钢箱梁吊装计算书.doc

钢箱梁安装计算书

1、设计依据
（1）、《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）
（2）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）
（3）、《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）
（4）、《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）
（5）、《公路桥涵施工技术规范》（JTGJ F50-2011）
2、支架设计
2.1、结构分析内容与结论
（1）、结构分析内容
依据钢桁支架的结构设计构造大样图，根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）和《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）的要求，施工阶段考虑了钢桁临时支架结构自重、施工机具和人群临时荷载，以及钢箱梁节段吊装安置施工全过程作用于支架上的最不利荷载，分析计算施工阶段最不利荷载作用下钢桁支架构件的应力和内力值、支架水平位移、基础支撑反力值和钢桁支架屈曲稳定系数。
（2）、结构分析结论
在短暂状况下，钢桁支架结构自重、施工机具和人群荷载，以及公路钢结构箱梁节段最不利值作用下，钢桁支架的φ400x8mm钢管立柱、16#槽钢水平连杆和斜杆应力均满足规范要求；32#工字钢弯曲应力满足规范要求；钢桁支架的屈曲稳定系数满足规范要求。
2.2、支架结构及材料
依据钢箱梁安装工程的特点，设计了钢桁支架，支架的尺寸位置根据匝道钢箱梁的分段和钢箱梁的断面尺寸确定。本工程根据钢箱梁梁底宽尺寸确定2种支架，根据梁段的重量，最大分段重量在A匝道22～23#墩跨和C匝道2～3#墩跨，支架计算按照最不利状态取此部位支架计算。
2.2.1、支架结构

钢桁支架的立柱采用10根φ400x8mm圆钢管，纵桥向设置2根，间距为3.0m；横桥向设置5根，间距分别为3.5m和2.25m，其平面尺寸11.5x3.0m。相邻钢管间设置16#槽钢的一道斜撑；钢管的水平加劲杆采用16#槽钢，竖向间距为3.0m。圆钢管支架顶横桥向设置两道长9.0m的2x32#工字钢，钢桁支架构造尺寸如图2.1所示。

图2.1钢桁支架构造示意图

2.2.2、材料特性和容许值
（1）、材料特性
钢管立柱、16#槽钢和工字钢组成的支架材料均为Q235钢；依据《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）第3.4.1条，钢材材料特性如表2.3.1所示。
表2.2.1 钢材的材料特性
型号
厚度
（mm）
弹性模量
E（MPa）
强度设计值（MPa）
抗拉、抗压和抗弯
抗剪
Q235钢

206000
215
125
（2）、规范容许值
①、短暂状况的应力
依据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）第1.2.5条，施工阶段在钢桁支架结构自重、施工机具和人群荷载，以及节段钢拱和钢系梁吊装安置施工全过程的最不利荷载作用下，钢结构容许应力如表2.3.2所示。
表2.3.2 Q235钢材的容许应力（MPa）
钢号
轴向应力
弯曲应力
剪应力
Q235（A3）
140
145
85
②、钢桁支架水平位移
依据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）附录A第A.2.1条，钢桁支架结构柱顶水平位移最大值H/500=12000/500=24mm。
③、稳定系数
依据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）第1.2.12条，钢桁支架应具有必要的纵横向刚度，施工过程中应保证横向和纵向的倾覆稳定性。稳定系数应不小于4.0。
2.2.3、作用力取值
（1）、作用（荷载）取值
永久作用：钢桁支架结构的自重计算采用容重；
依据设计单位提供的钢箱梁结构设计图纸，考虑施工机具和人群荷载等因素，同时根据纵桥向钢桁支架布置的间距，其支架顶部考虑施工机具和人群荷载的单跨钢结构箱梁重量见表2.4.1。
表2.4.1 考虑施工机具和人群荷载等因素的钢结构箱梁重量（kN）
部位
类型
跨径（cm）
钢箱梁重量（kN）
钢桁支架
公路钢结构
1900
600
2140
700
（2）、作用效应组合
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）的要求，钢桁支架结构属于施工阶段临时支撑系统，因此按短暂状况进行构件的应力、变形和屈曲稳定验算。
施工荷载除了有特别规定外均采用标准值。不同类型荷载组合时不考虑荷载组合系数。
施工阶段的钢桁支架纵横向稳定计算，其构件自重效应分项系数取1.2，附加的其他荷载效应分项系数取1.4。
3、钢箱梁支架计算分析
3.1、计算模型
采用有限元分析软件Midas/Civil 2011对钢箱梁支架进行分析，建立计算模型如图3.1.1所示。

图3.1.1 钢箱梁支架计算模型图
3.2、外荷载作用
依据表2.4.1按集中力作用于钢箱梁支架的两道横桥向2x32#工字钢和纵桥向单根32#工字钢，内侧横桥向2x32#工字钢单个集中荷载60*1.4/3=28T，外侧横桥向2x32#工字钢单个集中荷载70*1.4/3=33T，纵桥向单根32#工字钢单个集中荷载考虑5T，如图3.2.1所示。

图3.2.1 2x32#工字钢上集中荷载示意图
3.3、分析结果
3.3.1、变形分析
支架竖向变位如图3.3.1所示。

图3.3.1 竖向变形（mm）
支架最大竖向变位为2.8mm。
3.3.2、钢管支承点反力分析
钢管支承点竖向反力值如图3.3.2所示。

图3.3.2 竖向反力（kN）
钢管支承点最大竖向反力为663kN。
3.3.3 应力分析
支架应力如图3.3.3所示。

图3.3.3 支架应力包络图（MPa）
支架的结构包络应力为-68.1MPa～31.7MPa。
4、支架基础
4.1、支架基础设计
经过对该地区地质报告的分析和现场的勘察,同时为了避免破坏地下管线，本工程的支架基础全部采用扩大基础的方案。进场后,根据钢箱梁安装吊车、运梁车的需要,在总包方协助下进行现场场地平整硬化,并准确定出临时支架及基础的具体位置。
支架为钢管格构柱支架，搭设支架基础位置在原有道路上和原状土上两种。基础具体尺寸见支架搭设平面图（见附图），浇注C30砼条形基础，尺寸长9m*宽1m*高0.5m和长12.5m*宽1m*高0.5m内配钢筋￠12＠250双向布置砼基础。另外，钢管位置顶部预埋500*500*16mm的钢板，与支撑钢管焊接固定。

4.2、支架基础验算
（1）、钢箱梁重量
根据施工组织方案中支架墩的纵、横向位置，按计算跨径20m的简支梁计算，由于箱梁最大重量约为240t，在长12.5m的基础上。支架需承受一半120t的重量。单根条形基础承受的钢箱梁最大反力1200/2=600KN。
（2）、钢管型钢支架重量
由钢管型钢支架形式计算自可得钢管型钢支架传给砼基础的最大反力为78*5*10*1.6=6240kg=62.4KN。
（3）、人群及施工荷载
按规范取1.0kN/m2，则人群及施工荷载总重为1×12.5×20=250kN。同时，根据箱梁节段重量的横向分配比例，人群及施工荷载为250/4=62.5kN。
（4）、 独立基础重量
1×12.5×0.5×26kN/m3=162.5kN。
独立基础受力最大总和为：600+62.4+62.5+162.5=887.4kN。
基底最大应力设计值应同时满足下列计算公式：

将数据代入计算公式可得基底平均压应力为：887.4/12.5=71kPa<110kPa。
考虑原为原有道路地面或在地面以下30cm厚范围内进行灰土或建筑垃圾处理，使地基应力扩散，按34度角计算，实际受力面积为1.4×12.9m，此时基底平均压应力为887.4/（1.4*12.9）=50kPa<110kPa。满足规范要求。
4.3、扩大基础沉降计算
取承受最大反力独立扩大基础进行计算。
由上节计算可知，基底处最大压应力均71kPa。
以A匝道22号墩处钻孔桩为陆地扩大基础计算参考地质资料，计算如下：
基底附加应力：p0=100kPa
沉降计算范围内压缩模量的当量值=4.923
沉降计算经验系数：≈0.908
表4.1 扩大基础沉降计算表
基础底面至第i层土底面的距离
基础底面下第i层土的压缩模量
矩形基础的长边/矩形基础的短边
基础底面算起的土层深度/矩形基础的短边
基础底面计算点至第i层土底面范围内平均附加压应力系数
每层的沉降量
Zi(m)
Esi(MPa)
l/b
z/b
ai(m)
s(mm)
2.29
4.923
12.5
2.29
0.563
26.19
2.35
4.923
12.5
2.35
0.550
0.07
按分层总和法计算的地基沉降量s0 (mm)
26.25
按分层总和法计算的地基沉降量s0 (mm)×0.025
0.66
地基最终沉降量s(mm)
23.84
由上表计算结果可知，临时钢筋砼支墩基础沉降为23.84mm。
本工程支架为钢格构支架，钢构件间全部采用焊接连接，支架本身无弹性变形和非弹性变形，对支架的预压主要为消除基础沉降。钢箱梁安装支架的预压采用钢箱梁自压重的方法，即钢箱梁吊装与支架上，待沉降稳定后在利用千斤顶调节钢箱梁标高至符合设计要求，后再进行钢箱梁对接缝的焊接。
5、吊耳、钢丝绳、卸扣的选择
根据梁的截面尺寸、分段的长短和吊装工况，选择用4个吊耳起吊。吊耳设在钢梁纵横板交点处，端部用钢板加强，保证局吊部稳定，吊耳采用坡口焊接。

5.1、吊耳强度验算
5.1.1、吊耳选择
吊耳选择25吨吊耳，，材质为Q345B钢，主板厚25mm，外侧加强侧板厚12mm。吊耳详图如下。

5.1.2、吊耳强度核算
4个吊耳：最重段按70吨计算，分项系数取1.1，动力系数取1.2，钢丝绳夹角最大按60度计算，各设置了4个吊耳。每个吊耳所承受的拉力为：

经上述计算，当采用4个吊耳进行吊装时单个吊耳承受的拉力为261.4KN，由于吊装时钢丝绳角度大于60度，因此吊耳主要承受竖向拉力引起的剪应力， 受剪截面积为：
A=20*200=4000mm2
吊耳承受的剪应力为：
F=261.4*1000/4000=65.35N/mm2<fv=180N/mm2(钢材抗剪强度设计值)，满足强度要求。
5.1.3、吊耳角焊缝应力校核
角焊缝面积：
计算公式
角焊缝的拉应力：
计算公式
角焊缝的剪应力：
计算公式
组合应力：
计算公式
角焊缝的许用应力：
计算公式
角焊缝应力满足要求。
3.7.3、钢丝绳选择
本工程最大重量节段70T
钢丝绳强度计算（起吊点4个）
根据钢丝绳允许拉力计算公式S=P/K
钢丝绳作吊索使用取安全系数K=8
钢丝绳允许拉力S=70/4/cos（60/2）=20.21t=202.1KN
计算钢丝绳破断拉力P＝S*K=202.1*8=1616.8KN
查钢丝绳技术表选用以下标准的钢丝绳：
6*37（股1+6+12+18），抗拉强度1850Mpa，直径56mm的钢丝绳换算系数（6×37）=0.82
查表得钢丝绳破断拉力P=ΣN *α =2175*0.82=17833.5KN＞1616.8KN
3.7.4、卡环卸甲计算：
考虑起吊钢箱梁节段最大重量为70t，由4个卡环卸甲扣钢丝绳吊起，进行计算。
Fg=G/4cosβ=700KN/4*cos30°=202KN
根据卸甲的允许荷载公式 [Fk]≈3.5d2 202≈3.5 d2 d≈7.6cm
即取销子为7.6cm以上的卸甲作为吊装联结使用（取25t的卸甲）。