某大桥钢围堰计算有图及计算过程secret.docx
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某大桥钢围堰计算有图及计算过程secret
XXXX大桥
双壁钢围堰计算单
一、基本资料
1、设计潮水水位按+7.85m考虑,实际+8.5m,钢围堰顶标高按+9.0m设计,承台底标高-3.222m,围堰底标高-7.222m,最大水头差15.7m。
2、围堰竖向布置
施工水位:
+6.08m,设计高潮位:
+7.85m,根据实际调查取8.5m计算。
综合拟定:
围堰顶标高:
+9.0m,承台底标高:
-3.222m,假定封底砼的厚度为4.0m,则:
围堰底标高:
-7.222m,故围堰的总高度为:
9.0+7.222=16.222m
3、围堰的壁厚及结构布置
围堰壁厚1.4m。
围堰抽水后水头差+8.5+7.22=15.72m。
围堰结构见下图。
二、荷载及计算工况
(一)荷载分类
围堰主要受到水的浮力、水的侧压力、土侧压力等荷载作用。
(二)各工况荷载分析
工况1,围堰下沉。
工况2,围堰抽水。
三、封底砼的计算
围堰水下封底后,施工抽水时,封底砼需承受基底的向上浮力,初拟封底砼标号为C30,其容重γ砼=24KN/m2,厚度为4m,施工时对围堰清理保证封底混凝土有效厚度4,取4m混凝土计算。
1、混凝土设计强度值
水下C30混凝土按照C25取其设计值,根据《铁路桥涵混凝土和砌体结构设计规范》(T10002.4-99)中表3.0.3混凝土的容许弯拉允许应力[σ]=0.50(MPa),简切应力〔τc〕=0.99(MPa)。
2、封底混凝土所受荷载
q=γ水h水-γ砼h砼
=10×15.72-24×4
=61.2KN/m2
3、按照周边固结单向板计算
Mx=0.0833qlx2
=0.0833×61.2×14.82
=1116.7KN·m
取单宽进行验算:
Wx=1/6bh2=1/6×1×342=2.67(m3)
σmax=Mx/Wx=1116.7/2.67=418.8Kpa=0.419MPa<[σ]=0.5MPa,满足规范要求。
4、周边剪切计算
直边受剪面:
A=(22+22)×4=176m2
两圆弧段受剪面:
F=3.14×7.1×2×4=185.89m2
单宽直边剪力:
Q=22×14.2×61.2=19926.7KN。
单宽直边剪应力:
τ=Q/A=19926.7/176=113KN/m=0.113Mpa<[τ]=0.99Mpa
两圆弧段剪应力比直线段剪应力小故不验算。
四、钢围堰下沉计算
1、围堰自重
1)、首节下沉重量
根据初步计算及估算,围堰自重钢结构重6000KN(16.3m),首节高10.3m总重3600KN。
加强立柱填充混凝土112m3,重2693KN。
首节围堰下沉共重6293KN。
2)、下沉到位时重量
Q=6000+2693=8693KN。
2、分节下沉计算
首节下沉时,保证围堰顶标高在+8.5m,满足围堰顶不备大潮淹没且便于接高围堰焊接。
48#墩河床最低为-1.05m,围堰浮力最大按此种情况进行下沉计算。
1)48#墩首节下沉计算
首节围堰下沉至河床(-1.05m)时顶标高+9.25m;施工水位按6.0m考虑,浮力计算高度为7.05m。
浮力F浮=γ·V1=10×(22.1×1.4×2)×7.05+10×3.14×(8.82-7.42)×7.05=9383KN
自重Q1=6293KN
比较得知:
F浮>Q1故需在井壁内填混凝土保证围堰下沉。
围堰壁内体积V=116m3/m,填充混凝土重Qh=2788KN/m,填充2.5m(扣除刃角后相当于2m高)混凝土,总重为Q1’=6293+2788×2=11869KN。
取土层2
(2)粉土,灰色,潮湿,稍密;土层2(3)粉砂,灰色,饱和,稍~中密,极限摩阻力12~25KPa。
围堰下沉计算表见表1。
表1围堰下沉表
序号
土层编号
土层名称
土的极限摩阻力
48#墩
地质资料
下限(Kpa)
上限(Kpa)
土层厚度
下沉最小摩阻力KN
下沉最大摩阻力KN
1
(2)2
粉土,灰色,潮湿,稍密
12
25
0.71
416
866
(2)-2粉土饱和σo=100KPa
2
(2)3
粉砂,灰色,饱和,稍~中密
12
25
5.48
2091
4355
(2)-3粉砂饱和σo=100KPa
A、当围堰下沉到第一层土(土层编号
(2)2)底时。
围堰入土0.71m。
取最小摩阻力时:
取最大摩阻力时:
故井壁填充2m混凝土后适当掏空刃角及可下沉。
2)48#墩下沉到位计算
首节围堰下沉至河床(-7.222m)时顶标高+9m;最高水位按8.5m考虑,浮力计算高度为15.722m。
浮力F浮=γ·V1=10×(22.1×1.4×2)×15.722+10×3.14×(8.82-7.42)×15.722=20516.4KN
自重Q=8693KN,填充混凝土N=2788×7.5=20910KN,其余井壁加水至标高+2.5m,则加水N水=116×10×(2.5-(-4.722))=8377KN
取最小摩阻力时:
取最大摩阻力时:
3)、下沉稳定系数计算
当按最小摩阻力Tmin=2091计算时,刃角极限支反力Rb=96×0.2×200=3840KN,下沉稳定系数Kst,s=0.91满足规范要求。
3、围堰抽水计算
围堰抽水后,总浮力为:
F浮=603×15.722×10=94804KN。
围堰总重:
G=6293+20910+8377+472×4×24=80892KN<94804KN,
因此需将围堰井壁内充水换成井壁填充混凝土,填充高度8m,填充混凝土1310m3。
隔舱填充混凝土190m3,封底混凝土2400m3,则其抗浮稳定系数为:
K=G/F浮
=(6293+1310×24+190×24+2400×24)/94804
=1.05
五、围堰侧壁计算
(一)、荷载
1、水压力
由于井壁下部2.5m高的范围内填充了混凝土,且内侧进行封底,故此范围内不进行计算。
计算时将所有外荷载经面板传递至井壁桁架进行整体计算,荷载按两桁架间中心距进行分配。
第一层桁架计算至-4.5m高,静水压
P外水=H×10=13×10=130KN/m.
2、潮水压力
P潮水=30KN/m.均布
3、流水压力
根据《公路桥涵设计通用规范》:
取单位宽度的水流力:
=
=3.66KN/m
4、主动土压力
均在水位以下,水下内摩擦角取φ=38,故
=tg(45°-φ/2)×tg(45°-φ/2)×(18-10)×(-1.05-(-4.5))
=6.6KN/m
5、被动土压力
=tg(45°+φ/2)×tg(45°+φ/2)×(18-10)×(-1.05-(-4.5))
=116KN/m
(二)、围堰荷载组合
围堰静荷载为围堰外侧所受的土压力、水静压力及围堰内壁的水压力,组合为围堰外侧和内侧荷载。
可变荷载为流水压力及潮水压力。
计算时分别进行组合计算。
桁架编号
围堰外侧水压
主动土压力
围堰外侧静荷载
流水压
流水荷载
潮水
可变荷载小计
最大
最小
平均
最大
最小
平均
KN
最大
最小
平均
KN
KN
KN
1
130
124
127.0
6.6
5.5
6.0
133.0
0
0
0.0
0.0
0.0
2
124
118
121.0
5.5
4.3
4.9
125.9
0
0
0.0
0.0
0.0
3
118
112
115.0
4.3
3.2
3.7
118.7
0
0
0.0
0.0
0.0
4
112
106
109.0
3.2
2.0
2.6
111.6
0
0
0.0
0.0
0.0
5
106
100
103.0
2.0
0.9
1.4
104.4
0
0
0.0
0.0
0.0
6
100
94
97.0
0.9
0.0
0.4
97.4
0.0
0.1
0.1
0.0
0.0
7
94
88
91.0
0.0
0.0
0.0
91.0
0.1
0.3
0.2
0.1
0.1
8
88
82
85.0
0.0
0.0
0.0
85.0
0.3
0.6
0.4
0.3
0.3
9
82
76
79.0
0.0
0.0
0.0
79.0
0.6
0.8
0.7
0.4
0.4
10
76
70
73.0
0.0
0.0
0.0
73.0
0.8
1.0
0.9
0.5
0.5
11
70
64
67.0
0.0
0.0
0.0
67.0
1.0
1.3
1.1
0.7
0.7
12
64
58
61.0
0.0
0.0
0.0
61.0
1.3
1.5
1.4
0.8
0.8
13
58
52
55.0
0.0
0.0
0.0
55.0
1.5
1.7
1.6
1.0
1.0
14
52
46
49.0
0.0
0.0
0.0
49.0
1.7
1.9
1.8
1.1
1.1
15
46
40
43.0
0.0
0.0
0.0
43.0
1.9
2.2
2.1
1.2
1.2
16
40
34
37.0
0.0
0.0
0.0
37.0
2.2
2.4
2.3
1.4
1.4
17
34
28
31.0
0.0
0.0
0.0
31.0
2.4
2.6
2.5
1.5
1.5
18
28
22
25.0
0.0
0.0
0.0
25.0
2.6
2.9
2.8
1.7
9.0
10.7
19
22
16
19.0
0.0
0.0
0.0
19.0
2.9
3.1
3.0
1.8
18.0
19.8
20
16
10
13.0
0.0
0.0
0.0
13.0
3.1
3.3
3.2
1.9
18.0
19.9
21
10
4
7.0
0.0
0.0
0.0
7.0
3.3
3.6
3.5
2.1
10.5
12.6
(三)、主要计算结果
主要计算结果取编号为第3、5、8、9、10片内桁架内力
内桁架轴力表
杆件号
桁架3
桁架5
桁架8
桁架9
桁架10
轴力(KN)
轴力(KN)
轴力(KN)
轴力(KN)
轴力(KN)
1
-580
-500
-381
-344
-305
2
-63
-70
-50
-46
-42
3
-108
-328
-294
-280
-268
4
-233
-260
-178
-160
-143
5
110
32
-28
-43
-56
6
23
-58
-45
-43
-41
7
-311
-434
-402
-374
-341
8
-276
-312
-293
-278
-266
9
-282
-246
-190
-172
-155
10
-181
-302
-312
-296
-273
11
-197
-171
-133
-120
-108
12
20
-142
-191
-187
-177
13
20
19
-45
-42
-39
14
-119
-185
-205
-199
-188
(四)、计算结果分析
1、桁架
(1)、桁架与面板组合,采用∠752x8与面板组合后截面力学性能为:
A=2576.mm2
I=2619440mm4
W=49256mm3
旋转半径i=31mm
L=1400mm
λ=1400/31=45,φ=0.728
计算承台以上第10片桁架
考虑到下放过程中的不同步,第10片计算桁架(承台顶支撑处第一片)也采用∠1002x10。
(2)、桁架与面板组合,采用∠1002x10与面板组合后截面力学性能为:
A=3460mm2
I=5989392mm4
W=86803mm3
旋转半径i=41.6mm
L=1400mm
λ=1400/41.6=33.6,按D类轴心受压结构计算φ=0.815
由于为满足抗浮需要,围堰内第1~10片桁架范围内的井壁均填充了混凝土,因此桁架除承台范围内桁架采用∠1002x10外,其余采用∠752x8,能保证结构安全。
2、面板局部应力检算:
面板采用δ=6mm钢板,所选面板区格按一边固结三边铰结进行计算。
井壁哪未填充混凝土部分从荷载表中可知,面板最大荷载为P=67KN/m2,则单位宽度q=67KN/m。
井壁区格尺寸为lx=400mm,ly=300mm,则:
ly/lx=300/400=0.75
查表:
KMx=0.1056KMy=0.0485Kf=0.00536
1)、应力检算
面板的截面系数:
W=bh2/6=1000×62/6=6000mm3
应力为:
σmax=Mmax/W=0.1056×67×0.42×1×106/6000=188MPa<215MPa
满足要求.
2)、挠度验算:
钢板的泊松比为γ=0.3,故换算
K0=Eh3/[12(1-γ2)]=2.1×1011×0.0063/[12×(1-0.32)]=4153.8N.m
Wmax=Kfql4/K0=0.00536×67×103×0.44/4153.8=2mm
3、竖向加劲肋检算
竖向加劲肋采用∠752×6
承受线荷载:
q=67×0.4=26.8KN/m
按三跨连续梁计算:
Mmax=0.1q·l2=0.1×26.8×0.42=0.429KN·m
查表知∠752×6:
A=8.80cm2Ix=46.91cm4W=11207mm3,Z0=2.07cm
截面应力:
六、围堰稳定性检算
(一)、荷载
1、潮水力
P潮水=30KN/m.均布
2、水流力
取单位宽度的水流力:
=
=3.66KN/m
3、主动土压力
F’ep,k=6.6KN/m
4、被动土压力
Fpk=116KN/m
(二)、抗滑移稳定
=2.0>1.3
满足规范要求
(三)、抗倾覆检算:
由于围堰高宽比较大抗倾覆满足要求。
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