菱形掛籃設(shè)計與計算

1、菱形掛籃設(shè)計與計算摘要：當(dāng)前國內(nèi)外的掛籃正向輕型化發(fā)展，菱形掛籃由于其主要受力構(gòu)件均為 二力桿，能夠充分地利用材料的特性，具有結(jié)構(gòu)輕巧，受力明確的特點，已廣 泛應(yīng)用于中等跨徑的懸澆施工。本文對應(yīng)用于某橋的菱形掛籃的優(yōu)化設(shè)計和計 算作了介紹。關(guān)鍵詞：菱形掛籃 設(shè)計 計算1引言掛籃按構(gòu)造形式可分為桁架式（包括平弦無平衡重式、菱形、弓弦式等）、斜 拉式（包括三角斜拉式和預(yù)應(yīng)力斜拉式）、型鋼及混合式四種。當(dāng)前國內(nèi)外的 掛籃正向輕型化發(fā)展，掛籃的輕型化有助于節(jié)約鋼材、便于運輸和施工、同時 掛籃的輕型化也有利于優(yōu)化設(shè)計，減小跟部彎矩，進(jìn)而節(jié)約縱向預(yù)應(yīng)力的配束。 掛籃設(shè)計的主要控制指標(biāo)為：掛籃的總用鋼量與最

2、大塊件重量之比值，主桁與比K/ K1氐，1111口31，嗎值愈低，表示掛籃承重構(gòu)件的受力愈合理，使用材料愈節(jié)省。減輕掛籃自重所 采用的手段有：優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式、不設(shè)平衡重并改善滑移系統(tǒng)、改進(jìn)力的傳遞系 統(tǒng)。下面就結(jié)合某橋的實際情況，介紹選用的菱形主桁、滑移行走機構(gòu)、整體 模板、標(biāo)高調(diào)整系統(tǒng)的掛籃設(shè)計實例。2.設(shè)計概況及總體構(gòu)思2.1箱梁結(jié)構(gòu)物參數(shù)（1）懸臂澆筑砼箱梁分段長度為4.0m，懸臂澆筑砼結(jié)構(gòu)最大重量1540 KN（2）箱梁底板寬8m，頂板寬1625m。（3）箱梁高度變化范圍：左幅4.8m2.4m，中間按 半立方拋物線變化。（4）掛籃的最大承載力不小于1850 KN,掛籃自重及全部的施工荷載

3、不大于600 KN2.2掛籃的輕型化優(yōu)化設(shè)計總體構(gòu)思（1）選用一種受力合理、安全可靠的輕型結(jié)構(gòu)（菱形）作為掛籃 承重主桁；（2）掛籃用材利用國內(nèi)普通的16Mn和A3鋼.（3）掛籃前移時尾部利用箱梁豎向預(yù)應(yīng)力平衡傾 覆力矩以取消平衡重，使用反扣式走行小車。（4）吊升系統(tǒng)采用精軋螺紋粗鋼筋，粗鋼筋現(xiàn)場取材方便，可利 用現(xiàn)場的豎向預(yù)應(yīng)力筋。同時這種精軋螺紋鋼可以通過大螺母進(jìn)行精確的調(diào)整。 使得錨固、裝拆方便、調(diào)整簡單。（5）模板采用整體大模板，通過內(nèi)外縱梁與掛籃主桁同時移動就 位。（6）采用桁架式橫向連接。（7）主桁采用銷接的方式，以利于拆裝。2.3掛籃的結(jié)構(gòu)形式掛籃的結(jié)構(gòu)形式如圖1、圖2所示：2.

4、4菱形掛籃的組成 掛籃主要由三個系統(tǒng)組成：主桁承重系統(tǒng)、底籃和模板系統(tǒng)、走行系統(tǒng)。（1）主桁承重系統(tǒng)：主桁與前后橫梁、行走裝置、錨固裝置、懸吊分配梁等。（2）底籃和模板系統(tǒng)：底籃、外模、內(nèi)模、端模和工作平臺等。（3）走行系統(tǒng)：行走滑軌、 3.（3）走行系統(tǒng)：行走滑軌、 3.施工荷載分析：3.1荷載傳遞路徑：內(nèi)滑梁內(nèi)外縱梁加強型縱梁普通縱梁滑梁小車、后錨。內(nèi)頂板荷載翼板荷載腹板荷載底板荷載前橫梁后橫梁 主桁架前托梁后托梁底籃后錨掛籃的設(shè)計順序也是根據(jù)荷載的傳遞路徑，一級一級的確定各級結(jié)構(gòu)。先根據(jù) 各自的荷載情況對內(nèi)滑梁、縱梁、前、后托梁、前橫梁等桿件進(jìn)行設(shè)計，再設(shè) 計主桁架并校核其剛度、前端的下

5、撓度和銷接的強度。隨后再對錨固系統(tǒng)和走 行系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。3.2掛籃結(jié)構(gòu)材料掛籃主桁架和前后橫梁采用16Mn鋼，銷子采用45號鋼，縱梁、托梁、分配梁 等采用組合型鋼（A3）。3.3各類荷載及參數(shù)的選定（1）懸臂澆筑砼結(jié)構(gòu)最大重量1540 Kn（2）人群及機具荷載取2.5 KPa。（3）風(fēng)荷載取800 Pa。（4）鋼筋砼比重取值為26KN/m3；（5）超載系數(shù)取1.05；（6）新澆砼動力系數(shù)取1.2；（7）掛籃行走時的沖擊系數(shù)取1.1；（8）鋼材的應(yīng)力：16Mn鋼容許軸向應(yīng)力取240MPa。A3鋼容許彎曲應(yīng)力取1885MPa。（9）計算復(fù)核的荷載組合：砼重+掛籃自重+人群機具+動力附加系數(shù)（強度、

6、剛度）掛籃自重+沖擊附加系數(shù)+風(fēng)荷載（行走穩(wěn)定）3 承重結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算承重結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容有：內(nèi)滑梁、底板縱梁和前、后托梁、頂板及翼板縱梁、滑 梁、分配梁及吊帶、后托梁錨桿與錨梁、主桁架橫梁、主桁架?，F(xiàn)舉例說明底 板縱梁的設(shè)計計算以及主桁橫梁及主桁的計算，其他的結(jié)構(gòu)類似的計算方法也 相同。3.1底板縱梁計算底板縱梁位于腹板和底板下主要承受底板和腹板的重量,縱梁根據(jù)它承受荷載 的種類可分為普通型和加強型。普通型位于箱梁兩腹板中間段，承受底板的荷 載；加強型縱梁位于箱梁腹板下方除承受底板的荷載外，還承受腹板的荷載。3.1.1普通縱梁設(shè)計和計算3.1.1.1普通縱梁（箱梁兩腹板中間段）受力分析表1普通縱

7、梁荷載分析表項目何載分布情況Kg/皿1底模血板自重78.52縱梁自重43.43底板砼理論重量0.530X2600=13784底板荷載總值1378X 1.2X 1.5=17365施工荷載2506荷載取值q(78.5+1736+250)X0.645+43.4=13753.1.1.2普通縱梁（箱梁兩腹板中間段）強度計算普通縱梁主要承受底板的重量并傳遞與前后托梁（圖3示）R =qcb/LR =qca/LMA =qcbd+cb/（2L）/L=4.84 X IO7N.AA普通縱梁選用I工字鋼，其截面特性為：28aW =5.08 XIO5AA3XI =7.114X IO7AA4a = M / W= 95.3

8、MPa188.5MPa3.1.173普通縱梁剛度計算當(dāng)x=d+cb / L=2798.8時（彎矩最大處），撓度最大。f =qcb（4L-4b2/L-c2/L）x-4x3/L+（x-d） 4/（bc）/（24EI） =10.3aa VL /400=13.75aa剛度滿足要求。3.2主桁架橫梁計算3.2.1前橫梁前橫梁承受由鋼吊帶傳來的荷載，前橫梁受力示意圖如圖4所示F =33939N （分配梁2通過鋼吊帶I傳來的力）F1=75977N （分配梁2通過吊帶I傳與前橫梁）2F=264721N （直接傳與主桁架，可不考慮其作用于前橫梁）3F =223835N （分配梁1通過吊帶II傳與前橫梁）4下面分

9、別對各桿件的軸力進(jìn)行計算：由上面分析可列出前橫梁各桿件的軸力如圖5所示：前橫梁材料采用16Mn鋼，容許軸向應(yīng)力240MPa由圖15可得桿件最大軸力為N =339.6kN前橫梁桿件有兩種斷面：口 120X120X8aa口 120X120X6aa取最不利情況來驗算（桿件斷面形狀為口 120 X120 X6aa時）：a =N / A=3.396 X105 / 2736=124MPa240MPa滿足婆求。3.2.2后橫梁后橫梁在砼澆筑時，承載極小。在掛籃前移時，其承受部分底模重與部分側(cè)模 重，所受的荷載也較小，所以后橫梁桿件均選用口 120X120X6aa截面，后橫 梁強度已足夠滿足要求，無需再對其進(jìn)

10、行校核。3.3 主桁架計算3.3.1荷載分析單棉主桁架承受由前橫梁傳來的荷載(參見圖4)F=F+F+F+F =33.939+75.977+264.721+223.8351234=598Kn 主桁架受力示意圖如圖6所示： F=FX5500/5000=658 =598Kn 主桁架受力示意圖如圖6所示： F=FX5500/5000=658 Kn FA=FX 10500 / 5000=125.6 Kn 通過計算分別得到各桿件的軸力 N =1147Kn N =-940Kn (B=FFGJ=10.80KN( N =-1012Kn 3.3.2主桁架強度BD 桿件最大軸力N=1147 Kn 選擇各桿件的斷面為

11、口 220 X 220 X 16mm。貝U 截面積:A=220 X 220-188 X 188=13056mm2 慣性矩 I=(2204-1884)/12=9.11X107mm4 慣性半徑：i=(I / A) 1/2=83mm 長細(xì)比：入=口 L / i=1X5263 / 83=63.4 查表知穩(wěn)定系數(shù)：W =0.752 a =N/ 何 A)=114.7X104 / (0.752 X13056) =176.3MPa V240MPa(16Mn 鋼) 強度滿足要求 3.3.3主桁架撓度 計算主桁架撓度以計算D點的豎向位移為準(zhǔn)。 由上面計算可知,CD桿、BD桿、AC桿、AB桿所受的軸力為： 當(dāng)荷髯為

12、單位荷載時M桿、BD kA4桿1 AB桿的軸力為1 NCD1=1.615Nbd1=-1.692Nac1=1.918NABj-1.572NBc=-880KnNCD=966KnNbc=-880 KnNBC1=-1.472度:LCD=5.652mLBD=5.924mLAC=6.013mLAB=5.0mLBC=3.5mA =N N L /(EA)+N N L /(EA)+N N L /(EA)+ N N L /(EA) +N N L /(EA)D CD1 CD CDBD1 BD BDAC1 AC ACAB1 AB ABBC1 BC BC=16.2mm 3.3.4主桁架銷子、銷孔尺寸校核銷子材料采用45

13、號鋼，銷子兩面受剪。銷子應(yīng)對其最大剪應(yīng)力、擠壓應(yīng)力、銷 子抗彎進(jìn)行計算對銷孔凈載面積及銷孔邊至桿端的截面積進(jìn)行復(fù)核計算必須符 合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GBJ17-88 )第1.3.22條規(guī)定。3.3.5主桁架后錨據(jù)上面對主桁架的分析可知F=658t，每根桁架采用4個錨點，、架桿件與結(jié)點LBD/(EA)+NAC1NACLAC/(EA)+NAB1NABLAB/(EA)t 則單個錨點所受的荷載F=16.45 Kn后錨梁II受力示意圖如圖7所示。F=F/ 2=82.25 Kn 1Q =F =82.25 KnM：=F：L=82.25 X104 X 155=1.27 X 108N.mm 后錨梁I所受的荷載與后錨

14、梁II相同，后錨梁僅受剪力作用,采用兩條槽鋼10 可滿足要求。4.模板系統(tǒng)底模為5 =10mm鋼板組焊成的整塊鋼模，支承在16條縱梁上。箱梁外側(cè)模采用鋼制大模板，當(dāng)各節(jié)段梁高變化不太大，所以外側(cè)模和翼板底 模設(shè)計為一整塊大鋼模。內(nèi)模在設(shè)計沒有頂板齒板的節(jié)段采用整塊鋼模板，內(nèi)模頂板的寬度變化由橫肋 的活動銷實現(xiàn)，腹板的高度變化則通過調(diào)整模板數(shù)來解決，內(nèi)模頂板底模與腹 板內(nèi)側(cè)模通過銷子聯(lián)結(jié)，腹板內(nèi)側(cè)?？梢赞D(zhuǎn)動一定的角度來適應(yīng)腹板厚度變化。 內(nèi)模在設(shè)計有頂板齒板的節(jié)段采用木模。模板的設(shè)計計算與一般的模板設(shè)計類似，不再贅敘。5走行系統(tǒng)掛籃走行系統(tǒng)分為桁架走行系統(tǒng)、底模、外模及內(nèi)模走行系統(tǒng)。桁架走行系統(tǒng)

15、布置為：在兩片桁架下的箱梁頂面鋪設(shè)兩條用鋼板組焊的“工” 字形軌道，軌道分節(jié)以便向前倒用，軌道通過短梁與豎向預(yù)應(yīng)力筋錨固。主桁 架前支點處設(shè)滑船，滑船與桁架節(jié)點銷接，后錨點處設(shè)行走小車，以反扣輪的 形式（如圖8）沿軌道頂板下緣滾動，不需加設(shè)平衡重。走行時用2個5T手動 葫蘆縱向牽引即可。底模、外模及內(nèi)模與主桁同步行走，具體步驟為：下調(diào)所有吊桿，使所有模板 脫離砼面510cm，解除所有錨在已澆箱梁的吊桿，底模完全由外吊桿懸吊在前 后橫梁上，內(nèi)外模落在內(nèi)外滑梁上。內(nèi)外滑梁前端通過吊桿（帶）懸吊在前橫 梁上，后端通過吊桿懸吊在已澆好的箱梁頂板預(yù)留孔上，吊桿與內(nèi)外滑梁間設(shè) 有吊架，其上裝有滾動軸承，這

16、樣所有模板無需另設(shè)手拉葫蘆就會隨主桁架同 步前移。5.1掛籃抗傾覆計算5.1.1荷載掛籃空載前移時，作用于主桁架前端的荷載：鳥=前橫梁自重=16.62KnF =0.5 X底籃自重=11.210 / 2=56.05Kn2，一一 一 一 一 .一、F3=0.5X（縱梁自重+滑梁自重）=44.88/2=22.44 KnF=0.5X （側(cè)模板 + 內(nèi)模）=7500 / 2=37.50Kn- 一.F =鋼吊帶與分配梁及吊桿=15.00Kn一一-風(fēng)荷載取800Pa，作用面積取4.8X4.113X1.1=21.7m2豎向風(fēng)荷載:F =800 X 21.7 X0.4=6944N作用于單棉主希架前端的荷載（沖擊

17、系數(shù)取1.1）:P=0.5X（F+F2+F3+F4+F5） X 1.1+0.69=88.1KnF=PX 5.5/6=81 Kn5.1.2行走小車鋼吊帶強度行走小車鋼吊帶采用2條10槽鋼：a =N/A=81 X 103/25.48 X10-4=31.8MPa V1.3a =182MPa5.1.3行走小車車軸強度行走小車車軸采用45#鋼,直徑 45mm。剪應(yīng)力：T =Q/A=81 X 103/0.25 X3.14X 452=51.0MPa Vt =125MPa安全系數(shù)n=T /T =2.56.結(jié)束語本次設(shè)計的掛籃的總重共345KN, K為0.22, K為0.058,在同類掛籃中以上兩 項數(shù)據(jù)是比較理想的，但在掛籃設(shè)許中不要一味的追求輕型化，還需要考慮掛 籃的安全型、易操作性、可重復(fù)利用性，綜合考慮提高掛籃的剛度。掛籃在現(xiàn) 場拼裝以后通過荷載試驗后測得彈性變形為18.4 mm,與設(shè)計值基本吻合。根據(jù) 實際測量的彈性和非彈性變形繪制曲線用于箱梁施工中設(shè)置掛籃預(yù)拱度時參 考。該掛籃在實際應(yīng)用中具有