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9.4×7×2.8和9.2×6.3×2.5两种类型，如下图所示：7009402801.8×1.8墩柱1506401506309202501.8×1.8墩柱140640140150400150140350140平面图平面图立面图立面图?180?160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1.38～1.61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φ450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：设计低潮位-1.384+0.300+3.100设计高潮位+3.576113.9120120160内支撑竖肋水平肋-1.200?180圈梁470470138.6138.6200300200118.6118.619×6015×60内支撑+4.80015×4平面布置图侧面布置图侧壁模板布置图3.2-1设计低潮位-1.384+0.300+3.100设计高潮位+3.576113.9120120160竖肋-1.200+4.80015×4底篮平面布置图悬挂布置图1200960280400280140340240340140工40工14双肢工40100200100千斤顶φ32精轧钢工24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gVAF22111流水式中：F流水——钢吊箱所受的水流作用力，kN；ξ1——挡水形状系数,矩形采用1.3，流线型采用0.75；γ1——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。KNgVAF35.081.9273.00.1103.1222111流水流水压力较小，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，89.66.3/81.92.4/＜dgT，3.6＜2×2.89=5.78，i=1/80＜1/10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=γK1K2H。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=γK1K2H=10×1.29×1.01×2.89＝37.65kN/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=0.45kN/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0.4×0.6m，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=37.65kN/m2平行于短边的每延米板宽上的弯矩Mac=0.0723×37.65×0.42＝0.44kN/m板面抗弯刚度W=bh2/6=1×0.0062/6=6×10-6m3σ=M/W=0.44×103/(6×10-6)=73.33MPa＜[σ]=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=168.90kN，剪力Q=16.755kN。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，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=25.69×10-4m2，I=1272.7×10-8m4，W=141.4×10-6m3，S=83.5×10-6m3，tw=0.007m。σ=N/A+M/W=168.90×103/25.69×10-4+16.2×103/141.4×10-6=65.75+114.57=180.32＜[σ]=210MPa，满足要求；τ=QS/（Itw）=16.755×103×83.5×10-6/（1272.7×10-8×0.007）=15.70＜125MPa，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=47.32kN，剪力Q=9.61kN。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，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=18.51×10-4m2，I=563.7×10-8m4，W=80.5×10-6m3，S=47.5×10-6m3，tw=0.006m。σ=N/A+M/W=47.32×103/18.51×10-4+6.08×103/80.5×10-6=25.56+75.53=101.09＜[σ]=210MPa，满足要求；τ=QS/（Itw）=9.61×103×47.5×10-6/（563.7×10-8×0.006）=13.51＜125MPa，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=250.13kN，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，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=57.66×10-4m2，I=3560.8×10-8m4，W=356.08×10-6m3，S=209.4×10-6m3，tw=0.014m。σ=N/A+M/W=250.13×103/57.66×10-4+37.96×103/356.08×10-6=43.38+106.61=149.99＜[σ]=210MPa，满足要求；τ=QS/（Itw）=94.46×103×209.4×10-6/（3560.8×10-8×0.014）=39.68＜125MPa，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φ450×9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=188.92kN。φ450×9钢管截面参数为：A=124.69×10-4m2，I=30324.87×10-8m4，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=3×1=3m。计算柔度系数λ=l0/ix=3/0.156=19.23根据柔度系数查附表C-2，取ψ=0.972，则受压杆件的整体稳定性如下：N/（Aψ）=188.92×103/（124.69×10-4×0.972）=15.59＜[σ]=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=0kN，剪力Q=74.31kN。轻型工40的截面参数，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=71.44×10-4m2，I=18932×10-8m4，W=946.6×10-6m3，S=540.1×10-6m3，tw=0.008m。σ=N/A+M/W=0+89.47×103/946.6×10-6=94.52＜[σ]=210MPa，满足要求；τ=QS/（Itw）=74.31×103×540.1×10-6/（18932×10-8×0.008）=26.74＜125MPa，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=0kN，剪力Q=131.67kN。轻型双肢工40的截面参数，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=144.88×10-4m2，I=37864×10-8m4，W=1