海上桥梁承台钢吊箱设计方案计算书.docx
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海上桥梁承台钢吊箱设计方案计算书
深水高桩承台钢吊箱设计计算书
1.工程概述
1.1承台简况
主线桥66#、70#、79#右幅、80#、81#、85#~88#墩均为深水基础高桩承台,材料为C40海工混凝土,封底混凝土为C20。
承台底标高为+0.3,承台尺寸为9.4×7×2.8和9.2×6.3×2.5两种类型,如下图所示:
承台构造图1.1
1.2水文
桥位处于伶仃洋,一个太阳日内出现两次高潮两次低潮,日潮不等现象显著。
月内有朔、望大潮和上、下弦小潮,约15天一周期。
平均潮差为1.38~1.61之间,最大流速为0.73m/s。
主线桥海上段设计高潮位为+3.576,设计低潮位为-1.384。
1.3工程地质
上述墩位处在深水区域,海底标高为-2.010~-4.600,地层主要为淤泥、亚粘土、粗砂和岩层,详细地质资料详见地勘资料。
2.设计依据
《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》 《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》 《海港水文规范》 3.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。 两种类型承台尺寸接近且其所处的地理水文环境类似,考虑共用同一类型尺寸钢吊箱,按大尺寸承台设计,钢吊箱侧壁模板和底篮总重量为56吨。 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6m,顶口高出设计高潮位1.224m,面板采用6mm钢板,竖肋采用槽18a,按0.6m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φ450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: 侧壁模板布置图3.2-1 底篮布置图3.2-2 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=<3.576-0.300)×10=32.76kN/m2。 (2>流水压力 式中: F流水——钢吊箱所受的水流作用力,kN; ξ1——挡水形状系数,矩形采用1.3,流线型采用0.75; γ1——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,按照广深桥梁设计文件说明,V=0.73m/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 根据广深桥梁设计文件说明,互通海上段(1号计算点位>50年一遇波浪参数如下: 频率F: H1% 波高H: 2.89m 周期T: 4.2s 波长L: 20.7m 平均水深d: 3.60m 海底坡度i: 1/80<读海底地形图参数) 首先考虑波浪类型,模板按直墙考虑,底部基础看做暗基床, ,3.6<2×2.89=5.78,i=1/80<1/10 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: 波浪力计算图图3.3-1 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=γK1K2H。 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=γK1K2H =10×1.29×1.01×2.89=37.65kN/m2 此处考虑净水面为标高+0.300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,深圳沿海基本风压为F风=0.45kN/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6mm,尺寸为0.4×0.6m,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+F流水=32.76+0.35=33.11<F波浪力=37.65 因此面板上的均布压力取波浪力,q=37.65kN/m2 平行于短边的每延M板宽上的弯矩Mac=0.0723×37.65×0.42=0.44kN/m 板面抗弯刚度W=bh2/6=1×0.0062/6=6×10-6m3 σ=M/W=0.44×103/(6×10-6>=73.33MPa<[σ]=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,因此按照其结构形式建立单块模板模型进行受力分析,计算软件采用SAP2000。 模型如下图所示 计算模型图3.3-2 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 工况二: 波浪力+风荷载 在SAP2000中对钢面板施加上述荷载并按照这两种工况定义相应的荷载组合,运行软件分析计算,杆件的跨度比较大,主要内力是杆件的弯矩,如下图所示: 内力结果图3.3-3 从上图可以看出圈梁、竖肋和水平肋产生最大弯矩的位置。 通过比较两种工况,相同位置工况二产生的内力明显大于工况一,因此以工况二作为基本内力组合,为分别选取最大弯矩杆件进行受力分析验算。 <1)竖肋 竖肋最大弯矩发生在侧壁模板的跨中位置,从软件计算结果上读出杆件的内力,如图: 最大弯矩为M=16.20kN.m,相应的轴力N=168.90kN,剪力Q=16.755kN。 因竖肋和面板焊接,可以忽略构件的失稳,只考虑构件的强度要求。 竖肋材料为槽18a,[σ]=210MPa,[τ]=125MPa,A=25.69×10-4m2,I=1272.7×10-8m4,W=141.4×10-6m3,S=83.5×10-6m3,tw=0.007m。 σ=N/A+M/W=168.90×103/25.69×10-4+16.2×103/141.4×10-6=65.75+114.57=180.32<[σ]=210MPa,满足要求; τ=QS/ <2)水平肋 水平肋最大弯矩发生在侧壁模板的跨中接近顶部支撑点的位置,从软件计算结果上读出杆件的内力,如图: 最大弯矩为M=6.08kN.m,相应的轴力N=47.32kN,剪力Q=9.61kN。 因水平肋和面板焊接,可以忽略构件的失稳,只考虑构件的强度要求。 水平肋材料为槽14a,[σ]=210MPa,[τ]=125MPa,A=18.51×10-4m2,I=563.7×10-8m4,W=80.5×10-6m3,S=47.5×10-6m3,tw=0.006m。 σ=N/A+M/W=47.32×103/18.51×10-4+6.08×103/80.5×10-6=25.56+75.53=101.09<[σ]=210MPa,满足要求; τ=QS/ <3)圈梁 圈梁最大弯矩发生在侧壁模板的跨中顶部支撑点的位置,从软件计算结果上读出杆件的内力,如图: 最大弯矩为M=37.96kN.m,相应的轴力N=250.13kN,剪力Q=94.46kN。 因圈梁和每根竖肋都焊接,可以忽略构件的失稳,只考虑构件的强度要求。 圈梁材料为双肢槽20a,[σ]=210MPa,[τ]=125MPa,A=57.66×10-4m2,I=3560.8×10-8m4,W=356.08×10-6m3,S=209.4×10-6m3,tw=0.014m。 σ=N/A+M/W=250.13×103/57.66×10-4+37.96×103/356.08×10-6=43.38+106.61=149.99<[σ]=210MPa,满足要求;
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