钢箱梁顶推计算书.doc

计算书
一、设计依据
1．《苏州广济北延GY-A1项目“钢箱梁顶推专项施工方案”（论证稿）》
2.《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2023）
3.《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）
4.《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）
5.《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041--2023)
二、设计参数
1．箱梁自重：钢箱梁自重按80.7kN/m进行计算。
2、导梁自重：导梁总重为316kN，建模时对其结构进行简化，按14.1kN/m进行计算。
3、其它结构自重：由程序自动记入。
4、墩顶水平力：顶推施工中拼装平台处的支架墩顶受摩檫力F1作用，取摩檫系数μ为0.1；在11#墩处的支架由于是千斤顶牵引施工，受到千斤顶的作用力T，同时受到墩顶摩檫力F2的作用，取摩檫系数μ为0.1。
三、设计工况及荷载组合
根据施工工艺及现场的结构形式，拟定荷载工况如下：
工况一：钢箱梁拼装阶段。荷载组合为：钢箱梁自重+导梁自重+其它结构自重。
工况二：钢箱梁顶推阶段。
在钢箱梁顶推阶段按每顶推2.5m为一个工况，以箱梁端头顶推至12#墩为最后一个工况，共30个工况，以此进行各墩顶的受力和导梁的受力分析，其荷载组合为：钢箱梁自重+导梁自重。
根据以上工况的计算结果，记录出各临时墩的最大受力，对其结构进行分析。对于11#墩的荷载组合为墩顶作用力+顶推力+摩阻力+结构自重；对于其它各临时墩的荷载组合为：墩顶作用力+摩阻力+结构自重。
四、钢箱梁拼装阶段的受力分析
4.1 贝雷支架的计算分析
钢箱梁在贝雷支架上进行拼装，支撑箱梁的贝雷片的最大跨径为14m。每个断面布置有四组贝雷片进行箱梁支撑，考虑1.4的不均匀分派系数，作用在每组贝雷片的作用力为F=80.7/4×1.4+2.7/3=29.2kN/m。其计算模型及结果如下：

计算模型

弯矩图

剪力图
通过计算得贝雷片所受到的最大弯矩为M=715.4kNm，最大剪力为V=204.4kN。单组贝雷片的允许弯矩为[M]=788.2kNm>715.4kNm，单组贝雷片的允许剪力为[V]=245.2kN>204.4kN，故贝雷片的强度满足规定。
4.2 牛腿的计算分析
将贝雷片简化为两跨14m连续梁进行计算，计算模型及结果如下：

计算模型

弯矩图

剪力图
通过计算得牛腿的支座反力为F=511kN。
贝雷片的支撑牛腿选用工28B，从钢管内部穿过，悬臂长度为20cm。牛腿型钢所受到的最大弯矩为M=511×0.2=102.2kNm，最大剪力为V=511kN。型钢工28B的截面模量为W=5.34×10-4m3。
则其弯曲应力为σ=M/W=188.2MPa<[σ]=1.4×145=203MPa
其剪力为τ=VS/Ib=17.2MPa<[τ]=85MPa
故牛腿的强度满足规定。
4.3 钢管桩的计算分析
在该施工阶段，钢管桩顶的最大支反力小于钢箱梁顶推阶段的最大支反力，故在该施工阶段，略去钢管桩支架的验算。
五、钢箱梁顶推阶段的受力分析
5.1 支座反力的计算
在钢箱梁顶推阶段按每顶推2.5m为一个工况，以箱梁端头顶推至12#墩为最后一个工况，共30个工况，以此进行各墩顶的受力和导梁的受力分析，其荷载组合为：钢箱梁自重+导梁自重。
采用MIDAS对其进行建模计算。模型中，将钢箱梁及导梁换算成等效截面结构，相应于30个工况，设立30个施工阶段。其模型如下：

计算模型
通过计算得出其支座反力结果如下表
对于各工况条件下的结构应力进行记录，发现导梁的最大应力出现在施工阶段25处，其最大应力为σ=118.0MPa<145MPa，结构的最大变形出现在施工阶段20处，其最大变形量为246.6mm，其应力云图及变形图见下图。

施工阶段-25应力云图

施工阶段-25变形图
表5.1-1 计算结果汇总表（单位：kN）

A
B
C
D
E
F
G
H
施工阶段1

80.8
278.9
1125.6
927.5
1064.0
1234.2
771.1
施工阶段2

116.8
362.1
1230.8
902.1
1057.0
1284.8
528.5
施工阶段3

162.9
480.5
1232.3
1070.2
501.1
2035.1

施工阶段4

622.3
215.0
1240.4
1009.5
768.7
1626.3

施工阶段5

275.6
773.3
1239.5
951.3
979.4
1263.1

施工阶段6

363.1
906.5
1222.8
914.8
1128.7
946.2

施工阶段7

487.3
999.5
1207.3
894.7
1217.8
675.4

施工阶段8

450.7
650.1
1048.3
1195.8
890.1
1247.1

施工阶段9

849.8
1041.0
1300.5
416.8
1873.9

施工阶段10

1095.4
995.5
1251.7
675.9
1463.6

施工阶段11

1383.9
893.0
1234.2
865.9
1105.1

施工阶段12

1715.7
732.8
1248.4
986.8
798.4

施工阶段13

2090.7
515.0
1294.2
1038.5
543.7

施工阶段14

2491.6
343.5
861.3
1785.7

施工阶段15

2947.6

1162.9
1371.6

施工阶段16

3302.5

1052.4
1127.1

施工阶段17

3682.7

856.2
943.1

施工阶段18

4088.1

574.3
819.6

施工阶段19

4203.4

1278.6

施工阶段20

4660.3

821.8

施工阶段21
440.3
3943.1

1098.7

施工阶段22
562.4
4074.2

845.4

施工阶段23
704.6
4151.8

625.6

施工阶段24
861.5
3760.1

860.5

施工阶段25
1033.9
3926.6

521.5

施工阶段26
1218.0
4042.6

221.4

施工阶段27
1425.7
4056.4

施工阶段28
1699.8
3782.3

施工阶段29
1973.9
3508.2

施工阶段30
2248.0
3234.1

最大支座反力
2248.0
4660.3
1041
1294.2
1785.7
1873.9
2035.1

最小支座反力
440.3
80.8
215
221.4
416.8

备注：各临时墩的编号由12#墩开始向9#墩方向的编号分别为A～H。
5.2 11#墩处的钢管支架的计算分析
钢箱梁顶推过程中，顶推千斤顶布置于11#墩处，需考虑钢管支架顶推过程中的稳定性，故对于11#墩处的钢管支架按两种工况进行分析。
工况一：墩顶所受作用力最小，千斤顶顶推施工。荷载组合为：墩顶作用力F1+千斤顶顶推力T+墩顶摩檫力f1+结构自重。
工况二：墩顶所受作用力最大，千斤顶顶推施工。荷载组合为：墩顶作用力F2+千斤顶顶推力T+结构自重。
钢箱梁及导梁的总重量为548.2t，按摩檫系数按0.1进行计算，则所需要的顶推力为T=5482×0.1=548.2kN。
5.2.1 工况一荷载取值
根据5.1节中的计算结果表中可查出，墩顶作用力最小为F1=80.8kN，其所产生的墩顶摩檫力f1=80.8×0.1=8.08kN。
千斤顶的荷载同步性按1.05进行考虑，左右墩竖向力不均匀分派系数按1.2考虑。则单个临时墩受到的顶推力为T0=548.2/2×1.05=287.8kN。单个分派梁的作用长度为2m，宽度为0.5m，其所受到的竖向力为F0=80.8/4/2×0.8=8.1kN/m，其所受到的摩檫力为f0=8.08×0.8/4=1.6kN。
5.2.2 工况二荷载取值
根据5.1节中的计算结果表中可查出，墩顶作用力最大为F1=4660.3kN，其所产生的墩顶摩檫力f1=4660.3×0.1=466.03kN。
千斤顶的荷载同步性按1.05进行考虑，左右墩竖向力不均匀分派系数按1.2考虑。则单个临时墩受到的顶推力为T0=548.2/2×1.05=287.8kN。单个分派梁的作用长度为2m，宽度为05m，其所受到的竖向力为F0=4660.3/4/2×1.2=699.1kN/m，其所受到的摩檫力为f0=466.03×1.2/4=139.8kN。
5.2.3 计算模型
采用MIDAS对其进行建模计算，计算模型如下：

计算模型
5.2.4 计算结果
通过计算得出计算结果如下：

工况一：结构应力图

工况一：结构变形图

工况一：支座反力图（一）

工况一：支座反力图（二）

工况二：结构应力图

工况二：结构变形图

工况二：支座反力图（一）

工况二：支座反力图（二）
对以上计算结果汇总如下表：
计算结果汇总表（一）
工况

最大组合应力（MPa）
最大变形（mm）
允许应力（MPa）
工况一
73.8
14.8
145
工况二
125.0
4.4
145
计算结果汇总表（二）
节点
荷载
FX (kN)
FY (kN)
FZ (kN)
MX (kN*m)
MY (kN*m)
MZ (kN*m)
1
工况1
-90.8
27.6
-638.3
-46.7
-207.0
-25.1
2
工况1
-91.2
-27.1
730.9
46.3
-207.5
-25.1
3
工况1
-51.1
30.5
-556.7
-51.3
-132.9
-26.4
4
工况1
-51.5
-30.9
649.2
51.7
-133.4
-26.4
1
工况2
-19.8
31.1
690.8
-52.2
-37.8
-25.7
2
工况2
-24.0
-26.9
783.7
45.8
-44.4
-25.7
3
工况2
19.9
27.0
772.5
-45.8
36.3
-25.7
4
工况2
15.7
-31.1
702.1
52.3
29.7
-25.7

从计算结果汇总表（一）中可以看出，结构最大应力均小于其允许应力，说明钢管支架的强度和刚度满足施工规定。
从计算结果汇总表（二）中可以看出，钢管桩所需要的最大抗拔力为638.3kN，需根据以上计算结果进行钢管连接节点的验算。
5.3 其它临时墩的计算分析
5.3.1 计算工况及荷载组合
12#墩处的钢管结构与11#墩处相同，其受力小于11#墩，故在此不做验算。
从5.1节的计算结果表中可以看出，C～H墩中所受到的最大竖向力为F=2035.1kN，作用于H墩处。由于C～H墩的临时墩结构形式相同，故选取H墩进行计算分析。
其荷载组合为：摩阻力+竖向作用力+结构自重。
左右墩竖向力不均匀分派系数按1.2考虑，摩檫系数按0.1进行考虑，则单个临时墩受到的摩阻力为f=。单个分派梁的作用长度为2m，宽度为0.5m，其所受到的竖向力为F0=2035.1/4/2×1.2=305.3kN/m，其所受到的摩檫力为f=2035.1×0.1/4×1.2=61.1kN。
5.3.2 计算模型
采用MIDAS对其进行建模计算，计算模型如下：

计算模型
5.3.3 计算结果
通过计算得计算结果如下：

结构应力图

结构变形图

支座反力图（一）

支座反力图（二）

对以上计算结果汇总如下表：
计算结果汇总表（一）
最大组合应力（MPa）
最大变形mm）
允许应力（MPa）
63.0
4.7
145
计算结果汇总表（二）
节点
FX (kN)
FY (kN)
FZ (kN)
MX (kN*m)
MY (kN*m)
MZ (kN*m)
1
-30.0
0.2
98.4
-0.4
-56.6
0.1
2
-31.1
0.9
563.0
-1.4
-58.3
0.1
3
-30.0
-0.2
98.4
0.4
-56.6
-0.1
4
-31.1
-0.9
563.0
1.4
-58.3
-0.1
从计算结果汇总表（一）中可以看出，结构最大应力均小于其允许应力，说明钢管支架的强度和刚度满足施工规定。
从计算结果汇总表（二）中可以看出，钢管桩以受压为主，同时受弯，最大压力为563kN，最大弯矩为58.3，需根据以上计算结果进行钢管连接节点及扩大基础的验算。
5.4 扩大基础的受力分析
根据5.3节的计算结果对扩大基础进行构造及配筋设计。在此不对扩大基础进行验算，仅对地基承载力进行验算。
选取一半的扩大基础进行验算，其长度为4.02m，宽度为2.06m，厚度为0.15m，混凝土自重为G=4.02×2.06×0.15×24+4.02×0.85×0.15×24=42.1kN。
根据5.3节的计算结果得出，一半基础的中心竖向作用力为
F=42.1+563+98.4=703.5kN
中心处的弯矩为
M=58.3+56.6+563×1.15-98.4×1.15=649.2
则临时墩对地基产生的最大压应力为
σmax=F/A+M/W=703.5/4.02/2.06+649.2×6/2.06/4.02/4.02=0.202MPa
临时墩对地基产生的最小压应力为
σmin=F/A+M/W=703.5/4.02/2.06-649.2×6/2.06/4.02/4.02=-0.032MPa〈0
故需考虑基底应力的重分布，并假定所有荷载均由受压部分承受，基底按三角形进行分布，受压分布宽度为b'。则
b'=3×（4.02/2-649.2/703.5）=3.26m>4.02×3/4=3.02m
故基础的接触面积满足规定。
则临时墩对地基产生的最大压应力为
σmax=2×703.5/3.26/2.06=0.21MPa〉[σ]=0.2MPa
故地基承载力偏小。
六、结论及建议
通过以上的计算，得出以下结论及建议：
6.1 通过对贝雷片的简化分析，发现贝雷片的强度满足规定。但实际施工中，支架上的牛腿所支撑的部位不是贝雷片的节点位置处，不利于贝雷片的受力，需对支点位置的贝雷片进行加强或将支点位置调整至贝雷片的节点位置处。同时需增长贝雷片的横向稳定性。
6.2 通过对型钢牛腿的简化分析，发现型钢牛腿的强度满足规定。在实际施工过程中，需型钢与钢管的支撑部位进行加强。
6.3 对顶推过程进行模拟分析，发现在顶推阶段，导梁的强度满足规定。但该计算过程中未对连接节点进行分析，施工中需尽量保证其是等强连接。
6.4 在顶推过程中，导梁前端的最大变形达成了246.6mm，变形量较大。在施工方案中需具体考虑导梁上临时墩的工艺。建议在11#墩与12#墩之间设立临时墩，以减少导梁的变形，并有助于后期箱梁线性的控制与调整。
6.5 在对11#墩的顶推临时墩进行计算时发现，其结构强度满足规定，但在部分节点处应力偏大，施工中需保证其施工质量。另钢管底部存在上拔力，需保证钢管与承台之间的连接强度满足规定。
6.6 由于钢管内穿孔对其截面有一定的削弱，计算中未考虑其截面的削弱，故建议在施工过程中对穿孔位置进行局部加固。
6.7 其它临时墩的支架强度均满足规定，但扩大基础处地基承载力偏弱，建议提高地基承载力。