6華山南樞紐互通立交主線橋鋼管樁支架計(jì)算書(shū)(最終版).doc

龍口至青島公路萊西（沈海高速）至城陽(yáng)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(jì)算中鐵十九局集團(tuán)有限公司龍青高速公路土建八標(biāo)段項(xiàng)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(jì)算編制依據(jù)11.3 支架布置方案簡(jiǎn)介1二、主要計(jì)算內(nèi)容32.1支架計(jì)算方法32.2支架計(jì)算內(nèi)容52.3計(jì)算參數(shù)選取52.4箱梁等效荷載取值6三、計(jì)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(yīng)力123.2.1 工況一結(jié)構(gòu)應(yīng)力123.2.2 工況二結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yàn)算21四、結(jié)論與建議224.1計(jì)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(zhǎng)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(yù)應(yīng)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(shí)需開(kāi)設(shè)門(mén)洞，門(mén)洞凈空5.0m，凈寬10m，使用鋼管樁進(jìn)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(jì)算編制依據(jù)1、龍青高速公路土建八標(biāo)段工程設(shè)計(jì)文件；2、施工單位支架設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范(JTJ02586)；5、公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范（JTG D602004）；6、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)手冊(cè)（第二版）；10、路橋施工計(jì)算手冊(cè)。1.3 支架布置方案簡(jiǎn)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(tái)支架體系的跨路門(mén)洞，以保證車輛的通行。門(mén)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(mén)洞縱斷面示意圖門(mén)洞基礎(chǔ)為C30砼條形基礎(chǔ)，寬1.5m，高1m，基礎(chǔ)頂面預(yù)埋0.8m0.8m的2cm厚鋼板（確保預(yù)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(wú)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(qiáng)肋，加強(qiáng)肋與立柱頂托、底座之間通過(guò)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(mén)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(duì)應(yīng)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(zhǎng)加密布置6排碗扣支架，接著采用0.9m步長(zhǎng)布置8排碗扣支架，0.6m與0.9m中間過(guò)渡橫向連接采用3根0.6m碗扣鋼管，并用剪刀撐加強(qiáng)。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(jì)算內(nèi)容2.1支架計(jì)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(dāng)調(diào)整鋼管樁（門(mén)洞）支架的架設(shè)距離。由于架設(shè)時(shí)滿堂支架與鋼管樁支架分開(kāi)架設(shè)，計(jì)算時(shí)也應(yīng)分開(kāi)計(jì)算。但實(shí)際施工過(guò)程中可將滿堂支架與鋼管樁支架搭接或焊接錨固成一個(gè)整體，以提高支架系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。應(yīng)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(jìn)行支架不同工況下受力及變形分析計(jì)算。單位約定：力單位為KN，長(zhǎng)度單位為m；坐標(biāo)約定：X坐標(biāo)方向?yàn)轫槝蛳?，Y坐標(biāo)方向?yàn)闄M橋向，Z坐標(biāo)方向?yàn)樨Q向；正負(fù)號(hào)約定：正號(hào)表示拉應(yīng)力，負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力；單元類型及荷載模擬：支架采用梁?jiǎn)卧M，現(xiàn)澆箱梁采用均布荷載（單位：KN/m）及節(jié)點(diǎn)荷載（單位：KN/節(jié)點(diǎn)）模擬；建模時(shí)的考慮：主線跨線橋與被交路斜交成70角，建模時(shí)需考慮斜交對(duì)支架的影響；鋼管樁左右幅整體架設(shè)，順橋向長(zhǎng)210+3=23m，橫橋向斜長(zhǎng)133=39m（考慮橫橋向兩端比箱梁伸長(zhǎng)0.5m左右），中間為避開(kāi)管道，設(shè)間距3.0m布設(shè)兩道立柱。采用梁?jiǎn)卧M支架鋼管，支架共離散為18716個(gè)節(jié)點(diǎn)，45544個(gè)單元；其中鋼管樁基礎(chǔ)56個(gè)單元、剪刀撐208個(gè)單元、橫梁208個(gè)單元、縱梁198個(gè)單元；碗扣式滿堂支架44874個(gè)單元。實(shí)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(mén)洞支架搭設(shè)簡(jiǎn)略步驟見(jiàn)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(shí)搭設(shè)滿堂支架，搭設(shè)完成效果圖見(jiàn)圖2-1。2.2支架計(jì)算內(nèi)容在支架系統(tǒng)進(jìn)行施工階段分析時(shí)，荷載的確定及荷載的工況組合與運(yùn)營(yíng)階段不同，目前尚無(wú)具體的規(guī)范可參考，須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、施工工藝等具體情況進(jìn)行確定。本項(xiàng)目對(duì)支架系統(tǒng)進(jìn)行三個(gè)工況組合的結(jié)構(gòu)驗(yàn)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(fēng)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(fēng)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(fēng)荷載共同作用下穩(wěn)定性分析。2.3計(jì)算參數(shù)選?。?）梁體：梁體容重取26 kN /m，截面尺寸參考設(shè)計(jì)圖紙，實(shí)際過(guò)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(diǎn)荷載模擬，具體數(shù)值見(jiàn)加載荷載取值；（2）立柱：采用63016mmQ235無(wú)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(duì)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(jí)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(diǎn)個(gè)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(diǎn)荷載分布情況（單位：KN/節(jié)點(diǎn)）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(jìn)行取值q=0.75KN/m2；施工人員及設(shè)備荷載標(biāo)準(zhǔn)值按均布荷載取1.0KN/m2；振搗混凝土?xí)r產(chǎn)生的荷載標(biāo)準(zhǔn)值采用2.0KN/m2；水平風(fēng)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(xiàng)系數(shù)按永久荷載取1.2，施工荷載取1.3，風(fēng)荷載取1.4。三、計(jì)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(jì)算指標(biāo)，支撐反力也是判斷地基承載力的理論依據(jù)，因此，先進(jìn)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(yīng)力為確保支架結(jié)構(gòu)安全，需對(duì)支架系統(tǒng)各構(gòu)件應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算并判斷是否滿足受力要求。3.2.1 工況一結(jié)構(gòu)應(yīng)力在工況一的荷載條件下，鋼管樁部分的最大應(yīng)力為9.9MPa壓應(yīng)力；剪刀撐部分的最大應(yīng)力為6.5MPa壓應(yīng)力；橫梁部分的最大應(yīng)力為13.7MPa壓應(yīng)力；縱梁部分的最大應(yīng)力為55.7MPa壓應(yīng)力；滿堂支架部分的最大應(yīng)力為38.1MPa壓應(yīng)力。各部件應(yīng)力圖及最大應(yīng)力出現(xiàn)位置見(jiàn)圖3-133-17所示。圖3-13 鋼管樁部分應(yīng)力圖（工況一）圖3-14 剪刀撐部分應(yīng)力圖（工況一）圖3-15 橫梁部分應(yīng)力圖（工況一）圖3-16 縱梁部分應(yīng)力圖（工況一）圖3-17 滿堂支架部分應(yīng)力圖（工況一）3.2.2 工況二結(jié)構(gòu)應(yīng)力在工況二的荷載條件下，鋼管樁部分的最大應(yīng)力為38.6MPa壓應(yīng)力；剪刀撐部分的最大應(yīng)力為14.1MPa壓應(yīng)力；橫梁部分的最大應(yīng)力為50.3MPa壓應(yīng)力；縱梁部分的最大應(yīng)力為124.4MPa壓應(yīng)力；滿堂支架部分的最大應(yīng)力為78.2MPa。各部件應(yīng)力圖及最大應(yīng)力出現(xiàn)位置見(jiàn)圖3-183-22所示。圖3-18 鋼管樁部分應(yīng)力圖（工況二）圖3-19 剪刀撐部分應(yīng)力圖（工況二）圖3-20 橫梁部分應(yīng)力圖（工況二）圖3-21 縱梁部分應(yīng)力圖（工況二）圖3-22 滿堂支架部分應(yīng)力圖（工況二）通過(guò)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，支架各構(gòu)件應(yīng)力均滿足其材料結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力要求，支架系統(tǒng)應(yīng)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(duì)臨時(shí)支架系統(tǒng)的變形進(jìn)行嚴(yán)格控制，以避免由支架系統(tǒng)變形過(guò)大而引起現(xiàn)澆箱梁出現(xiàn)裂縫等問(wèn)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)對(duì)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(guò)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(huì)有一定偏差。在支架拼裝完成后，應(yīng)對(duì)支架進(jìn)行預(yù)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(yàn)支架安全性及穩(wěn)定性，更好地指導(dǎo)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(fēng)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(jiàn)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(jì)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(guò)程中可適當(dāng)采用橫撐加強(qiáng)該層，并可將該層與鋼管樁相連，以加強(qiáng)該層的橫向剛度。3.5支架基礎(chǔ)及地基承載力驗(yàn)算該支架鋼管樁樁底與C30鋼筋混凝土基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板焊接，其中，中間鋼管樁樁底支撐力最大，反力合計(jì)為7074.2KN，基礎(chǔ)應(yīng)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(jì)算主要結(jié)論1、支架中各桿件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力滿足規(guī)范要求，并具有一定的安全儲(chǔ)備；2、支架變形很小，滿足施工要求；3、支架整體穩(wěn)定性計(jì)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(lái)判斷，該支架能滿足穩(wěn)定性要求；4、地基承載力驗(yàn)算結(jié)果為120.9K