架桥机计算书 (2)

（一）重机设计规范（GB3811-83）

（二）钢结构设计规范（GBJ17-88）

（三）公路桥涵施工规范（041-）

（四）公路桥涵设计规范（JTJ021-）

（五）石家庄铁道学院《GFJT-40/300拆装式架桥机设计计算书》

（六）梁体按30米箱梁100吨计。

二.架桥机设计荷载

（一）.垂直荷载

梁重:Q1=100t

天车重：Q2=7.5t（含卷扬机）

吊梁天车横梁重：Q3=7.3t(含纵向走行)

主梁、桁架及桥面系均部荷载：q=1.29t/节(单边)

1.29×1.1=1.42 t/节(单边)

0号支腿总重: Q4=5.6t

1号承重梁总重：Q5=14.6t

2号承重梁总重：Q6=14.6t

纵向走行横梁（1号车）：Q7=7.5+7.3=14.8t

纵向走行横梁（2号车）：Q8=7.5+7.3=14.8t

梁增重系数取：1.1

活载冲击系数取：1.2

不均匀系数取：1.1

（二）．水平荷载

1.风荷载

a.设计取工作状态最大风力，风压为7级风的最大风压：

q1=19kg/m2

b. 非工作计算状态风压，设计为11级的最大风压;

         q2=66kg/m2

(以上数据参照石家庄铁道学院《GFJT-40/300拆装式架桥机设计计算书》)

  2.运行惯性力：  Ф=1.1

三.架桥机倾覆稳定性计算

（一）架桥机纵向稳定性计算

架桥机纵向稳定性最不利情况出现在架桥机悬臂前行阶段，该工况下架桥机的支柱已经翻起，1号天车及2号天车退至架桥机尾部作为配重，计算简图见图1（单位 m）:

图中

P1=5.6t  （前支柱自重）

P2=1.42×（22+8.5）=43.31t    （导梁后段自重）   

P3=1.42×32=45.44t    （导梁前段自重） 

P4=14.6t                   (2#承重横梁自重)

P5= P6=14.8t       （天车、起重小车自重）

P7为风荷载，按11级风的最大风压下的横向风荷载，所有迎风面均按实体计算，

P7=ΣCKnqAi

  =1.2×1.39×66×(0.7+0.584+0.245+2.25+0.3+0.7+0.8+1.5) 

×12.9=10053kg=10.05t

作用在轨面以上5.58m处

M抗=43.31×15+14.8×（22+1.5）+14.8×27.5+14.6×22=1725.65t.m

M倾=5.6×32+45.44×16+10.05×5.58=962.319t.m

架桥机纵向抗倾覆安全系数

n=M抗/M倾 =1725.65/(962.319× 1.1)=1.63>1.3   <可)

 (二)   架桥机横向倾覆稳定性计算

1.正常工作状态下稳定性计算

架桥机横向倾覆稳定性最不利情况发生在架边梁就位时，最不利位置在1号天车位置，检算时可偏于安全的将整个架桥机荷载全部简化到该处，计算简图如图

P1为架桥机自重（不含起重车），作用在两支点中心

P1=43.31+45.44+7.3×2+14.6×2=132.55 t

P2为导梁承受的风荷载，作用点在支点以上3.8m处，导梁迎风面积按实体面积计，导梁形状系数取1.6。

A=(1+η1)(1+η2) ФA       其中：η1=0.53    η2=0.5

A=（1+0.53）（1+0.5）×62×2.25=320.1525m2

风荷载P2=CkhεA

        =1.6×1.39×19×320.1525=13528kg=13.53t 

P3为天车导梁承受的风荷载，作用点在支点以上5.179m处，迎风面积按实体计算，导梁形状系数取1.6。

      P3=2×1.39×1.6×19×0.8×0.46×4=124.4kg=0.1244t

P4为架桥机起重小车重量

P4=7.5×2+100×1.1=125t

  P5为架桥机起重小车及梁体所受的风荷载，作用在支点以上8.113m处，

P5=1.39×1.6×19×（3×2×2+2×30）=3042.432kg =3.042 t

图2所示A点为倾覆支点，对 A点取矩：

M倾=P2×3.8+P3×5.179+P4×1.435+P5×8.113

=13.53×3. 8+0.1244×5.179+125×1.435+3.042×8.113=256.11 t·m

M抗= P1×4.8=132.55×4.8=636.24 t·m

架桥机工作条件横向抗倾覆安全系数

n=M抗/M倾 =636.24/（256.11×1.1）=2.26>1.3   <可)

2.非工作条件下稳定性计算

架桥机悬臂前行时自重荷载全部由车体承担，在横向风荷载作用下，其稳

定性见图3。

与图2相比，架桥机在提的梁为倾覆作用时，架桥机有N=2.26的横向抗倾系数，而图3中已经没有提梁，故此不用计算而得出结论它的抗倾系数满足要求。

 结论：架桥机稳定性符合规范要求

四.结构分析

(一)荷载取值：

    桁架及桥面系均部荷载1.29t/节×1.1=1.42t/节(单边)，荷载（100+7.5×2）×1.2=138.0t。其余荷载取值见前。

纵向走行天车轮距为2m ,当天车居于天车横梁跨中时，单片空载轮压集中力为（7.5+7.3）/4=3.7t，负荷轮压集中力为（7.3+138）/4=36.325t，架边梁时轮压集中力为（重边）：7.3/4+138/2=70.825t，（轻边）7.3/4=1.825t.吊梁小车轮压集中力138/4=34.5t（轮距1.6m）。

（二）分析计算

根据以上荷载值，按桁架进行分析，计算过程由有限元分析程序SAP 93来完成。工况取:(1)架桥机前移，(2)1号天车提梁，(3)2号天车提梁，(4)1号天车至跨中、(5)中梁就位，(6)边梁就位6种工况进行计算，计算得前悬臂端最大挠度852.6mm，考虑到桁架空多，加1.1的系数，852.6×1.1=937.86mm，待架孔导梁跨中最大挠度71mm，考虑到桁架空多，加1.1的系数，71×1.1=78mm，天车横梁跨中最大挠度?28mm.导梁结构图见图4

各杆件在工况1，5，6的杆件内力见附加图 

各工况的轴重见图5

杆见最大内力汇总表

    6种工况各支点最大反力（单边）如下：（单位：吨）

支点

架桥机1号、2号车横梁设计采用16Mn钢，顶板厚度为12mm，底板厚度为12mm，用160×168×14.5两根工字钢做支撑，截面形式如图6。

截面特性如下：查工字钢表有S=146.45cm2,I=68512.5cm4

A=145.45×2×100+12×406×2=3903 mm2

I=68512.5×104×2+12×406× (560+6) 2×2=4.49-3m4

计算图示如下图7(单位 m):

架桥机在吊边梁对位时由导梁传到横梁的最大压力为93.75t.

1.应力计算

两导梁中心距L=9.6m

悬臂长度L=1m,最大集中荷载P=93.75t

横梁支点弯矩：M=93.75×1=93.75t·m

则翼缘板应力：

腹板最大应力：

局部压应力

Lz=22×4+(12+25)×2=162mm

换算应力：

2.（1）整体稳定性

  b0=268-14.5=253.5mm

h/b0=584/253.5=2.3<6

l/b0=11600/253.5=45.76〈65

故不必计算其整体稳定性 (见《钢结构设计手册》P28) 。

  （2）局部稳定性计算

翼缘板局部稳定

b0/t=253.5/12=21.125 <[ b0 /t]=33    <可〉

b/t=76.75/12=6.4< [b /t]=12.4 〈可〉

腹板局部稳定：

不需设加劲板。

为安全起见，在直接受力处加了厚10mm的内加劲肋和厚16mm的外加劲肋，同时，其他位置布置间距为1m的，厚10mm的内加劲肋。

由于焊缝按一级焊缝质量验收，其强度与钢板相同，故在此不检算而其强度认为其强度足够。

经计算联结处强度满足要求。

六.架桥机0号立柱横梁计算

1.设计说明和基本依据

   架桥机前支柱由支柱横梁和立柱组成，立柱共计4根，在工作状态下，仅考虑外侧2根立柱承受竖向荷载，内侧2根只起横向稳定作用。

  前支腿最大荷载发生在架桥机吊梁就位时，端构架竖杆内力为36.8t（由电算分析），此时由导梁传向横梁的荷载为P=71.14t.

2.立柱横梁承载力检算

 （1）应力检算

支柱横梁采用箱形断面，如图8。设计采用16Mn钢板，顶板和底板厚度为14mm,腹板厚10mm。                                               

计算图示如下图9：（单位：m ）

截面特性如下：

 I=[0.380×0.463-(0.38-2╳0.01) ×0.4323]/12=0.0006m4

导梁支点悬出立柱中心位置0.85 m，则

M=71.14×0.85=60.469t·m

翼缘应力：

  〈可〉

腹板剪应力：

局部压应力

lz=(120×2+10)×2+2×14=528mm

换算应力：

〈可〉

焊缝强度与钢板等强，可不必进行计算。

3.（1）整体稳定性

     b0=200-10-10=180

h/b0=460/180=2.556<6

l/b0=11600/180=.44<65

故可不必进行整体稳定性验算 (见《钢结构设计手册》P28) 。

  （2）局部稳定性计算

   翼缘板局部稳定：

b0/t=180/14=12.86<[ b0/t]=33       (可)

b/t=90/14=6.43<[b/t]=12.4 (可)

腹板局部稳定

故不需设加劲板，为安全起见，在直接受力处加了厚10mm的内加劲肋和厚16mm的外加劲肋，同时，其他位置布置间距为1m的，厚10mm的内加劲肋。

由于焊缝按一级焊缝质量验收，其强度与钢板相同，故在此不检算而其强度认为其强度足够。

经计算联结处强度满足要求。

七.1号车横梁及0号柱横梁挠度计算

由于横梁刚性较大，可不计自重产生的挠度

   计算图示如下图10：

1. 1号车横梁挠度计算：

    m=1m   l=9.6m   EI=8.98×108

当P1=P2=71.93t

λ=m/l=1/9.6=0.1042

当P1= 93.75t P2=32.73t时，

可以把C点的P1分解开，P1=P1’+P2有

P1’=93.75-32.73=61.02t 

fd=m×θB=1×0.001087=1.087×10-3m

fc=1.871+2.401=4.272mm

fd=1.87+1.087=2.957mm

有悬臂挠引起的导梁上口轨距变化最大d计算如下

4.271/1=d1/(2.25+.245)      d1=10.656 mm

2.957/1=d2/(2.25+.245)      d2=7.38 mm

故    d=d1+d2=10.656+7.38=18.03  mm

2. 0号车横梁挠度计算：

m=0.65m  l=10.3m  EI=1.328×108

当P1=P2=44.t

λ=m/l=0.65/10.3=0.0631

当P1= 71.14t P2=18.63t时，

可以把C点的P1分解开，P1=P1’+P2有

P1’=71.14-18.63=52.51t 

fd=m ×θB=065×0.0044=0.00286 m

fc=3.181+6.098=9.279mm

fd=3.181+2.86=6.041mm

有悬臂挠引起的导梁上口轨距变化最大d计算如下

6.041/1=d1/(2.25+.245)      d1=23.19 mm

9.279/1=d2/(2.25+.245)      d2=35.62mm

故    d=d1+d2=58.81mm

综上计算，天车咬合总间距为58.81mm,(100-70)×2=60mm可

八.150型分配梁：（1号车处）

   截面形式如上图11：（单位mm）

截面特性：

A=0.6×0.02×2+2×0.36×0.016=0.03552m2

跨中集中荷载P=93.75+7/1000=94.514 t

最大弯矩： 

支点反力：：R=94.514/2=47.257 t

弯曲应力： 

腹板最大剪应力：

局部压应力

lz=600+2×20=0mm

换算应力：

    可

九. 0号柱承载力检算

   立柱采用Φ219mm无缝钢管，壁厚12mm（内管Φ192mm，壁厚13mm），一侧立柱由两根组成，中间用Φ60×5mm钢管作为连接。

1.若按两根钢管同受力，其截面形式如右图12所示，其失稳方向为绕y轴失稳(加’为以内钢管为准)。

图12

截面特性：                                             图13

按一端固结，一端铰接计算

长细比

长细比

由长细比，可按a类构件查表3.4-5（《钢结构设计手册》594页），取安全系数n=2，得应力折减系数分别为Φ=0.9538，Φ=0.94187

应力  〈可〉

应力  〈可〉

2.  只考虑外侧单根受力，内侧一根作为一种约束，则应力：（图见13）

按一端固结，一端铰接计算

长细比

由长细比，可按a类构件查表3.4-5（《钢结构设计手册》594页），取安全系数n=2，得应力折减系数分别为Φ=0.9419

应力    可

十.起吊系统检算

1.起升系统检算

起升卷样机5t，8轮100t滑车组，Φ24.5mm钢丝绳走16。

起升荷载Q=57.2t（实际净吊重为40t）,

滑车组效率： 

所需牵引力： 〈可〉

选用公称抗拉强度为1700MPa的钢丝绳，查表得其破段拉应力为38.1t，考虑钢丝间受力不均和内力的存在，按0.7折减。

安全系数n=38.11×6×0.7/57.2=7.46〉6    〈可〉

2.吊两千斤绳验算

   选用6×37丝φ36.5mm ,10股公称抗拉强度为1700MPa的钢丝绳，查表得其破段拉应力为83.9t，考虑钢丝间受力不均和内力的存在，按0.7折减。

安全系数n=83.9×10×0.7/57.2=10.27〉10    〈可〉

十一 .架桥机导梁整体稳定性计算

导梁的整体稳定性计算可近似为一实体钢梁。导梁在0号支柱、1号腿2号腿处有横向支撑或横向联结，故不必在此处检算导梁纵体稳定

1．导梁跨中主弦杆截面形式见下图14：（单位：cm）

  A=（93.2-11.2）╳8=656cm2

  Ix=656×1002=6560000cm4

  Iy=656×502=10000cm2

  Wx=Ix/y=5660000/(100+12.5)=58311.11cm3

 Wy=Iy/x=10000/(50+12.5)=26240cm3 

  λx=l0/rx=3200/100=32

  λy=l0/ry=3200/50=

  查表Q235(b类构件)得：φx=0.929, φy=0.786

  竖向荷载在跨中产生的最大弯矩：

  Mx=R×16-q×162/2=23.36×16×2-1.42×162/2=565.76t·m

  横向风力产生在导梁跨中最大弯矩：按7级风压检算（W0=19kg/m2）

  W=K1K2K3K4W0=1×0.4×1.0×1.2×19=9.12kg/m

  计算原理：

    Mx,My——绕强轴和弱轴作用的最大弯矩.

    Wx,Wy——按受压边缘确定的强轴和弱轴的抵抗矩

  ф——绕强轴弯曲所确定的整体稳定系数

  [f]——允许抗压强度值

    横向风力作用在导梁上引起的跨中弯矩，这里近似按简支梁计算导梁跨中风力弯矩

My=2×9.12×2.495×(322/8)×10-3=6.0t·m

    2．当架桥机前行时，B点截面及截面特性同上有：

 Wx=58311.11cm3        Wy=26240cm3    φx=0.929, φy=0.786

竖向最大弯矩Mx=ql2/2=1.42×322/2+32×5.6=906.24 t.m

横向最大弯矩（取7级风压）My=ql2/2=2×10-3×9.12×2.495×322/2=23.30t.m

十二.导梁天车走道梁计算

考虑导梁上弦杆杰间不能承受轮压集中荷载，故钢枕（16b工字钢, [σ]=215MPa, W=141cm3）间距取1.0m，均置于节点上，钢轨采用P50,允许弯应力[σ]=400MPa, W=287.2cm3钢轨受弯按按简支梁计算，最大轮压为P=31.55332t，行走轮压17.988t

1．钢轨

Mmax=pl/4=1×31.55332×0.7/4=5.5216 t·m

σ=5.522×104/287.2=192.26MPa<[σ]=400       满足规范要求。

2．工字钢

行走时：

M= pl/4=1×17.988×0.7/4=3.1479 t·m

σ=3.1479×104/141=223.26Mpa<1.05[σ]=215×1.05=225.75Mpa可

1米一根工字钢不能少。

3．架梁时由于轮压增加，在架梁时轮下工字钢按0.5米一根放置

十三.吊梁天车横梁计算

（一） 受力计算

架桥机天车横梁设计采用16Mn钢，顶板厚度为20mm，底板厚度为20mm截面形式如图15。

截面特性如下：

A=20×2×460+16×(800-40)=30560 mm2

I=20×460×4002×2=2.944╳10-3m4

计算图示如下图16： 

架桥机在架梁全过程中弯矩最大为活载在跨中，

应力计算

横梁支点弯矩：M=16.25×2×11.6/4=94.25t·m

则翼缘板应力：

腹板最大应力：

局部压应力

lz=460+20×2=500mm

换算应力：

（二）.天车横梁稳定性计算

1．横梁整体稳定性计算见图17

(1).惯性力产生的倾覆力矩

 P=QV/gt    Q为自重，   V为行车速度，V=3.0m/min

            g为重力加速度 ,取10m/S2, t为刹车时间, t=2s

1小车产生的惯性力矩

Q1=10t    h1=1.85m

M惯1=

2横梁惯性力矩

   Q2=6.4t    h2=1.1m

M惯2=

3混凝土梁体产生的惯性力矩

Q3=80×1.1=88t    h3=3.05m

M惯3=

M惯= M惯1+ M惯2+ M惯3=0.73485t•m

  (2).风力产生的倾覆力矩

    按7级风力计算，q=19kg/m2=0.019t/m2,迎风面积均按实体计算。

P风=ΣCKnqAi,      c=1.6,   K=1.39

1小车风力产生的力矩

P1=1.6×1.39×0.019×2×2=0.169t

M1=0.169×1.85=0.313 t.m

2横梁风力产生的力矩

P2=1.6×1.39×0.019×13.1×0.8=0.443t

M2=0.443×1.1=0.487 t.m

3混凝土纵向风力产生的力矩

P3=1.6×1.39×0.019×3.2×2.5=0.338t

M3=0.338×3.05=1.0309 t.m

M风= M1+ M2+ M3=1.8309 t.m

   M倾= M风+ M惯=2.56575 t.m

(3).梁体自重产生的抗倾覆力矩

小车自重：W1=10t,    横梁自重：W2=6.4t

混凝土自重：W3=80×1.1=88t

    抗倾覆力矩为 （d=1.0m,轮间距为2.0m）

    W= W1+ W2+W3/2=10+6.4+88/2=60.4t

   则 M稳=60.4×1.0=60.4 t.m

  (4).抗倾覆安全系数

n= M稳/ M倾=60.4/2.56575=23.54〉1.3       〈可〉

因此，横梁整体满足稳定性要求。

2．横梁单个稳定性计算见图15和16

由于工字钢两端有连接，计算长细比时按0.46米，外加0.75的系数以

考虑工字钢两端有连接

11.6×0.75/0.46=18.9<20     可

一．1#，2#横梁连接处计算

1． 讨论最大受力

当P1=P2=71.93 t 时     MA=71.93 T.M   QA=0

当P1=93.75 t P2=32.73 t 时   

有RX=100.11 t RY=26.37 t

MA=63.24 T.M   QA=93.75-32.73=61.02 t （偏安全）

有MAMAX=71.93  T.M  假定QAMAX=93.75-32.73=61.02 t 

2．构造要求：

    2×90.2=180.4<200 mm可

1.5×90.2=135.3<140 mm可

    3×90.2=270.6<304 mm可

3.销子受弯：

（14.5+32+40）×2=173<5×90=450 mm 

可以不考虑销子受弯而认为强度满足要求。

4．MAMAX和              QAMAX的共同作用

   计算简图见右（图中销子为φ90mm,中心距为304mm）：

有MAMAX=71.93  T.M  QAMAX=61.02 t 则

T=MAMAX/0.304=71.93/0.304=236.61 t

Q= QAMAX/2=61.02/2=30.51 t

销子的面积S=0.25×3.14×902=6361.7  mm2

(1)T的作用下：t=T/S=236.61×104/6361.7=371.93  MPa

<500MPa

(2)Q的作用下：q=Q/S=30.51×104/6361.7=47.96  MPA

<500MPa

(3)合力的作用

5．连接钢板

（1）． 从上图中（1）的位置破坏(架’为内侧的钢板)：

S=200×（14.5+32）×2=18600 mm2

S’=200×40×2=16000mm2

t=T/S=236.61×104/18600=127.21 Mpa < 210MPa

t’=T/S=236.61×104/16000=147.88 Mpa  < 210 MPa

满足要求。

（2）1-1截面上破坏：

I=12×2×406×(560+6)2=3.12×109mm4=3.12×10-3m4

满足要求。

(3).Q的作用

    S=(584-90.2×2)×14.5×2=11704.4mm2

τ=Q/S=61.02×10000/11704.4=52.13Mpa<140MPa

 (4).合力作用

1二.0#横梁连接处计算

1． 讨论最大受力图见下页

  由前面讨论知，有MAMAX=44.×0.65=29.1785 T.M  QAMAX=71.14-18.63=52.51 t 

2．构造要求：

    2×70.5=141<200 mm可

1.5×70.5=105.75≈100 mm可

    3×70.5=211.5<260 mm可

3.销子受弯：

（10+32+40）×2=1<5×70=350 mm 

可以不考虑销子受弯而认为强度满足要求。

4．MAMAX和 QAMAX的共同作用

   计算简图见右（图中销子为φ70mm,中心距为260mm）：

有MAMAX=29.1785  T.M  QAMAX=52.51 t 则T=MAMAX/0.26=29.1785/0.26=112.2251 t

Q= QAMAX/2=52.51/2=26.255 t

销子的面积S=0.25×3.14×702=3848.45  mm2

T的作用下：t=T/S=112.225×104/3848.45=291.61  MPa

<500MPa

Q的作用下：q=Q/S=26.225×104/3848.45=68.22  MPA

<500Mpa

合力的作用5．连接钢板

（1）． 从上图中（1）的位置破坏(架’为内侧的钢板)：

S=200×（10+32）×2=16800 mm2

S’=200×40×2=16000mm2

t=T/S=112.225×104/16800=66.8 Mpa < 210MPa

t’=T/S=112.225×104/16000=70.14 Mpa  < 210 MPa

满足要求。

（2）1-1截面上破坏：

I=14×2×380×(230-7)2=5.29×108mm4=5.29×10-4m4

满足要求。

(3).Q的作用

    S=(460-70.5×2)×10×2=6380mm2

(4).合力作用

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