钢吊箱设计计算书.doc

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1、 钢吊箱设计计算书一、工程概述1.1承台概况罗屿大桥9#20#墩均为深水基础高桩承台，材料为C40海工混凝土，为封底混凝土C20。承台顶标高为-2.000m，承台底标高为-4.5m，承台尺寸为6.25m20.7m。1.2水文罗屿特大桥下部构造位于海水中受潮差影响，平均高潮水位 2.92m、平均低潮水位-2.19m，平均潮位4.11m。1.3工程地质上述墩位处在深水区域，海底标高为-19.500-4.300，地层按其时代、成因、岩性、风化程度及工程特性，由上而下依次为：第四系海积层（Q4cm）、第四系残积层（Q4el）；下伏基岩为燕山晚期侵入花岗岩（53）及其风化层；表层为素填土（Q4me）。料

2、详见地勘资料。二、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三、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。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8m，顶口高出设计平均高位1.28m，面板采用6mm钢板，竖肋采用槽18a，按0

3、.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：3.3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=（4.11-（-4.5

4、00）10=86.1kN/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，按照桥梁设计文件说明，退潮流速较涨潮流速大，为V=1.029m/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)波浪力根据桥梁设计文件说明，50年一遇波浪参数如下： 频率F：H1%波高H：6.5m周期T：4.9s平均水深d：5.0m首先考虑波浪类型，模板按直墙考虑，底部基础看做暗基床，5

5、.026.5=13，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：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=101.291.016.584.69 kN/m2 此处考虑净水面为标高-4.500m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，莆田沿海基本风压为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8mm

6、，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=86.1=86.8 F波浪力=84.69因此面板上的均布压力取净水压力q=86.1kN/m2平行于短边的每延米板宽上的弯矩Mac=0.072386.10.420.996kN/m板面抗弯刚度W=bh2/6=10.0082/6=10.6710-6m3 =M/W=0.996103/(10.6710-6)=93.35MPa=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。

7、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=86.1+0.7+0.45=87.25工况二：波浪力 +风荷载=84.69+0.45=85.14通过比较两种工况，相同位置工况一产生的内力明显大于工况二，因此以工况一作为基本内力组合，为分别选取最大弯矩杆件进行受力分析验算。1、 竖肋竖肋材料为2工16，=145MPa，=85 MPa ，A=26.1110-4m2，I=112710-8m4，W=140.910-6m3，S=80.810-6 m3，tw=0.0099m。 1）计算模式：2工16竖肋横向间距

8、1.0m。围堰内的2工25围囹间距为2.9m，因此计算跨径为2.9m，取最不利底部跨（一端固定、一端简支梁）进行验算： 2）荷载：q1=（4.11-（-1.600）10+0.45=57.55KN/mq2=（4.11-（-4.500）10+0.45=86.55KN/m 3）验算（1） 强度验算： 查“路桥施工计算手册”得： Mmax=9q1L2/128+0.02989（q2-q1）L2=41.32KN.m =Mmax/W=41.32106/(40.9*2103) =146.6Mpa1.3=1.3*145=188.5Mpa满足要求； （2）刚度验算： 查“路桥施工计算手册”得：=0.00542q1

9、L4/（EI）+0.00239（q2-q1）L4/（EI） =0.00542*57.552.941012/(2.11051127*2104) +0.00239*（86.55-57.55）2.941012/(2.11051127*2104) =5.7mm=L/400=7.25mm 满足要求; （3）抗剪验算： 查“路桥施工计算手册”得：Qmax=5q1L/8+2(q2-q1）L/5 =557.552.9/8+2*(86.55-57.55）*2.9/5=137.95KN =Q/A=137.95103/(26.11*2102) =26.4Mpa=85Mpa 满足要求。2、水平肋水平肋材料为14a，=

10、210MPa，=125 MPa ，A=18.5110-4m2，I=563.710-8m4，W=80.510-6m3，S=47.510-6 m3，tw=0.006m。 1）计算模式：14水平竖向间距0.6m。由于竖肋间距为1.0m，因此计算跨径为1.0m，取最不利底部跨（量端固定）进行验算： 2）荷载：q=（4.11-（-4.500）10*0.6+0.45*.6=51.90KN/m （1）强度验算： 查“路桥施工计算手册”得： Mmax=-qL2/12=-51.9*12/12=4.33KN.m =Mmax/W=4.33106/(80.5103) =53.8Mpa=145Mpa满足要求； （2）刚

11、度验算： 查“路桥施工计算手册”得：=qL4/（384EI） =51.9141012/(384*2.1105563.7104) =0.1mm=L/400=2.5mm 满足要求; （3）抗剪验算： 查“路桥施工计算手册”得：Qmax=qL/2=51.91/2=25.95KN =Q/A=25.95103/（18.51102) =14.0Mpa=85Mpa 满足要求。 3.4 圈梁 圈梁材料为双肢工25，=210MPa，=125 MPa ，A=48.5110-4m2，I=501710-8m4，W=401.410-6m3，S=230.710-6 m3，tw=0.013m，ix=10.17cm。 由于圈

12、梁的作用是用于保证整个吊箱的整体性，受力很小，但必须选择较大型号的型钢；故不予验算。 3.5 内围囹及支撑设计验算在钢吊箱布置图中，在标高+1.300m及-1.600m处各布置一层内围囹及内支撑，材料均为2工25，=210MPa，=125 MPa ，A=48.5110-4m2，I=501710-8m4，W=401.410-6m3，S=230.710-6 m3，tw=0.013m。长边侧壁模板在1/3跨处对称布置二道内支撑（跨径7.5m），标高-1.600m处围囹受力最不利，选取它进行受力计算。 1）计算模式：围囹竖向间距2.9m。由于支撑梁间距7.5m，加上斜撑，形成计算跨径为3*2.5m，取

13、最不标高-1.600m处围囹按三等跨连续梁进行验算： 2）荷载：q=（4.11-（-1.600）10*2.9+0.45*2.9=166.90KN/m3）验算3.5.1 围囹（2工25）验算 （1）强度验算： 查“路桥施工计算手册”得： Mmax=-0.100qL2=-0.10*166.9*2.52=104.3KN.m =Mmax/W=104.3106/(401.4*2103) 122.9Mpa=145Mpa满足要求； （2）刚度验算： 查“路桥施工计算手册”得：=0.677qL4/（100EI） =0.677*166.92.541012/(100*2.11055017*2104) =2.1mm

14、=L/400=6.25mm 满足要求; （3）抗剪验算： 查“路桥施工计算手册”得：Qmax=1.100qL=1.1*166.92.5=458.98KN =Q/A=458.98103/（48.51*2102) =47.3Mpa=85Mpa 满足要求。3.5.2 支撑梁（2工25）验算根据以上计算得：支撑处支点反力F=458.98 kN。承受轴向压力，按照压杆稳定计算，杆件的长度为8m，按照设计规范，长度系数取u0=1.0，则计算长度l0=u0l=31=8m。计算柔度系数= l0/ ix=8/0.1017=78.66根据柔度系数查附表C-2，取=0.659，则受压杆件的整体稳定性如下： N/（A

15、）=458.98103/（48.51*21020.659） =71.8MPa=140MPa，满足要求。3.5.3 斜撑梁（2工25）验算根据以上计算得：斜撑梁处支点反力F=458.98*1.414=649.0 kN。承受轴向压力，按照压杆稳定计算，杆件的长度为3.5m，按照设计规范，长度系数取u0=1.0，则计算长度l0=u0l=313.5m。计算柔度系数= l0/ ix=3.5/0.1017=34.91根据柔度系数查附表C-2，取=0.889，则受压杆件的整体稳定性如下： N/（A）=458.98103/（48.51*21020.889） =53.2MPa=140MPa，满足要求。 3.6

16、底篮设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12做分配梁，分配梁间距均为0.5m，在分配梁顶部铺设6mm钢板。 3.6.1 底篮分配梁验算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。底篮热轧轻型工16分配梁间距均为0.5m，其中最大跨径为2.15m，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)2.152/

17、8=10.48kN.mQ= ql/2=(18+0.14)2.15/2=19.50kN普通工16的截面参数，=145MPa，=85 MPa ，I=112710-8m4，W=140.910-6m3，S=80.810-6 m3，tw=0.0099m。=M/W=10.48103/140.910-6=74.38=145MPa，满足要求；=QS/（Itw）=19.510380.810-6 /（112710-80.0099） =14.185 MPa，满足要求。 3.6.2底篮承重工45横梁验算工45的截面参数，=145MPa，=85 MPa ，A=102.410-4m2，I=3224110-8m4，W=14

18、32.910-6m3，S=836.410-6 m3，tw=0.018m。1） 计算模式：底篮工45横梁最大跨径4.445m。共布设4根，简化为以下二等跨受力模式： 2）荷载：q=24*8.25/2*1.5+46*0.14*9/2/22.7+2*0.8038=151.38kN/mP1=151.38*2.5=378.45kNP2=151.38*（2.5+1）=529.83kN3）验算 （1）强度验算： 查“路桥施工计算手册”得： Mmax=-0.125qL2=-0.125*151.38*4.4452=373.87KN.m =Mmax/W=373.87106/(1432.9*2103)=130.5M

19、pa=145Mpa满足要求； （2）刚度验算： 查“路桥施工计算手册”得：=0.521qL4/（100EI） =0.521*151.384.44541012/(100*2.110532241*2104) =2.3mm=L/400=11.12mm 满足要求; （3）抗剪验算： 查“路桥施工计算手册”得：Qmax=1.25qL+P1=1.25*151.384.445+378.45=1219.56KN =Q/A=1219.56103/（102.4*2102) =59.5Mpa=85Mpa 满足要求。 3.6.3底篮承重2工32纵梁验算工32的截面参数，=210MPa，=125 MPa ，A=67.1

20、210-4m2，I=1108010-8m4，W=692.510-6m3，S=400.510-6 m3，tw=0.015m。2） 计算模式：底篮2工32纵梁最大跨径3.6m。共布设6道，简化为以下受力模式： 2）荷载：q=24*9.1*1.5+46*0.14*9/2/8.25+4*0.5269=333.22kN/mP=333.22*0.9=299.90kN3）验算 （1）强度验算： 查“路桥施工计算手册”得： MA=-qL2/2=-333.22*1.4252/2=-338.32KN.m M中2=333.22*3.6*2.925*（1-1.425/2.925）*(1+2*1.425/3.6)-2.

21、925/3.6)/2 =186.17KN.m Mmax=-338.32KN.m =Mmax/W=338.32106/(692.5*4103)=122.1Mpa=145Mpa满足要求； （2）刚度验算： 查“路桥施工计算手册”得：=qL4（5-24a2/L2)/（384EI） =333.223.64（5-24*1.4252/3.62)1012/(384*2.110511080*4104) =1.9mm=L/400=9.0mm 满足要求; （3）抗剪验算： 查“路桥施工计算手册”得：Qmax=qL(a+L/2)/2+P=333.223.6*(1.425+3.6/2)/2+299.9=2234.24

22、KN =Q/A=2234.24103/（67.12*4102) =83.2Mpa=85Mpa 满足要求。 3.7悬挂设计验算钢吊箱悬挂系统由桩顶双肢工56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。吊箱下沉到位后支撑在2【20倒挂牛腿兼抗浮压杆的牛腿上，当在设计低潮位浇筑封底混凝土时，2【20倒挂牛腿处在最不利受力状况，竖向力=封底混凝土重量+钢吊箱重量。3.7.2 2【22b倒挂牛腿验算【22b的截面参数，=1.3*145=188.5MPa，=85 MPa ，A=36.2410-4m2，I=2571.310-8m4，W=233.810-6m3，S=139.7

23、10-6 m3，tw=0.0115m。由上计算可知：2【20倒挂牛腿最大反力为F=2234.24/2=1117.12KN。2【20倒挂牛腿可承受最大轴向力N=2*36.2418.85=1336.25NF=1117.12KN,满足型钢受力要求。3.7.2 倒挂牛腿焊缝验算 （1）倒挂牛腿支撑处焊缝受剪验算 N=1117.12KN 焊缝长度 Lm=0.5m （共4道 ）， 焊缝厚度 hf=0.005m=N/ Lwhf=1117.12/(（0.5*4+0.22*2）0.005) =91.6 Mpaff=120 Mpa符合要求。 （2）倒挂牛腿桩顶支撑处焊缝受剪验算 N=1117.12KN 与钢护筒焊

24、缝长度 Lm=0.2m （共2道 ），与2【22加固横梁接触竖向焊缝长度 Lm=0.22m （共4道 ）， 与2【22加固横梁接触横向焊缝长度 Lm=0.22m （共2道 ）， 焊缝厚度 hf=0.005m=N/ Lwhf=1117.12/(（0.2*4+0.22*4+0.22*2）0.005) =105.4 Mpaff=120 Mpa符合要求。 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，不利工况如为：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；3.7.2荷载计算 （1）浮力封底混凝土底标高为-4.5，设计高潮位为+

25、4.11，钢吊箱内部尺寸为22.7*8.25，则排开水的体积为： V=(4.11+4.5) 22.78.25 =1612.44m3水的容重取10KN/ m3，则 f=1612.4410=16124.4 KN（2）混凝土重量封底混凝土重量G1=22.7*8.25*1.524=6741.9kN承台净体积V=(6.25*2.5*3+6.6*2.5*2-3.14126)2.5 =152.59m3混凝土的容重取25KN/ m3，则 G2=152.5925=3814.7 KN（3）钢吊箱重量钢吊箱重量G2=2658kN。3.7.3封底混凝土摩擦力验算钢护筒与封底混凝土接触面积S=3.1421.56=56.52 m2取单位面积摩擦力为150KN，则 F=56.52150=8478KN摩擦力/(浮力-封底混凝土重力-钢吊箱重力) =8478/（16124.4-6741.9-2658）=1.261，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安全系数不大，需在钢护筒上封底混凝土厚度以上外露15cm桩头范围将抗浮压杆与钢护筒焊接，抵抗浮力。实际上，每个钢护筒上封底混凝土厚度以上外露长度为15cm，有四道焊缝，则每个钢护筒处的焊缝长度为15*4=60cm，显然在保证焊缝质量的前提下是满足要求的。四、结论综合上述，钢吊箱设计计算符合设计要求。