承台钢套箱设计计算书.docx

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承台钢套箱设计计算书

目录

1工程概述 1

2设计条件 1

3设计规范及依据 1

4钢套箱结构布置 2

4.1钢套箱布置 2

4.2钢套箱基本尺寸 3

5荷载分析及材料特性 4

5.1水流力计算 4

5.2静水压力计算 4

5.3荷载组合 5

5.4钢材强度设计值 5

5.5焊缝 6

5.6混凝土强度设计值 6

6钢套箱计算 7

6.1单壁围堰计算 7

6.2面板计算 8

6.3竖肋计算 9

6.4环桁计算 11

6.5竖箱及内撑计算 22

6.6钢套箱变形计算 26

6.7拼装平台计算 29

6.8下放系统计算 31

6.9搁置牛腿计算 35

2

　　　　　　　　2#承台钢套箱设计计算书

1工程概述

本次设计为2#主墩承台钢套箱，承台采用矩形结构的埋入式承台，基础采用Φ2.8m桩径的群桩基础。

2#主墩承台尺寸为29m×23m×7m，围堰设计为双壁钢套箱，内壁净空尺寸为29.4m×23.4m。

2设计条件

（1）套箱顶标高：

+212.4m

（2）双壁套箱顶标高：

210.4m

（3）套箱底标高：

+193.4m

（4）承台顶标高：

+202m

（5）承台底标高：

+195m

（6）止水砼底标高：

+192.5m（第一次混凝土浇筑高度）

（7）夹壁砼顶标高：

+202m

（8）承台施工最高水位：

+210m

（9）墩身施工最高水位：

+212m

（10）设计低水位：

+207m

（11）设计流速：

3m/s

（12）护筒外径：

3.1m

（13）封底砼浮容重：

14kN/m³

（13）封底砼干容重：

24kN/m³

（14）封底砼强度等级：

C30

3设计规范及依据

1、《施工图设计文件》

2、《工程地质勘察报告（详勘）》

3、《钢结构设计标准》（GB50017-2017）

4、《建筑结构荷载规范》（GB5009-2012）

5、《钢围堰工程技术标准》（GB/T51295-2018）

6、《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）

7、《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）

8、《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）

4钢套箱结构布置

4.1钢套箱布置

2#墩承台采用双壁钢套箱施工工艺，围堰主要作为承台施工时的挡水和模板结构。

围堰包括壁体、内支撑、导向装置等结构。

钢套箱外轮廓尺寸为31.4×25.4米，高19米（17m双壁围堰+2m单壁围堰），内轮廓尺寸为29.4×23.4米，壁厚1m。

引孔直径为2m，钢套箱伸入承台以下1.6m，封底混凝土伸入承台以下2.5m，围堰内部填充混凝土与承台齐平。

钢套箱横向分14段，竖向分6节。

共设2层内撑。

钢套箱平面布置及立面图如下：

图4.11钢套箱平面图（单位：

cm）

图4.12钢套箱立面图（单位：

cm）

4.2钢套箱基本尺寸

壁体总高度：

17m+2m

壁体厚度：

1m

壁体外周长：

113.6m

壁体内周长：

105.6m

套箱外面积：

797.56m2

套箱内面积：

687.96m2

夹壁面积：

109.6m2

5荷载分析及材料特性

5.1水流力计算

根据《港口工程荷载规范》计算：

式中——水流力标准值（kN）；

——；

——水流阻力系数；

——水的密度（t/m3），此处为淡水，取1.0；

——计算构件在与流向垂直平面上的投影面积（m2）；

，查得

5.2静水压力计算

静水压力：

式中——静水压力标准值（kN）；

——水容重，取10（kN/m3）；

——水压高度。

5.3荷载组合

按极限状态法计算，根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中3.2节，

基本组合：

标准组合：

由永久荷载控制的效应组合，同时本工程使用年限≤5年，永久荷载分项系数由可变荷载控制时，由永久荷载控制时；可变荷载分项系数，荷载组合值系数，对水流力取0.7。

故本计算中：

荷载设计值=1.35×永久荷载+1.4××可变荷载

本计算采用有限元分析软件Midas/civil20158.3.2版。

5.4钢材强度设计值

临时工程Q235B钢材的强度设计值，Q235钢材板厚时：

弯应力、组合应力

剪应力

Q235钢材板厚时：

弯应力、组合应力

剪应力

临时工程Q345B钢材的强度设计值，Q345钢材板厚时：

弯应力、组合应力

剪应力

Q235钢材板厚时：

弯应力、组合应力

剪应力

5.5焊缝

焊缝使用类型为E43型焊条的手工焊，焊缝均为角焊缝，其抗拉、抗压、抗剪强度为

5.6混凝土强度设计值

C30水下混凝土抗压强度设计值，抗拉强度设计值。

6钢套箱计算

6.1单壁围堰计算

单壁围堰高度2m，最大水头差为2m。

6.1.1面板计算

根据套箱构造，根据套箱构造，面板为单向板，取1m板宽计算。

弯矩：

弯应力：

，满足要求。

6.1.2环向次梁计算

弯应力：

，满足要求。

剪应力：

，满足要求

6.1.3竖向主梁及斜杆计算

竖向主梁采用HN100，斜杆采用2×[10，横向间隔200cm。

根据有限元分析软件计算有：

图6.11弯应力图图6.12剪切应力图图6.13轴应力图（单位：

MPa）

HN100

弯应力：

，满足要求。

剪应力：

[10

[10长度为141cm，弦杆长细比，按b类截面查表，稳定系数

压应力：

，满足要求。

6.2面板计算

6.2.1外面板

外面板主要承受套箱夹壁内外水头差，根据施工工艺及水文资料，高水位抽水工况，围堰整体最大水头差212-202=10m，双壁钢围堰顶标高为210.4m，内面板最大水头差为：

210.4-202=8.4m，夹壁内外水头差保持在最大水头差的一半，为5m。

故首节外面板钢板控制最大水头为5m，内面板钢板控制最大水头为8.4m，根据套箱构造，面板为单向板，取1m板宽计算，最大跨径为40cm。

外面板钢板，最大水头为5m

弯矩：

弯应力：

，满足要求。

6.2.2内面板

内面板主要承受套箱夹壁内静水压力，根据6.2.1节，内面板钢板控制最大水头为8.4m，根据套箱构造，面板为单向板，取1m板宽计算，最大跨径为40cm。

外面板钢板，最大水头为8.4m

弯矩：

弯应力：

，满足要求。

6.3竖肋计算

6.3.1填充混凝土以上竖肋计算

竖肋为L75×50×6，计算利用面板做翼缘，根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2013）附录H，面板有效宽度：

竖肋等效截面参数见图6.31。

图6.31竖肋等效截面参数图（单位：

mm）

（1）取跨度为1m，间距为0.4m内竖肋计算，最大水头8m

弯矩：

弯应力：

，满足要求

（2）外竖肋水头较小，不做计算。

6.3.2填充混凝土以下竖肋计算

浇筑填充混凝土时，竖肋受力最不利，填充混凝土初凝时间为6h，每小时浇筑0.5m高，共7m高填充混凝土，故填充混凝土最大压力高度计3m，混凝土浮重度计。

取跨度为1m，间距为0.4m竖肋计算，最大混凝土高度3m

弯矩：

弯应力：

，满足要求

6.4环桁计算

根据最不利施工计划安排，承台浇筑完成后的最高水位为+210m，施工前三节墩身时，最高水位为+212m，故填充段环桁最高计算水位为+210m，其余位置环桁最高计算水位为+212m。

环板材料采用Q345B。

6.4.1填充混凝土段计算

最大跨度为8.2m，240×20环桁间距环桁为1m，最大水头差为15m，套箱腹杆为2∟80×10，承受的均布荷载为局部水头差压力15m。

最大静水压力+水流力：

最大静水压力（无水流力侧）：

图6.41环桁弯矩图（单位：

kN·m）

图6.42环桁剪力图（单位：

kN）

图6.43环桁反力图（单位：

kN）

6.4.1.1短边环桁计算

（1）环板计算

1m间距环桁面板有效宽度:

图6.44环板等效截面参数图（单位：

mm）

环板与面板构成的环桁内外弦杆，其中心距取

环板轴应力：

，满足要求

（2）混凝土计算

轴应力：

局部弯矩：

局部弯应力：

组合应力：

，满足要求，混凝土全截面受压。

剪切应力：

水头15m时环桁剪力最大：

6.4.1.2长边环桁计算

（1）环板计算

环板轴应力：

，满足要求

（2）混凝土计算

轴应力：

局部弯矩：

局部弯应力：

组合应力：

，满足要求，混凝土全截面受压。

剪切应力：

水头15m时环桁剪力最大：

。

6.4.2260×25环桁计算

6.4.2.1受力分析

环桁即环向的桁架结构，它沿钢套箱轴向（环向）分层分布。

桁架的弦杆为环板（包括部分围堰面板构成T型结构），斜杆为套箱腹杆2∟80×10，最大跨度为8.2m，240×20环桁间距环桁为0.8m，最大水头差为10m，承受的均布荷载为局部水头差压力10m。

环板作为环桁的弦杆承受轴力作用（整体效应部分），同时环板作为竖肋的支撑构件，将承受竖肋传递的局部水头差压力，由此产生弯矩作用（局部效应部分），腹杆承受环桁的剪力作用。

最大静水压力+水流力：

最大静水压力（无水流力侧）：

图6.45环桁弯矩图（单位：

kN·m）

图6.46环桁剪力图（单位：

kN）

图6.47环桁反力图（单位：

kN）

6.4.2.2短边环桁计算

（1）环板计算

0.8m间距环桁面板有效宽度:

图6.48环板等效截面参数图（单位：

mm）

环板与面板构成的环桁内外弦杆，其中心距取

轴应力：

弦杆长细比，按b类截面查表，稳定系数

局部弯矩：

局部弯应力：

组合应力：

（2）2∟80×10腹杆计算

直线段腹杆为双肢∟80×10承受环桁的剪力，水头10m时环桁剪力最大：

腹杆轴力：

稳定性计算：

图6.492∟80×10截面特性图（单位：

mm）

属b截面

，满足要求。

6.4.2.3长边环桁计算

（1）环板计算

轴应力：

弦杆长细比，按b类截面查表，稳定系数

局部弯矩：

局部弯应力：

组合应力：

，满足要求。

（2）2∟80×10腹杆计算

长边腹杆剪力小于短边腹杆剪力，在此不再验算。

6.4.3240×20环桁计算

6.4.3.1受力分析

最大跨度为8.2m，240×20环桁间距环桁为1m，最大水头差为6m，套箱腹杆为2∟80×10，承受的均布荷载为局部水头差压力6m。

最大静水压力+水流力：

最大静水压力（无水流力侧）：

图6.410环桁弯矩图（单位：

kN·m）

图6.411环桁剪力图（单位：

kN）

图6.412环桁反力图（单位：

kN）

6.4.3.2短边环桁计算

（1）环板计算

1m间距环桁面板有效宽度:

图6.413环板等效截面参数图（单位：

mm）

环板与面板构成的环桁内外弦杆，其中心距取

轴应力：

弦杆长细比，按b类截面查表，稳定系数

局部弯矩：

局部弯应力：

组合应力：

（2）2∟80×10腹杆计算

此处剪力小于260×25环桁段，不再进行验算。

6.4.3.3长边环桁计算

（1）环板计算

轴应力：

弦杆长细比，按b类截面查表，稳定系数

局部弯矩：

局部弯应力：

组合应力：

（2）2∟80×10腹杆计算

长边腹杆剪力小于短边腹杆剪力，在此不再验算。

6.4.4200×16环桁计算

6.4.4.1受力分析

最大跨度为8.2m，200×16环桁间距环桁为1m，最大水头差为4m，套箱腹杆为∟80×10，承受的均布荷载为局部水头差压力4m。

最大静水压力+水流力：

最大静水压力（无水流力侧）：

图6.414环桁弯矩图（单位：

kN·m）

图6.415环桁剪力图（单位：

kN）

图6.416环桁反力图（单位：

kN）

6.4.4.2短边环桁计算

（1）环板计算

1m间距环桁面板有效宽度:

图6.417环板等效截面参数图（单位：

mm）

环板与面板构成的环桁内外弦杆，其中心距取

轴应力：

弦杆长细比，按b类截面查表，稳定系数

局部弯矩：

局部弯应力：

组合应力：

（2）∟80×10腹杆计算

直线段腹杆为双肢∟80×10承受环桁的剪力，环桁最大剪力：

腹杆轴力：

稳定性计算：

属b截面

，满足要求。

6.4.4.3长边环桁计算

（1）环板计算

轴应力：

弦杆长细比，按b类截面查表，稳定系数

局部弯矩：

局部弯应力：

组合应力：

（2）∟80×10腹杆计算

长边腹杆剪力小于短边腹杆剪力，在此不再验算。

6.4.5角焊缝

直线段腹杆角焊缝受力较不利，取其计算。

腹杆承受环桁的剪力，单个角钢端头焊缝80mm，肢背肢尖焊缝均为120mm，焊脚尺寸10mm，钢腹杆受力为：

轴力：

肢背：

肢尖：

6.5竖箱及内撑计算

竖箱，引孔咬合混凝土和内撑为支点，共设2层内撑，内撑支点在同一水平位置，内撑采用φ820×16钢管，竖箱与内撑均为Q345B钢材。

纵向内撑支点标高为，第一层内撑标高：

+202.5m，第二层内撑标高：

+207m。

6.5.1工况一

开挖至承台底，最高水位为+210m，最大水头差为15m

静水压力：

水流力：

竖箱截面参数见图6.51。

图6.51竖箱截面参数图（单位：

mm）

6.5.1.1短边竖箱计算

短边竖箱15m水头下的弯矩、剪力、支撑反力见图6.52至图6.54。

图6.52短边竖箱弯矩（单位：

kN·m）

图6.53短边竖箱剪力（单位：

kN）

图6.54短边竖箱支撑反力（单位：

kN）

竖箱应力计算：

弯应力：

，满足要求。

剪应力：

斜内撑应力计算：

内撑长度12m，则长细比，按b类截面查表，稳定系数，

，内撑稳定性满足。

直内撑应力计算：

长度23.2m，则长细比，按b类截面查表，稳定系数，

，内撑稳定性满足。

6.5.1.2长边竖箱计算

长边竖箱受力小于短边竖箱，在此不做验算。

6.5.2工况二

承台施工完毕，最高水位为+212m，拆除第一层内撑，最大水头差为10m。

静水压力：

水流力：

6.5.2.1短边竖箱计算

短边竖箱15m水头下的弯矩、剪力、支撑反力见图6.52至图6.54。

图6.55短边竖箱弯矩（单位：

kN·m）

图6.56短边竖箱剪力（单位：

kN）

图6.57短边竖箱支撑反力（单位：

kN）

竖箱应力计算：

弯应力：

，满足要求。

剪应力：

内撑应力计算：

工况二内撑反力小于工况一，在此不再验算。

6.5.2.2长边竖箱计算

长边竖箱受力小于短边竖箱，在此不做验算。

6.5.3工况三

承台施工完毕，最高水位为+212m，施工一节塔身，已拆除第一层内撑，安装转换直角内撑，拆除第二层直角内撑，最大水头差为10m。

静水压力：

水流力：

6.5.3.1短边竖箱计算

短边竖箱15m水头下的弯矩、剪力、支撑反力见图6.52至图6.54。

图6.58短边竖箱弯矩（单位：

kN·m）

图6.59短边竖箱剪力（单位：

kN）

图6.510短边竖箱支撑反力（单位：

kN）

竖箱应力计算：

弯应力：

，满足要求。

剪应力：

内撑应力计算：

工况三内撑反力小于工况一，在此不再验算。

6.5.3.2长边竖箱计算

长边竖箱受力小于短边竖箱，在此不做验算。

6.6钢套箱变形计算

围堰内外最大水头差15m时，抽水完成后围堰变形最大。

围堰外侧静水压力呈三角形分布，顶部荷载，底部荷载为；夹壁内外水头差4m，静水压力呈三角形分布，顶部荷载，底部荷载为；围堰外侧水流力；考虑封底混凝土及钢套箱自重。

运用有限元分析软件建模计算，如下图：

图6.61计算模型图

图6.62整体位移图（单位：

mm）

图6.63X方向位移图（单位：

mm）

图6.64Y方向移图（单位：

mm）

图6.65Z方向位移图（单位：

mm）

钢围堰X方向位移9.1mm，Y方向位移3.2mm，Z方向位移0.47mm，总位移9.1mm，变形满足正常使用要求。

6.7拼装平台计算

拼装平台由18个三角架与护筒焊接而成，套箱合计17.4m高，首节段高为8m，考虑设备及施工荷载等，一个三角架按350kN荷载计算，按动载考虑，则荷载设计值为。

图6.71三脚架弯矩（单位：

kN·m）

图6.72三脚架轴力（单位：

kN）

图6.73三脚架剪力（单位：

kN）

6.7.1主梁计算

主梁为2I45a，算得最大弯矩为，,

，满足要求。

，满足要求。

6.7.2斜杆计算

斜杆为2I45，算得最大轴力为，

，满足要求。

斜杆剪力小于主梁剪力，此处不再验算。

6.7.3焊缝计算

（1）主梁焊缝计算

焊缝厚度为8mm，主梁焊缝截面特性如图6.74。

图6.74主梁焊缝截面特性图（单位：

mm）

轴力产生的焊缝压应力：

弯矩产生的焊缝压应力：

剪力产生的焊缝剪切应力：

焊缝强度合算为：

，满足要求。

（2）斜杆焊缝计算

斜杆焊缝截面特性如图6.74。

图6.75斜杆焊缝截面特性图（单位：

mm）

轴力产生的焊缝拉应力：

弯矩产生的焊缝拉应力：

剪力产生的焊缝剪切应力：

焊缝强度合算为：

，满足要求。

6.8下放系统计算

钢套箱壁体在墩位处整体拼装，采用穿心千斤顶与钢绞线配合整体同步下放，下放千斤顶拟采用8个吊点。

下放首节吃水前时，受力最大。

下放前在钢护筒顶部布置下放承重架，在壁体上焊接下放挂腿。

下放选取在风平浪静、水流力较小的良好天气条件下进行。

运用有限元分析软件建模计算，下放吊点受力图如下：

图6.81下放吊点反力示意图（单位：

kN）

8台千斤顶同步下放时，MidasCivil模型提取各吊点受力结果如下：

吊点位置

1#

2#

3#

4#

竖向力（kN）

826

826

637.5

637.5

吊点位置

5#

6#

7#

8#

竖向力（kN）

826

826

637.5

637.5

考虑下放系统为主要受力构件，单套下放系统承受荷载标准值为。

6.8.1钢绞线计算

千斤顶下放的传力构件采用（）钢束，抗拉强度设计值为。

钢绞线取取2.0的安全系数考虑。

最大拉应力：

因此钢绞线满足要求。

6.8.2承重架主梁计算

最大弯矩为，

集中力，以单根护筒作为分析对象，利用有限元分析软件建立模型，最大应力，最大变形为，计算结果见下图。

图6.82承重架主梁整体应力（单位：

MPa）图6.83承重架主梁变形（单位：

mm）

6.8.3下放挂腿计算

（1）梁计算

挂腿简化为外伸梁计算，荷载设计值。

挂腿截面特性为：

图6.84挂腿截面特性图（单位：

mm）

算得最大弯矩为，

（2）焊缝计算

焊缝厚度为10mm，挂腿焊缝截面特性如图6.74

图6.85主梁焊缝截面特性图（单位：

mm）

弯矩产生的焊缝压应力：

剪力产生的焊缝剪切应力：

焊缝强度合算为：

，满足要求。

6.9搁置牛腿计算

（1）梁计算

牛腿简化为外伸梁计算，荷载设计值。

牛腿截面特性为：

图6.91牛腿截面特性图（单位：

mm）

算得最大弯矩为，

（2）焊缝计算

焊缝厚度为10mm，挂腿焊缝截面特性如图6.74

图6.92主梁焊缝截面特性图（单位：

mm）

弯矩产生的焊缝压应力：

剪力产生的焊缝剪切应力：

焊缝强度合算为：

，满足要求。

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