深水高樁承臺鋼吊箱設(shè)計計算書

深水高樁承臺鋼吊箱設(shè)計計算書1.工程概述1.1承臺概況主線橋66#、70#、79#右幅、80#、81#、85#～88#墩均為深水基礎(chǔ)高樁承臺，材料為C40海工混凝土，封底混凝土為C20。承臺底標(biāo)高為+0.3，承臺尺寸為9.4×7×2.8和9.2×6.3×2.5兩種類型，如下圖所示：承臺構(gòu)造圖1.11.2水文橋位處于伶仃洋，一個太陽日內(nèi)出現(xiàn)兩次高潮兩次低潮，日潮不等現(xiàn)象顯著。月內(nèi)有朔、望大潮和上、下弦小潮，約15天一周期。平均潮差為1.38～1.61之間，最大流速為0.73m/s。主線橋海上段設(shè)計高潮位為+3.576，設(shè)計低潮位為-1.384。1.3工程地質(zhì)上述墩位處在深水區(qū)域，海底標(biāo)高為-2.010～-4.600，地層主要為淤泥、亞粘土、粗砂和巖層，詳細地質(zhì)資料詳見地勘資料。2.設(shè)計依據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（JTJ025-86）；《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合手冊》；《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》《海港水文規(guī)范》3.鋼吊箱設(shè)計3.1承臺施工概述承臺底面標(biāo)高高出凈水面，且海水較深，擬采用有底鋼吊箱施工承臺。根據(jù)設(shè)計文件要求，承臺混凝土澆注完畢后，須進行防腐涂裝，因此鋼吊箱設(shè)計時四邊尺寸必須要超出承臺實際尺寸（現(xiàn)考慮預(yù)留1m），為后期涂裝留有足夠施工空間。承臺混凝土澆筑需準備一套模板，混凝土一次澆筑成型，整個鋼吊箱只是起圍護止水的作用。兩種類型承臺尺寸接近且其所處的地理水文環(huán)境類似，考慮共用同一類型尺寸鋼吊箱，按大尺寸承臺設(shè)計，鋼吊箱側(cè)壁模板和底籃總重量為56噸。3.2鋼吊箱初步設(shè)計承臺封底混凝土厚1.5m，側(cè)模板高度為6m，頂口高出設(shè)計高潮位1.224m，面板采用6mm鋼板，豎肋采用槽18a，按0.6m間距布置，水平肋采用槽14a，按0.4m間距布置，圈梁采用雙肢槽20a。只在模板頂口布置一層內(nèi)支撐，材料選取φ450鋼管。底籃采用型鋼模板和“井”字型承重工鋼梁作為封底混凝土澆筑時的主要受力構(gòu)件。布置圖如下所示：側(cè)壁模板布置圖3.2-1底籃布置圖3.2-23.3鋼吊箱側(cè)壁模板設(shè)計驗算3.3.1最不利工況側(cè)壁模板主要是起圍護止水的作用，當(dāng)封底混凝土達到強度并抽水完成時，鋼吊箱內(nèi)外水頭差最大，為最不利工況。3.3.2荷載計算側(cè)壁模板承受水平向荷載，按照設(shè)計規(guī)范，水平力=靜水壓力+流水壓力+波浪力+其它。(1)凈水壓力凈水壓力呈線性分布作用在側(cè)壁模板上，設(shè)計高潮位其值為0，最大水壓從封底混凝土頂面考慮，F(xiàn)凈水=（3.576-0.300）×10=32.76kN/m2。(2)流水壓力式中：F流水——鋼吊箱所受的水流作用力，kN；ξ1——擋水形狀系數(shù),矩形采用1.3，流線型采用0.75；γ1——水的容重，10kN/m3；A——鋼吊箱入水部分在垂直于水流方向上的平面投影，取1m2計算。V——水的流速，按照廣深橋梁設(shè)計文件說明，V=0.73m/s；g——重力加速度，g=9.81m/s2。流水壓力較小，為簡化計算，按等代均布荷載在設(shè)計高潮位范圍內(nèi)布置。(3)波浪力根據(jù)廣深橋梁設(shè)計文件說明，互通海上段(1號計算點位)50年一遇波浪參數(shù)如下：頻率F：H1%波高H：2.89m周期T：4.2s波長L：20.7m平均水深d：3.60m海底坡度i：1/80（讀海底地形圖參數(shù)）首先考慮波浪類型，模板按直墻考慮，底部基礎(chǔ)看做暗基床，，3.6＜2×2.89=5.78，i=1/80＜1/10根據(jù)《海港水文規(guī)范》的規(guī)定，波浪屬于遠破波。波浪力計算簡圖如下：波浪力計算圖圖3.3-1從圖中可以看出，波峰處波浪力為0，在凈水面波浪力最大，Ps=γK1K2H。K1和K2根據(jù)規(guī)范查表分別取1.29和1.01，代入公式計算得：Ps=γK1K2H=10×1.29×1.01×2.89＝37.65kN/m2此處考慮凈水面為標(biāo)高+0.300的位置，以下高度為封底混凝土，忽略波浪力的作用效應(yīng)。因此波浪力按照線性變化布置在側(cè)壁模板上。(4)其它力其它力主要考慮風(fēng)荷載的作用，查設(shè)計規(guī)范，深圳沿?；撅L(fēng)壓為F風(fēng)=0.45kN/m2，作用在設(shè)計高潮位標(biāo)高以上的側(cè)壁模板上。3.3.3面板驗算面板厚度6mm，尺寸為0.4×0.6m，按照四邊簡支板模型計算，選取封底混凝土頂部最大荷載組合進行驗算。0.4/0.6=0.67，查《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合手冊》表3.8.1，彎矩系數(shù)取0.0723，F(xiàn)凈水+F流水=32.76+0.35=33.11＜F波浪力=37.65因此面板上的均布壓力取波浪力，q=37.65kN/m2平行于短邊的每延米板寬上的彎矩Mac=0.0723×37.65×0.42＝0.44kN/m板面抗彎剛度W=bh2/6=1×0.0062/6=6×10-6m3σ=M/W=0.44×103/(6×10-6)=73.33MPa＜[σ]=145Mpa滿足要求3.3.4豎肋和橫肋驗算在鋼吊箱布置圖中，長邊側(cè)壁模板跨度最大，受力最不利，因此按照其結(jié)構(gòu)形式建立單塊模板模型進行受力分析，計算軟件采用SAP2000。模型如下圖所示計算模型圖3.3-2模板不利工況有兩種可能，一種是最高潮位產(chǎn)生的凈水壓力和流水壓力、風(fēng)荷載的疊加，另一種是波浪力和風(fēng)荷載的疊加。工況一：凈水壓力+流水壓力+風(fēng)荷載工況二：波浪力+風(fēng)荷載在SAP2000中對鋼面板施加上述荷載并按照這兩種工況定義相應(yīng)的荷載組合，運行軟件分析計算，桿件的跨度比較大，主要內(nèi)力是桿件的彎矩，如下圖所示：內(nèi)力結(jié)果圖3.3-3從上圖可以看出圈梁、豎肋和水平肋產(chǎn)生最大彎矩的位置。通過比較兩種工況，相同位置工況二產(chǎn)生的內(nèi)力明顯大于工況一，因此以工況二作為基本內(nèi)力組合，為分別選取最大彎矩桿件進行受力分析驗算。（1）豎肋豎肋最大彎矩發(fā)生在側(cè)壁模板的跨中位置，從軟件計算結(jié)果上讀出桿件的內(nèi)力，如圖：最大彎矩為M=16.20kN.m，相應(yīng)的軸力N=168.90kN，剪力Q=16.755kN。因豎肋和面板焊接，可以忽略構(gòu)件的失穩(wěn)，只考慮構(gòu)件的強度要求。豎肋材料為槽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，滿足要求；τ=QS/（Itw）=16.755×103×83.5×10-6/（1272.7×10-8×0.007）=15.70＜125MPa，滿足要求。（2）水平肋水平肋最大彎矩發(fā)生在側(cè)壁模板的跨中接近頂部支撐點的位置，從軟件計算結(jié)果上讀出桿件的內(nèi)力，如圖：最大彎矩為M=6.08kN.m，相應(yīng)的軸力N=47.32kN，剪力Q=9.61kN。因水平肋和面板焊接，可以忽略構(gòu)件的失穩(wěn)，只考慮構(gòu)件的強度要求。水平肋材料為槽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，滿足要求；τ=QS/（Itw）=9.61×103×47.5×10-6/（563.7×10-8×0.006）=13.51＜125MPa，滿足要求。（3）圈梁圈梁最大彎矩發(fā)生在側(cè)壁模板的跨中頂部支撐點的位置，從軟件計算結(jié)果上讀出桿件的內(nèi)力，如圖：最大彎矩為M=37.96kN.m，相應(yīng)的軸力N=250.13kN，剪力Q=94.46kN。因圈梁和每根豎肋都焊接，可以忽略構(gòu)件的失穩(wěn)，只考慮構(gòu)件的強度要求。圈梁材料為雙肢槽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，滿足要求；τ=QS/（Itw）=94.46×103×209.4×10-6/（3560.8×10-8×0.014）=39.68＜125MPa，滿足要求。3.4內(nèi)支撐設(shè)計驗算在鋼吊箱布置圖中，只頂口布置一層內(nèi)支撐，材料為φ450×9鋼管，長邊側(cè)壁模板只在跨中布置一道內(nèi)支撐，受力最不利，選取它進行受力計算。根據(jù)軟件計算結(jié)果，支撐處支點反力F=188.92kN。φ450×9鋼管截面參數(shù)為：A=124.69×10-4m2，I=30324.87×10-8m4，ix=0.156m。承受軸向壓力，按照壓桿穩(wěn)定計算，桿件的長度為3m，按照設(shè)計規(guī)范，長度系數(shù)取u0=1.0，則計算長度l0=u0l=3×1=3m。計算柔度系數(shù)λ=l0/ix=3/0.156=19.23根據(jù)柔度系數(shù)查附表C-2，取ψ=0.972，則受壓桿件的整體穩(wěn)定性如下：N/（Aψ）=188.92×103/（124.69×10-4×0.972）=15.59＜[σ]=210MPa，滿足要求。3.5底籃計驗算底籃采用輕型工45作為主要承重梁，按受力情況布置成單根和雙肢截面，工14做分配梁，分配梁間距均為0.5m，在分配梁頂部鋪設(shè)6mm鋼板。3.5.1最不利工況底籃主要承受封底混凝土的重量，當(dāng)處在最低設(shè)計潮位時，底籃不承受水的浮力作用，此時澆筑封底混凝土為最不利工況，荷載=封底混凝土重量+側(cè)壁模板重量+構(gòu)件自重。3.5.2底籃計算結(jié)果用計算軟件SAP2000建立底籃整體模型，吊點按照支座處理，施加最不利工況下的各種荷載并進行荷載組合，計算結(jié)果如下：彎矩圖圖33.5-11軸力圖圖33.5-22剪力圖圖33.5-333.5.3底籃籃承重梁驗驗算（1）桿桿件1驗算桿件1為單根工40，選取內(nèi)力力最大的單單元桿件，內(nèi)力結(jié)果如圖所示：最大彎矩為M==89.447kN..m，相應(yīng)的的軸力N=0kN，剪力Q=74..31kN。輕型工40的截面參參數(shù)，[σ]=2110MPaa，[τ]=1225MPa，A=71..44×110-4m2，I=189932×110-8m4，W=9466.6×110-6m3，S=5400.1×110-6m3，tw=0.0008m。σ=N/A+M/WW=0+89..47×1103/946..6×100-6=94.552＜[σ]=2110MPaa，滿足要要求；τ=QS/（Ittw）=74.311×103×540..1×100-6/（189332×100-8×0..008）=26.774＜125MPa，滿足要要求。（2）桿件2驗算桿件2為雙肢工工40，選取內(nèi)內(nèi)力最大的的單元桿件件，內(nèi)力結(jié)結(jié)果如圖所所示：最大彎矩為M==95.339kN..m，相應(yīng)的的軸力N=0kN，剪力Q=1311.67kN。輕型雙肢肢工40的截面參參數(shù)，[σ]=2110MPaa，[τ]=1225MPa，A=1444.88×100-4m2，I=378864×110-8m4，W=18993.2×10-66m3，S=10880.2××10-66m3，tw=0.0166m。σ=N/A+M//W=0++95.339×1003/18933.2×110-6=50.339＜[σ]=2110MPaa，滿足要要求；τ=QS/（Ittw）=131..67×1103×10800.2×110-6/（378664×100-8×0..016）=23.448＜125MPa，滿足要要求。（3）桿件3驗算桿件3為雙肢工工40，選取內(nèi)內(nèi)力最大的的單元桿件件，內(nèi)力結(jié)結(jié)果如圖所所示：最大彎矩為M==183..74kNN.m，相應(yīng)的的軸力N=0kN，剪力Q=1411.27kN。輕型雙雙肢工40的截面參參數(shù)，[σ]=2110MPaa，[τ]=1225MPa，A=1444.888×10--4m2，I=377864××10-88m4，W=18893.22×10--6m3，S=10080.22×10--6m3，tw=0.0116m。σ=N/A+M//W=0++183..74×1103/18993.2××10-66=97.005＜[σ]=2110MPaa，滿足要要求；τ=QS/（Ittw）=141..27×1103×10880.2××10-66/（378664×100-8×0..016）=25.119＜125MPa，滿足要要求。（4）桿件4驗算桿件4為雙肢工40，選選取內(nèi)力最最大的單元元桿件，內(nèi)內(nèi)力結(jié)果如如圖所示：：最大彎矩為M==337..13kNN.m，相應(yīng)的的軸力N=0kN，剪力Q=2277.56kN。輕型雙雙肢工40的截面參參數(shù)，[σ]=2110MPaa，[τ]=1225MPa，A=1444.888×10--4m2，I=377864××10-88m4，W=18893.22×10--6m3，S=10080.22×10--6m3，tw=0.0116m。σ=N/A+M//W=0++337..13×1103/18993.2××10-66=178..07＜[σ]=2110MPaa，滿足要要求；τ=QS/（Ittw）=227..56×1103×10880.2××10-66/（378664×100-8×0..016）=40.558＜125MPa，滿足要要求。（5）桿件4驗算桿件5為雙肢工40，選選取內(nèi)力最最大的單元元桿件，內(nèi)內(nèi)力結(jié)果如如圖所示：：最大彎矩為M==234..12kNN.m，相應(yīng)的的軸力N=0kN，剪力Q=88..59kN。輕型雙雙肢工40的截面參參數(shù)，[σ]=2110MPaa，[τ]=1225MPa，A=1444.888×10--4m2，I=377864××10-88m4，W=18893.22×10--6m3，S=10080.22×10--6m3，tw=0.0116m。σ=N/A+M//W=0++337..13×1103/18993.2××10-66=123..66＜[σ]=2110MPaa，滿足要要求；τ=QS/（Ittw）=2277.56××103×10880.2××10-66/（378664×100-8×0..016）=15.880＜125MPa，滿足要要求。3.5.4底籃籃分配梁驗算底籃熱軋輕型工工14分配梁間間距均為00.5m，其其中最大跨跨徑為2.4m，對其進進行受力分分析。分配配梁荷載為為封底混凝凝土重量及及其構(gòu)件自自重，桿件每延延米均布力力q1=224×1..5×0..5=188kN/m，自重q2=00.14kN/m，按簡支梁梁進行計算算，M=ql2/88=(18+0..14)×2.442/8=133.06kN.mQ=ql/22=(188+0.14)×2.4/2==21.777kN普通工12的截截面參數(shù)，[σ]=2110MPaa，[τ]=1225MPa，I=5722×10-88m4，W=81..7×100-6m3，S=46..8×100-6m3，tw=0.00049m。σ=M/W=133.06××103/81.77×10-66=159..85＜[σ]=2110MPaa，滿足要要求；τ=QS/（Ittw）=21.777×1003×46.88×10-66/（572×110-8×0..0049）=36.335＜125MPa，滿足要求求。3.6懸掛設(shè)計計驗算鋼吊箱懸掛系統(tǒng)統(tǒng)由樁頂雙雙肢H5000×2000×9×114扁擔(dān)梁、φ32精軋螺紋紋鋼和千斤斤頂組成，作作為鋼吊箱箱下沉和澆澆筑封底混混凝土的受受力構(gòu)件。當(dāng)在設(shè)計低潮位澆筑封底混凝土?xí)r，懸掛系統(tǒng)處在最不利受力狀況，豎向力=封底混凝土重量+鋼吊箱重量。豎向力由12根φ32精軋螺紋鋼承擔(dān)，根據(jù)上一步底籃計算結(jié)果，支點反力如圖所示：支點反力圖圖3.6-1由圖可知，平行行長邊方向向外側(cè)兩排排支點反力力最大，支點反力力均為F=4999KN,平行長邊邊方向內(nèi)側(cè)側(cè)兩排支點點反力最小小，均為F=2776KN,。φ32精軋螺紋紋鋼容許應(yīng)應(yīng)力為800MMPa，則可承受最最大軸向力力N=3.114×0..03222/4×8800×1106=643KN＞F=4999KN,滿足螺紋紋鋼受力要要求。扁擔(dān)梁為懸挑受受力構(gòu)件，懸懸臂長1mm，疏略自重重，則內(nèi)力力M=Fl=4999×1==499kN.mmQ=N=4999kN雙肢H500×2000×9××14截面參數(shù)數(shù)，[σ]=2110MPaa，[τ]=1225MPa，I=838800×110-8m4，W=33880×100-6m3，S=20554×100-6m3，tw=0.0118m。σ=M/W=4999×1003/33800×10-66=147..63＜[σ]=2110MPaa，滿足要要求；τ=QS/（Ittw）=499×1003×20544×10-66/（838000×100-8×0.0118）=67.995＜125MPa，滿足要要求。3.7封底混凝凝土設(shè)計驗驗算3.7.1最不不利工況封底混凝土厚度度1.5mm，主要承承受豎向力力，不利工工況主要有有兩種情況況：工況一：封底混混凝土抽水水后外部水水面達到設(shè)設(shè)計高潮位位，F(xiàn)1=浮力+封底混凝土自重重+鋼吊箱自自重；工況二：承臺混混凝土澆筑筑后外部水水面處在設(shè)設(shè)計低潮位位，F(xiàn)2=承臺自重+封底底混凝土自自重+鋼吊箱自自重；3.7.2荷載載計算（1）浮浮力封底混凝土底標(biāo)標(biāo)高為-1.2，設(shè)計高高潮位為+3.5576，鋼吊箱箱內(nèi)部尺寸寸為11.44×9，則排開開水的體積積為：V=((3.5776+1..2)×11..4×9=4490.002m3水的容重取100KN/m3，則f=4990.022×10==49000.2KN（2）混凝土重量根據(jù)3.6節(jié)計算，封封底混凝土土重量G1=90..04×11.5×224=32241.444kN承臺凈體積V==(9.44×7-33.14××12×4)××2.8=1499.07mm3混凝土的容重取取25KNN/m3，則G2=1499.07××25=33726..8KN（3）鋼吊箱重量鋼吊箱重量G22=5500kN。3.7.3封底底混凝土強強度驗算封底混凝土簡化化成嵌固在在鋼護筒上上角點簡支板板計算，板板的尺寸為為6.4××4，查表，取取板的彎矩矩系數(shù)為0.12002。當(dāng)工況一時，板板上均布荷荷載q=4..576××10