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标题: 龙门验算 [打印本页]
作者: zhouweihua520    时间: 2011-4-29 15:47     标题: 龙门验算

龙门吊设计计算书


一、龙门吊总体设计情况
一）、T梁基本情况
主桥上构设计为19×48.5m预应力简支T梁，每孔5片T梁，主梁预制长度48.46m，梁高2.7 m，主梁间距2.0 m，其预制宽度中梁为1.5 m，边梁为1.75 m，主梁肋宽0.20 m，马蹄宽0.62 m，翼板间留有0.5 m的湿接缝。每片中梁吊装重量153t,边梁吊装重量150 t。
二）、龙门吊总体设计
T梁预制场设在引桥13＃～15＃墩上游侧，场内布置预制台座5个，设置一台跨度为20ｍ的施工小桁车，T梁起吊上桥采用一座固定跨墩龙门吊起吊，用起吊平车将T梁从底座上起吊后，再由起吊平车横移至位于靠预制场侧的引桥2＃和3＃T梁处的运梁小车上，再将T梁运送至待架墩位处后由架桥机架设就位。
龙门吊横梁设计计算跨径为36ｍ，两组横梁顺桥向距离为46.3ｍ，每组横梁采用连成整体的加强六排双层贝雷架拼成，上面按150ｃｍ间距垂直横梁跨径方向铺设I36a分配梁，再在其上安装2根顺横梁跨径方向的I36ａ，上铺设51.51kg/m的轨道，其上安放起吊平车，吊点采用二套滑轮组，设置在横梁两侧。龙门吊支承点采用钢管桩打入地层的方式，每处支承点用4根D800×8ｍｍ钢管桩连成整体形成支承墩，横梁支承在支承墩中心。钢管桩顶设置顺桥向和横桥向的抗风风缆，同时在引桥盖梁上预埋钢板，利用型钢将下游侧钢管桩与盖梁连成整体，提高钢管桩的整体稳定性。钢管桩与横梁的连接采用型钢设置成强大的“骑马”连接和整体框架，确保钢管桩与横梁连接处的可靠。龙门吊的设计起吊能力按T梁的最大重量并考虑砼超方按每片T梁1600KN进行计算，则每组横梁按800KN的起重能力进行设计。

二、龙门吊受力分析
根据龙门吊的构造、使用情况和现场情况，进行龙门吊的受力分析，以确定龙门吊的荷载分类、荷载组合和几种验算工况。
一）、荷载分类
根据现场情况，不考虑偶然荷载，因此龙门吊所受荷载分类如下：
1、永久荷载
　包括贝雷桁架、加强弦杆、I36ａ分配梁和轨道的自重。
2、可变荷载
　包括T梁最大吊重、起吊和行走系统自重、风荷载和T梁起吊后顺桥向摆动及起吊平车移动引起的水平力。
二）、荷载组合
荷载组合中因不考虑偶然荷载，因此进行龙门吊验算时仅考虑基本组合，即为永久荷载效应与可变荷载效应的组合。其中在进行结构强度和抗剪验算时，T梁吊重考虑1.2的动力系数。
三）、验算工况分析
根据龙门吊的构造、使用情况和现场情况，不难确定出龙门吊的验算工况为如下几种：
　　1、验算工况1
　　此工况为龙门吊在最大设计吊重情况下，吊点居于桁架中点时，桁架的最大跨中弯矩，计算简图见图1。该工况为龙门吊横梁抗弯强度和变形的最不利验算工况，在此工况下，龙门吊横梁的弯矩和变形为最大，在此工况下进行横梁的抗弯强度验算。








2、验算工况2
此工况为起重平车行至与横梁支点相距3ｍ位置，在最大设计吊重情况下的工况，计算简图见图2。在该工况下有如下几种验算内容：
1）、该工况为龙门吊横梁抗剪强度最不利验算工况，计算简图见图2。在该工况下，龙门吊横梁承受最大剪力。







　　
2）、该工况为龙门吊桁架抗压强度最不利验算工况，计算简图见图3。在该工况下，龙门吊桁架承受最大压应力。











3）、在该工况下，考虑设计风荷载作用下横梁的整体稳定性，计算简图见图4。该工况为龙门吊横梁稳定性最不利验算工况。














4）、在该工况下，考虑龙门吊在设计风荷载下时的钢管桩的顺桥向的强度验算，为钢管桩的顺桥向的强度验算的最不利工况，计算简图见图5。
5）、在该工况下，考虑设计风荷载时龙门吊钢管桩横桥向的强度验算，为钢管桩的横桥向强度验算的最不利工况，计算简图见图6。:











　　











　　　
三、 荷载计算
一）、可变荷载
1、龙门吊最大设计吊重P设=800  KN；
2、起吊和行走系统P1=40  KN；
3、风荷载：查《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60－2004）附表A，取用湖南石门的基本数据，按1/10的频率取值，风速为20.3ｍ/ｓ，风压为0.25KN/ｍ2。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60－2004）进行计算，风荷载标准值计算如下：
1）、风压标准值计算
横向风荷载假定水平地垂直作用于各部分迎风面积的形心上，其风压标准值W按下式计算：
　　r=0.012017e-0.0001Z＝0.012017e-0.0001*23＝0.012KN/ｍ3
Vd=k2k5V10＝1.14*1.38*20.3＝31.9ｍ/ｓ
W0＝0.25 KN/ｍ2
Wd ＝ｒVd2/2g＝0.012*31.92/（2*9.81）＝0.62 KN/ｍ2
W1=K0K1 K3 Wd ＝0.75*0.9*1.8*1*0.62＝0.75  (kN/ｍ2)
W2=K0K1 K3 Wd ＝0.75*2.0*1*0.62＝0.93(kN/ｍ2)
W3=K0K1 K3 Wd ＝0.75*1.3*1*0.62＝0.60(kN/ｍ2)
W4=K0K1 K3 Wd ＝0.75*1.1*1*0.62＝0.51  (kN/ｍ2)
W5= 0.7W4＝0.7*0.51 ＝0.38(kN/ｍ2)

W1、W2、 W3、 W4、W5：分别为横梁、预制T梁顺桥向、预制T梁横桥向、钢管桩横桥向、钢管桩顺桥向风压标准值 (kN/ｍ2)；
W0：基本风压，为0.25 KN/m2。
K0：设计风速重现期换算系数，取0.75；
K1：风载阻力系数。对于贝雷桁片为ηk1,η取0.9，k1取1.8；预制T梁顺桥向根据B/H  =2.0/2.7≈1，由《公路桥涵设计通用规范》（JTG　D60－2004）式4.3.7-6得K1＝2.0；预制T梁横桥向根据B/H  =48.5/2.7＝18.0＞8，由《公路桥涵设计通用规范》（JTG　D60－2004）式4.3.7-6得K1＝1.3；钢管桩横桥向根据D√W0  =0.404<5.8,高宽比为22/0.808＝27.2，由《公路桥涵设计通用规范》（JTG　D60－2004）表4.3.7-6查得K1＝1.1。
K2：考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数，取1.14
K3：　地形、地理条件系数，取1.00。
K5：　阵风风速系数，取1.38。
2）、迎风面积计算：
①贝雷桁架
贝雷桁架迎风面积按结构物外轮廓线面积乘以0.5的折减系数计算。
Ahw1=3.2×42×0.5=67.2m2
②I36ａ横桥向
Ahw2=76.44×10－4×23＋33×0.36=12.06m2
③轨道横桥向
Ahw3=0.12×33=3.96 m2
④起吊系统横桥向
Ahw4=3 m2
⑤预制T梁顺桥向
顺T梁方向的迎风面积计算为：
Aｈｗ5=2*2.7＝5.4ｍ2
⑥预制T梁横桥向
横T梁方向的迎风面积计算为：
Aｈｗ6=48.5*2.7＝131ｍ2
⑦钢管桩
钢管桩的迎风面积按外表面积的50%计算，为：
Aｈｗ8=π（D＋ｔ）ｈ1/2＝π（0.808＋0.008）22/2＝28.2ｍ2

3）、风荷载计算
       计算公式        Fwhi=W.Ahwii
  ①贝雷桁架
Fwh1=0.75×67.2=50.4KN
  ②I36a横桥向
Fwh2=0.75×12.06=9.0KN
③轨道横桥向
Fwh3=0.75×3.96=2.97 KN
④起吊系统横桥向
Fwh4=0.75×3=2.25 KN
⑤预制T梁顺桥向
预制T梁顺桥向的风荷载为：Fｗｈ5＝W Aｈｗ5＝0.93×5.4＝5.0KN
⑥预制T梁横桥向
预制T梁横桥向的风荷载为Fhw6＝0.60×131.0＝78.6KN
⑦钢管桩横桥向
横桥向钢管桩横桥向的风荷载为：Fｗｈ7＝W Aｈｗｇ＝0.51×28.2＝14.4KN
⑧钢管桩顺桥向
钢管桩顺桥向的风荷载为Fｗｈ8＝W Aｈｗｇ＝0.51×28.2×0.7＝10.1KN
4、T梁起吊后顺桥向摆动引起的水平力
　设因T梁起吊后顺桥向摆动引起的横向水平力作用于起吊平车顶部。 龙门吊吊物在起升T梁时顺桥向设计T梁最大偏摆角为2。，则由此对每组横梁产生的顺桥向水平力为：
F吊＝1.2×800×tan2＝33.5KN
5、T梁起吊后起吊平车移动引起的水平力
F移为考虑起吊平车起吊T梁后移动时引起的横桥向水平荷载。起吊平车移动时引起的横向水平荷载T按《钢结构设计手册》（第二版，1989.10）公式2.4.1-c计算:
T=0.04(Q+g)/n=0.04×P/n=0.04×840/2=16.8KN
ｎ为起吊平车在一根轨道上的轮数。
考虑横向水平荷载增大系数aT,由《钢结构设计手册》（第二版，1989.10）表2.4-2查得为aT=3,并设该横向水平荷载均匀分布在8根钢管桩上,则:
F移= aT×T/4=3×16.8/8=6.3KN
二）、永久荷载
1、桁架：3.3×12/3=13.2 KN/M
2、加强弦杆自重：0.8×6×2/3=3.2  KN/M
3、I36a分配梁：（23根×2.5m＋2根×33m /根）×0.6/33=2.25 KN/M
4、轨道：0.528×2＝1.06 KN/M

四、 龙门吊横梁抗弯强度验算（验算工况1）
(一)、强度验算
龙门吊横梁强度验算按验算工况1进行验算：
该工况为龙门吊横梁抗弯强度最不利验算工况。
(1)、计算简图见图1。
P：为集中可变荷载之和。
P＝P设+P1=800+40＝840　KN
ｑ：为龙门吊永久荷载之和，
　q=13.2+3.2+2.25+1.06=19.7KN/m
(2)强度验算
　①　荷载组合后跨中最大弯矩
永久荷载效应的分项系数取1.0，可变荷载的分项系数取1.2。
RA=(1.2P+qL)/2=917.7kN
MA＝－qm2/2=－88.7kN
Mzmax =MC＝RAL1/2-qL2/8=12174.8  KN.m
则单片加强的单排双层贝雷架承受最大弯矩为
Mｄmax＝Mzmax/6＝2029.1 KN. m
　②　贝雷架容许承载力
本横梁采用加强的六排双层贝雷架，根据《公路施工手册－桥涵》（1991年4月第一版）查得，国产贝雷架的力学性质为：
弦杆截面积F＝25.48ｃｍ2；
弦杆惯矩Iｘ1＝396.6ｃｍ4；
贝雷桁片的惯矩Iｘ2＝250500ｃｍ4；
由此可计算出加强的单排双层贝雷架的力学性质，计算图式见图7。











Iｘ＝[(Iｘ1+a12×F)+( Iｘ2+ a22×2F)] ×2
其中贝雷桁片的截面积仅考虑为上下弦杆的截面积之和。
则Iｘ＝[(396.6+1542×25.48)+( 250500+752×2×25.48)] ×2
　　＝2283660.6ｃｍ4
Wｘ＝Iｘ/（H/2）＝2283660.6/（316/2）＝14453.5ｃｍ3
16锰钢的容许应力考虑1.3的提高系数，则其拉应力、压应力及弯应力为：
［σ］＝1.3×210＝273MPａ
则加强的单排双层贝雷架的容许弯矩为：
［M］＝Wｘ×［σ］＝14453.5×10-6×273×103＝3945.8KN.m
考虑0.8的不均匀折减系数，则：
0.8［M］＝3156.6 KN.m＞Mｄmax＝2029.1KN.m
符合使用要求。

(二)、变形验算
　龙门吊横梁变形验算按验算工况1进行验算，未考虑贝雷架节点间隙挠度。
龙门吊横梁容许变形按[f]=L/750=36000/750=48mm控制。
龙门吊横梁在跨中设计最大吊重下的变形按以下计算公式计算：
fmax＝PL13/(48EI)+ｑL14/（384 EI）×(5-24m2/L12)
＝840×363/(48×2.1×108×2283660.6×10－8×6)+
19.7×364/（384×2.1×108×2283660.6×10－8×6）×(5-24×32/362)
＝0.028+0.014ｍ=0.042m=42mm<[f]＝48ｍｍ
fmax/L=0.042/36=1/857＜1/750
符合使用要求。

五、验算工况2下龙门吊验算
　　如前所述，在该工况下龙门吊有5项验算内容，分别验算如下：
(一)、该工况为龙门吊横梁抗剪强度最不利验算工况，计算简图见图2。在该工况下，龙门吊横梁承受最大剪力。
P、q取值与上相同。
RA=[1.2P(L1-3)+qLL1/2]/L1=1337.7kN
RB=1.2P+qL-RA=497.7kN
由此绘出横梁剪力图如图8。

















由图知，贝雷桁架的最大剪力为1278.6KN
每单片加强的单排双层贝雷架支点处最大剪力：
Qdmax= Qzmax/6=213.1 KN ≤[Q]=245.2KN(由《公路施工手册－桥涵》［1991年4月］查得）
符合使用要求。

　（二）、该工况为龙门吊桁架抗压强度最不利验算工况，计算简图见图3。在该工况下，龙门吊桁架承受最大压应力。
　　N1＝RA/6 ＝1337.7/6=223.0kN
    单根I8的截面积为A=522mm2，则腹杆I8的压应力为：
　　σ=N/(2A)=213.6MPa＜[σ]=273 MPa
    符合要求。

　（三）、　在该工况下，考虑设计风荷载作用下横梁的整体稳定性，计算简图见图4。该工况为龙门吊横梁稳定性最不利验算工况。
1、倾覆弯矩计算
倾覆弯矩计算为
M倾=Fwh1×3.2/2＋Fwh2×（3.2+0.36）＋Fwh3×（3.2+0.36×2+0.12/2）
     ＋Fwh4×（3.2+0.36×2+0.12+1/2）＋（Fwh5＋F吊）×（3.2+0.36×2+0.12+1）
　　＝328.8KN.m
抗倾覆弯矩M抗计算为：
G=q×39+P=19.7×42＋840=1667.4KN
M抗=  G ×1.1=1667.4×1.1=1834.1KN.m
2、龙门吊横梁整体稳定性验算
M抗> M倾
稳定系数K=M抗/ M倾=1834.1/328.8=5.6＞1.3
故龙门吊横梁在最大设计吊重时在风荷载作用工况下，整体是稳定的。

（四）、在该工况下，考虑龙门吊在设计风荷载下时的钢管桩的顺桥向的强度验算，为钢管桩的顺桥向的强度验算的最不利工况，计算简图见图5。
1、钢管桩承载力计算　　
1）、按轴心受压杆计算钢管桩承载力
　　按轴心受压杆计算钢管桩承载力时，单根钢管桩的容许承载力计算如下（根据《公路桥涵设计手册－基本资料》表3－89计算）
IX＝πD3/8×ｔ＝π×80.83/8×0.8=16571.8cm4
Wx=0.7854D2t=0.7854×80.82×0.8=4102.1cm3
A=πDｔ=π×80.8×0.8=0.02m3
E=2.1×108KPa
则单根钢管桩的容许承载力为：
N＝π2EI/（4L2）＝π2×2.1×108×16571.8×10-8/（4×222）
　　＝1774.0KN
2）、按沉桩计算钢管桩承载力
按《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）中沉桩的容许承载力计算公式3.2-4计算单桩承载力，考虑钢管桩内外双摩擦力，不考虑桩底承载力,取桩周摩阻系数平均值为35KPａ。
N‘＝2×1/2×ｕ.a.l.τ=π×0.816×0.8×16×35=1148.4KN
因此取单根钢管桩的容许承载力为：[N]=min{N,N‘}＝1148.4KN
3）、钢管桩容许应力
钢材考虑1.3的提高系数，则钢管桩容许应力为［σ］＝1.3×145＝188.5MPａ
4）、钢管桩容许弯矩
钢管桩容许弯矩为[M]＝［σ］×Wx＝188.5×103×4102.1×10-6＝773.2KN.m。
2、钢管桩顺桥向强度验算
设横梁除起吊系统外承受的水平力传给钢管桩的水平荷载都均匀传递给二个支承墩的每根钢管桩上，起吊系统产生的水平力都均匀传递给一个支承墩的四根钢管桩上，并都作用在钢管桩顶。
F1＝[(Fwh1+ Fwh2+ Fwh3+ Fwh4)/2+ Fwh5/2+F吊]/4
   =[(50.4+9+ 2.97+ 2.25)/2＋5.0/2+33.5]/4
   =17.1KN
N2=RA/4=334.4KN＜[N]＝1148.4kN
MO顺＝F1×h+ Fwh8/2×h/2
= 17.1×22+ 10.1/2×22/2=431.8KN.m<[M]＝773.2kN.m
σ顺=N2/A+MO顺/ Wx=334.4/0.02+431.8/(4102.1×10-6)=121983.2KPa
　　  =122.2M Pa<［σ］＝188.5MPａ
符合要求。

(五)、在该工况下，考虑设计风荷载时龙门吊钢管桩横桥向的强度验算，为钢管桩的横桥向强度验算的最不利工况，计算简图见图6。
N3＝RA/4=334.4KN＜[N]＝1148.4kN
MO横=F移h+Fwh7/2。h/2=6.3×22+14.4/2×22/2=217.8KN.m<[M] ＝773.2kN.m
   σ横=N3/A+MO横/ Wx
=334.4/0.02+217.8/(4102.1×10-6)
=69814.8KPa =69.8M Pa<［σ］＝188.5MPａ
符合要求。

因此通过对龙门吊横梁的强度、变形及稳定性和钢管桩的强度验算，均符合使用要求，该80T龙门吊设计结构是安全的，能满足使用要求。

参考资料：
　　　　　1、《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60－2004）
　　　　　2、《钢结构设计手册》（第二版，1989.10）
　　　　　3、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）
　　　　　4、《公路桥涵设计手册－基本资料》
　　　　　5、《公路施工手册－桥涵》（1991年4月第一版）
作者: zhouweihua520    时间: 2011-5-2 07:37

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