跨平齐铁路连续梁防护棚

安全计算书

技术负责人：

石家庄铁道大学土木工程学院

二○一一年二月二十七日

1、方案设计说明

防护棚立柱基础采用C30混凝土扩大基础，基底应力小于允许承载能力[σ]=110kPa，基底要求设置在冻土线以下0.6m深度，扩大基础高度为1.1m。基础顶预埋钢板（500×500×20），钢板底部焊五排U型Φ20钢筋，钢筋锚入砼深度为50cm，钢板埋入基础砼内1cm。因立柱较高，施工时需要采取有效措施控制预埋钢板的水平状态，确保立柱安装的垂直度。

立柱采用(d=320,t=7.5mm)的钢管,长度需要根据现场实际基础顶高精确确定。上下行线每侧各12根,共24根,立柱纵向间距6m，横向间距19.2m。纵向相邻两立柱间用L70X70X6角钢做斜撑连接,立柱焊接在基础顶面预埋钢板上（50×50×2cm），钢管顶用500×500×20钢板封顶，顶面钢板标高为151.634；要求精确立柱高度，确保顶部钢板在同一水平面内。立柱顶部架设双[20b槽钢纵梁，按双跨连续梁布置；在每处立柱顶板用4个M20螺栓与立柱顶板栓接；在纵梁上的钢管立柱位置安装双片间距为30cm的单层贝雷梁，贝雷梁的每片贝雷片之间采用花格连接，在贝雷梁两侧用双[20槽钢斜撑与纵梁焊接加固，防止贝雷梁侧倾；贝雷梁上架设纵向间距为1.2m的I16工字钢17排，工字钢通长38.4m焊接，与贝雷梁采用U型螺栓卡连接；I16工字钢上上铺设5cm厚木板，宽度0.3米，木板上铺设2mm厚铁皮，并需要在上行线和下行线区域设置防护棚双向横向坡度1%，以利防护棚顶面排水。

所有连接钢板与立柱提前焊接，焊接质量必须达到规范要求。所有预埋件要求位置准确，预留孔洞采用椭圆形，以便安装。

2、防护棚横梁计算

2.1 防护棚横向布置

防护棚横向横梁为双片21m单层贝雷架，2m,径横梁上为纵向I16工字钢，间距1.1m，工字钢上铺设5cm厚的木版，立柱采用(d=300,t=7.5mm)的钢管,高为8.7m.

2.2 横梁贝雷架计算

横梁为21m 双片单层贝雷梁，可按简支梁计算，计算跨径为19.4m。

贝雷梁计算参数见下表：

2.2.1 荷载计算

木板、铁皮及绝缘重量7kN/m3, 横梁间距为6m,木板厚度按0.06m计算（偏于安全考虑）一片横梁所受均布荷载为q1=6*0.06*1*7/2=3.35kN/m；16号工字钢间距1.2m，长6m，则对一片贝雷架产生的均布荷载为q2=0.204*6/1.2/2=0.51KN/m,因此,一片贝雷架总均布荷载为q=3.9kN/m

仅考虑小型机具、集中荷载掉落情况，数值按P=1.8kN考虑，冲击系数按2考虑，则横梁受预外的集中荷载作用P=3.6kN。则贝雷架的荷载情况如下：

2.2.2 计算结果

弯矩图 (kNm)

轴力图 (kNm)

剪力图(kN)

支座反力

弦杆最大轴力

竖杆最大轴力

斜杆最大轴力

从以上计算结果可知：

● 弦杆最大轴力N=165KN<最大弦杆允许轴力为[N]=563kN，满足强度和稳定要求；

● 竖杆最大轴力N=45.3KN<最大弦杆允许轴力为[N]=212KN，满足强度和稳定要求。

● 斜杆最大轴力N=32.4KN<最大弦杆允许轴力为[N]=171kN，满足强度和稳定要求。

● 刚度f=0.0203/19.4=1/956<[f]=1/400，刚度满足要求。

3、防护棚顶面的纵梁工字钢计算

3.1 防护棚纵梁布置

2.2 防护棚纵梁计算模型

偏于安全计，可按简支梁计算纵梁，跨径为6m，纵梁为I16号工字钢，截面特性如下：

2.2 防护棚纵梁外载

木板、铁皮及绝缘重量7kN/m3, 纵梁间距为1.2m,木板厚度按0.06m计算（偏于安全考虑），纵梁所受均布荷载为q1=1.2*0.06*1*7=0.5kN/m

考虑小型机具、集中荷载掉落情况，数值按P=1.8kN考虑，冲击系数按2考虑，则横梁受预外的集中荷载作用P=3.6kN。则纵梁所受荷载情况如下

2.2 防护棚纵梁计算结果

弯力矩图（kNm）

剪力图(kN)

从以上计算结果可知：

最大正应力σ=30.3MPa<[σ]=210MPa，满足强度要求。

刚度f=12.4/6000=1/488<[f]=1/400，满足刚度要求。

4、立柱顶面的纵梁计算

立柱顶面的纵梁为双[20槽钢，其计算模型为双跨连续梁，见下图，其上为外荷载，但需要考虑立柱的下沉陷，取中间支座相对两边支座下沉3cm计算。

双[20b槽钢截面特性如下：

计算结果如下：

弯力矩图（kNm）

剪力图（kNm）

位移图

支座反力

从以上计算结果可知：

最大正应力σ=19.2MPa<[σ]=210MPa，满足强度要求。

5、立柱稳定性计算

立柱计算高度按8.7m考虑。立柱采用外径300mm钢管 壁厚7.5mm ，x轴方向计算长度Lx=8.7m ，y轴方向计算长度Ly=8.7m，x轴方向上截面惯性矩Ix=7.375E-5m4，y轴方向上截面惯性矩Iy=7.375E-5m4,截面面积A=0.0068919m2，材料许用应力【σ】=215MPa，轴向力F=100KN,压杆稳定系数φ=0.756，容许长细比【λ】=150

截面x轴方向的惯性半径ix===0.1034m

截面y轴方向的惯性半径iy===0.1034m

截面x轴方向的长细比λx===84.1 < 【λ】=150

刚度条件满足要求！

截面y轴方向的长细比λy===84.1 < 【λ】=150

刚度条件满足要求！

λx < λy ，根据λy查表得稳定系数φ=0.756

下面进行稳定检算：

==19.19MPa <【σ】=215MPa,

故： 稳定条件满足！

6、考虑风荷载的立杆计算

根据《铁路桥涵设计基本规范》，风荷载计算应按下式进行：

其中为体形系数，对钢管立柱取；对双[20b纵梁取；对防护棚顶面I18工字钢纵梁，K1=1.3

为风压高度变化系数，取

为地形、地理条件系数，取

为基本风压值，根据“全国基本风压分布图”，取W0=350Pa<800Pa，故根据《铁路桥涵设计基本规范》，标准设计的风压强度按下面规定取值：

有车时，取，无车时，取

风荷载作用的受风面积为：

钢管立柱：A1=0.30*8.73=2.62m2;双[20b纵梁： A2=0.20*6=1.2Mm3

计算时为进行对比，按《铁路桥涵设计基本规范》规定的标准设计风压强度和按哈尔滨基本风压值两种情况分别按有车、无车两种工况进行了讨论。由此得到作用在防护结构上的风荷载集度见表1所示。

表1 风载集度表

则一根立杆所受最不利风载为：

(1) 立杆迎风荷载q=336=0.34kN/m

(2) 双[20b槽钢及防护棚顶面I18工字钢所受风载对立柱的影响

F=（364+400）*6/1000=4.6KN.

立柱在风载作用下的计算计算模型和计算结果如下：

与轴向受压进行荷载组合：

N/（ΦA）+Mw/W=19.2+94.1=103.3MPa<【σ】=215MPa.满足立杆的稳定性要求。

7、基础计算

钢管下端头加焊0.5 m×0.5 m厚20 mm钢板，并用四块厚20 mm，长20 mm×10mm直角三角形钢板用钢筋锚固于C20扩大混凝土基础上，见下图。钢管立柱最大轴压力为R=100 kN。

钢管底部基础示意图（m）

不考虑风载的基底压力：

σmax=N/A ==(100)/(1.6*1.2) =52.1kPa<[σ]=110kPa.

考虑风载的基底应力为:

σmax=N/A+MYmax/Ix=

=(100+1.6*1.2*0.5*25+1*1*0.6*25)/(1.6*1.2)+52.89*0.6/0.2304=210kPa>[σ]=110kPa.

以上计算说明，立杆在轴向压力及风载共同作用下，将产生210Kpa的最大基底压力，超过基低承载能力。为此，需要设置缆风绳来抵消立柱所受的弯矩效应。设缆风绳规格为(6×37+1) φ24.0，有效断面积A=210.87mm2，破断力F=293.95kN,其布置方案如下图所示：

缆风索布置方案（m）

则立柱与缆风所受内力为：

弯矩图（kNm）

轴力图（kN)

变形曲线

因此，加缆风绳后的基底最大应力为：

σmax=N/A+MYmax/Ix

=(100+1.6*1.2*0.5*25+1*1*0.6*25)/(1.6*1.2)+3.3*0.6/0.2304=81kPa<[σ]=110kPa.满足基底承能力要求。

8、木板抗冲击力计算

按180kg的重物坠落于防护棚的顶板上，冲击系数按2考虑；防护棚为顶板厚度为5cm的木板，宽按0.3m考虑，横梁间距为1.20米.为安全计算，可将顶板按简支梁考虑。

则顶板受到坠物的最大应力如下图所示例。

最大正应力σ=8.6MPa<[σ]= 10MPa。只要选择许用应力10MPa的木板，即可满足180kg重物坠落于防护棚上的强度要求。

9、几点计算说明

1、本计算系按理想的简支支座约束进行计算，实际构造中，立柱与基础，立柱与钢板，纵梁与立柱顶板、纵梁与贝雷梁之间的连接需要有足够的构造措施，确保它们之间约束接近计算模型中要求的约束条件，防止纵、横梁掉落。

2、布置必要的斜撑加强立柱之间的纵向联结，增加防护棚不纵向抗失稳能力；

3、本计算考虑了基础3cm沉降，防护棚安装好后，需要定期观测基础沉及防护棚变形情况，如发现有异常需要及时加固处理；

4、由于钢管柱比较高，需要在防护棚的两侧按6米间距,在中央区域增设5道缆风绳，以加强防护棚的侧向稳定性，缆绳规格为(6×37+1) φ24.0，地锚为C20混凝土块，面积为1.2×1.2m2，高1.5m，；

5、注意立柱基础表面的排水措施，确保基础按计算要求承担荷载。