東營港碼頭擴(kuò)建工程承臺鋼套箱整體穩(wěn)定性分析研究報告

1、 東營港碼頭擴(kuò)建工程承臺鋼套箱整體穩(wěn)定性分析研究報告長安大學(xué)公路學(xué)院 191 概述1.1 結(jié)構(gòu)概況東營港碼頭擴(kuò)建工程引橋共136個橋墩，中港二航局承擔(dān)施工的引橋橋墩共126個，分標(biāo)準(zhǔn)墩和加寬墩，其中加寬墩6個，其余均為標(biāo)準(zhǔn)墩。每個橋墩由三部分組成：預(yù)制安裝的樁裙、現(xiàn)澆承臺、現(xiàn)澆墩身及蓋梁。橋墩分三層施工，承臺施工利用鋼吊箱的施工措施來進(jìn)行施工，采取先在陸上將鋼套箱、吊架和樁裙安裝好，并在樁裙上鋪設(shè)部分底模，然后用起重船整體吊裝。吊裝到位后鋪設(shè)余下底模，幫扎鋼筋，完成后澆承臺砼。砼分二層澆注，第一層砼施工標(biāo)高為+1.20m+2.20m，第二層砼施工標(biāo)高為+2.20m+4.4m；第三層（大部分橋墩

2、）墩身及蓋梁施工標(biāo)高為+4.4m（+6.4+7.40）m，側(cè)模一次安裝。標(biāo)準(zhǔn)墩承臺，平面外形呈棱型，外形尺寸為18.5×6m、加寬墩承臺外形尺寸為34.55×6m，高3.0m，標(biāo)高從+1.20m+4.20m，墩身內(nèi)有空腔標(biāo)高從+4.20m+h1.20m，蓋梁外型尺寸為19.5×6m，高1.20m。最后在蓋梁上施工t梁支座墊石砼。圖1-1 承臺鋼吊箱結(jié)構(gòu)圖（單位：mm） 圖1-2 吊架平面圖（單位：mm）1.2設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)1）設(shè)計基準(zhǔn)期50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級；2）1980年西安坐標(biāo)系，當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面（在1985年國家高程基準(zhǔn)面以下0.78m）；3）設(shè)計水位：設(shè)計高

3、/低水位 1.86/0.08m 極端高/低水位 3.46/-1.54m（50年一遇）；4）波浪：ne向50年一遇波浪見下表，有效周期為t9.8s；海圖水深（m）4.06.08.010.013.0設(shè)計高水位1.86mh1%=3.52mh1%=4.72mh1%=5.92mh1%=6.39mh1%=6.92m極端高水位3.46m h1%=4.48mh1%=5.68mh1%=6.24mh1%=6.53mh1%=6.98m5）海冰：流冰運(yùn)動方向基本與引橋軸線垂直，呈se-nw向。50年一遇設(shè)計平整冰厚見下表，冰溫-2.5，設(shè)計抗壓強(qiáng)度2085kpa；海圖水深2.02.05.05.010.010.015.

4、0>15.0設(shè)計冰厚64.044.032.026.022.06）地質(zhì)：起始3跨海底地形坡度約2.4，其他部分地形平坦，坡度<1%；7）地震烈度：7度；1.3設(shè)計依據(jù)1）港口工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(jtj267-98)2）港口工程灌注樁設(shè)計與施工規(guī)范(jtj248-2001)3）港口工程預(yù)應(yīng)力混凝土大直徑管樁設(shè)計與施工規(guī)程(jtj261-97)4）港口工程樁基規(guī)范(jtj254-98)5）公路工程抗震設(shè)計規(guī)范(jtj004-89)6）海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范(jtj275-2000)2.主要計算內(nèi)容1）單純考慮起重船吊裝樁裙時吊架的穩(wěn)定性.2）考慮水位1.8m,波高3.52米

5、時,樁和底模焊接夾樁為3排和4排和5排的情況下,承臺混凝土未施工時吊架和套箱的整體穩(wěn)定性.3.有限元分析模型3.1模型基本參數(shù)吊架由型鋼 ( 232a、228a、225a、220a、216、i20b、20a ) 組成。鋼套箱由面板(=8mm鋼板), 橫肋（212、228、80×50×6、豎肋肋（i12）組成。底模由底模鋼板（=5mm鋼板）、主梁（i 18 ）、次梁主梁（10）、吊桿（d=45mm）組成。樁裙由樁裙上部混凝土（厚度0.75m）、樁裙下部混凝土（等效厚度0.625m）組成。表3-3 材料特性表編號材料彈性模量（pa）泊松比密度（kg/m3）1q345q(16mn

6、q)2. 1×10110.37850230號混凝土1.95×10100.172500東營港碼頭擴(kuò)建工程鋼構(gòu)件采用q345q(16mnq)，根據(jù)橋梁用結(jié)構(gòu)鋼(gb/t714-2000)規(guī)定， q345q鋼材的力學(xué)性能如下表：表6-4-3q345q鋼材的力學(xué)性能鋼材牌號厚度(mm)屈服點(mpa)抗拉強(qiáng)度(mpa)q345q1634551017353254903650315470511003054703.2模型簡述模形采用大型通用有限元商業(yè)程序ansys進(jìn)行分析。根據(jù)施工單位提供的施工方案及鋼套箱的構(gòu)造特點，計算模型選用了shell93空間三維殼單元模擬套箱、樁裙；beam4空

7、間三維梁單元來模擬吊架、套箱縱橫肋、底模主次梁及吊桿。在分析中，將整個結(jié)構(gòu)視為均質(zhì)彈性體，沒有考慮焊縫的影響。鋼套箱起吊過程中，主要考慮在套箱、樁裙及吊架自身自重作用下吊架的整體穩(wěn)定性；鋼套安裝過程中，主要考慮在靜水壓力，波浪力等荷載作用下鋼套箱的整體穩(wěn)定性。故分析采用了兩種計算模型，即：模型：吊架(梁單元)穩(wěn)定性分析.模型：吊架(梁單元)和樁裙套箱(板單元)整體穩(wěn)定性分析.3.3 有限元模型的建立3.3.1結(jié)構(gòu)模型模型的結(jié)構(gòu)離散有限元模型共分1849個單元，1723個節(jié)點。圖3-1 結(jié)構(gòu)離散圖（模型）模型的結(jié)構(gòu)離散有限元模型共分19399個單元，38576個節(jié)點。圖3-2 套箱樁裙及底模離散

8、圖（模型）3.3.2 邊界條件模型1的邊界條件:考慮到吊繩對吊架變形及應(yīng)力影響不大,因此約束四個吊點處的三向線位移.模型2的邊界條件:考慮到樁和吊架及底模鋼板之間是焊接的,因此約束樁和吊架及底模鋼板的所有焊接點的線位移和角位移.3.3.3 計算荷載計算中考慮的加載工況： 工況1: 單純考慮起重船吊裝樁裙、套箱時吊架的穩(wěn)定性；工況2: 考慮水位1.8m,波高3.52米時,樁和底模焊接夾樁為3排的情況下,未澆注承臺第一層混凝土?xí)r吊架、樁裙及套箱結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；工況3: 考慮水位1.8m,波高3.52米時,樁和底模焊接夾樁為4排的情況下, 未澆注承臺第一層混凝土?xí)r吊架、樁裙及套箱結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；

9、工況4 考慮水位1.8m,波高3.52米時,樁和底模焊接夾樁為5排的情況下, 未澆注承臺第一層混凝土?xí)r吊架、樁裙及套箱結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。單根吊具承受荷載計算:1.標(biāo)準(zhǔn)樁裙：外圍面積，周長l=42.44m 樁裙頂口內(nèi)圈面積 ，周長l=37.16m 樁裙頂口面積 a=2.取1，2樁所在排架為研究對象，根據(jù)吊架平面圖（圖1） #、10樁分界線處面積：余下端頭1、2#、11、12四根樁分界線處面積：a-a=30.07-13.17=16.90m所以樁裙端部四個吊具承受荷載占全部荷載的：16.90/30.07=56.2%每個吊具占全部荷載的：56.2%=14.05%樁群總重114t,考慮最不利荷載，端頭吊

10、架1，2樁處單個吊具承受荷載為最不利：11414.05%=16.02（t）3.鋼套箱側(cè)模板按25t計，加固于樁裙上，在各個排架荷載分配按樁裙外周長計算，端頭處四個吊具吊點分擔(dān)：（42.44-17.56）/42.4425=14.65（t）， 每處吊具承受鋼模重：1/414.65=3.67（t）4、承臺底模按6t重計，擱置于樁裙牛腿上，在各個排架荷載分配按樁裙頂口內(nèi)圈周長計算，端頭處四個吊具吊點分擔(dān)：（37.16-17.56）/37.166=3.16（t）， 每處吊具承受鋼底模重：1/43.16=0.79（t）根據(jù)吊架平面圖，可以判斷端頭1，2樁處（11、12樁處對稱）排架吊具吊點受力為最不利荷載

11、組合，其值為：（16.02+3.670.79）9.811000=200800n考慮最不利情況,所有吊具吊點所受外荷載采用此值.模型二:靜水壓力公式: 波浪沖擊力推導(dǎo)公式: 考慮最高水位1.8米,最大波高3.52米時樁裙及鋼套箱的穩(wěn)定性.最大水位以下套箱及承臺承受外荷載考慮靜水壓力及波浪沖擊力(h+0.5)*9800+1.34*1.34*1000.最大水位以上最大波高以下套箱及承臺承受外荷載只考慮波浪沖擊1.34*1.34*1000=1795.6pa.樁群自重,吊架自重以及鋼套箱自重考慮成外荷載當(dāng)集中力加到各個吊具上.同模型一相同考慮, 端頭 1，2樁處（11、12樁處對稱）排架吊具吊點受力為最

12、不利荷載組合，其值為：（16.02+25/10+3.670.79）9.811000=225404n考慮最不利情況,所有吊具吊點所受外荷載采用此值.有限元分析結(jié)果圖中結(jié)果均采用n（力）m（長度）kg（質(zhì)量）的國際單位制，應(yīng)力單位為pa。工況1:圖3-4吊架x向位移圖 (單位:m)圖3-5 吊架y向位移圖 (單位:m)圖3-6 吊架z向位移圖 (單位:m)圖3-7 吊架最大壓彎應(yīng)力圖（單位：pa）工況2:圖3-8樁群套箱及底模的x向位移(單位:m)圖3-9樁群套箱及底模的y向位移(單位:m)圖3-10 樁群套箱及底模的z向位移(單位:m)圖3-11 樁群套箱及底模的x向應(yīng)力（單位：pa）圖3-12 樁群套箱及底模的y向應(yīng)力（單位：pa）圖3-13 樁群套箱及底模的z向應(yīng)力（單位：pa）圖3-14 樁群套箱及底模的von mises應(yīng)力（單位：pa）工況3:圖3-15 樁群套箱及底模的ux向位移(單位:m)圖3-16 樁群套箱及底模的uy向位移(單位:m)圖3-17 樁群套箱及底模的uz向位移(單位:m)圖3-18 樁群套箱及底模的sx應(yīng)力（單位：pa）圖3-19 樁群套箱及底模的sy向應(yīng)力（單位：pa）圖3-20 樁群套箱及底模的sz向應(yīng)力（單位：pa）圖3-21 樁群套箱及底模的von mi