伦桂路容桂特大桥主桥悬臂吊机设计计算书

目 录

一、工程概况 ...................................... 2 二、设计依据 ...................................... 2 三、主要控制计算参数 .............................. 3 四、吊机结构 ...................................... 3 五、计算 .......................................... 6

(一)、荷载计算 ....................................................................................................... 6 (二)、工况及荷载组合 ........................................................................................... 7 (三)、模型计算 ....................................................................................................... 8 （四）、钢丝绳及滑轮组计算 ............................................................................... 14 （五）、吊机吊装时抗倾覆计算 ........................................................................... 16 （六）、锚梁和扁担梁计算 ................................................................................... 16 （七）、吊机自动行走计算 ................................................................................... 17 （八）、悬臂吊机混凝土段后锚反力架计算计算 ............................................... 21 （九）、吊具计算 ................................................................................................... 26

六、吊机设计结果总结 ............................. 30

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伦桂路容桂特大桥主桥悬臂吊机设计计算书

一、工程概况

伦桂路容桂特大桥主桥为独塔斜拉桥，墩、塔、梁固结，跨径组成为48.2+87.8+254m。主梁边跨48.2+87.8=136m为预应力混凝土箱梁，预应力混凝土箱梁伸过桥塔14.5m，通过钢混结合段与主桥钢箱梁连接。斜拉索间距混凝土箱梁侧为6m，钢箱梁侧为12m，边、中跨侧均为准单索面。桥塔为顺桥向倒“Y”形独塔，桥面以上塔高102m。

伦桂路斜拉桥主梁设计采用带悬臂的大倾角的斜腹板箱型断面，箱梁顶板横向宽38.5m，底板宽18.5m，翼缘悬臂长4m。钢箱梁采用整体断面，箱梁中心处高度为3.54m，节段标准长度为12m。钢箱梁顶板厚16mm和32mm（锚拉板处），斜腹板厚12mm，底板厚12mm、16mm；钢箱梁顶、底板采用U肋闭合加劲。中纵腹板采用实腹式；边纵腹板采用桁架式。钢箱梁横向设隔板，横隔板间距3.0m。钢箱梁采用分节段工厂制造（节段最大重量为304t），驳船运输至桥位，现场吊装、焊接成桥。

本桥桥面吊机采用原上海市洋山深水港一期工程东海大桥Ⅶ标桥面吊机改制，原东海桥项目吊机高5m，前支点与后支点间距为9.0m，前拉带长6.77m。钢箱梁横断面长度为9m，主勾最大起重吨数为100t，副勾最大起重吨数为20t。

本桥经过改制后的吊机高5m，前支点与后支点间距为9.0m，前拉带长9.56m。钢箱梁断面长度为12m。主勾最大起重吨数为150t，副勾最大起重吨数为20t。

二、设计依据

1、佛山市顺德区伦桂路工程两阶段施工图设计容桂特大桥；

2、《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025－86）——人民交通出版社； 3、《钢结构设计手册》（第二版）——中国建筑工业出版社； 4、《建筑结构静力计算手册》——中国建筑工业出版社；

5、《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041-2000）——人民交通出版社； 6、《热轧H型钢设计应用手册》冶金部建筑研究总院——中国计划出版社； 7、《结构设计原理》——人民交通出版社；

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三、主要控制计算参数

1、钢箱梁标准梁段B、C段自重取值为256.2t，平衡配重取值为35t，块段吊装冲击荷载系数考虑1.3的系数；

2、钢箱梁A、D段自重取值为308.7t、271.8t，块段吊装采用驳船浮吊进行吊装。吊装的冲击荷载系数考虑1.3的系数。

2、吊机结构采用A3钢，其轴向允许应力[σ]＝140Mpa，[σw]＝145Mpa，[τ]＝85Mpa，节点销子的孔壁承压应力为210Mpa，节点销子的弯应力为240Mpa。

3、销棒选用45＃钢，其轴向允许应力[σ]＝210Mpa，[σw]＝220Mpa，[τ]＝125Mpa，节点销子的弯应力为360Mpa。

4、后锚带选用16Mn钢，其轴向允许应力[σ]＝200Mpa，[σw]＝210Mpa，[τ]＝120Mpa，节点销子的孔壁承压应力为300Mpa，节点销子的弯应力为340Mpa。

四、吊机结构

本吊机采用原东海桥项目吊机改制。

吊机的主要结构为；主桁（弦杆）、锚固系统、行走系统、起吊系统组成。见下图。

图1 吊机侧面图

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图2 吊机立面图

图3 吊机断面图

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1、主桁

吊机主桁由底兰、立柱、前端斜弦杆、上拉杆及后拉杆组成。 （1） 底兰

底兰用于连接整个吊机的上部结构、动力系统及行走体系形成整体。 底兰由两根HW300×300工钢作为支撑主体，两H钢连接型钢作15t/5t卷扬机的底座，底座位置以给出，安装15t卷扬机按照图中的孔位打孔，采用螺栓连接即可。 （2） 立柱

立柱由2[32c槽钢口对口焊接而成，每隔50cm加焊一道连接钢板。斜杆材料型号为2[16a。顶部与连接板1通过Φ100mm销棒连接，底部与连接板2通过Φ100mm销棒连接。 （3） 前端斜弦杆

前端斜弦杆由2[36c槽钢和[16a槽钢组成的斜向桁架结构，主弦杆由2[36c口对口周围加焊钢板焊接而成。斜杆材料为2[16a。顶部与连接板3通过Φ100mm销棒连接，底部与连接板2通过Φ100mm销棒连接。 （4） 上拉杆与后拉杆

上拉杆与后拉杆均为两组2[32c的型钢四周加焊1cm厚钢板组成，只受拉力，上下杆通过Φ100mm销棒连接连接板1与连接板3，后拉杆通过Φ100mm销棒连接连接板1与连接板4。 2、锚固系统

锚固系统由扁担梁、吊带及吊耳组成。

扁担梁由两根I50a并排连接而成，间隔5cm；吊带材质为16Mn钢，通过Φ80mm的销子与吊耳及扁担梁连接成锚固系统，吊装钢箱梁前将吊带张拉，使其受80t的预拉力。 3、行走系统

行走系统由电动推杆、轨道及三角板组成。

电动推杆提供行走动力，规格DTP无B5000/1500/25既平行式一般型，额定推力5000kgf，行程1500mm，推拉速23mm/s。轨道为H45a，电动推杆置于临近两轨道中间，与轨道间采用栓接。行走时电动推杆连接与轨道同三角板之间，通过自身的推拉力使吊机前移。

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4、起吊系统

起吊系统由100t滑车组、吊绳及吊架组成。

吊架主材为2[40a，下吊耳采用φ148mm销子与钢板连接在钢箱梁吊耳上，上吊耳采用销棒与钢丝绳相连接。100t滑车组为6轮，共绕12线；

五、计算

(一)、荷载计算

1、箱梁断面如下图（b-b标准断面）

b-b标准断面图

2、自重计算

A为钢混结合段，D断面为合拢段，均采用浮吊进行吊装施工，吊机采用的自重为B、C断面节段重量，为291.2t。 3、冲击荷载及偏载

冲击荷载系数取1.3，单吊机冲击荷载为291.2/2×1.3=189.28t。

钢箱梁垂直吊装时与箱梁的间距为20cm，与钢丝绳产生的偏角为3°。水平力为63.4KN。 4、吊具及吊绳

吊具、吊绳及吊钩荷载为2.23×1.1=2.453t。 5、风荷载

根据《公路桥涵设计通用规范》查1/50年一遇的风速为28.6m/s，风压为0.5KN/m。

风荷载值按公式Fwhk0k1k3WdAwh计算。

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0.012017e0.0001Z0.012

k01.0 k10.8

k21.34 k31.0 k51.38

Vdk2k5V101.341.3828.652.887m/s 0.01252.8872Wd1.71KN/m2

2g29.81风荷载：

2Vdqk0k1k3Wd1.00.81.01.711.368KN/m2 钢箱梁支架风荷载：

Fwh1qAwh1.36842.4858.113KN (二)、工况及荷载组合 工况一：悬臂吊机吊重状态 荷载组合：1+2+3+4+5 工况二：悬臂吊机行走状态 荷载组合：1+2+4

对以上2个工况分别进行验算。

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(三)、模型计算 1、总体结构模型

吊机结构采用midas Civil程序进行计算。选取吊机进行三维空间建模，并对各种杆件赋予各自材料特性，各杆件采用梁单元进行模拟，吊机主要材料和尺寸如上图所示，吊机的改制部分有上拉杆的加长、前端斜弦杆加长和底兰端头连接板的角度变化。 2、位移变形情况

最大的位移为33.4mm，发生在起吊位置。吊装时做好相关的监控工作，以控制钢箱梁的梁形变化。

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3、各部位应力情况

最大应力图，最大应力为114.7Mpa，发生的部位在立柱底端部位。

A-A断面应力图，应力值最大为114.7Mpa

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B-B断面应力见下图所示，应力值最大为96.3Mpa。

C-C断面应力见下图所示，应力最大为104.9Mpa。

后拉杆应力见下图所示，应力最大为77.8Mpa。

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上拉杆应力见下图所示，应力最大为84.6 Mpa。

4、最大反力如下图

根据模型算出的反力，前支点反力为左205.8t、右为205.2t（加入了钢箱梁风荷载）。后支点反力为左-99.1t、右为-98.6t。

5、屈曲分析

对下吊机进行特征值屈曲系数分析，结果见下表：

表3特征值屈曲系数

模态编号 特征值 屈曲系数 .

1 11.3321 2 24.3277 3 27.9263 特征值大于1， 支架不会发生屈曲失稳。 .

吊机首先发生失稳的结构为前端斜弦杆联系，其次是底兰联系，再次是立柱联系。吊机结构整体发生失稳安全系数是＞11，前端斜弦杆为最薄弱的构件，在实际荷载作用下，不会发生屈曲失稳，结构是安全的。

模态1失稳图，失稳部位在B-B断面。

模态2失稳图，失稳部位在B-B和C-C断面。

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模态3失稳图，失稳部位在上拉杆、B-B、A-A断面。

6、节点板计算

节点板受到的最大轴力见下图所示，上拉杆轴力为174.3t，下拉杆轴力为202.0t，立柱轴力为103.3t。根据《钢结构设计规范》节点板计算。

根据图纸得销孔为101mm，be1314.4mm,be2421.5mm,be3257.3mm，钢板厚

t=50mm。+

上.

N1743000110.9Mpa be1t314.450.

柱N103300049.0Mpa be1t421.550N2020000157.0Mpa be1t257.350下下节点板的压应力大于140 MPa，节点板不合格。 （四）、钢丝绳及滑轮组计算

单个吊机钢丝绳拉力总和为189.28t，吊具钢丝绳与吊具的角度为35°，

FP330t。吊具钢丝绳选用6×61，直径为77.5mm抗拉强度1850 MPa的0sin35钢丝绳。安全系数取8-10。

滑轮组采用100t滑车组为6轮，共绕12线。具体尺寸见下图。

按照简支梁进行计算，销棒材料为ZG345，长度L=0.683m，直径160mm，截面面积为20106.193m2。荷载力为189.28t。

销轴计算，按照单吊点1892.8 KN荷载，滑车组7片，这作用在销子上的荷载作用点为7点，每个点的荷载值为270.4KN，因此销轴计算如下：

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销轴加载图

销轴剪应力

销轴剪应力图

剪应力为62.8Mpa[]125Mpa满足要求

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销轴弯曲正应力值计算

销轴最大弯曲应力为370Mpa，45#钢销轴允许正应力值为360Mpa，不满足要求。 （五）、吊机吊装时抗倾覆计算

吊机起吊钢箱梁时，后锚最大拉力为99.1t，按《公路桥涵施工技术规范》要求自锚系统的安全系数为2进行控制设计，竖向预应力采用16Mn吊带，设计应力为200Mpa，实际中取2根吊带。

2AQ F28800002.912符合规范要求。 499.1102(24030)200（六）、锚梁和扁担梁计算

锚梁采用2I56a型钢，2点提供锚固力，后锚最大拉力为99.1t。w=2342cm3。

MFa9910.6594.6KN/m

M594.6103126.9Mpa145Mpa

W22343Q99110370.7Mpa85Mpa

A27000扁担梁采用[36a型钢，后锚最大拉力为99.1t。w=660 cm3。

MPl9910.9275.3KN/m 44.

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M275.3103208.6Mpa145Mpa

W2660Q495.510376.5Mpa85Mpa

A23240扁担梁的型钢上面焊接抗剪钢板，具体尺寸见图纸《后锚结构图》。 （七）、吊机自动行走计算 1、吊机行走组成

行走系统由电动推杆、轨道及三角板组成。

电动推杆提供行走动力，规格DTP无B5000/1500/25既平行式一般型，额定推力5000kgf，行程1500mm，推拉速23mm/s。轨道为H45a，电动推杆置于临近两轨道中间，与轨道间采用栓接。行走时电动推杆连接与轨道同三角板之间，通过自身的推拉力使吊机前移。

吊机行走时，荷载只受到吊具的自重和吊机本身的自重，采用midas进行建模，模型见下图所示。

吊机行走时需要对吊机进行增加配重，配重采取水袋或者吊重的方式，根据《钢木结构设计规范》抗倾覆计算安全系数是2倍。配重的重量为3t。具体计算见下图。

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2、吊机行走时应力计算

桥面吊机行走时受自重、吊具和钢丝绳的影响，产生自身的应力状态，各个杆件的应力状态见下图。

整体吊机应力最大为13.9Mpa。

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底兰（C-C）应力最大为12.9Mpa。

立柱（B-B）应力最大为6.8Mpa。

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前端斜弦杆（A-A）应力最大为13.9Mpa。

上拉杆应力最大为13Mpa。

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后拉杆应力最大为13.7Mpa。

3、吊机行走时抗倾覆计算

挂篮行走时计算通过小车作用于轨道的拉力为1.5T，轨道锚固最大间距为L，

1.5104L轨道为HN45，轨道所受弯矩M,W214337302867460mm3，

4M1.5104L145MPa，求得L=15119.3mm，挂篮行走时安全系数为

W428674602，实际取轨道锚固点间距为3m。

（八）、悬臂吊机混凝土段后锚反力架计算计算

悬臂吊机在吊装2#钢箱梁时，其后锚位于主桥预应力混凝土箱梁0#块的箱内（见下图），为给悬臂吊机提供锚固反力，在纵腹板上预埋钢板，其上设置反力架，通过反力架把悬臂吊机在起吊箱梁时的反力传递至箱梁。

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悬臂吊机首节段吊装布置图

根据此前反力计算中，单个反力点的反力为99.1t。反力架采用2[32a型钢支座，在下弦杆上开设直径为82mm的孔，型钢两侧采用20mm钢板加强处理。

反力架受力计算如下：

反力架计算加载图

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反力架组合应力图

反力架最大应力为σmax =137.6Mpa，最大应力出现在下弦杆与预埋件连接处。

反力架受力情况下最大挠度变形为fmax =0.542mm，最大位移出现在下弦杆端部，fmax =0.542mm<[f]=L/400=1.5mm。

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反力架下锚固点的竖向剪力为V1=211.9KN，方向向下，向外的拉力为N1=-421.0KN，上锚固点的剪力V2=600.1KN，N2=421.0KN。

为计算预埋件的受力，反力架下端锚固点的弯矩为M1=87.1KN.m，上端锚固点

弯矩M2=40.9KN.m

根据以上计算的锚固点的剪力、水平力以及弯矩计算预埋件受力，计算如下：

（1）抗剪计算

预埋件所受竖向剪力合力V=V1+V2=211.9+600.1=822KN，钢筋抗剪面积计算：

Avnr2213.1412.5210303.125mm2

V82210379.782Mpa125Mpa，则钢筋的剪切应力满足受力要求。 Av10303.125（2）抗拔计算

预埋件的抗拔取钢筋自身锚固力和锚固钢筋与预埋钢板之间的焊缝最大抗剪

力最小值计算。

根据《混凝土设计原理》二级钢筋每平方面积锚固力为2.5～6Mpa，锚固钢筋

在混凝土内的长度为0.5m，锚固力：

P2.5dL2.53.142550098125N98.125KN

预埋件下端附近锚固钢筋数量为9根，则抗拔力为98.125KN×9=883.125KN，

抗拔安全系数为2.09.

锚固钢筋塞焊焊缝计算，钢筋与预埋钢板采用双面焊接，单面焊缝长度

ld3.142578.5mm,焊缝有效厚度hf=10mm，焊缝容许拉应力[σ]=140Mpa，

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由于钢筋受力方向与焊缝垂直，因此单根钢筋焊缝的水平抗力为：

N=2*0.7lhfσ=2*0.7*78.5*10*140=153860N=153.86KN>98.125KN 因此钢筋抗拔力按照其锚固力进行计算，即P=98.125KN，满足受力要求。 （3）反力架焊缝计算

反力架下端端口受到弯矩、水平力和竖向剪力作用，需要对其焊缝进行计算，单个反力架下端弯矩M=87.1KN m，水平拉力为N=421.0KN，竖向剪力为211.9KN，，取反力架的一半计算，计算如下：

焊缝高度取 hf = 10 mm

由钢号Q235查得焊缝强度 fwt = 160 MPa

荷载取1/2计算 F = 210.5 KN N = 105.5 KN e = 206 mm 由于承受静力荷载或间接动力荷载，βf = 1.22 翼缘厚 T = 14 mm 腹板厚 Tw = 8 mm

翼缘外侧焊缝有效面积 Aw1 = 1162 mm2 翼缘内侧焊缝有效面积 Aw2 = 1050 mm2 腹板外侧焊缝有效面积 Aw3 = 2240 mm2 腹板内侧焊缝有效面积 Aw4 = 2044 mm2 总的焊缝有效面积 Aw = 6496 mm2 焊缝 Ix = 8.59439e+007 mm4 焊缝受弯矩 M = F x e = 43.363 KN.M 焊缝受剪力 V = F = 210.5 KN 焊缝受轴力 N = 105.5 KN

由剪力产生的剪应力 τV = V / (Aw3 + Aw4) = 49.1363 MPa 由轴力产生的正应力 σN = N / Aw = 16.2408 MPa

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A点：上部翼缘内侧与腹板相交处

由弯矩在A点产生的正应力 σM_A = M/Ix x (H/2-T-hf/2) = 71.1416 MPa B点：下部翼缘内侧与腹板相交处

由弯矩在B点产生的正应力 σM_B = M/Ix x (H/2-T-hf/2) = 71.1416 MPa A点折算应力σA = sqrt{[(σN+σM_A)/Bf]^2+τV^2} = 86.8591 MPa <= fwt 满 足 。

B点折算应力 σB = sqrt{[(σN+σM_B)/Bf]^2+τV^2} = 66.6291 MPa <= fwt 满 足 。

因此2][32a焊缝能满足受力的要求。

（4）销子计算

后锚带与反力架采用φ80的销子，其惯性矩为Ix=2010619.298mm4,抗弯截面模量为wx=50526.48mm3，销子的计算长度L=40mm，荷载值为812000N。

销子所受的弯矩M181200040PL812000Nmm 44则销子收受的弯曲正应力为



M812000161.54Mpa[w]220Mpa满足要求 W50526.48抗剪计算

mm2 抗剪面积Ar23.144025024P812000406000N 22V40600080.812Mpa[]125Mpa满足要求 剪应力为A5024销子所受的剪力V（九）、吊具计算 1、建立计算模型

本吊具属于薄壁钢结构，在施工过程中，为了较真实的模拟吊具的受力状态，

采用ANSYS建立实体模型，对吊具进行受力分析。

本吊具主要包括：顶板、底板、端面板、侧板、内腔分隔板、吊耳板、吊耳加

强板和滑轮片板。这些板都采用SHELL181单元进行模拟，以反应吊具的真实受力情况。网格划分共生成节点14053，单元16394,。如下图：

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网格划分图

2、应力计算结果

各应力计算结果均采用等效应力，其最大值为799.22MPa，出现在滑轮片上角点处。

整体应力图

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周边板应力图

内腔板应力图

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侧板应力图

吊耳应力图

滑轮片应力图

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各部分最大应力值

整体 内腔板 吊耳

由以上分析结果可知：本吊具存在明显的应力集中现象，各部分的最大应力值

799.22 MPa 283.65 MPa 293.81 MPa 周边板 侧板 滑轮片 197.42 MPa 310.48 MPa 799.22 MPa 已经超出Q235钢材的容许应力。

六、吊机设计结果总结

桥面吊机计算结果汇总，见下表。

工况一 构件名称 底兰 立柱 前端斜弦杆 上拉杆 后拉杆 工作状态 最大应力（MPa） 最大变形（mm） 工况二 最大应力（MPa） 最大变形（mm） 81.8 2.6 92.2 5.1 77.2 24.2 67.7 23.6 77.8 3.8 吊机吊重状态 12.9 0.8 6.8 0.5 13.9 1.2 13 0.9 13.7 0.7 吊机行走状态 通过以上计算可知，吊机的强度能满足施工要求，刚度能满足规范要求，所以桥面吊机的设计能满足伦桂路斜拉钢箱梁的施工要求。

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