支架设计(旷新辉)

桥梁结构支架设计旷新辉2016年5月——构型、稳定、细部分析与软件计算•支架作为桥梁施工常用措施，运用范围广，常见于现浇箱梁施工、挂篮零号块、边跨现浇段、塔柱横梁、钢箱梁滑移轨道、栈桥、钻孔平台等部位；•支架作为常用结构，其结构安全尤为重要，每年因为支架垮塌造成的群死群伤事件屡见不鲜，做好支架的设计和施工质量管控工作是桥梁技术人员必须掌握的基本技能；•支架结构形式多样，每种结构形式需要考虑的计算细节不同，把握支架结构选型、强度刚度分析、稳定性分析、细节计算分析是保障支架设计安全的重要因素，缺一不可；•支架的优化设计对项目的施工成本是至关重要的因素，自上而下设计，采用标准化的工艺、材料、可周转使用是确保经济性的重要手段。引言：支架的应用范围和重要性支架设计需考虑的因素桥梁结构支架设计•1、支架类型及适用性；•2、结构的构型设计范例；•3、支架荷载设计及相应规范；•4、支架的强度与刚度设计；•5、支架的稳定性定性与定量分析；•6、悬浇箱梁零号块抗倾覆计算；•7、支架预埋件设计；•8、支架设计的一些习题。1、支架类型及适用性几种支撑系统在工程应用中比较比较项目钢管+扣件式支撑架碗（盘）扣式支撑架重型门式支撑架T60塔式支撑架构架形式钢管、扣件立杆、横杆、配件门架、调节杆、配件主框架、连杆、配件立杆截面φ48*3.5mmφ48*3.5mmφ57*2.5mmφ60*3mm材料材质Q235Q235Q235Q345防腐处理油漆油漆油漆热浸镀锌受力方式偏心摩擦受力、轴心受力轴心受力轴心受力轴心受力可靠性构架任意性、节点差异性明显，整体稳定性及可靠性差。定型杆件，具有架构的严格性，稳定性及可靠性尚好。定型构件，塔式结构，构架严格，具有极强的自稳定性，安全性可靠性很好。市场产品质量差较差较好很好灵活性构架形式和尺寸灵活虽受定型构件限制，但任很灵活单杆承载能力≤12.8KN≤30KN≤35KN≤60KN附加无无无租赁时免费提供主分配梁技术支持无无无全过程专业技术支持结论构架灵活，可靠性差，用钢量很大，架设工作量和劳动强度大，产品质量难以保证，施工效率低，工程形象差。构架规范，整体性和可靠性较好，市场产品质量难以保证，经济性和施工效率一般。构架规范，整体性和可靠性较好，经济性和施工效率较好。根据欧洲标准设计和制造，结构设计合理，制造精度高，质量可靠，承载能力大，构件较少，搭设简便灵活，施工效率很高，热浸镀锌防腐，具有良好的工程形象，长期使用经济效益更加明显。常用满堂脚手架满堂脚手架的失稳状态一般来说满堂脚手架属于有侧向位移的无限自由度压杆；和无侧向位移的压杆相比，屈曲失稳时的半波长度大于节间距，一般来说破坏时的长细比约250（各位可以调查一下网上的事故照片，根据长细比反推支架坍塌时叠了多少层，250^2≈200π，求解稳定性超越方程里面的一个特定根，所有的根都和π有关系）。目前所有的脚手架规范都是按照步距和伸出量换算计算长度，利用节间稳定欧拉公式来算整体稳定，思路出了问题，高支架风险很大。满堂支架选型表的应用一般来说推荐使用碗扣和盘扣式脚手架，这两类支架搭设出来的满堂支架垂直度比扣件式的好，节间距也比较标准；扣件式支架、门式支架、轮扣支架不建议选用作为满堂支架，重型门架可作为满堂支架，但缺少相应规范；风险性低和中的，优先推荐使用碗扣和盘扣；风险性高的优先推荐T60塔架或者博远的60*3.2mm盘扣支架；控制脚手架设计的主要是腹板区荷载，应采取加密立杆纵横间距，缩短步距的方式提高单杆稳定承载能力，加密立杆和缩短步距的范围应该超出腹板每侧3排。满堂支架设计参考规范目录《建筑结构荷载规范》GB50009-2012√《砼结构设计规范》GB50010-2010√《钢结构设计规范》GB50017-2003√《建筑施工临时支撑结构技术规范》JGJ300-2013√《扣件式钢管脚手架安全技术规范》JGJ130-2011×《建筑施工承插型盘扣件钢管支架安全技术规程》JGJ231-2010√《建筑施工门式钢管脚手架安全技术规范》JGJ128-2010×《建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范》JGJ166-2008√轮扣钢管脚手架，规范暂无；×重型门式支架；规范暂无；×T60塔架，（欧标）预计是逐步推广产品，湖北省出来一个地方标准（征求意见稿）√梁式支架选型表梁式支架选型表的应用•梁式支架选型表仅仅从支架跨径考虑，不同的荷载下，根据计算结果调整纵梁数量和横向间距布置；•风险等级低的支架并不能完全避免支架侧向整体失稳（或者侧向倾覆），这与荷载的集度、支架平面联系刚度和间距有关，需在设计时通过构造保证；•一般情况下贝雷支架小于12m的跨度，侧向整体失稳的安全系数是够的；•梁式支架的支点位置相当重要，尽量布置在支架的强节点上，相对来说贝雷的强节点在立杆上；万能杆件的强节点在N3和N5杆件组成V型节点处；64军梁有专用的端部节点单元，根据需要选用；•所有支点均需复核节点杆件的局部屈曲，布置在其它节点位置的支点，需要采取加固措施；•型钢支架在特殊情况下采用，例如净高受限的通道，塔柱横梁现浇支架等特殊位置；一般来说，采用制式支架更经济；•万能杆件由于拼拆麻烦，螺栓费用高，一般很少采用，只有在大跨度方案中会采用。2、结构的构型设计范例（塔架）塔架设计：采用闭口截面，增加压杆的回转半径i；塔架整体高度小于250i（i为立柱回转半径）；立柱节间距离小于40i；横杆小于80i（横杆回转半径）；斜杆小于120i（斜杆回转半径）；2、结构的构型设计范例（顶推引导梁）引导梁跨度大于2/3跨径；引导梁刚度I大于1/3主梁I。2、结构的构型设计范例（主梁）主梁高度大于跨径的1/12~1/8；主梁节点在强节点上；增加主梁之间的水平横向联系；2、结构的构型设计范例（矩形围堰）矩形围堰壁厚大于1/4围堰支撑间距；斜撑角度45~60度最优，必须采用双角钢和四角钢组合；加劲柱4~5个V设置一道；竖向加劲肋小于35倍板厚；内外壁板厚度一致，加劲设计一致；超过16m水头，采用封仓砼更经济；环撑间距按照等强支撑设计；2、结构的构型设计范例（圆形围堰）圆形围堰壁厚大于1/16围堰直径；且大于1.3m；斜撑角度45度最优，可采用单角钢；隔舱板4~6个V设置一道；竖向加劲肋小于35倍板厚；内外壁板厚度一致，加劲设计一致；超过16m水头，采用封仓砼更经济；环撑间距按照等强支撑设计；不同构型的围堰比较围堰比较表比较项圆形围堰矩形围堰说明壁厚大于1/16围堰外径大于1/4支撑间距斜撑均匀受压，可采用单角钢传递剪力，拉、压杆均有，需采用双角钢和四角钢环撑均匀受压弯压组合面板均匀受压弯压组合板厚受压力控制拉、压均控制竖向加劲肋小于35倍面板厚间距小于35倍面板厚间距竖向加劲柱隔舱板4~6V加劲柱4~5V材料总用量11.4~2支撑间距有关同型围堰的总用钢量与排水面积，水深的平方成正比，一般矩形围堰的用钢量是同排水面积和水深的圆形围堰的1.4~2倍，与支撑位置和数量有关。皂膜比拟法寻找围堰最佳构型2、结构的构型设计范例（脚手架）2、结构的构型设计范例（脚手架）2、结构的构型设计范例（脚手架）脚手架设计流程•1、荷载分区，分别计算翼板、腹板、底板的荷载集度；•2、根据支架高度选择支架型式，查Pcr曲线表对应高度的临界荷载；•3、根据荷载布置立杆纵横距a、b和横杆步距l；•4、按照规范计算一遍。结构的构型设计范例（挂篮）构型的重要性•支架设计的第一步就是结构选型，根据现场的资源、施工环境等约束条件选择合适的结构类型；•构型合理的支架是保障结构安全、经济性的最关键一步（刘东跃老总是这方面的专家，大家可以学习刘总的《施工临时支撑结构专项技术方案》）；•多看，多想，多比，多试是掌握结构选型的不二法门。3、支架荷载设计及相应规范《建筑结构荷载设计规范》GB50009-2012；《公路桥涵设计通用规范》JTG/D60-2015；《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T/D60-01-2004。作用类别永久作用效应分项系数对结构的承载能力不利时对结构的承载能力有利时混凝土和圬工结构重力1.21钢结构重力1.1或1.2预加力1.21土的重力1.21混凝土的收缩及徐变作用11土侧压力1.41水的浮力11基础变位作用混凝土和圬工结构0.50.5钢结构11摘自《公路桥涵设计通用规范》JDG/D60-2015,Page20表4.1.5-2。荷载类型计算式基本值分项系数组合值系数频遇值系数准永久值系数备注风荷载1.40.60.40E.5全国各城市基本风压、雪压、和基本气温雪荷载S=ρgh1.40.70.60.5、0.2、0温度作用T=α*（t1-t0)1.40.60.50.4混凝土荷载P=ρgh1.40.70.60.5根据混凝土实际高度加载施工荷载≥4KPa1.40.70.50人群荷载3.5KPa1.40.70.60车辆荷载--1.40.70.50车轮局部荷载等效为均布荷载流水压力1.40.70.60.5注：1.车辆荷载取值见《公路桥涵设计通用规范》JDG/D60-2015，Page264.3.1节。2.流水压力计算见《公路桥涵设计通用规范》JDG/D60-2015，Page324.3.9节。可变作用取值及系数偶然作用取值及系数4、支架的强度与刚度设计强度设计半概率极限状态法承载能力极限状态变形极限状态裂缝极限状态破坏阶段法许用应力法概率极限状态法正常使用极限状态承载能力极限状态√×××××项目许用应力法概率极限状态法理论基础线性弹性理论承载能力状态--塑性理论；正常使用状态--弹性理论设计准则构件在荷载作用下产生的最大工作应力或强度理论的相当应力不得超过材料的容许应力。对于规定的极限状态，荷载引起的荷结构内力大于结构承载力的概率（失效概率）不应超过规定限值判断准则见下图系数单一笼统的安全系数K，经验所得荷载系数K1、材料系数K2、调整系数K3，概率理论特点1.简洁实用，K值逐渐减小；2.对具有塑性性质的材料，无法考虑其塑性阶段继续承载的能力，设计偏于保守；3.用K使构件强度有一定的安全储备，但K的取值是经验性的，且对不同材料，K值大并不一定说明安全度就高；4.K可能还包含了对其它因素的考虑，但其形式不便于对不同的情况分别处理（如恒载、活载）。1.用多系数取代单一系数，从而避免了单一系数笼统含混的缺点；2.一步明确提出了结构的功能函数和极限状态方程式，及一套计算可靠指标和推导分项系数的理论和方法；3.系数是以一类结构为对象，根据规定的可靠指标，经概率分析和优化确定的。备注承载能力极限状态---荷载效应的基本组合+偶然组合；正常使用极限状态--荷载短期效应组合和长期效应组合许用应力法与概率极限状态法比较概率极限状态法判断准则理论类型断裂准则屈服准则第一强度理论第二强度理论第三强度理论第四强度理论最大拉应力理最大伸长线应变理论最大切应力理论形状改变比能理论破坏原因最大拉应力达到极限值最大线变形达到简单拉伸时的破坏伸长应变值最大切应力达到极限值最大形状改变比能达到极限值屈服条件------断裂条件------强度条件见下式适用范围少数脆性材料少数脆性材料的某些应力状态塑性材料塑性材料强度理论注：第三强度偏安全，适合工业设计、化工设计；第四强度偏实际经济，适合钢结构设计。a、材料强度取值范围：钢材的强度设计值（N/mm2）钢材抗拉、抗剪和抗弯f抗剪fv端面承压（刨平顶紧）fce牌号厚度或直径（mm）Q235钢≤1621512532516～4020512040～6020011560～100190110Q345钢≤1631018040016～3529517035～5026515550～100250145Q390钢≤1635020541516～3533519035～5031518050～100295170Q420钢≤1638022044016～3536021035～5034019550～100325185注：表中厚度系指计算点的钢材厚度，对轴心受拉和轴心受压构件系指截面中较厚板件的厚度。a、材料强度取值范围：钢铸件的强度设计值（N/mm2）钢