒng)的變形進行嚴格控制，以避免由支架系統(tǒng)變形過大而引起現(xiàn)澆箱梁出現(xiàn)裂縫等問題。3.3.1 鋼管樁支架變形在工況二荷載條件下，鋼管樁支架系統(tǒng)豎向與水平向最大變形分別為1.15mm和0.95mm，支架變形圖及最大變形出現(xiàn)位置見圖3-233-25所示。圖3-23 鋼管樁支架變形x向（工況二）圖3-24 鋼管樁支架變形y向（工況二）圖3-25 鋼管樁支架變形z向（工況二）3.3.2 滿堂支架支架變形在工況二荷載條件下，滿堂支架系統(tǒng)豎向與水平向最大變形分別為1.4mm和2.0mm，支架變形圖及最大變形出現(xiàn)位置見圖3-263-28所示。圖3-26 滿堂支架變形x向（工況二）圖3-27 滿堂支架變形y向（工況二）圖3-28 滿堂支架變形z向（工況二）通過對支架變形結(jié)果分析可知，支架整體變形較小，支架系統(tǒng)穩(wěn)定，但支架拼裝過程中，施工條件及施工工藝和支架各構(gòu)件材料與理想狀態(tài)會有一定偏差。在支架拼裝完成后，應對支架進行預壓處理，以消除支架拼裝彈性變形、得到非彈性變形值及檢驗支架安全性及穩(wěn)定性，更好地指導施工。3.4穩(wěn)定性分析考慮在支架系統(tǒng)自重不變，現(xiàn)澆梁荷載、風荷載、施工及設(shè)備荷載可變的情況下，支架系統(tǒng)的屈曲模態(tài)分析，屈曲模態(tài)見圖3-293-33。圖3-29 屈曲模態(tài)一圖3-30 屈曲模態(tài)二圖3-31 屈曲模態(tài)三圖3-32 屈曲模態(tài)四圖3-33 屈曲模態(tài)五共取5階屈曲模態(tài)，計算結(jié)果分別如下：模態(tài)1：支架一階臨界荷載系數(shù)為14.34，由圖3-19可知，一階屈曲為滿堂支架構(gòu)件最內(nèi)側(cè)邊層頂部水平x向失穩(wěn)；模態(tài)2：支架二階臨界荷載系數(shù)為14.34，由圖3-20可知，二階屈曲為滿堂支架構(gòu)件最內(nèi)側(cè)邊層頂部水平x向失穩(wěn)；模態(tài)3：支架三階臨界荷載系數(shù)為14.35，由圖3-21可知，三階屈曲為滿堂支架構(gòu)件最內(nèi)側(cè)邊層頂部水平x向失穩(wěn)；模態(tài)4：支架四階臨界荷載系數(shù)為14.36，由圖3-22可知，四階屈曲為滿堂支架構(gòu)件最內(nèi)側(cè)邊層頂部水平x向失穩(wěn)；模態(tài)5：支架五階臨界荷載系數(shù)為14.40，由圖3-23可知，五階屈曲為滿堂支架構(gòu)件最內(nèi)側(cè)邊層頂部水平x向失穩(wěn)。且失穩(wěn)剪刀撐都位于滿堂支架構(gòu)件最內(nèi)側(cè)邊層頂部，施工過程中可適當采用橫撐加強該層，并可將該層與鋼管樁相連，以加強該層的橫向剛度。3.5支架基礎(chǔ)及地基承載力驗算該支架鋼管樁樁底與C30鋼筋混凝土基礎(chǔ)預埋鋼板焊接，其中，中間鋼管樁樁底支撐力最大，反力合計為7074.2KN，基礎(chǔ)應力為：該支架基礎(chǔ)滿足地基承載力要求。四、結(jié)論與建議4.1計算主要結(jié)論1、支架中各桿件結(jié)構(gòu)的應力滿足規(guī)范要求，并具有一定的安全儲備；2、支架變形很小，滿足施工要求；3、支架整體穩(wěn)定性計算結(jié)果表明支架在施工荷載作用下穩(wěn)定性系數(shù)為14.34，按工程慣例一般彈性穩(wěn)定性系數(shù)要求大于4來判斷，該支架能滿足穩(wěn)定性要求；4、地基承載力驗算結(jié)果為120.9K