广珠铁路跨西江大桥新方案资料.docx

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广珠铁路跨西江大桥新方案资料

广珠铁路跨西江大桥

142号桥墩双壁钢吊箱

结构强度计算书

中铁第五勘察设计院

2008年12月

广珠铁路跨西江大桥142号墩钢吊箱结构强度计算

1.前言

跨西江大桥142号墩钢吊箱结构是一个双壁板梁组合结构，底板开孔，有纵横两个方向的加强筋。

钢吊箱沉至设计标高（底标高-13.774m）后，浇筑厚度为3.4m的封底砼；抽干钢吊箱内的水，进行承台以及墩身的施工。

在整个施工过程中，钢吊箱主要要受到水压力作用。

由于钢吊箱尺寸较大，容易产生较大的变形和应力，通过在水平方向加上水平加劲角钢，竖向设立隔舱板，吊箱内部设置支撑系统来控制结构变形。

在内部抽干水的情况下，钢吊箱受到很大的浮力。

为了防止因为钢护筒与封底混凝土之间的粘结力不足而使得钢吊箱上浮的不利后果，设置抗压（拉）柱，以抵抗上述浮力。

为了保证钢吊箱结构的安全，对钢吊箱结构的强度、刚度和稳定性进行了计算和分析。

2.计算参数

●钢吊箱设计施工水位为+7.5m。

●吊箱底面标高-13.774m，吊箱顶面标高+7.726m。

●平面尺寸24.5m×18.9m（水流方向）×21.5m（高度）

●舱壁间距1.40m。

●钢吊箱的材料包含Q235和Q345两种钢材。

●钢吊箱封底混凝土标号为C25，砼的重度取=23kN/m3。

●钻孔桩：

，钢护铜外径3.1m。

3.参考资料

●《公路桥涵地基与基础设计规范（JTJ024-85）》

●《钢结构设计规范（GB50017-2003）》

●王国正，翟履谦：

《钢结构原理与设计》，清华大学出版社，1993

●魏钟明：

《钢结构》。

武汉理工大学出版社，2002

4.钢吊箱主要构件简述

钢吊箱各种主要构件如下：

●底板和壁板

壁厚6mm，钢材类型为Q345

●底板龙骨

大龙骨：

焊接工字钢600（560×16+500×20）mm；小龙骨：

焊接工字钢400（360×16+300×20）mm；加劲角钢：

L100×63×8mm；加劲肋：

工12.6

●隔舱板

板厚分12、10和8三种；内外壳板处设－10×300的加强垫板；水平筋－10×150。

●水平角钢

壁板水平加劲角钢为L100×63×10mm和L90×56×8mm两种。

●内部水平支撑

设置2道水平内支撑，为φ720×12mm，其中心线距箱底的高度分别为10.2m和15.0m（处吊箱底）。

●抗浮支柱

采用2[36a拼成的箱形截面。

支在底板纵横龙骨的交叉点处。

5.计算模型

5.1计算工况

钢吊箱分节、分块焊接拼装，在此过程中，尚未完全就位的钢吊箱处于漂浮状态，内外水压力相互抵消，所以不会产生较大的应力和变形。

根据分析的结果，考虑最不利载荷作用影响，主要分两种工况进行计算：

●工况一、吊箱到达设计标高漂浮，浇注3.4m厚的封底混凝土（未固结）的情况；工况一为底板最不利工况。

此时由于封底混凝土未固结，没有刚度，但其重量要作用在钢吊箱的底板上，使吊箱结构产生变形。

计算中取吊箱内部（内壳板以内）和外部（外壳板以外）的水位均为设计水位。

为了保证浇注封底混凝土之前钢吊箱漂浮在水上，在1.4m舱内中的水位计算如下。

钢吊箱结构重量（包括内支撑和抗浮支柱）约708t，

舱内的水位距江水水面的高度为：

708÷（454.04－344.96）＝6.5m

舱内水位到箱底的高度为：

21.274－6.5＝14.774m。

3.4m混凝土（重度23kN/m3）考虑浮容重，换算成面压力为0.0442N/mm2。

●工况二、封底混凝土固结完毕，抽干吊箱内部的水的情况；工况二为壁板最不利工况。

为了使得上浮力较小，在吊箱1.4m舱内的水位注到与江水平齐，此时只有吊箱内壁受水压力作用；封底混凝土固结，与底板结合成整体，整体上浮力靠封底混凝土与钢护铜之间的粘结力和拉压杆一起承受。

5.2有限元模型

在有限元计算模型中，所采用的单元包括：

板壳单元离散和模拟内、外壳板、隔舱板、底板大小龙骨、拉压杆以及套箱支撑结构。

单元大小以壳板垂向加劲肋间距为依据，形状尽量接近正方形。

梁单元离散和模拟底板和壁舱底加劲肋。

按照实际情况考虑梁的偏心。

实体单元离散和模拟钢吊箱中的填充混凝土。

整体结构计算采用有限元计算软件MSC/NASTRAN进行，根据结构对称性，取四分之一结构进行分析。

材料参数如下：

SteelQ235

C20

5.3工况一结构计算

Ø模型：

浇注3.4m厚的封底混凝土，壁板双侧都受水压力，壁舱间注有6m高的水位，吊箱内支撑受力很小，底板承受混凝土的竖向压力，此工况为底板最不利工况，计算模型如图

（1）和图

（2）。

Ø载荷：

底板封底混凝土压力0.0442Mpa；

吊箱内外承受净水压力最大为0.21274Mpa；

壁舱间承受净水压力最大为0.14774Mpa；

壁舱底板承受0.065Mpa水压力；载荷示意如图（3）

Ø约束：

由于为对称结构，约束也采用对称约束，

垂直x轴的面；

垂直y周的面；

拉压杆顶部固结

图

（1）工况一四分之一整体模型

图

（2）细部结构图

图（3）工况一载荷示意图

Ø工况一应力分布：

图（4）底板应力

图（5）龙骨应力

图（6）壁板应力

图（7）隔舱板应力

图（8）水平角钢应力

图（9）围檩应力

图（10）支撑应力

表

（1）工况一构件应力最大值分布表

项目

壁板

隔舱板

水平角钢

围檩

底板

等效应力（Mpa）

65.8

44.2

93.7

24.6

172

项目

龙骨

底板加筋肋

内支撑

底板变形

等效应力（Mpa）

134

165

14.9

10.8mm

工况一计算结果显示：

所有应力均在180Mpa以内，整体变形较小，说明结构是安全可靠的。

5.4工况二结构计算

Ø模型：

封底混凝土固结，壁舱间注水与江水相平，吊箱内抽水，吊箱内支撑承受较大轴向载荷，底板与封底混凝土以及拉压杆一起承受竖向水压力压力，内壁板承受15.274m高的静水压力，此工况为底板最不利工况，计算模型如图（11）和图（12）。

与工况一计算模型相比只是多出了固结后3.4m的封底封底混凝土，用实体单元模拟，见图（12）。

Ø载荷：

吊箱内壁板承受净水压力最大为0.21274Mp；

吊箱底板受均布水压力为0.21274Mp；载荷示意如图（13）

Ø约束：

由于为对称结构，约束也采用对称约束，

垂直x轴的面；

垂直y周的面；

拉压杆顶部固结

图（11）工况二四分之一计算模型

图（12）封底混凝土

图（13）工况二载荷示意图

Ø工况二vonmises应力分布：

图（14）壁板应力

图（15）隔舱板应力

图（16）水平角钢应力

图（17）底板应力

图（18）底板龙骨应力

图（19）内支撑应力

图（20）围檩应力

图（21）整体变形

表

（2）工况二构件应力最大值分布表

项目

壁板

隔舱板

水平角钢

围檩

底板

等效应力（Mpa）

153

172

166

155

30.9

项目

龙骨

底板加筋肋

内支撑

整体变形

等效应力（Mpa）

22.9

22.1

149

12.5mm

工况二计算结果显示：

所有应力均在180Mpa以内，整体变形较小，说明结构是安全可靠的。

6.计算结果分析：

●工况一情况下内外都有水，应力结果都比较小。

内壳和外壳板单元上的等效应力都不大于65MPa。

底板承3.4m受封底混凝土的压力，封底混凝土凝固前一直为底板最不利情况。

由于舱间水位低与江水水位相差只有6m，隔舱板、围檩以及内支撑系统的应力水平都比较低，不超过45Mpa，水平角钢应力相对较大，接近94Mpa。

在底板位置，底板承3.4m受封底混凝土的压力，封底混凝土凝固前一直为底板最不利情况。

底板龙骨与底板相交处应力较大。

不考虑由于单元局部应力集中的影响，龙骨最大等效应力接近134Mpa，底板最大等效应力接近172Mpa。

相比而言，此时底板加劲肋的应力也比较大，接近165Mpa。

整体结构变形最大为底板，接近10.8mm，变形很小。

计算结果见图（4-10）和表

（1）。

●工况二，即钢吊箱内部抽干水之后，按设计施工水位（+7.5m）计算，由于壁舱间注水与江水相平，此时只有内壁板承受21.273m高的静水压力较大，为壁板最不利情况。

而底板已与封底混凝土固结成整体承受水压力，此时底板绝对安全。

内壁板和外壁板的应力比第一种情况大的多，内壁板应力最大值接近153Mpa,相比而言，内壁板应力比外壁板要大。

由于水位差很高，水平角钢、隔舱板、围檩以及内支撑系统应力都很大。

此工况为施工作业工况，也是最不利工况。

不考虑应力集中影响，水平角钢最大应力接近166Mpa,隔舱最大应力接近172Mpa,围檩应力最大值接近155Mpa,内支撑系统应力最大值接近149Mpa.

此时底板、龙骨由于和封底混凝土一起受力，应力水平都很低，都不超过50Mpa。

整体结构变形最大为壁板，接近12.5mm，变形很小。

计算结果见图（14-21）和表

（2）。

●稳定性验证

从整个计算过程可以看到，只有内支撑系统为主要受压构件，需要验证支撑系统的稳定性。

ØФ720钢管水平直撑，

计算得=250mm；计算长度取6000mm，

则长细比=6100/250=24.4；

由按b类截面查表知：

稳定性系数=0.957。

于是该截面构件可以承受的压应力为：

=0.957×180MPa=172MPa>149Mpa

因此稳定性也满足要求。

从双壁钢吊箱下水以及抽水整个过程，分工况一和工况二两种情况计算，从等效应力分布图（4-10）和图（14-21）和表格（1-2）得到结果可以看到，整个过程中结构的承载应力都在材料的允许应力范围以内，整体结构变形比较小，因此说明结构是安全的。

广珠铁路西江大桥142＃桥墩双壁钢吊箱拼组下沉方案

一、吊箱拼组顺序

钢吊箱高21.5m,分为3节，第一节高6.0m，第二节高7.5m，第三节高8.0m。

钢吊箱总重量约708吨，第一节重量（含底板、抗压柱、定位轮）为304吨，第二节重量（含内支撑）为205吨，第三节重量（含内支撑、定位轮）为199吨。

首先根据吊箱底板分快情况，把每一块分别安装在钢护筒上面的牛腿上，并且用吊架（见吊箱吊架结构图）分别吊住每一块，吊放设备用20吨手拉葫芦，吊放时注意保持所有手拉葫芦同步下放，以便使手拉均匀受力，防止吊架因手拉葫芦受力不均产生扭矩失稳，造成吊箱掉入水中的重大安全事故。

用手拉葫芦吊好底板后，对其进行焊接、水密性检查（用煤油），确保水密。

接着安装第一节（含抗压柱），第一节安装后，进行水密性检查，详细检查各拼接处（用煤油），确保水密。

水密检查合格后，把第一节吊放到水中，在其上继续拼组第二节和第三节。

二、吊架和导向

1、吊架结构

根据底板分块情况在钢护筒上设置吊架，每套吊架由一榀吊架横梁（2［36a槽钢）组成并配有两根垫梁（2［28a槽钢）和两根扁担梁（2［28a槽钢）。

每个吊架上通过卸扣悬挂四付20t手拉葫芦，手拉葫芦通过卸扣吊住穿过抗压柱的扁担梁，根据吊箱底板的分块，共需9套吊架横梁，36个吊点，36付手拉葫芦，18根垫梁，18根扁担梁，72套20t卸扣。

2、导向

为控制钢吊箱下沉位置，在钢吊箱的壁板上设置三层定位轮，每层10个（直径400mm）。

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