工程现浇异型板钢管支架受力计算满堂支架预留门洞牛腿设计.doc

CK3+875田东右江大桥现浇异形板钢管支架施工及受力计算

一、工程概况
CK3+875田东右江大桥南岸现浇40米跨异形板位于主桥5#墩、6#墩、7#台及B改线桥8#墩之间（如图-1所示），总面积约有1450m2。设计采用箱型、薄壁腹板连续结构，腹板厚度20cm, 箱型结构空腔高80cm，宽180cm(8#墩侧箱型板空腔宽170cm)，梁高120cm，顶、底板厚20cm，翼缘板两端厚分别为20cm及35cm，共有22道梁、肋板，预应力束采用单端张拉施工工艺。其工程量如下表所示。

图-- 1 异型板一般构造图

异形板主要工程数量一览表

钢束（kg）
Φ60mmSBG塑料波纹管(m)
锚具(套)
钢筋(kg)
C40砼(M3)
Φs15.20-7
OVMZK15A-7
OVMZK15P-7
Ø10
Φ12
Φ25
Φ28
合计
16793.7
2126.64
72
72
10466.1
116465.4
6755
12466.9
848.4
16793.7
2126.64
72
72
146153.4
848.4
6#墩∽7#台之间原地面标高约103.00米，地势基本平坦，除系梁基坑填土外，基本为密实亚粘土Qa1-3，有A改线横穿其间，路基顶宽8.5cm，顶标高约为103.60m，现在路基已基本填到位。5#墩及6#墩之间有一陡坎，坎缘约2m宽为填土，下坎处标高约98.0米，落差5米左右，6-G#桩位周围地势较低，正好落在坎缘上（见图-2所示）。

图-- 2 5#、6#、7#地形断面图
二、地基处理及钢管支撑位置放样
1、 6#墩及7#台（8#墩）之间地基处理
针对6#墩及7#台之间地势情况，先用亚粘土将6#墩系梁基坑及6-G#桩周边分层压实回填至原地面标高，而后用装载机统一将6#墩周边地平整平压实，注意纵向或横向流水坡面，避免凹面积水，影响地基承载力；再铺垫一层15cm厚密实碎石或圆砾，避免钢管支架枕木受地表水浸泡。同时在利于排水一侧开挖一过水面为30×30cm排水沟，以便地表系统排水。至于A改线处地基，现A改线路基已以石方填筑，为支架提供了良好地基条件。
2、5#墩及6#墩之间地基处理
①由于5#墩及6#墩之间陡坎坎缘为填土形成，为了保证这侧地基整体承载力，拟采用40cm厚浆砌片石护坡加固。其具体工程量及其平面图如下：
图-3 6#墩护坡立面图
V=（4.5×30+）×0.4=73.6m3
②5#墩处原地面标高为98.00，5#系梁底标高为95.00m，于是在进行系梁施工（开挖系梁基坑）时，形成了一道约3m高陡坎（见图-2），为了使钢管支架有足够支撑空间，须将该系梁基坑用亚粘土分层压实回填至98.00m标高，而后用40cm厚浆砌片石护坡加固，其工程量为15×3×0.4=18m3。同时，在5#墩侧异形板施工支撑可拟采用牛腿支撑（已埋设牛腿预埋件，见图-4），从而5#墩一侧可减少一排支架支撑，避免过多填土夯实施工，让施工受力更可靠。
图-4 5#墩侧异形板施工预埋件施工图

③5#墩至6#墩之间地平整平处理基本跟6#墩及7#台（8#墩）之间地基处理相似。
3、待地基处理好后，让专业测量人员放出梁、肋、边缘线，做好高程控制点。施工人员按照《异形板满堂脚手架施工平面图》用石灰标出钢管立杆具体位置，以便进行支架施工。
三、支架搭设
支架采用“扣件”式满堂脚手架，其结构尺寸形式如下：翼缘及箱腔区—纵向立杆间距为90cm，横向立杆间距100cm布置；实心区—纵向立杆间距为90cm，横向立杆间距50cm或60cm布置（详见《满堂支架横向布置图》），为了方便施工，某些钢管立杆位置可适当调整。
脚手架竖向每间隔1.5m设置一排纵、横向联接脚手钢管，使所有立杆联成整体，为确保支架整体稳定性，在每五排横向立杆和每五排竖向立杆各设置一道剪刀撑。
支架搭设好后，测量放出若干个高程控制点，然后带线，用管子割刀将多余脚手管割除，在修平立杆上口安装可调顶托（可调顶托是用来调整支架高度和拆除模板用），本支架使用可调顶托可调范围为20cm左右。
脚手管安装好后，在可调顶托上铺设I14×6m工字钢，箱梁底板下方I14工字钢横向布置，其他视实际施工而顶。I14工字钢铺设好后，然后I14工字钢上铺设6×12cm木枋，木枋铺设间距为35cm，木枋布置好后可进行支架预压。
四、支架预压
安装模板前，要对支架进行预压。对大面积现浇异形板施工，必须分区进行才能保证其施工质量及施工进度。具体分区如下（纵向划分）：1～6#肋之间为施工I区，6～11#肋之间为施工II区，11#肋～22#梁之间为施工III区，共分三个施工区（见图-5）。

图-5分区分仓水箱预压示意图

1、支架预压目
①检查支架安全性，确保施工安全。
②消除地基非弹性变形和支架非弹性变形影响，有利于桥面线形控制。
③控制弹性变形量。
2、预压方法
采用水预压法对每施工区进行分别预压施工。预压荷载为异形板单位面积受力荷载1.1倍，即848.4÷1450×2.6×1.1=1.7吨，取荷栽不均匀系数为1.2，则单位预压荷载为1.7×1.2=2.04m，从而可知围水高度为2.1m。先在每施工区周边按照图-六搭设围水护栏，满铺彩条布，确保.不漏水。预压荷载分级进行，由于桥面有一定坡度，还需分格仓。两侧翼缘板所对应位置，混凝土重量轻，不做压载。
图-6分区预压水箱围水护栏断面图示意图

为了解支架沉降情况，在加水预压之前测出各控制点标高，在加载50%和100%后均要复测各控制点标高，加载100%预压荷载并持荷24小时后要再次复测各控制点标高，如果加载100%后所测数据及持荷24小时后所测数据变化很小时（=-<1mm），表明地基及支架已基本沉降到位，即沉降稳定，可卸水。否则还须持荷进行预压，直到地基及支架沉降到位方可卸水。卸水时通过水管将水排至水沟中或桥位区外，以免影响处理好地基承载力。卸水完成后，要再次复测各控制点标高，以便得出支架和地基弹性变形量=-，则其总沉降量=-，支架和地基非弹性变形（即塑性变形）量-。预压完成后要根据预压成果通过可调顶托调整支架标高。
五、施工结构受力计算
1、翼缘板区（包括边腹板）支架受力计算
（1）立杆
因翼缘板相对箱型板施工荷载比较小，在进行施工结构验算时取边腹板支撑A杆为分析对象，其受力范围：0.3×0.9+0.5×0.9=0.72m2
图-7

模板面积S=0.85×0.9 +（0.3+0.5）×0.9+（0.8+1）×0.9=3.11m2
a、混凝土重量
（）×0.9×26=12.00 kN；
b、模板荷载取0.2kN/㎡,则3.11×0.2=0.622 kN；
c、设备及人员荷载取0.25 kN /㎡,则0.72×0.25=0.18kN；
d、混凝土浇注冲击荷载取0.2 kN /㎡,则0.72×0.2=0.14 kN；
则A杆施工荷载为12.00+0.622+0.18+0.14=12.94 kN
荷载不均匀系数取1.2，则单根钢管实际最大施工荷载为
N=12.94×1.2=15.53 kN
钢管大横杆步距取1.5米，直径Ø48×3.5mm，其截面特性：Ix=1.578cm，A=4.893cm2，则长细比λ=l/i=1500/15.78=95.06，查表φ=0.637,既有
[N]=0.637×A×[б]=0.637×489×215=66971 N=66.97 kN>N,抗压强度满足要求。
由压杆弹性变形计算公式（按最大高度10米计算）
△L = NL/EA = 15.53×103×10×103/(2.1×105×4.89×102)
= 1.51mm <2mm压缩变形很小，施工安全。
（2）翼缘区次梁（6×12cm木枋）受力验算（主梁计算见空腔区主梁）
次梁按35cm间距布置。
翼缘区砼最大厚度为0.35m，最小厚度为0.2m，偏于安全，按0.35m厚砼计算
翼缘处砼荷载：P1=0.35×26=9.1kN/m2
模板荷载：P2=200kg/m2=2kN/m2
设备及人工荷载：P3=250kg/m2=2.5kN/m2
砼浇注时振捣荷载：P4=200kg/m2=2kN/m2
P=9.1+2+2.5+2=15.6 kN/m2
q=15.6×0.35=5.46kN/m
图-8

则跨内最大弯矩为（偏于施工安全，跨中弯矩以简支梁形式计算）：
Mmax=ql2/8=5.46×0.82/8=0.44kN.m
W=bh2/6=6×122/6=144cm3
由梁正应力计算公式得:
σmax =Mmax/W=0.44×1000/(144×10-6)=3.06MPa＜[σ]=10MPa（参考一般松木质）
最大剪力在靠近悬臂较长侧支点处，即左支座:
Qmax==0.731q=3.99 kN
σmax=3Qmax/2A
=3×3.99×103/（2×6×12×10-4）
=0.83MPa＜[σ]=2MPa（参考一般松木质）
即知强度均满足施工要求。
挠度验算:
E=0.1×105MPa ;I=bh3/12=8.64×106mm4;
跨中挠度：
fmax1=5qL4/384EI=5×5.46×103×0.84/（384×1×1010×8.64×10-6）=0.34 mm<[f]=L/400=2mm既知其挠度满足施工要求。
悬臂端（30cm）挠度：
fmax2=qL4/8EI=5.46×103×0.34/（8×1×1010×8.64×10-6）=0.06mm<[f]=L/400=0.75mm既知其挠度满足施工要求。经上述计算，该次梁搭设结构尺寸、强度及刚度等满足施工要求。
2、肋板及空腔区受力计算（见图-9）
偏于施工安全,以异形板底、顶板同时施工情形验算各立杆实际施工强度及刚度。
图-9

（1）、肋板区A或C杆受力验算
a、混凝土高度1.2米，宽度0.2米，另加倒角和倒角顶底板，纵向长度0.9米，则砼重为：
（1.2×0.9×0.2+0.3×0.15÷2×4×0.9+0.2×0.9×0.8×2）×26=15.21kN
b、模板荷载取0.2kN/㎡,则0.9×0.2=0.18 kN
c、设备及人员荷载取0.25 kN /㎡,则0.9×0.25=0.225 kN
d、混凝土浇注冲击荷载取0.2 kN /㎡,则0.9×0.2=0.18 kN
则肋板支撑受力F=15.21+0.18+0.225+0.18=15.80kN
另加1.2荷载不均匀系数，则单根钢管荷载为N=15.80×1.2=18.96kN
钢管大横杆步距取1.5米，直径Ø48×3.5mm，长细比λ=l/i=1500/15.78=95.06，查表φ=0.637,则有
[N]=0.637×A×[б]=0.637×489×215=66971 N=66.97 kN>N,抗压强度满足施工要求。
（2）、空腔区底板B杆件受力验算
混凝土高度0.2米，长度为0.9米，则砼重
0.2×1×0.9×2×26=9.36kN<15.21kN(肋板区砼重)则知B杆抗压强度满足施工要求。
(3)肋板区次梁（6×12cm木枋）受力计算
次梁按35cm间距布置。
肋板区砼荷载：
P1=(0.1×1.2+0.3×0.15+0.9×0.2×2)×26=13.65 kN/m2
模板荷载：P2=200kg/m2=2kN/m2
设备及人工荷载：P3=250kg/m2=2.5kN/m2
砼浇注时振捣荷载：P4=200kg/m2=2kN/m2
P=13.65+2+2.5+2=20.15 kN/m2
q=20.15×0.35=7.05kN/m
则跨内最大弯矩为：
Mmax=ql2/8=7.05×12/8=0.88kN.m
W=bh2/6=6×122/6=144cm3
由梁正应力计算公式得:
σmax =Mmax/W=0.88×1000/(144×10-6)=6.11MPa＜[σ]=10MPa（参考一般松木质）
最大剪力在支点处:σmax=3Qmax/2A
=3×（7.05×103×1）/（2×6×12×10-4）
=1.47MPa＜[σ]=2MPa（参考一般松木质）
即知强度均满足施工要求。
挠度验算:
E=0.1×105MPa ;I=bh3/12=8.64×106mm4;
fmax=5qL4/384EI=5×7.05×103×14/（384×1×1010×8.64×10-6）=1.06mm<[f]=L/400=1.8mm
既知肋板区次梁挠度满足施工要求。由此可见,空腔区次梁刚度及强度满足施工要求。
(4)肋板区主梁（工14工字钢）受力计算
由于肋板区施工荷载大于空腔区施工荷载，受力验算时以肋板区主梁为受力验算对象。主梁跨度为90cm，其间距如图-9所示，主梁布置时以连续刚构形式布置，偏于施工安全，以简支梁结构形式计算。
肋板区砼荷载：
P1=[0.2×1.2+0.3×0.15×2+（1-0.2)×0.2×2）×26=15.73 kN/m2
模板荷载：P2=200kg/m2=2kN/m2
设备及人工荷载：P3=250kg/m2=2.5kN/m2
砼浇注时振捣荷载：P4=200kg/m2=2kN/m2
P=15.73+2+2.5+2=22.23 kN/m2
q=22.23×1=22.23kN/m
则跨内最大弯矩为：
Mmax=ql2/8=22.23×0.92/8=2.25kN.m
查表知主梁截面抵抗矩Wx=102cm3，截面积A=21.5cm2
由梁正应力计算公式得: σmax =Mmax/Wx=2.25×103/(102×10-6)=22.05MPa＜[σ]=215MPa
最大剪力在支点处:Q=22.23×0.9÷2=10.0kN
σmax=3Qmax/2A
=3×10.0×103/（2×21.5×10-4）=6.98 MPa＜[σ]=125 MPa
即知强度均满足施工要求。
挠度验算:
E=2.1×105MPa ;Ix=7.12×106mm4;
fmax=5qL4/384EI=5×22.23×103×0.94/（384×21×1010×7.12×10-6）=0.13mm<[f]=L/400=2.2mm
既知肋板区主梁挠度满足施工要求。由此可见,空墙区次梁刚度及强度满足施工要求。
特别考虑：如果空腔区不加立杆B，立杆受力同样满足要求，即总荷载=18.96+11.934=30.894kN＜[N]，但腹板钢管受力相应增加，同时次梁跨度增大，弯矩相应变大,挠度及刚度很难满足施工要求。
3、实心梁区（如图-10所示）

图-10

（1）实心区立杆受力验算
a、混凝土高度1.2米，立杆横向间距为0.6m，纵向间距为0.9m，则砼重为：1.2×0.9×0.6×26=16.85kN
b、模板荷载取0.2kN/㎡,则0.9×0.2×0.6=0.11 kN
c、设备及人员荷载取0.25 kN /㎡,则0.9×0.25×0.6=0.14 kN
d、混凝土浇注冲击荷载取0.2 kN /㎡,则0.9×0.2×0.6=0.11 kN
则肋板支撑受力F=16.85+0.11+0.14+0.11=17.21kN
取荷载不均匀系数1.2，则单根钢管荷载为N=17.21×1.2=20.65kN
钢管大横杆步距取1.5米，直径Ø48×3.5mm，长细比λ=l/i=1500/15.78=95.06，查表φ=0.637,则有
[N]=0.637×A×[б]=0.637×489×215=66971 N=66.97 kN>N,抗压强度满足施工要求。
（2）次梁（6×12cm木枋）受力验算
砼荷载：P1=1.2×26=31.2kN/m2
模板荷载：P2=200kg/m2=2kN/m2
设备及人工荷载：P3=250kg/m2=2.5kN/m2
砼浇注时振捣荷载：P4=200kg/m2=2kN/m2
则P=P1+P2+P3+P4=37.7kN/m2
木枋每隔35cm布置一道，则q=37.7×0.35=13.20kN/m
木枋长度一般可达2～3连续跨，偏施工安全，按简支梁结构形式计算，其最大跨径为0.6m，其计算简图如下：
图-11

则跨内最大弯矩为：
Mmax=ql2/8=13.20×0.62/8=0.594kN.m
W=bh2/6=6×122/6=144cm3=144×10-6m3
由梁正应力计算公式得: σmax=Mmax/W=0.594×103/(144×10-6) =4.13MPa＜[σ]=10MPa（参考一般松木质）
最大剪力在支点处:
Qmax =ql/2=13.20×0.6÷2=3.96 kN
σmax=3Qmax/2A=3×3.96×103/（2×6×12×10-4）
= 0.83MPa＜[σ]=2MPa（参考一般松木质）
即强度均满足施工要求要求。
施工挠度计算：
E=0.1×105MPa ;I=bh3/12=8.64×106mm4;
I=bh3/12=864cm4
fmax=5qL4/384EI=5×13.20×103×0.64/（384×1×1010×864×10-8）=0.26mm<[f]=L/400=1.5mm
(3)主梁（I14工字钢）受力验算
脚手架立杆纵向间距为0.9m，横向间距为0.6m，主梁工字钢按纵桥向布置，跨度为0.9m。偏于施工安全，按简支梁结构受力进行验算。
砼荷载：P1=1.2×26=31.2KN/m2（偏于施工安全，按最大砼厚度1.2m计算）
模板荷载：P2=200Kg/m2=2kN/m2
设备及人工荷载：P3=250Kg/m2=2.5kN/m2
砼浇注时振捣荷载：P4=200Kg/m2=2kN/m2
则有P=P1+P2+P3+P4=37.7 KN/m2,
取荷载不均匀系数１.2，平均荷载大小为
q=37.7×0.6×1.2=27.144KN/m
查表可得（I14）Wx=102×103mm3，Ix=712×104mm4，S=Ix/12
跨内最大弯矩为：
Mmax=27.144×0.92/8=2.75kN.m
由梁正应力σmax=Mmax/Wx=2.75×106/(102×103)=26.96MPa＜[σ]=170 MPa,则主梁强度满足施工要求。
主梁挠度验算：
E=2.1×105 MPa
fmax=5ql4/384EIx=5×27.144×103×0.94/（384×2.1×1011×712×10-8）=0.16mm＜[f]=L/400=2.25mm，既知主梁刚度满足施工要求。
5、门洞式脚手架受力验算
目前，由于高速公路路基全线施工需要，现将高速公路占用段二级路改入6#墩及7#台之间通车，所以异形板脚手架施工时必须预留通车门洞。根据当地交通流量，门洞宽度拟为500cm，通车净宽为450cm，净空高度为6m。
1） 荷载分析
①实心板区砼荷载
q1=1.2×26=31.2kN/m2
②空腔区砼荷载
q2=（0.3×0.15×2+1.2×0.2+0.2×1.8×2）×26=15.2kN/m2
③模板荷载 q3=0.2kN/m2
④施工荷载 q4=0.25kN/m2
⑤冲击荷载 q5=0.2kN/m2
则知异形板施工时，门洞块实心区所受总荷载为
Q1=31.2+0.2+0.25+0.2=31.85kN/m2；
门洞块空腔区总荷载为：Q2=15.2+0.2+0.25+0.2=15.85 kN/m2。
2）门洞横梁材料选择
门洞横梁实心区按30cm间距布置，空腔区按50间距布置，其两端支座各采用双支座支撑（如图-13、14所示），偏于安全考虑，在受力安全计算时，以单支座简支梁计算。即简图-12
图-12

图-13

图-14

可知，门洞横梁线荷载为：
实心区：q1=31.85×0.3=9.56kN/m；
空腔区: q2=15.85×0.5=7.93kN/m< q1，以实心区受力验算选材。
取安全系数，横梁所受最大弯矩
Mmax==3.59×104N·m。
则Wx==167cm3，选用工22工字钢，其截面抵抗矩Wx=237。
挠度fmax=5ql4/384EIx=<L/400=1.25cm，即知选用工22为横梁，其强度及刚度满足施工要求。
3）脚手架立杆受力验算
工22工字钢单位重量为33kg/m，则横梁重g=33×6=198kg≈2kN，即知立杆所受荷载为N==24.9kN<=66.97Kn（见上文），可知立杆受力满足施工要求。
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