《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;
τ=QS/3.4内支撑设计验算
在钢吊箱布置图中,只顶口布置一层内支撑,材料为φ450×9钢管,长边侧壁模板只在跨中布置一道内支撑,受力最不利,选取它进行受力计算。
根据软件计算结果,支撑处支点反力F=188.92kN。
φ450×9钢管截面参数为:
A=124.69×10-4m2,I=30324.87×10-8m4,ix=0.156m。
承受轴向压力,按照压杆稳定计算,杆件的长度为3m,按照设计规范,长度系数取u0=1.0,则计算长度
l0=u0l
=3×1=3m。
计算柔度系数
λ=l0/ix=3/0.156=19.23
根据柔度系数查附表C-2,取ψ=0.972,则受压杆件的整体稳定性如下:
N/3.5底篮计验算
底篮采用轻型工45作为主要承重梁,按受力情况布置成单根和双肢截面,工14做分配梁,分配梁间距均为0.5m,在分配梁顶部铺设6mm钢板。
3.5.1最不利工况
底篮主要承受封底混凝土的重量,当处在最低设计潮位时,底篮不承受水的浮力作用,此时浇筑封底混凝土为最不利工况,荷载=封底混凝土重量+侧壁模板重量+构件自重。
3.5.2底篮计算结果
用计算软件SAP2000建立底篮整体模型,吊点按照支座处理,施加最不利工况下的各种荷载并进行荷载组合,计算结果如下:
弯矩图图3.5-1
轴力图图3.5-2
剪力图图3.5-3
3.5.3底篮承重梁验算
<1)杆件1验算
杆件1为单根工40,选取内力最大的单元杆件,内力结果如图所示:
最大弯矩为M=89.47kN.m,相应的轴力N=0kN,剪力Q=74.31kN。
轻型工40的截面参数,[σ]=210MPa,[τ]=125MPa,A=71.44×10-4m2,I=18932×10-8m4,W=946.6×10-6m3,S=540.1×10-6m3,tw=0.008m。
σ=N/A+M/W=0+89.47×103/946.6×10-6=94.52<[σ]=210MPa,满足要求;
τ=QS/<2)杆件2验算
杆件2为双肢工40,选取内力最大的单元杆件,内力结果如图所示:
最大弯矩为M=95.39kN.m,相应的轴力N=0kN,剪力Q=131.67kN。
轻型双肢工40的截面参数,[σ]=210MPa,[τ]=125MPa,A=144.88×10-4m2,I=37864×10-8m4,W=1893.2×10-6m3,S=1080.2×10-6m3,tw=0.016m。
σ=N/A+M/W=0+95.39×103/1893.2×10-6=50.39<[σ]=210MPa,满足要求;
τ=QS/<3)杆件3验算
杆件3为双肢工40,选取内力最大的单元杆件,内力结果如图所示:
最大弯矩为M=183.74kN.m,相应的轴力N=0kN,剪力Q=141.27kN。
轻型双肢工40的截面参数,[σ]=210MPa,[τ]=125MPa,A=144.88×10-4m2,I=37864×10-8m4,W=1893.2×10-6m3,S=1080.2×10-6m3,tw=0.016m。
σ=N/A+M/W=0+183.74×103/1893.2×10-6=97.05<[σ]=210MPa,满足要求;
τ=QS/<4)杆件4验算
杆件4为双肢工40,选取内力最大的单元杆件,内力结果如图所示:
最大弯矩为M=337.13kN.m,相应的轴力N=0kN,剪力Q=227.56kN。
轻型双肢工40的截面参数,[σ]=210MPa,[τ]=125MPa,A=144.88×10-4m2,I=37864×10-8m4,W=1893.2×10-6m3,S=1080.2×10-6m3,tw=0.016m。
σ=N/A+M/W=0+337.13×103/1893.2×10-6=178.07<[σ]=210MPa,满足要求;
τ=QS/<5)杆件4验算
杆件5为双肢工40,选取内力最大的单元杆件,内力结果如图所示:
最大弯矩为M=234.12kN.m,相应的轴力N=0kN,剪力Q=88.59kN。
轻型双肢工40的截面参数,[σ]=210MPa,[τ]=125MPa,A=144.88×10-4m2,I=37864×10-8m4,W=1893.2×10-6m3,S=1080.2×10-6m3,tw=0.016m。
σ=N/A+M/W=0+337.13×103/1893.2×10-6=123.66<[σ]=210MPa,满足要求;
τ=QS/3.5.4底篮分配梁验算
底篮热轧轻型工14分配梁间距均为0.5m,其中最大跨径为2.4m,对其进行受力分析。
分配梁荷载为封底混凝土重量及其构件自重,杆件每延M均布力q1=24×1.5×0.5=18kN/m,自重q2=0.14kN/m,按简支梁进行计算,
M=ql2/8=(18+0.14>×2.42/8=13.06kN.m
Q=ql/2=(18+0.14>×2.4/2=21.77kN
普通工12的截面参数,[σ]=210MPa,[τ]=125MPa,I=572×10-8m4,W=81.7×10-6m3,S=46.8×10-6m3,tw=0.0049m。
σ=M/W=13.06×103/81.7×10-6=159.85<[σ]=210MPa,满足要求;
τ=QS/3.6悬挂设计验算
钢吊箱悬挂系统由桩顶双肢H500×200×9×14扁担梁、φ32精轧螺纹钢和千斤顶组成,作为钢吊箱下沉和浇筑封底混凝土的受力构件。
当在设计低潮位浇筑封底混凝土时,悬挂系统处在最不利受力状况,竖向力=封底混凝土重量+钢吊箱重量。
竖向力由12根φ32精轧螺纹钢承担,根据上一步底篮计算结果,支点反力如图所示:
支点反力图图3.6-1
由图可知,平行长边方向外侧两排支点反力最大,支点反力均为F=499KN,平行长边方向内侧两排支点反力最小,均为F=276KN,。
φ32精轧螺纹钢容许应力为800MPa,则可承受最大轴向力N=3.14×0.0322/4×800×106=643KN>F=499KN,满足螺纹钢受力要求。
扁担梁为悬挑受力构件,悬臂长1m,疏略自重,则内力
M=Fl=499×1=499kN.m
Q=N=499kN
双肢H500×200×9×14截面参数,[σ]=210MPa,[τ]=125MPa,I=83800×10-8m4,W=3380×10-6m3,S=2054×10-6m3,tw=0.018m。
σ=M/W=499×103/3380×10-6=147.63<[σ]=210MPa,满足要求;
τ=QS/3.7封底混凝土设计验算
3.7.1最不利工况
封底混凝土厚度1.5m,主要承受竖向力,不利工况主要有两种情况:
工况一:
封底混凝土抽水后外部水面达到设计高潮位,
F1=浮力+封底混凝土自重+钢吊箱自重;
工况二:
承台混凝土浇筑后外部水面处在设计低潮位,
F2=承台自重+封底混凝土自重+钢吊箱自重;
3.7.2荷载计算
<1)浮力
封底混凝土底标高为-1.2,设计高潮位为+3.576,钢吊箱内部尺寸为11.4×9,则排开水的体积为:
V=(3.576+1.2>×11.4×9
=490.02m3
水的容重取10KN/m3,则
f=490.02×10=4900.2KN
<2)混凝土重量
根据3.6节计算,封底混凝土重量G1=90.04×1.5×24=3241.44kN
承台净体积V=(9.4×7-3.14×12×4>×2.8
=149.07m3
混凝土的容重取25KN/m3,则
G2=149.07×25=3726.8KN
<3)钢吊箱重量
钢吊箱重量G2=550kN。
3.7.3封底混凝土强度验算
封底混凝土简化成嵌固在钢护筒上角点简支板计算,板的尺寸为6.4×4,查表,取板的弯矩系数为0.1202。
当工况一时,板上均布荷载q=4.576×10-24×1.5=9.76KN/m2,取单位板宽验算,
M=1×0.1202×9.76×6.42
=48.05kN.m
σ=M/W=48.05×103/(1×1.52/6>=0.13<[σ]=1.06MPa,满足要求;
当工况二时,板上均布荷载q=25×2.8+24×1.5=106KN/m2,取单位板宽验算,
M=1×0.1202×106×6.42
=521.88kN.m
σ=M/W=521.88×103/(1×1.52/6>=1.39≈[σ]=1.06MPa,满足要求;
3.7.4封底混凝土摩擦力验算
钢护筒与封底混凝土接触面积S=3.14×2×1.5×4=37.68m2
取单位面积摩擦力为150KN,则
F=37.68×150=5652KN
工况一时,摩擦力/(浮力+封底混凝土重力+钢吊箱重力>=5652/<4900.2-3241.44-550)=5.1>1,满足要求;
工况二时,摩擦力/<承台重力+封底混凝土重力+钢吊箱重力)=5652/<3726.8+3241.44+550)=0.75<1,不满足要求;
由计算可知,单纯靠封底混凝土与钢护筒的摩擦力不足以满足施工要求,因此必须采取措施,在钢护筒上封底混凝土厚度范围内焊接抗剪钢筋或型钢,加大混凝土受力面积。
构件受力主要靠焊缝传递,因此只需计算焊缝长度,焊缝类型为角焊缝。
N=<3726.8+3241.44+550-5652=1866.24KN
取焊缝高度为6mm,则根据钢结构设计规范,
Lw=N/(0.7hffwf>
=1866.24×103/(0.7×0.006×160×106>
=2.78m
在四个钢护筒上焊接构件焊缝长度累计达到2.78m即可满足施工要求。
4.结论
综合上述,钢吊箱设计计算符合设计要求。