海上桥梁承台钢吊箱设计计算书

深水高桩承台钢吊箱设计计算书1.工程概述1.1承台概况主线桥66#、70#、79#右幅、80#、81#、85#88#墩均为深水基础高桩承台，材料为C40海工混凝土，封底混凝土为C20。承台底标高为+0.3，承台尺寸为9.472.8和9.26.32.5两种类型，如下图所示：承台构造 图1.11.2水文桥位处于伶仃洋，一个太阳日内出现两次高潮两次低潮，日潮不等现象显著。月内有朔、望大潮和上、下弦小潮，约15天一周期。平均潮差为1.381.61之间，最大流速为0.73m/s。主线桥海上段设计高潮位为+3.576，设计低潮位为-1.384。1.3工程地质上述墩位处在深水区域，海底标高为-2.010-4.600，地层主要为淤泥、亚粘土、粗砂和岩层，详细地质资料详见地勘资料。2.设计依据公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）；建筑结构设计综合手册；公路桥涵施工技术规范钢结构设计规范海港水文规范3.钢吊箱设计3.1承台施工概述承台底面标高高出净水面，且海水较深，拟采用有底钢吊箱施工承台。根据设计文件要求，承台混凝土浇注完毕后，须进行防腐涂装，因此钢吊箱设计时四边尺寸必须要超出承台实际尺寸（现考虑预留1m），为后期涂装留有足够施工空间。承台混凝土浇筑需准备一套模板，混凝土一次浇筑成型，整个钢吊箱只是起围护止水的作用。两种类型承台尺寸接近且其所处的地理水文环境类似，考虑共用同一类型尺寸钢吊箱，按大尺寸承台设计，钢吊箱侧壁模板和底篮总重量为56吨。3.2钢吊箱初步设计承台封底混凝土厚1.5m，侧模板高度为6m，顶口高出设计高潮位1.224m，面板采用6mm钢板，竖肋采用槽18a，按0.6m间距布置，水平肋采用槽14a，按0.4m间距布置，圈梁采用双肢槽20a。只在模板顶口布置一层内支撑，材料选取450钢管。底篮采用型钢模板和“井”字型承重工钢梁作为封底混凝土浇筑时的主要受力构件。布置图如下所示：侧壁模板布置 图3.2-1底篮布置 图3.2-23.3钢吊箱侧壁模板设计验算3.3.1最不利工况 侧壁模板主要是起围护止水的作用，当封底混凝土达到强度并抽水完成时，钢吊箱内外水头差最大，为最不利工况。3.3.2荷载计算侧壁模板承受水平向荷载，按照设计规范，水平力=静水压力+流水压力+波浪力+其它。 (1)净水压力 净水压力呈线性分布作用在侧壁模板上，设计高潮位其值为0，最大水压从封底混凝土顶面考虑，F净水=（3.576-0.300）10=32.76kN/m2。(2)流水压力 式中：F流水钢吊箱所受的水流作用力，kN；1挡水形状系数,矩形采用1.3，流线型采用0.75；1水的容重，10kN/m3； A钢吊箱入水部分在垂直于水流方向上的平面投影，取1m2计算。 V水的流速，按照广深桥梁设计文件说明，V=0.73m/s； g重力加速度，g=9.81m/s2。 流水压力较小，为简化计算，按等代均布荷载在设计高潮位范围内布置。(3)波浪力根据广深桥梁设计文件说明，互通海上段(1号计算点位)50年一遇波浪参数如下： 频率F：H1%波高H：2.89m周期T：4.2s波长L：20.7m平均水深d：3.60m海底坡度i：1/80（读海底地形图参数）首先考虑波浪类型，模板按直墙考虑，底部基础看做暗基床，3.622.89=5.78，i=1/801/10根据海港水文规范的规定，波浪属于远破波。波浪力计算简图如下：波浪力计算图 图3.3-1从图中可以看出，波峰处波浪力为0，在净水面波浪力最大，Ps=K1K2H。K1和K2根据规范查表分别取1.29和1.01，代入公式计算得：Ps=K1K2H=101.291.012.8937.65 kN/m2 此处考虑净水面为标高+0.300的位置，以下高度为封底混凝土，忽略波浪力的作用效应。因此波浪力按照线性变化布置在侧壁模板上。(4)其它力 其它力主要考虑风荷载的作用，查设计规范，深圳沿海基本风压为F风=0.45 kN/m2，作用在设计高潮位标高以上的侧壁模板上。3.3.3面板验算面板厚度6mm，尺寸为0.40.6m，按照四边简支板模型计算，选取封底混凝土顶部最大荷载组合进行验算。0.4/0.6=0.67，查建筑结构设计综合手册表3.8.1，弯矩系数取0.0723，F净水+ F流水=32.76+0.35=33.11 F波浪力=37.65因此面板上的均布压力取波浪力，q=37.65 kN/m2平行于短边的每延米板宽上的弯矩Mac=0.072337.650.420.44 kN/m板面抗弯刚度W=bh2/6=10.0062/6=610-6m3 =M/W=0.44103/(610-6)=73.33MPa=145Mpa 满足要求3.3.4竖肋和横肋验算 在钢吊箱布置图中，长边侧壁模板跨度最大，受力最不利，因此按照其结构形式建立单块模板模型进行受力分析，计算软件采用SAP2000。模型如下图所示计算模型 图3.3-2模板不利工况有两种可能，一种是最高潮位产生的净水压力和流水压力、风荷载的叠加，另一种是波浪力和风荷载的叠加。工况一：净水压力+流水压力+风荷载工况二：波浪力 +风荷载在SAP2000中对钢面板施加上述荷载并按照这两种工况定义相应的荷载组合，运行软件分析计算，杆件的跨度比较大，主要内力是杆件的弯矩，如下图所示：内力结果 图3.3-3从上图可以看出圈梁、竖肋和水平肋产生最大弯矩的位置。通过比较两种工况，相同位置工况二产生的内力明显大于工况一，因此以工况二作为基本内力组合，为分别选取最大弯矩杆件进行受力分析验算。（1）竖肋竖肋最大弯矩发生在侧壁模板的跨中位置，从软件计算结果上读出杆件的内力，如图：最大弯矩为M=16.20kN.m，相应的轴力N=168.90 kN，剪力Q=16.755 kN。因竖肋和面板焊接，可以忽略构件的失稳，只考虑构件的强度要求。竖肋材料为槽18a，=210MPa，=125 MPa ，A=25.6910-4m2，I=1272.710-8m4，W=141.410-6m3，S=83.510-6 m3，tw=0.007m。 =N/A+M/ W=168.90103/25.6910-4+16.2103/141.410-6=65.75+114.57=180.32=210MPa，满足要求； =QS/（Itw）=16.75510383.510-6 /（1272.710-80.007）=15.70125 MPa，满足要求。（2）水平肋水平肋最大弯矩发生在侧壁模板的跨中接近顶部支撑点的位置，从软件计算结果上读出杆件的内力，如图：最大弯矩为M=6.08kN.m，相应的轴力N=47.32 kN，剪力Q=9.61 kN。因水平肋和面板焊接，可以忽略构件的失稳，只考虑构件的强度要求。水平肋材料为槽14a，=210MPa，=125 MPa ，A=18.5110-4m2，I=563.710-8m4，W=80.510-6m3，S=47.510-6 m3，tw=0.006m。 =N/A+M/ W=47.32103/18.5110-4+6.08103/80.510-6=25.56+75.53=101.09=210MPa，满足要求； =QS/（Itw）=9.6110347.510-6 /（563.710-80.006）=13.51125 MPa，满足要求。（3）圈梁圈梁最大弯矩发生在侧壁模板的跨中顶部支撑点的位置，从软件计算结果上读出杆件的内力，如图：最大弯矩为M=37.96kN.m，相应的轴力N=250.13 kN，剪力Q=94.46kN。因圈梁和每根竖肋都焊接，可以忽略构件的失稳，只考虑构件的强度要求。圈梁材料为双肢槽20a，=210MPa，=125 MPa ，A=57.6610-4m2，I=3560.810-8m4，W=356.0810-6m3，S=209.410-6 m3，tw=0.014m。=N/A+M/ W=250.13103/57.6610-4+37.96103/356.0810-6=43.38+106.61=149.99=210MPa，满足要求； =QS/（Itw）=94.46103209.410-6 /（3560.810-80.014）=39.68125 MPa，满足要求。3.4内支撑设计验算在钢吊箱布置图中，只顶口布置一层内支撑，材料为4509钢管，长边侧壁模板只在跨中布置一道内支撑，受力最不利，选取它进行受力计算。根据软件计算结果，支撑处支点反力F=188.92 kN。4509钢管截面参数为：A=124.6910-4m2，I=30324.8710-8m4，ix=0.156m。承受轴向压力，按照压杆稳定计算，杆件的长度为3m，按照设计规范，长度系数取u0=1.0，则计算长度l0=u0l=31=3m。计算柔度系数= l0/ ix=3/0.156=19.23根据柔度系数查附表C-2，取=0.972，则受压杆件的整体稳定性如下： N/（A）=188.92103/（124.6910-40.972）=15.59=210MPa，满足要求。3.5底篮计验算底篮采用轻型工45作为主要承重梁，按受力情况布置成单根和双肢截面，工14做分配梁，分配梁间距均为0.5m，在分配梁顶部铺设6mm钢板。3.5.1最不利工况底篮主要承受封底混凝土的重量，当处在最低设计潮位时，底篮不承受水的浮力作用，此时浇筑封底混凝土为最不利工况，荷载=封底混凝土重量+侧壁模板重量+构件自重。3.5.2底篮计算结果用计算软件SAP2000建立底篮整体模型，吊点按照支座处理，施加最不利工况下的各种荷载并进行荷载组合，计算结果如下：弯矩图 图3.5-1轴力图 图3.5-2剪力图 图3.5-33.5.3底篮承重梁验算 （1）杆件1验算杆件1为单根工40，选取内力最大的单元杆件，内力结果如图所示：最大弯矩为M=89.47kN.m，相应的轴力N=0 kN，剪力Q=74.31 kN。轻型工40的截面参数，=210MPa，=125 MPa ，A=71.4410-4m2，I=1893210-8m4，W=946.610-6m3，S=540.110-6 m3，tw=0.008m。=N/A+M/W=0+89.47103/946.610-6=94.52=210MPa，满足要求；=QS/（Itw）=74.31103540.110-6 /（1893210-80.008）=26.74125 MPa，满足要求。（2）杆件2验算杆件2为双肢工40，选取内力最大的单元杆件，内力结果如图所示：最大弯矩为M=95.39kN.m，相应的轴力N=0 kN，剪力Q=131.67 kN。轻型双肢工40的截面参数，=210MPa，=125 MPa ，A=144.8810-4m2，I=3786410-8m4，W=1893.210-6m3，S=1080.210-6 m3，tw=0.016m。=N/A+M/W=0+95.39103/1893.210-6=50.39=210MPa，满足要求；=QS/（Itw）=131.671031080.210-6 /（3786410-80.016）=23.48125 MPa，满足要求。（3）杆件3验算杆件3为双肢工40，选取内力最大的单元杆件，内力结果如图所示：最大弯矩为M=183.74kN.m，相应的轴力N=0 kN，剪力Q=141.27 kN。轻型双肢工40的截面参数，=210MPa，=125 MPa ，A=144.8810-4m2，I=3786410-8m4，W=1893.210-6m3，S=1080.210-6 m3，tw=0.016m。=N/A+M/W=0+183.74103/1893.210-6=97.05=210MPa，满足要求；=QS/（Itw）=141.271031080.210-6 /（3786410-80.016）=25.19125 MPa，满足要求。（4）杆件4验算杆件4为双肢工40，选取内力最大的单元杆件，内力结果如图所示：最大弯矩为M=337.13kN.m，相应的轴力N=0 kN，剪力Q=227.56 kN。轻型双肢工40的截面参数，=210MPa，=125 MPa ，A=144.8810-4m2，I=3786410-8m4，W=1893.210-6m3，S=1080.210-6 m3，tw=0.016m。=N/A+M/W=0+337.13103/1893.210-6=178.07=210MPa，满足要求；=QS/（Itw）=227.561031080.210-6 /（3786410-80.016）=40.58125 MPa，满足要求。（5）杆件4验算杆件5为双肢工40，选取内力最大的单元杆件，内力结果如图所示：最大弯矩为M=234.12kN.m，相应的轴力N=0 kN，剪力Q=88.59 kN。轻型双肢工40的截面参数，=210MPa，=125 MPa ，A=144.8810-4m2，I=3786410-8m4，W=1893.210-6m3，S=1080.210-6 m3，tw=0.016m。=N/A+M/W=0+337.13103/1893.210-6=123.66=210MPa，满足要求；=QS/（Itw）=227.561031080.210-6 /（3786410-80.016）=15.80125 MPa，满足要求。3.5.4底篮分配梁验算底篮热轧轻型工14分配梁间距均为0.5m，其中最大跨径为2.4m，对其进行受力分析。分配梁荷载为封底混凝土重量及其构件自重，杆件每延米均布力q1=241.50.5=18kN/m，自重q2=0.14kN/m，按简支梁进行计算，M=ql2/8=(18+0.14)2.42/8=13.06 kN.mQ= ql/2=(18+0.14)2.4/2=21.77 kN普通工12的截面参数，=210MPa，=125 MPa ，I=57210-8m4，W=81.710-6m3，S=46.810-6 m3，tw=0.0049m。=M/W=13.06103/81.710-6=159.85=210MPa，满足要求；=QS/（Itw）=21.7710346.810-6 /（57210-80.0049）=36.35125 MPa，满足要求。3.6悬挂设计验算钢吊箱悬挂系统由桩顶双肢H500200914扁担梁、32精轧螺纹钢和千斤顶组成，作为钢吊箱下沉和浇筑封底混凝土的受力构件。当在设计低潮位浇筑封底混凝土时，悬挂系统处在最不利受力状况，竖向力=封底混凝土重量+钢吊箱重量。竖向力由12根32精轧螺纹钢承担，根据上一步底篮计算结果，支点反力如图所示：支点反力图 图3.6-1由图可知，平行长边方向外侧两排支点反力最大，支点反力均为F=499 KN, 平行长边方向内侧两排支点反力最小，均为F=276 KN,。32精轧螺纹钢容许应力为800MPa，则可承受最大轴向力N=3.140.0322/4800106 =643KNF=499 KN,满足螺纹钢受力要求。扁担梁为悬挑受力构件，悬臂长1m，疏略自重，则内力M=Fl=4991=499 kN.mQ=N=499kN双肢H500200914截面参数，=210MPa，=125 MPa ，I=8380010-8m4，W=338010-6m3，S=205410-6 m3，tw=0.018m。=M/W=499103/338010-6=147.63=210MPa，满足要求；=QS/（Itw）=499103205410-6 /（8380010-80.018）=67.95125 MPa，满足要求。3.7封底混凝土设计验算3.7.1最不利工况封底混凝土厚度1.5m，主要承受竖向力，不利工况主要有两种情况：工况一：封底混凝土抽水后外部水面达到设计高潮位，F1=浮力+封底混凝土自重+钢吊箱自重；工况二：承台混凝土浇筑后外部水面处在设计低潮位，F2=承台自重+封底混凝土自重+钢吊箱自重；3.7.2荷载计算 （1）浮力封底混凝土底标高为-1.2，设计高潮位为+3.576，钢吊箱内部尺寸为11.49，则排开水的体积为： V=(3.576+1.2) 11.49 =490.02m3水的容重取10KN/ m3，则 f=490.0210=4900.2 KN（2）混凝土重量根据3.6节计算，封底混凝土重量G1=90.041.524=3241.44kN承台净体积V=(9.47-3.14124)2.8 =149.07m3混凝土的容重取25KN/ m3，则 G2=149.0725=3726.8 KN（3）钢吊箱重量钢吊箱重量G2=550kN。3.7.3封底混凝土强度验算封底混凝土简化成嵌固在钢护筒上角点简支板计算，板的尺寸为6.44，查表，取板的弯矩系数为0.1202。当工况一时，板上均布荷载q=4.57610-241.5=9.76 KN/ m2,取单位板宽验算，M= 10.12029.766.42=48.05kN.m=M/W=48.05103/(11.52/6) =0.13=1.06MPa，满足要求；当工况二时，板上均布荷载q=252.8+241.5=106KN/m2,取单位板宽验算，M= 10.12021066.42=521.88kN.m=M/W=521.88103/(11.52/6) =1.39=1.06MPa，满足要求；3.7.4封底混凝土摩擦力验算钢护筒与封底混凝土接触面积S=3.1421.54=37.68 m2取单位面积摩擦力为150KN，则 F=37.68150=5652 KN工况一时，摩擦力/(浮力+封底混凝土重力+钢吊箱重力)=5652/（4900.2-3241.44-550）=5.11，满足要求；工况二时，摩擦力/（承台重力+封底混凝土重力+钢吊箱重力）=5652/（3726.8+3241.44+550）=0.751，不满足要求；由计算可知，单纯靠封底混凝土与钢护筒的摩擦力不足以满足施工要求，因此必须采取措施，在钢护筒上封底混凝土厚度范围内焊接抗剪钢筋或型钢，加大混凝土受力面积。构件受力主要靠焊缝传递，因此只需计算焊缝长度，焊缝类型为角焊缝。 N=（3726.8+3241.44+550-5652=1866.24KN取焊缝高度为6mm,则根据钢结构设计规范， Lw=N/(0.7hffwf) =1866.24103/(0.70.006160106) =2.78m在四个钢护筒上焊接构件焊缝长度累计达到2.78m即可满足施工要求。4.结论综合上述，钢吊箱设计计算符合设计要求。