支架验算及地基处理计算书1031
支架验算及地基处理计算书
一、编制依据
上海市轨道交通11号线北延伸工程11.H.1标施工图设计文件及地勘报告。
国家有关的政策、法规、施工验收规范和工程建设标准强制性条文,以及现行有关施工技术规范、标准等。
参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》(JGJ 130-2002)和《混凝土工程模板与支架技术》、《公路桥涵施工手册》、《建筑施工计算手册》等进行计算,参考《建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范》(JGJ 166-2008)有关要求。
二、工程概况
跨沪宁高速公路大桥上部结构为三跨预应力混凝土变截面连续箱梁,跨径布置为75.5+129+75.5m;纵向采用变高度,中支点梁高8.0m ,边支点梁高4.0m ,跨中梁高4.0m ,梁底按1.8次抛物线线型变化。
箱梁采用单箱单室直腹板形式,箱梁顶宽9.5m ,底宽5.4m ,悬臂板长度2.05m 。箱梁顶板厚度0.25m ,底板厚度0.25~0.8m;腹板厚度0.45~0.7m,靠近中支点和边支点渐变至1m 。在墩顶内设厚度为2m 的横隔墙,跨中设0.3m 厚横隔板。
三、施工分段
由于转体段箱梁长127m ,一次浇筑施工难度极大,故采用对称分段浇筑。转体段箱梁在长度方向上分为5段,分三次浇筑,混凝土总方量约为1640方(单个转体段)。
第一次浇筑0#段,浇筑长度27m ,浇筑总方量约为598方;
第二次浇筑1#、1’#段,浇筑长度50m (单侧25m ),浇筑方量约为631方; 第三次浇筑2#、2’#段,浇筑长度50m (单侧25m ),浇筑方量约为411方。
转体段箱梁分段施工示意图
四、支架形式
满堂支架采用WDJ 碗扣式多功能脚手杆搭设。支架体系由支架基础(30cm 碎石垫层、20cmC25素砼面层)、Φ48×3.5mm 碗扣钢管、脚手架立杆、横联杆、斜撑杆、可调节顶托、
下托、纵肋、横肋;外模系统由侧模、底模组成。腹板位置横肋采用Ι10工字钢,底板及翼板位置采用10cm ×10cm 木方,直接铺设在支架顶部的可调节顶托上,箱梁底模板采用定型大块竹胶模板,后背10cm ×10cm 木方然后直接铺装在纵肋上连接固定;侧模、翼缘板模板采用竹胶模板,后背采用10cm ×10cm 木方。
支架形式表
五、地基处理
满堂支架范围为梁宽的投影面左右各加宽1m 。首先对支架布设范围内的表土、杂物及淤泥进行清除,并将桥下范围内泥浆池及基坑采取抽水排干后,用建筑弃渣或砂石将泥浆池及基坑回填密实,以防止局部松软下陷。
地基处理要求:将原地面的浮土清除,有淤泥地段将淤泥清除,用建筑弃渣或废石料回填并夯实。根据梁底的高度,对其地面进行整平(斜坡地段做成台阶),回填或换填部位每30cm 厚采用重型压路机碾压密实(压实度≥90%),再填30cm 碎石垫层,压实度达到94%以上,最后铺筑20cm 厚C25素混凝土,养生后作为满堂支架的持力层基础。
在桥的左右侧距支架范围2m 外沿桥方向开挖一条30cm ×40cm 的排水沟,采用1:3水泥砂浆抹面,用于雨季排洪和降低地下水位。
由于箱梁梁高较高,腹板位置对地基承载力要求较高, 中墩轴线两侧个27m (箱梁1#-1’#段,梁高约5m 以上)范围内腹板位置地基采用双排搅拌桩加固,桩顶伸入碎石垫层,最后铺筑20cm 厚C25素混凝土。搅拌桩顺桥向间距1m ,横桥向间距0.8m ,桩长10m ,呈梅花状布置。腹板位置地坪配筋Φ10@200。
三、荷载计算
1、荷载分析
根据本桥现浇箱梁的结构特点,在施工过程中将涉及到以下荷载形式: ⑴ q1—— 箱梁自重荷载,新浇混凝土密度取2600kg/m3。
⑵ q2—— 箱梁内模、底模、内模支撑及外模支撑荷载,按均布荷载计算,经计算取
q 2=1.0kPa (偏于安全)。
⑶ q3—— 施工人员、施工材料和机具荷载,按均布荷载计算,当计算模板及其下肋
条时取2.5kPa ;当计算肋条下的梁时取1.5kPa ;当计算支架立柱及替他承载构件时取1.0kPa 。
⑷ q4—— 振捣混凝土产生的荷载,对底板取2.0kPa ,对侧板取4.0kPa 。 ⑸ q5—— 新浇混凝土对侧模的压力。
⑹ q6—— 倾倒混凝土产生的水平荷载,取2.0kPa 。
⑺ q7—— 支架自重,经计算支架在不同布置形式时其自重如下表所示:
2、荷载组合
3、荷载计算
⑴ 箱梁自重——q 1计算
根据跨沪宁高速大桥箱梁结构设计特点,我们以该桥的现浇箱梁B-B 截面梁中部、现浇箱梁A-A 截面中墩支点截面进行箱梁自重计算,并对二个代表截面下的支架体系进行检算,首先分别进行自重计算。
现浇箱梁B-B 截面梁中部处q 1计算
B-B 截面示意图
根据横断面图,则: q 1 =
=
=26×4.51/0.7=167.51kpa
取1.2的安全系数,则q 1=167.51×1.2=201.01KPa 注:
A —— 腹板截面面积,取4.51m 2 B —— 腹板宽,取0.7m , 主桥A-A 截面处q 1计算
A-A 截面示意图
根据横断面图,则: q 1 =
=
=26×8.20/0.97=206.80KPa
取1.2的安全系数,则q 1=206.80×1.2=248.16KPa 注:
A —— 腹板截面面积,取8.02m 2
B —— 腹板宽,取0.97m
⑵ 新浇混凝土对侧模的压力——q 5计算
因现浇箱梁采取水平分层以每层30cm 高度浇筑,在竖向上以V=1.5m/h浇筑速度控制,砼入模温度T=26℃控制,因此新浇混凝土对侧模的最大压力
q 5=
K 为外加剂修正稀数,取掺缓凝外加剂K=1.2 当V/t=1.5/26=0.058>0.035 h=1.53+3.8V/t=1.75m
q 5=PM =K×r ×h=1.2×26×1.705=54.576KPa 四、结构检算
1、碗扣式钢管支架立杆强度及稳定性验算
碗扣式钢管脚手架与支撑和扣件式钢管脚手架与支架一样,同属于杆式结构,以立杆承受竖向荷载作用为主,但碗扣式由于立杆和横杆间为轴心相接,且横杆的“├”型插头被立杆的上、下碗扣紧固,对立杆受压后的侧向变形具有较强的约束能力,因而碗扣式钢管架稳定承载能力显著高于扣件架(一般都高出20%以上,甚至超过35%)。
本工程现浇箱梁支架立杆强度及稳定性验算,根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》有关模板支架立杆的强度及稳定性计算公式进行分析计算(碗扣架用钢管规格为φ48×3.5mm )。
1)B-B 截面处(腹板位置) ①、立杆强度验算
根据立杆的设计允许荷载,当横杆步距为60cm 时,立杆可承受的最大允许竖直荷载为[N ]=40kN (参见公路桥涵施工手册中表13-5碗口式构件设计荷载)。
立杆实际承受的荷载为:N=1.2(N G1K +NG2K )+0.85×1.4ΣN QK (组合风荷载时) N G1K —支架结构自重标准值产生的轴向力; N G2K —构配件自重标准值产生的轴向力 ΣN QK —施工荷载标准值;
于是,有:N G1K =0.3×0.3×q 1=0.3×0.3×201.01=18.09KN
N G2K =0.3×0.3×q 2=0.3×0.3×1.0=0.09KN
ΣN QK =0.3*0.3*(q3+q4+q7)=0.09*(1.0+2.0+5.50)=0.765KN
则:N=1.2(N G1K +NG2K )+0.85×1.4ΣN QK =1.2×(18.09+0.09)+0.85×1.4×0.765=22.73KN <[N ]=40KN ,强度满足要求
②、立杆稳定性验算
根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》有关模板支架立杆的稳定性计算公式:N/ΦA+MW /W≤f
N —钢管所受的垂直荷载,N=1.2(N G1K +NG2K )+0.85×1.4ΣN QK (组合风荷载时),同前计算所得;
f —钢材的抗压强度设计值,f =205N/mm2参考《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》表5.1.6得。
A —支架立杆的截面积A =489mm 2(取φ48mm ×3.5mm 钢管的截面积) Φ—轴心受压杆件的稳定系数,根据长细比λ查表即可求得Φ。
i —截面的回转半径,查《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》附录B 得i =
15.8㎜。
长细比λ=L/i。
L—水平步距,L =0.6m 。
于是,λ=L/i=38,参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》查附录C 得Φ=0.893。
M W —计算立杆段有风荷载设计值产生的弯距; M W =0.85×1.4×W K ×La ×h 2/10 式中:
W K =0.7uz ×u s ×w 0
u z —风压高度变化系数,参考〈〈建筑结构荷载规范〉〉表7.2.1得u z =1.38
u s —风荷载脚手架体型系数,查〈〈建筑结构荷载规范〉〉表6.3.1第36项得:u s =1.2 w 0—基本风压,查〈〈建筑结构荷载规范〉〉附表D.4 w0=0.4KN/m2 故:W K =0.7uz ×u s ×w 0=0.7×1.38×1.2×0.4=0.46KN/ m2 La —立杆纵距0.3m ; h —立杆步距0.6m 因此:
M W =0.85×1.4×W K ×La ×h 2/10
=0.85×1.4×0.46×0.3×0.62/10=0.006Mpa
W — 截面模量查表〈〈建筑施工扣件式脚手架安全技术规范〉〉附表B 得: W=5.08×103mm 3
则,N/ΦA+MW /W=22.73×103/(0.893×489)+0.006×106/(5.08×103)=
52.05+1.18=53.23KN/mm2≤f =205KN/mm2
所以支架稳定。 2)主桥箱梁A-A 截面处 ①、立杆强度验算
根据立杆的设计允许荷载,当横杆步距为60cm 时,立杆可承受的最大允许竖直荷载为[N ]=40kN(参见公路桥涵施工手册中表13-5碗口式构件设计荷载)。以下按横杆步距为60cm 时立杆的允许最大竖直荷载[N ]=40kN验算立杆受力。
立杆实际承受的荷载为:N=1.2(N G1K +NG2K )+0.85×1.4ΣN QK (组合风荷载时) N G1K —支架结构自重标准值产生的轴向力; N G2K —构配件自重标准值产生的轴向力 ΣN QK —施工荷载标准值;
于是,有:N G1K =0.3×0.3×q 1=0.3×0.3×248.16=22.33KN
N G2K =0.3×0.3×q 2=0.3×0.3×1.0=0.09KN
ΣN QK =0.3*0.3*(q3+q4+q7)=0.09*(1.0+2.0+5.50)=0.765KN
则:N=1.2(N G1K +NG2K )+0.85×1.4ΣN QK =1.2×(22.33+0.09)+0.85×1.4×0.765=26.904+0.910=27.814KN <[N ]=40kN ,强度满足要求。
②、立杆稳定性验算
根据《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》有关模板支架立杆的稳定性计算公式:N/ΦA+MW /W≤f
N —钢管所受的垂直荷载,N=1.2(N G1K +NG2K )+0.85×1.4ΣN QK (组合风荷载时),同前计算所得;
f —钢材的抗压强度设计值,f =205N/mm2参考《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》表5.1.6得。
A —支架立杆的截面积A =489mm 2(取φ48mm ×3.5mm 钢管的截面积) Φ—轴心受压杆件的稳定系数,根据长细比λ查表即可求得Φ。
i —截面的回转半径,查《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》附录B 得i =
15.8㎜。
长细比λ=L/i。
L—水平步距,L =0.6m 。
于是,λ=L/i=38,参照《建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范》查附录C 得Φ=0.893。
M W —计算立杆段有风荷载设计值产生的弯距; M W =0.85×1.4×W K ×La ×h 2/10 式中:
W K =0.7uz ×u s ×w 0
u z —风压高度变化系数,参考〈〈建筑结构荷载规范〉〉表7.2.1得u z =1.38
u s —风荷载脚手架体型系数,查〈〈建筑结构荷载规范〉〉表7.3.1第36项得:u s =1.2 w 0—基本风压,查〈〈建筑结构荷载规范〉〉附表D.4 w0=0.4KN/m2 故:W K =0.7uz ×u s ×w 0=0.7×1.38×1.2×0.4=0.46KN/ m2 La —立杆纵距0.3m ; h —立杆步距0.6m 因此:
M W =0.85×1.4×W K ×La ×h 2/10
=0.85×1.4×0.46×0.3×0.62/10=0.006Mpa
W — 截面模量查表〈〈建筑施工扣件式脚手架安全技术规范〉〉附表B 得: W=5.08×103mm 3
则,N/ΦA+MW /W=27.814×103/(0.893×489)+0.006×106/(5.08×103)=63.69+1.18=64.87KN/mm≤f =205KN/mm
2、满堂支架整体抗倾覆验算
依据《公路桥涵技术施工技术规范实施手册》第9.2.3要求支架在自重和风荷栽作用下时,倾覆稳定系数不得小于1.3。
1/2转体梁段63.5m 验算支架抗倾覆能力。 支架平均高度H=10m,宽度B=12m H/B=1.2。
采用60cm ×60cm ×120cm 跨中支架来验算全桥: 支架横向19排; 支架纵向99排; 平均高度10m ;
顶托共需要84×79=1881个; 立杆需要84×79×8=18810m; 纵向横杆需要63.5×9×19=10858m; 横向横杆需要10×9×99=8910m;
2
2
故:钢管总重(18810+10858+8910)×3.84=148.140t; 顶托总重为:1881×7.2=13.543t; 故q=(148.140+13.543)×9.8=1584.5KN;
g k (支架受风面积自重)=1584.5/10/63.5=2.50KN/m2
风荷载计算W K =0.7uz ×u s ×w 0=0.7×1.38×1.2×0.8=0.927KN/ m2 根据公式:H/B=0.6429 gk /K/ WK
K=0.6429 gk /(H/B)/ WK =0.6429×2.5/1.2/0.927=1.44>1.3 计算结果说明本方案满堂支架满足抗倾覆要求。 3、箱梁底模下横桥向方木验算
本施工方案中箱梁底模底面横桥向采用10×10cm 方木,计算跨径 L=30cm, 以箱梁A-A 截面处进行受力计算,
① 抗弯强度验算
q =(q1+ q2+ q3+ q4) =248.16+1.0+2.5+2=253.50kN/m2
方木横桥向间距0.2m ,顺桥向均布荷载为253.50×0.2=50.7KN/m, 弯矩M =(1/8) qL2=(1/8)×50700×0.32=570.3N ·m 方木截面抵抗拒W=(bh2)/6=(0.10×0.102)/6=0.0001667m3 方木的
=11MPa
=9.9MPa
σ=M/W=570.3/0.0001667=3.42MPa<0.9② 挠度验算
方木的惯性矩I=(bh3)/12=(0.10×0.103)/12=8.3333×10-6m 4 方木弹性模量
E=9000MPa
5×50700×0.3/384/9.0/10/0.0000083=0.071mm
4
9
4、箱梁底模下纵桥向横肋验算 ⑴腹板位置
采用Ι10工字钢,间距为0.3m ,计算跨径 L=30cm 进行受力计算。 ① 抗弯强度验算
q =(q1+ q2+ q3+ q4) =248.16+1.0+2.5+2=253.50kN/m2
脚手架纵桥向间距0.3m ,横桥向均布荷载为253.50×0.3=76.05KN/m, 弯矩M =(1/8) qL2=(1/8)×76050×0.32=855.6N ·m 10号工字钢截面抵抗矩W=49cm3=0.000049m3 σ=M/W=855.6/0.000049=17.46MPa<205MPa ② 挠度验算
10号工字钢的惯性矩I=2.45×10-6m 4 10号工字钢的弹性模量
E=200000MPa
5×76050×0.34/384/200.0/109/0.00000245=0.016mm
⑵底板位置
采用10×10cm 方木,间距为0.3m ,计算跨径 L=30cm 进行受力计算。 ① 抗弯强度验算
q =26×0.54×2+1.0+2.5+2=33.58kN/m2
脚手架纵桥向间距0.3m ,横桥向均布荷载为33.58×0.3=10.07KN/m, 弯矩M =(1/8) qL2=(1/8)×10070×0.32=113.29N ·m 10×10cm 截面抵抗矩W=0.0001667m3 方木的
=11MPa
=9.9MPa
σ=M/W=113.29/0.0001667=0.7MPa<0.9② 挠度验算
10×10cm 方木的惯性矩I=8.33×10-6m 4 10×10cm 方木的弹性模量
E=9000MPa
5×10070×0.34/384/9/109/0.00000833=0.15mm
5、底模验算(按A-A 截面计算)
箱梁底模采用优质竹胶板(18mm ),铺设在方木上。底模腹板下横桥向方木按0.2m 间距(中对中)布置。底模底板下横桥向方木按0.3m 间距(中对中)布置,取布置情况下最不利位置进行受力分析,并对受力结构进行简化(偏于安全)如下:
通过前面分析计算及布置方案,在腹板位置处,横桥向方木布置间距均为0.2m (净距0.1m )时,为底模板荷载最不利位置,则有:
竹胶板弹性模量E =6500MPa
竹胶板的惯性矩I=(bh3)/12=2.916×10-7m 4 q=248.16KPa×0.3m=73.85kn/m
f max =5ql4/384EI=5×73850×0.104/384×6.5×109×2.916×10ˉ7=0.05m <l/400=0.25mm。 故,挠度满足要求
6、侧模验算(按A-A 截面计算) (1)对拉螺栓的规格与间距
根据前面荷载计算,新浇混凝土模板最大侧压力为54.576KPa ,施工荷载取4.0KPa ,拉
杆间距取800(横向)×600(纵向),则:
单根拉杆所承受的拉力为:(54576+400)×0.8×0.6=26388N 查表选用M18螺栓,其容许拉力为29600N>26388N。 (2)横向方木验算 ① 抗弯强度验算 Q=54.576+4=58.576Kpa q=58.576×0.3=17.57KN/m
弯矩M=1/8×qL 2=17.57×1000×0.3×0.3/8=1581 N·m 方木截面抵抗矩w=0.0001667m3
M/w=1581/0.0001667=9.4MPa
方木的惯性矩I=(bh3)/12=(0.10×0.103)/12=8.3333×10-6m 4 则方木最大挠度:
f max =(5/384)×[(qL4)/(EI)]=(5/384)×[(17570×0.34)/(384×9×109×8.3333×10-6) ]=0.024×10-3m <l/400=0.3/400=0.75×10-3m (挠度满足要求)
(3)竖向钢管验算 ① 抗弯强度验算 Q=54.576+4=58.576Kpa q=58.576×0.3=17.57KN/m
弯矩M=1/8×qL 2=17.57×1000×0.3×0.3/8=1581 N·m 钢管截面抵抗矩w=0.000049m3 钢管δw=140Mpa
M/w=1581/0.000049=32.26MPa
钢管的惯性矩I=1.228×10-7m 4 钢管的弹性模量E=2.1×105 MPa 则方木最大挠度:
f max =(5/384)×[(qL4)/(EI)]=(5/384)×[(17570×0.34)/(384×2.1×1011×1.228×10-7) ]=0.07×10-3m <l/400=0.3/400=0.75×10-3m (挠度满足要求)
(4)模板验算
横向方木间距300mm ,净距200mm ,竖向钢管间距300mm 竹胶板弹性模量E =6500MPa
竹胶板的惯性矩I=(bh3)/12=2.916×10-7m 4
q=17.57KN/m
f max =5ql4/384EI=5×17570×0.24/384×6.5×109×2.916×10ˉ7=0.19mm <l/400=0.5mm,满足要求。 7、立杆底座和地基承载力计算 ⑴ 立杆承受荷载计算
现浇箱梁A-A 截面腹板处(单根立杆受力最大):间距为30×30cm 布置立杆时,根据前面计算得每根立杆上荷载为:
N =27.81KN ⑵ 立杆底托验算 立杆底托验算: N≤R d
底托承载力(抗压)设计值,一般取R d =40KN; 得:27.81KN <40KN 立杆底托符合要求. ⑶ 立杆地基承载力验算 ① 砼抗压强度验算
根据设计图纸得知,地质情况表层以粘性土为主,含植物根茎,该层土土质不均匀,结构松散,土体工程性质差,一般不能直接作为天然地基持力层,因此首先将地面整平并回填或换填部位每30cm 厚采用重型压路机碾压密实(压实度≥90%),再填30cm 碎石垫层,并分层填筑,分层碾压,使压实度达到94%以上后,地基承载力可达到 [fk ]= 190~250Kpa 参考《建筑施工计算手册》。最后铺筑20cm 厚C25素混凝土,养生后作为满堂支架的持力层基础。
立杆地基承载力验算:
≤K ·
k
式中: N——为脚手架立杆传至基础顶面轴心力设计值;
A d ——为立杆底座面积A d =15cm×15cm=225cm2; 按照最不利荷载考虑,立杆底拖下砼基础承载力:
N/Ad =27.81/0.0225=1236Kpa
②腹板位置水泥搅拌桩计算
现浇箱梁B-B 截面腹板处荷载248KPa ,腹板位置处地基无法满足强度要求,因此采用水泥搅拌桩进行地基加固, 直径600mm, 桩长10m ,间距1m
单桩承载力:Pu=Up×fsi ×li Pu —单桩极限承载力标准值 Up —桩身截面周长
Fsi--桩周第i 层土的平均极限摩阻力,根据地质报告,取16KPa Li —第i 层土的厚度 因此
Pu=Up×fsi ×li=3.14×0.6×16×10=301KN
桩身强度折减系数取0.5,所以水泥搅拌桩单桩承载力为150KN 。 现取横向1m (横向)×4m (纵向)块单元计算
箱梁腹板位置需水泥搅拌桩加固面积4平方米,共计8根搅拌桩。受力992kn ,单桩能受力150kn ,150×8=1200KN>992Kn,因此水泥搅拌桩长10m ,间距1m 能满足施工要求,为使受力合理,搅拌桩布置采用梅花型布置。
③底板位置地基承载力验算
现浇箱梁B-B 截面底板处:底托坐落在20cmC25砼层上,按照力传递面积计算: A=(2×20×Tag45+20)2=0.36m2
N/A=27.8/0.36=77.2KPa,因此地基承载力需大于
77.2KPa
k
为地基承载力标准值,见下表:
基底整平压实后采用标贯贯入试验检测地基承载力,要求贯入试验垂击数必须达到7下以上。基础处理时填土石混渣或建筑拆迁废渣,并用压路机压实后,检测压实度指标. 如压实度达到94%以上,则同理地基承载力满足要求,确认地基承载力符合设计要求后,才能铺筑厚20cmC25素混凝土基础层。
④抗弯拉验算 计算模型
取0.3m ×0.2m 范围内地基按反梁(简支梁)进行验算,地坪厚度20cm 。 竖向钢管荷载27KN ,均布荷载为180KN/m。
计算模型
剪力图
Qmax=27KN
0.7bhft=0.7×0.2×0.2×1.27=35.56KN>27KN 所以基础抗冲切满足要求。
弯矩图
Mmax=2030Nm
W=0.2×0.2×0.2/6=0.0013m3
M/W=1.56MPA>1.27MPA,因此需要配筋。
纵向Ф10@200mm布置,共1根, A=78.5mm2 fy=280MPa
As=M/0.9hfy=1.56×10-3/0.9/0.2/280=0.3×10-4m2