双臂钢吊箱计算书.docx

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双臂钢吊箱计算书

紫阳港汉江公路大桥3#、4#钢吊箱设计计算书

1.设计依据及设计条件

1.1设计依据

（1）《陕西紫阳港汉江公路大桥施工图》

（2）《钢结构设计与计算》

（3）公路施工手册《桥涵》上册

（4）《公路桥涵施工技术规范》－JTJ041-2000

（5）《公路桥涵设计通用规范》－JTGD60-2004

（6）《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》－JTJ025-86

1.2设计条件

（1）设计水位：

根据水文站提供水位情况，按各个工况的实际水位取值计算。

（2）设计流速：

按最大流速4m/s控制计算；

（3）吊箱顶标高：

+331.584m；

（4）吊箱底标高：

＋310.284m；

（5）承台底标高：

＋312.284m；

（6）仓壁内水位标高：

根据水位情况实时调整，标准为封底混凝土顶至汉江水头的一半标高。

1.3水文条件及施工安排

1月：

325-328之间

2月：

325左右

3月：

325左右

4月：

320左右

5月：

317左右

6月：

317左右

7月：

常水位317-331

8月：

常水位317-331

9月：

常水位317-331

10月：

328左右

11月：

329左右

12月：

325-328

吊箱加工：

2012.1.15-2012.3.31

底板安装：

2012.4.1-2012.4.15

壁板拼装：

2012.4.16-2012.5.16

砼封底：

2012.5.17-2012.5.27按+320m水位计算

凿除桩头：

2012.5.28-2012.6.7

承台施工：

2012.6.8-2012.6.28

墩身施工：

2012.6.28-2012.7.26按+331m水位计算

2.吊箱构造说明

吊箱采用单双壁结合形式，吊箱设计顶标高+331.584m，设计底标高+310.284m，壁板总高度21.3m，壁厚1.5m，长14.5m，宽10.5m，双壁高19m，单壁高2.3m。

在高度方向分3节加工，分节高度为9+10+2.3=21.3m。

吊箱第一节壁板的面板采用8mm钢板，第二节壁板的外面板采用8mm钢板，内面板采用6mm钢板。

面板纵肋均采用∟75×50×6，间距40cm。

钢吊箱壁板桁架采用双∟100×100×10，桁架腹杆节点间距1.2m，第一节壁板的水平环板采用10mm钢板，第二节壁板的水平环板采用8mm钢板，桁架焊接在水平环板上。

吊箱水平桁架层间距0.8m~1.5m。

吊箱共设置6个钢箱，第一节钢箱面板采用12mm和10mm钢板，第二节钢箱面板采用10mm和8mm钢板，面板纵肋采用∟75×50×6，间距40cm。

吊箱在平面分20个块体，施工阶段共布置三层内支撑，第一、二层水平内支撑采用∅1020×10mm卷制钢管，第三层内支撑采用∅920×10mm卷制钢管。

钢吊箱底板采用型钢格构形式，面板采用6mm厚钢板，小肋采用[10，按40cm间距布置，次梁采用工32a，主梁采用2工32a，悬吊系统采用2工40a组成的型钢格格式，悬吊杆采用∅32精轧螺纹钢。

封底混凝土厚2m，采用C20水下混凝土。

图2-1钢吊箱结构构造图

3.计算荷载

计算中考虑的各种荷载如下：

（1）钢材自重

钢材自重按78.5kN/m3计算，按每个截面的实际尺寸计算。

（2）静水压力荷载（包括隔舱内静水压力）

最大水位+331m，仓壁内水位标高始终保持在封底混凝土水头差的一半，需要根据水位情况实时调整。

下面以底板封底时标高+320m计算，此时夹壁内的水头标高为+316.142m，静水压力为三角形荷载，外部水面板最大荷载值为77.16kN/m2，隔舱内水深3.858m，最大荷载值为38.58kN/m2。

图3-1钢吊箱面板静水压力荷载示意图

（3）流水压力荷载（作用在迎水面）

流水压力只作用在钢围堰的迎水面，根据《公路桥涵设计通用规范》计算公式为：

钢围堰方形，K取1.5系数，A取单位面积1，v=4m/s，转换成倒三角形荷载，计算得到顶部最大值为24.49kN/m2。

图3-2钢吊箱面板流水压力荷载示意图

4.荷载组合

结构强度分析时荷载组合：

1.2×结构自重＋1.0×静水压力荷载+1.0×流水压力荷载。

5.工况分析

钢吊箱施工流程：

撤除钻孔平台→拼装吊箱底板→拼装首节壁板→安装第一层内支撑和水平定位系统→下放吊箱使其自浮→接高第二节壁板，安装内支撑，下放钢吊箱到位使其自浮→浇筑封底混凝土→待混凝土达到强度要求后抽水→第一次浇筑2m厚承台混凝土→混凝土强度达到要求后，第二次浇注1.5m厚承台混凝土，施工墩身。

根据施工流程分析，主要归结为以下几个工况对钢吊箱结构及施工工艺进行验算：

工况一：

首节壁板拼装和下放阶段；

工况二：

封底混凝土浇筑阶段；

工况三：

吊箱内抽水阶段；

工况四：

内支撑转换阶段。

采用sap2000对钢吊箱各部件进行验算，取自重系数为1.2，取动载系数为1.2。

6.吊箱结构及施工工艺验算

6.1工况一：

首节壁板拼装和下放阶段

采用千斤顶配合精轧螺纹钢通过起吊壁板的方式下放钢吊箱底板和首节壁板，共在壁板上设置24个吊点。

此工况下主要荷载为底板、首节壁板自重，第一层内支撑的自重，需验算底板的强度和下放系统的强度。

6.1.1底板强度计算

在下放过程中（入水前），底板主要承受其自重和首节壁板、第一层内支撑的自重作用。

底板的自重由程序自动加载，首节壁板、内支撑的自重作用在底板四周1.5m宽的范围内。

图6.1-1底板模型

图6.1-2底板弯矩图

图6.1-3底板剪力图

图6.1-4底板变形图

用sap2000建模计算得知：

各杆件的最大受力状态如下表

表6.1-1底板杆件受力表

名称

规格

N（KN）

M（KN•m）

V（KN）

主梁

2工32a

135.9848

111.413

次梁

工32a

31.1496

32.273

小肋

[10

2.6267

8.324

在此工况下，工32a最大弯应力：

，满足要求

最大剪应力：

，满足要求

[10最大弯应力：

，满足要求

最大剪应力：

，满足要求

最大变形11.11mm，满足要求

6.1.2下放系统强度计算

下放系统由悬吊梁、扁担梁、千斤顶和吊杆组成，悬吊梁为2工40a，扁担梁采吊杆为

精轧螺纹钢。

共设置24个吊点。

根据4.1.1计算可知，吊点处的最大受力为F＝285.29kN，吊杆选用

精轧螺纹钢，满足要求。

经计算可知，吊耳的最大弯矩为256.761KN•m，最大剪力为285.29KN

最大弯应力：

，满足要求

最大剪应力：

，满足要求

6.2工况二：

封底混凝土浇筑阶段

钢吊箱下放到设计标高后，在自浮状态下浇筑封底混凝土，因此在封底混凝土浇筑阶段，底板只受封底混凝土的浮重作用。

封底混凝土厚2m，底标高＋310.284m。

在该工况下需计算吊箱底板各构件的受力。

封底混凝土浮重荷载为重2×14＝28kN/㎡。

6.2.1面板计算

底面板采用6mm钢板，小肋的间距为40cm，将面板简化成面板条，按四跨连续梁结构进行分析计算，选取面板宽度为1cm。

其设计荷载为q=28×0.01+0.785×0.01=0.28785kN/m。

则其最大弯矩为M=0.107×0.28785×0.42=4.928×10-3kN.m；；

钢板条的截面模量为W=0.01×0.0062/6=6×10-8m3；

则钢板条的应力为σ=M/W=82.13MPa<[σ]=145MPa；

故面板强度满足要求。

6.2.2面板肋计算

面板肋连接于主梁或次梁之上，为两端固接，简化成两端固接的梁进行计算。

面板肋的最大跨径为1.5m，面板肋之间的间距为0.40m，面板肋采用[10型钢。

设计荷载为q=28×0.40+0.785×0.40+0.1=11.614kN/m。

则其最大弯矩为M=11.614×1.52/12=2.18kN.m；

面板肋的截面模量为W=39.7cm3；

则钢板肋的应力为σ=M/W=54.85MPa<[σ]=145MPa。

故面板肋强度满足要求。

6.2.3底板主梁、次梁计算

采用sap2000整体建模，自重由程序自动计入。

图6.2-1底板模型

图6.2-2底板弯矩图

图6.2-3底板剪力图

图6.2-4底板变形图

用sap2000建模计算得知：

各杆件的最大受力状态如下表

表6.2-1底板杆件受力表

名称

规格

N（KN）

M（KN•m）

V（KN）

主梁

2工32a

127.537

181.13

次梁

工32a

20.1477

20.395

小肋

[10

0.0181

0.058

通过与表6.1-1的计算结果比较，此工况只有主梁的剪力大于工况一的受力情况。

剪应力：

，满足要求

最大变形5.28mm，满足要求。

6.2.4下放系统强度计算

根据6.2.3计算可知，吊点处的最大受力为F＝218kN，小于6.1.2节的受力，因此此处不必再做验算。

6.3工况三：

吊箱内封底抽水阶段

根据水文站提供的水文情况及施工进度安排，吊箱封底是在2012.5.17-2012.5.27进行，此时的水位为+317m，因此工况三考虑混凝土封底抽水时的外部水面标高为+320m，夹壁内的水位为+316.142m。

6.3.1计算模型

采用SAP2000建立的计算模型如图6.3-1所示：

图6.3-1钢吊箱工况三计算模型

6.3.2面板验算

图6.3-2钢吊箱迎水侧外层面板应力图

面板的最大应力为120.881Mpa＜205Mpa，满足要求。

图6.3-3钢吊箱迎水侧内层面板应力图

面板的最大应力为79.408Mpa＜205Mpa，满足要求。

图6.3-4钢吊箱背水侧外层面板应力图

面板的最大应力为96.987Mpa＜205Mpa，满足要求。

图6.3-4钢吊箱背水侧内层面板应力图

面板的最大应力为79.21Mpa＜205Mpa，满足要求。

图6.3-5钢吊箱平行流水方向侧外层面板应力图

面板的最大应力为80.006Mpa＜205Mpa，满足要求。

图6.3-6钢吊箱平行流水方向侧内层面板应力图

面板的最大应力为78.591Mpa＜205Mpa，满足要求。

6.3.3水平环板验算

图6.3-7钢吊箱总体水平环板应力图

经计算，水平环板最大应力23.628Mpa<205Mpa，满足要求。

6.3.4面板纵肋（L75×50×6）验算

通过分析计算，纵肋的最大受力构件如下所示：

Frame

DesignSect

N

M

V

Text

Text

KN

KN-m

KN

152

L75X6

11.31

3.44

10.976

图6.3-8面板和纵肋组合截面（cm）

经计算，A=39.2cm2,Wx上=155cm3，Wx下=31.47cm3，Ix=217.12cm4,Sx=32.12cm3,b=0.6cm。

角钢与壁板焊接成整体，可忽略轴压稳定系数。

，满足要求；

，满足要求。

6.3.5壁板桁架（双∠100x10）验算

通过分析计算，壁板桁架的最大受力构件如下所示：

Frame

DesignSect

N

M

V

Text

Text

KN

KN-m

KN

1189

2L100×10

140.276

0.108

0.26

图6.3-9桁架双角钢组合截面（cm）

经计算，A=38.33cm2,Wx下=50.11cm3，Ix=358.6cm4,Sx=50.88cm3,b=1.0cm,ix=3.1cm。

桁架杆件最大长度为162.8cm，λ=162.8/3.1=52.5，查表

=0.845

，满足要求；

，满足要求。

6.3.6内支撑验算

通过建模计算，最下层内支撑受力最大，

截面为

钢管。

则轴向压应力

，满足施工要求。

6.4封底混凝土验算

（1）抗浮稳定性计算

浇筑封堵混凝土时间为2012.5.17-2012.5.27，根据往年水位情况，设定此时的水位为+320m。

封底混凝土厚2m，按有效厚度1.8m计，为C20水下混凝土，混凝土顶标高+312.284m，底标高＋310.284m，封底混凝土浇筑面积63.442m2，重量G1＝63.442×2.4×1.8=274.07t；吊箱自重G2=346.83t；吊箱夹壁内水位标高为+316.142m水重G3＝3.858×66×1=254.628t；混凝土封底时水头差为320-310.284=9.716m，吊箱浮力为f=（14.5×10.5）×9.716=1479.261t；封底混凝土与护筒之间的握裹力按15t/m2计算，握裹力作用的有效高度按1.8m计算。

则握裹力为F=π×2.2×1.8×15×6=1119.66t。

考虑钢吊箱为自浮状态，则钢吊箱的抗浮稳定性系数为：

K=（G1+G2+G3+F）/f=（274.07+346.83+254.628+1119.66）/1479.261=1.35>1；

故抗浮稳定性满足要求。

（2）抗滑稳定性计算

因最低水位位于吊箱底板以上，故抗滑稳定性不需计算。

6.5工况四：

内支撑转换阶段

根据水文站提供的水文情况及施工进度安排，墩身施工是在2012.6.28-2012.7.26进行，此时的外部水位为+317-+331m，因此工况四考虑墩身施工时的外部水面标高为+331m，承台顶标高+315.784m，夹壁内的水位为+323.392m。

静水压力为三角形荷载，外部水面板最大荷载值为152.16kN/m2，隔舱内水深7.608m，最大荷载值为76.08kN/m2。

图6-5-1钢吊箱面板静水压力荷载示意图

流水压力只作用在钢围堰的迎水面，根据《公路桥涵设计通用规范》计算公式为：

钢围堰方形，K取1.5系数，A取单位面积1，v=4m/s，转换成倒三角形荷载，计算得到顶部最大值为24.49kN/m2。

图6.5-2钢吊箱面板流水压力荷载示意图

6.5.1拆除第一层内支撑

待承台混凝土达到强度要求后，拆除第一层内支撑。

图6.5-3钢吊箱计算模型图

2.sap2000计算结果

（1）壁板桁架

图6.5-4壁板桁架内力图

（2）纵肋

图6.5-5纵肋内力图

（3）环板

图6.5-6环板应力图（单位：

MPa）

（6）面板

图6.5-7面板应力图（单位：

MPa）

表6.5-1拆除第一层内支撑钢吊箱构件应力表

名称

应力（MPa）

壁板桁架

140.164

纵肋

160.838

环板

121.993

外面板

158.39

内面板

142.65

内支撑

142.965

6.5.2拆除第二层内支撑

待首节墩身混凝土达到强度要求后，在标高+319.584m处安装内支撑，同事拆除标高+320.784m处内支撑。

图6.5-8钢吊箱计算模型图

2.sap2000计算结果

（1）壁板桁架

图6.5-9壁板桁架内力图

（2）纵肋

图6.5-10纵肋内力图

（3）环板

图6.5-11环板应力图（单位：

MPa）

（6）面板

图6.5-12面板应力图（单位：

MPa）

表6.5-2拆除第二层内支撑钢吊箱构件应力表

名称

应力（MPa）

壁板桁架

147.239

纵肋

181.26

环板

122.055

外面板

158.212

内面板

142.49

内支撑

130.4

4.5.3拆除第三层内支撑

待第二节墩身混凝土达到强度要求后，在标高+323.384m处安装第二层内支撑，割除标高+326.284m处内支撑。

图6.5-13钢吊箱计算模型图

2.sap2000计算结果

（1）壁板桁架

图6.5-14壁板桁架内力图

（2）纵肋

图6.5-15纵肋内力图

（3）环板

图6.5-16环板应力图（单位：

MPa）

（6）面板

图6.5-17面板应力图（单位：

MPa）

表6.5-3拆除第三层内支撑钢吊箱构件应力表

名称

应力（MPa）

壁板桁架

140.156

纵肋

180.356

环板

121.775

外面板

152.35

内面板

141.005

内支撑

118.78