钢护筒设计与计算槽钢加强圈建筑土木工程科技专业资料.docx
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钢护筒设计与计算槽钢加强圈建筑土木工程科技专业资料
桑植双门岛大桥
澧水一桥1-3#墩钢护筒
设计与验算
建设单位:
张家界市交通投资集团公司
监理单位:
湖南金路工程咨询监理公司
施工单位:
湖南环达公路桥梁建设总公司
桑植双门岛大桥项目部
二0一六年一月
桑植双门岛大桥
澧水一桥1-3#墩钢护筒
设计与验算
(钢护筒布置与受力计算)
编制:
复核:
审核:
日期:
2016年1月18日
湖南环达公路桥梁建设总公司桑植双门岛大桥项目部
一编制说明
桑植双门岛大桥由澧水一桥、澧水二桥和道路部分组成,合同价约4100万元,工期24个月。
该项目具有复杂的地质条件、比较深的水位和造价低的特点,针对澧水一桥1#、2#、3#墩桩基水位深、基底覆盖层薄、基岩为斜面且坡率较大,钢护筒稳定难度大的特点,且在1号墩施工过程中发现桩底有大型溶洞,出现泥浆突然下降,钢护筒在外水压力的作用下出现严重变形、破裂等现象,致使卡钻的现象发生,故经业主、监理、项目部共同决定在原施工组织设计的基础上特编制此钢护筒出现类似1号墩溶洞现象的钢护筒设计与受力验算方案,以确保工程安全、有序进行施工。
二编制依据
1)桑植双门岛大桥施工合同
2)双门岛大桥招投标文件
3)《桑植双门岛大桥施工图设计》。
4)第六册《工程地质勘察报告》。
5)《公路桥涵施工技术规范》(JΔNG/ΔNF50-2011)。
6)《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)
7)贺龙水库历年降雨、洪水、流速等情况调查。
8)《钢结构设计规范》(GB50017-2003)
9)《钢结构设计手册》(第二版)——中国建筑工业出版社
10)《结构力学》——人民交通出版社
11)《实用土木工程手册》——人民交通出版社
12)《公路桥涵设计通用规范》——(JΔNGD60-2004)
13)《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JΔNJ025-86)
14)GB150-2011《压力容器》
15)结构设计软件midascivil8.32
三工程概况
三.1工程简介
本项目的主要目的是通过在鸡公咀渡口、小埠头渡口处架设桥梁并布设接线,从而避开S907(原S305)山体垮塌地段,故其起、终点均应连接S305老路。
经过图上布线及现场勘察,充分考虑路线的总体走向、桥位合理、与老路连接顺畅等因素,本项目起点(K0+000)定于桑植县桥自湾乡鸡公咀渡口附近,在此处设置澧水一桥;终点(K0+980)定于桑植县打鼓泉乡小埠头渡口附近,该处设置澧水二桥。
澧水一桥桩基础分类如下:
墩编号
桩基顶标高
桩基底标高
最大洪水位
直径
桩长
桩根数
桩基础部位
水深
1#
285.97
238.17
288.5
2.4
47.8
2
水中
35
2#
286.04
238.04
288.5
2.4
48
2
水中
33.88
3#
286.04
247.84
288.5
2.4
38.2
2
水中
24.65
图1桑植县双门岛大桥桥位地形图
三.2工程设计概述
澧水一桥中心桩号为K0+216.34,位于桑植县桥自湾乡鸡公咀渡口附近,贺龙水电站澧水上游约2Km为该桥桥位处,桥位处河面宽度约220m,最大水深达35.0m。
桥梁轴向与流水方向右夹角约80°,桥梁按此角度斜向布置,其上部结构采用5×50米预制ΔN梁,先简支后结构连续,桥梁全长257.2m.
桥梁上部结构初步设计采用3×50+3×50m(预应力ΔN梁,先简支后结构连续)+3×18m(现浇连续箱梁),桥梁全长360.34m。
对于现浇箱梁由于在弯道上,采用普通钢筋混泥土进行设计。
图3.21澧水一桥桥型整体布置图
本桥桥墩基础为钻孔灌注桩桩基,按嵌岩桩设计。
三.3地形地貌
本项目位于桑植县贺龙水库区,距县城约7.4km,贺龙水电站澧水上游约2km处,以跨越澧水的两座桥梁为主体,澧水一桥0#桥台处为一民房,5#桥台处为小洲,水面宽约220m,水流自南向北,一般水流较缓,水位变化较小,但遇泄洪或发电,水位变化可达10米之多,勘察期间,最大水深达35.0m。
桥位东岸为S305,西岸无公路,交通条件较差。
一桥桥位区地形起伏大,地面高程253.5~297.5m,最大相对高差44.0m。
桥位区微地貌单元为微丘、冲沟。
东岸桥台附近为一陡坡,地势险峻,基岩出露,西岸小洲上地形平坦,地势较低,为橘园、菜地。
三.4地质岩性
1-3#墩:
粉质粘土:
qik=10KPafa0=80KPa灰褐色,深灰色,软~流塑状,饱和,含粉砂较多,局部含砾,分布于河床,层厚1.2~6.0m。
中风化灰岩:
fa0=1500KPafrk=30MPa灰色、深灰色,隐晶质结构,薄~中厚层状构造,含方解石脉,层间裂隙、风化裂隙较发育。
岩芯多呈短柱状、块状,少量碎石状、片状,岩体完整性一般较好。
该层分布于整个场地,最大揭露厚度31.7m。
三.5区域地质构造
根据《湖南省区域地质志》及《1:
100万湖南省构造体系图》综合野外地质调查,场地位于湖南西北部,处于桑植-石门早-晚期新华夏系褶断带,该褶断带发育于震旦系至三叠系中,呈左型雁列的褶皱群。
归属于新华夏系的湘西北的弧形构造。
其主体由东山峰复背斜、桑植复向斜以及相随一些断裂及伴生构造成分组成。
主体走向由北东-北北东-北东东,呈S形伸展。
向东同石门-临湘东西向构造重接,组成所谓“湘西北联合弧”。
往南西同川、黔晚期新华夏系相接,长250km,宽80km。
桥址南侧约3km处有一近南北向次生压性逆断层F1,该断裂长约10km,无近期活动迹象,已趋于稳定。
桥位区三叠系中统灰岩呈单斜构造,岩层产状155°∠41°,较为稳定。
三.6不良地质现象
在初勘时发现有裂缝存在,但在1号墩桩基施工时出现护筒内泥浆突降12米的情况,根据护筒变形与破裂情况及泥浆变化与护筒时水位变化速度与高差情况分析,本桥位存在大型溶洞的可能性极大,通过潜水员下割钢护筒时下层泥浆并未出现较明显的稀释,说明护筒破口以下泥浆并未外漏,始终保持着内外压力差,由此可以判定护筒底的前期封底较为完好,加之泥浆为瞬间下降,也不可能是渗漏造成的泥浆下降,据此分析,1号墩桩基位基岩存在封闭的溶洞。
据起吊后的护筒变形与破口位置(位于水位下13.6米处)判断,按受力分析与模拟计算判定1号墩桩基底的溶洞容量大小约为12米泥浆体积,约为3.14*1.4*1.4*12=74立方米。
三.7水文地质条件
桥位区地表水系很发育,较大的地表水体为贺龙水库,一般水流较缓,水位较稳定,变化小,但遇泄洪或发电,水位变化可达10米之多,勘察期间,水位标高287.7m,最大水深35.5m。
水位及流量受降水及电站控制,每年3~6月为雨季,水量较大,水位较高;8~12月为旱季,水量较小,水位较低。
桥位区地下水主要有第四系覆盖层中的孔隙潜水和基岩中的裂隙水。
孔隙潜水主要赋存于卵石层中,主要接受大气降水补给,其迳流和排泄与河水形成互补关系,水位埋深较浅,水量较大。
裂隙水主要赋存于灰岩的层间裂隙、风化裂隙中,主要接受大气降水补给,并与河水形成互补,其水量大小与裂隙的发育程度、连通情况密切相关,因基岩裂隙连通性差,故水量较小。
勘察期间,稳定地下水位高程在275.1~287.0m之间。
三.8防洪标准
本桥按百年一遇洪水位设计标高,其桥墩阻水面积、阻水率、桥孔净长。
过水净面积等经计算均可满足要求,并以获得省水利厅的正式批复。
3)设计洪水位
(1)泄洪水位:
288.00m;
(2)50年一遇:
291.50m;
(3)100年一遇:
292.64m;
三.9气象情况
每年3~6月为雨季,8~12月为旱季。
三.10施工特点
本桥处于岩溶地区,具有如下特点:
1、地层和地质情况复杂,易造成塌孔、漏浆、砼浇筑流失等问题。
2、岩石坚硬,穿岩厚度大,施工困难,费时、费工材料消耗大。
3、半边岩层多,岩面高差大,钻进易孔斜,且易卡钻。
4、溶洞充填物复杂,软塑层充填物稳定性差,钻具提起易埋钻。
5、河水水量不稳定,水位上涨极快且流急。
6、河床覆盖层薄,钢护筒难于稳定。
7、水位变化大,最大水位变化为10米。
8、桥位桩基处有溶洞存在,计算时考虑最大泥浆变化值12米。
9、工期紧。
四澧水一桥钢护筒设计
四.1设计说明
澧水一桥1、2、3号墩水深在24.65m-35m,且基本没有覆盖层,所以钢护筒的施工较澧水二桥更为复杂,加之澧水一桥交通不便,各种材料及人员设备的运输更为困难,为了加快施工进度,在钢护筒的设计时应综合考虑各项因素。
四.2受力的不利因素假设
1、钢护筒最大位水深35米,泥浆较水位高1米。
2、最大水位时因遇溶洞而使泥浆下降至水位下12米。
3、钢护筒泥浆未下降而外侧水位下降10米。
4、最低水位时,即水深25米时泥浆下降12米。
5、最大水位时进行混凝土浇筑施工。
6、最低水位时进行混凝土浇筑。
四.3施工步骤
1、测量放样,放出钢护筒的平面位置,并做好标记;
2、吊装钻机到钢平台设定位置,预冲钢护筒孔;
3、制作钢护筒,安设钢护筒定位架,逐节下设、焊接钢护筒直至钢护筒坐床;
4、浇筑水下混凝土封底;
5、检查钢护筒外侧混凝土封底高度,看是否符合设计规定;
6、如外侧封底厚度不理想,采用预设压浆管进行双液浆(水玻璃与水泥混合液)进行压浆防渗处理;
7、护筒内进行试水试验,护筒内水头较水面高2米左右,静置24小时,观察护筒内水位变化,如未发生水位变化则进行下一步作业;
8、泥浆制备与冲孔,冲孔过程中每小时需进行一次护筒内外水位变化记录及水头损失情况记录与说明;
9、泥浆的水头高应及时根据实际情况进行调整,一般情况不宜高于河面水位1.5米。
10、出现突发事件应及时上报。
五各主要参数
1、钢护筒、加强肋均采用A3钢板卷制,根据GB150.2-2011表D.1中A3钢许用外应力设计值在低于20度时为σs=116Mpa;泊松比为0.3,查表B.13碳塑钢的弹性模量E=201Gpa;
2、泥浆比重13.5KN/m3,水比重为10KN/m3;混凝土比重为25KN/m3;
3、钢护筒内径2.8m;
4、钢护筒自由长度为35+3=38m;泥浆高于水位1m;
六钢护筒最不利荷载计算
1、钢护筒最大位水深35米,泥浆较水位高1米。
钢护筒最大受力点应为桩底,因泥浆比重与深度均大于外侧水面,故钢护筒受力为内压,最大压强为:
P1=13.5×36-10×35=136Kpa;
2、最大水位时因遇溶洞而使泥浆下降至水位下12米。
因泥浆下降,水位并未发生变化,故钢护筒在水位下12米处受到外侧水压最大,在河床处还受到泥浆与水位的压力差,假定内压为正,外压为负则:
A、12米处受到的外水压力为:
P2=-10×12=-120Kpa;
B、桩底处受力:
P2’=13.5×(35-12)-10×35=-39.5Kpa;说明钢管桩在河床处受到的力为外侧水压力,因120Kpa>39.5Kpa,故可只考虑P2值即可。
3、钢护筒泥浆未下降而外侧水位下降10米。
此时钢护泥浆高36m,外侧水位深25m,则应计算两处压强值:
A、水面处钢护筒受到泥浆的内压值为:
P3=13.5×(36-25)=148.5Kpa;
B、河床处:
P3’=13.5×36-10×25=236Kpa(值为正,说明为内压);
4、最低水位时,即水深25米时泥浆下降至水位下12米。
此时水深25m,泥浆深13米,则应计算两处压强值:
A、水面处钢护筒受到的外侧水压为:
P4=-10×12=-120Kpa;
B、河床处:
P4’=13.5×13-10×25=-74.5Kpa(值为负,说明为外侧水压);
5、最大水位时进行混凝土浇筑施工。
此时混凝土高度36m,水深35米,侧河床处钢护筒受到的内压值最大:
A、河床处受到的内压:
P5=25×36-10×35=550Kpa;
6、最低水位时进行混凝土浇筑。
此时混凝土高度36m,水深25米,侧河床处钢护筒受到的内压值最大:
A、河床处受到的内压:
P5=25×36-10×25=650Kpa;
总结:
故综上所述,钢护筒所受的最不利荷载为:
A、内压最大值:
钢护筒的内压最大值发生在最低水位时浇筑混凝土时河床位置,其大小为650Kpa;
B、外侧水压最大值:
钢护筒外侧水压最大值泥降下降12m时,外侧水压对钢护筒的压力,其大小为120Kpa;
七钢护筒设计
(一)、钢护筒基本布置
1、最大水深35m,最大泥浆深36m,钢护筒较泥浆高按2m计,故钢护筒最大计算长度为38m,钢板宽度1.8m,所以卷制每节钢护筒长1.8m,计划在焊接段采用槽钢加强圈,为了节省材料用量,提高加强圈的刚度,槽钢采用如图a倒扣的方式进行安装,不得采用图b平铺的方式,所示:
2、假定条件:
A、加强圈和钢护筒连接紧密,且有足够的强度与刚度能够与钢护筒一起承载,钢护筒的变形只发生在加强圈之间的区间。
B、钢护筒为正圆形,不存在椭圆度。
焊接均能满足规范要求,不存在焊伤与气孔、裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。
C、由于钢护筒存在锈蚀的情况,取腐蚀系数1mm,且考虑钢板的负偏差。
3、加强圈的焊接要求:
加强圈与钢护筒可以采用连续焊或间断焊,焊缝长度不小于1/2周长,焊缝的最大间隙不大于8δn,(δn为钢护筒壁厚)。
4、假定缺陷:
A、在工程实际中,长圆筒或者管子存在椭圆度,一般压力达到1/3或1/2临界压力时,护筒就会被压瘪,故在GB150-2011中规定,压力容器在外压的情况下取安全系数3.0,内压时取安全系数2.0。
B、焊接系数,考虑到本桥钢护筒为人工焊,为安全起见,按桥规取值φ=0.5。
(二)、外侧压力钢护筒厚度选择
1、根据规范长短圆筒发生弹性失稳的临界压力为:
长圆筒:
P<0.63σs(σs/E)^0.5;
短圆筒:
P<0.56(σs)^(5/3)(L/ED)^0.5;
其中:
P=0.12MPa,σs=116MPa,E=201000MPa,
L=1800mm,D=2800mm;
为了节省材料,采用加强肋,应将钢护筒计算长度控制在短筒范围内,由此可得:
P=0.12<0.56(σs)^(5/3)(L/ED)^0.5=0.37MPa;满足设计压力在弹性失稳阶段条件。
2、计算壁厚
壁厚:
考虑到非正圆因素,取K=1.5,则
δn=1.06D(KPL/ED)^0.4
=1.06×2800×(1.5×0.12×1800÷201000÷2800)^0.4=12.1mm;
取腐蚀系数C2=1mm,钢板的负偏差为0.8mm,则δn=12.1+1+0.8=14mm。
故取钢护筒的名义厚度为14mm,计算厚度为12.2mm。
3、验算钢护筒是否是短圆筒
Lcr=1.17×D×(D/δn)^0.5=1.17×2800×(2800/14)^0.5=46329mm>1800mm;
故钢护筒满足短圆筒计算条件。
4、验算钢护筒许用外压力
根据规范[P]=Pcr/m=2.59÷3×E×(δ÷D0)^2.5÷(L÷D0)
=0.863×201000×(12.2÷2828)^2.5÷(1800÷2828)
=0.33MPa>0.12MPa
其中D0=2800+2×14=2828mm;δ=14-1-0.8=12.2mm。
5、按图表法计算
当δ=12.2时,有L/D0=1800/2828=0.64;D0/δ=2828/12.2=232>20;
查GB150.3-2011图4-2外压应变系数A曲线可得:
A=0.0006,(内插法)。
再GB150.3-2011图4-3外压应力系数B曲线可得,因小于温度线的最小值,故:
B=2AE/3=2×0.0006×201000÷3=80.4,
则[P]=B/(D0/δ)=80.4/232=0.346MPa>0.12MPa;
(三)、内压壁厚的选择
根据GB150.3中3.1式,
内压圆筒计算公式P=0.65<0.4φσs=0.4×0.5×116=23.2MPa;则设计温度下钢护筒在内压作用下的最小厚度为:
δ=PD/(2φσs-P)=0.65×2800÷(2×0.5×116-0.65)=15.77mm,取值为16mm。
则名义壁厚为:
δn=δ+C1+C2=16+1+0.8=18mm。
(四)、钢护筒壁厚的确定
根据内外压计算结果,取大值为δn=18mm。
故计算厚度δ=16mm,D0=2836mm
(五)、加强圈的计算
1、加强肋的最大临界间距
L=2.59ED0(δ/D0)^2.5=2.59×201000×2836×(16÷2836)^2.5=3529mm>1800mm,故加强肋的间距满足要求。
2、加强圈肋的选型
拟采用加强圈的材料为Q235,[10槽钢倒扣,其截面积为As=12.74cm2;惯性矩为I=25.6cm4;底面与重心距Z=4.8-1.52=3.28cm,计算长度为Ls=180cm。
3、加强肋最小综合惯性矩:
根据规范可得B=PD0/(δ+As/Ls)=0.65×283.6÷(16+10.667÷180)=11.48
根据GB150.3表4-1确定对应的外压力系数B曲线图,查得A=3B/2E=0.0000857;
将A代式GB150.3-2011中4-9式可得综合惯性矩为:
Ix=D0^2×Ls×(δ+As/Ls)×A÷10.9
=283.6^2×180×(1.6+10.667÷180)×0.0000857÷10.9
=188.87cm4;
4、钢护筒筒体起加强作用的有效宽度
b=0.55(D0×δ)^0.5=0.55×(283.6×1.6)^0.5=11.72cm;
5、钢护筒筒体与加强圈共同起作用的有效面积
S=2bδ=2×11.72×1.6=37.5cm2;
6、钢护筒筒体上起加强作用的有效惯性矩
I1=2bδ^3/12=2×11.72×1.6^3÷12=8cm4;
7、计算组合截面形心
a=As(z+δ/2)/(As+A)=12.74×(3.28+1.6/2)/(12.74+37.5)=1.03cm;
8、计算组合截面的实际惯性矩
I'=I+As(Z+δ/2-a)^2+I1+Sa^2
=25.6+12.74×(3.28+1.6/2-1.03)^2+8+37.5×1.03^2
=191.89cm4>188.87cm4;符合要求。
9、加强圈所用材料
加强圈道数n=36/1.8=20;
每道加强圈:
L=3.14×(2.836+0.0328)=9.01m;
T=9.01×12.74=114.79Kg;
共计重量为:
114.79×20=2295.8Kg。
10、加强圈加工注意事项
A、加强圈计算按第七项图示a倒扣的方式进行的计算,其所需的刚度刚好满足要求,所以在加工安装时不得将槽钢方向安装反,槽钢必须采用图a倒扣方式,不得采用图b平铺方式。
B、槽钢必须是满足规范要求标准的槽钢,且在焊接时肋的焊接长度必须符合规范及本计算第七项第三条的规定,即:
加强圈与钢护筒可以采用连续焊或间断焊,焊缝长度不小于1/2周长,焊缝的最大间隙不大于8δn,(δn为钢护筒壁厚)。
C、因槽钢采用倒扣的方式进行安装,所以未对原有钢护筒的焊接起到很好的加强作用,所以钢护筒的焊接必须严格按规范要求进行加工,焊接质量须按规范要求进行检测。
建议局部采用6cm宽的钢板进行加强处理。
八、采用midascivil进行钢护筒稳定性屈曲验算
(一)、钢护筒在最低水位时混凝土浇筑水下混凝土
即混凝土加载高度36m,外侧水压值高度25m,自重荷载系数0.91,则其模型如下:
表格1以水位压力变化为变量的特征值均大于1,说明水压力值变化时钢护是稳定的,安全。
节点
模态
UX
UY
UZ
RX
RY
RZ
屈曲分析
模态
特征值
容许误差
1
5.960578
4.68E-82
2
5.960578
2.73E-82
3
7.121576
5.35E-69
4
7.121576
5.98E-69
5
10.244378
7.37E-42
6
10.244378
3.01E-41
7
10.618109
3.83E-40
8
10.618109
5.77E-40
9
12.871047
1.96E-25
10
12.871047
6.49E-26
屈曲向量
图表2当水压力增大到5.96倍时钢护筒会发生如上图的变形失稳破坏。
(二)、钢护筒内泥浆下降12m时的屈曲特征值
此时钢护筒内泥浆高23m,外侧水压力高度35m,以外侧水压力为变量得:
表格2以外侧水压力为变量时,其特征值均大于1,说明外侧水压力变化时结构是安全的。
节点
模态
UX
UY
UZ
RX
RY
RZ
屈曲分析
模态
特征值
容许误差
1
2.692811
6.69E-103
2
2.692811
1.44E-102
3
3.839799
5.40E-74
4
3.839799
1.10E-72
5
5.201536
4.79E-51
6
5.201536
1.25E-49
7
5.850223
2.36E-39
8
5.850223
2.95E-39
9
5.972212
4.35E-39
10
5.972212
1.22E-39
屈曲向量
图表3当外侧水压力增大到2.69倍时,结构发生如上图所示的变形失稳破坏。
九、总结
经过上述手算与midascivil的屈曲稳定性验算,结构采用δ18mm的钢板制作的钢护筒,加强圈间距1.8m,加强圈采用[10槽钢倒扣方式,整个钢护筒在假定的情况变化下均能满足设计要求,稳定性良好。
总材料用量:
a、加强圈钢板δ10mm重量为:
2295.8Kg;
b、钢护筒钢板δ18mm重量为:
44678.9Kg。
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