北塔承臺雙壁鋼吊箱設計計算書

主塔承臺主塔承臺鋼吊箱設計說明一、鋼吊箱總體結構布置鋼吊箱內凈尺寸取承臺外輪廓尺寸，圍堰外輪廓總長42m，總寬29.50m。吊箱結構由壁板、內支撐、懸吊系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、底板五部分組成，其具體布置見下圖。二、鋼吊箱壁板系統(tǒng)鋼吊箱壁板系統(tǒng)是由豎向鋼箱、水平桁架和內外面板構成空間結構，雙壁部分壁厚1.5m、高14m，頂標高+18m，底標高+4.0m。單壁部分高4m，頂標高+豎向鋼箱為壁板的主受力骨架，由12mm鋼板組焊而成，鋼板上焊接L75x6角鋼加勁，在豎向鋼箱上連接內支撐鋼管。鋼箱之間通過水平桁架相連，桁架間距根據(jù)水壓力情況而設置，水平桁架采用12mm環(huán)形鋼板和小型槽鋼水平撐焊接而成，分別與壁板面板和鋼箱焊接形成空間結構。圖1鋼吊箱壁板結構圖（單位：cm）為保持鋼吊箱封底后內外水位一致，在壁板上標高16m的高程位置共設置8個連通管，連通管的大樣見圖2圖2連通管（單位：cm）內面板采用6mm鋼板，外面板底部9m受力較大采用8mm厚度，上部12m采用6mm厚度。內外面板均采用L100x6角鋼加勁。三、鋼吊箱內支撐系統(tǒng)鋼吊箱內支撐系統(tǒng)是鋼吊箱抽水后壁板抵抗水壓力的內撐結構，承受較大的軸向壓力和一定的自重彎矩。結合承臺施工分層工藝，內支撐系統(tǒng)共布置兩層，即標高+12.0m、+19.0m處各設置一層。均采用直徑800mm，壁厚10mm的鋼管。上下兩層內支撐之間采用2[40對扣形成的箱形斜撐和2[32對扣形成的立桿連接成空間桁架結構。內支撐具體布置見下圖。圖3內支撐平面布置（單位：cm）圖4內支撐立面布置（單位：cm）四、鋼吊箱定位系統(tǒng)鋼吊箱定位系統(tǒng)用于吊箱接近設計標高后，對吊箱的平面位置、傾斜姿態(tài)進行糾偏，確保精度。定位系統(tǒng)共布置10處，除迎水面布置4處外，其他三個方向各兩處，每處布置30t螺旋式千斤頂2臺。圖5定位系統(tǒng)平面布置圖圖6水平定位系統(tǒng)圖片水平內定位系統(tǒng)共分為二層，其頂面標高分別為+18m、+14m，共計16個。五、鋼吊箱懸吊系統(tǒng)底板懸吊系統(tǒng)承受封底砼澆注過程中全部的豎向荷載（扣除浮力），懸吊系統(tǒng)采用2[20吊桿，兩端通過鉸板和連接銷子，直接與底板及護筒連接圖7鋼吊箱懸吊系統(tǒng)立面布置圖圖8鋼吊箱懸吊系統(tǒng)構造大樣圖主塔主塔承臺鋼吊箱設計計算書一、概況1、承臺規(guī)模鄂東長江大橋5#北主塔墩基礎為深水基礎，高樁承臺,承臺采用C35混凝土，承臺厚8m，順橋向寬29.5m,橫橋向長42m，為矩形帶直倒角承臺。（1）水文條件各月平均水位表月份123456平均水位（m）9.139.2010.5012.9115.6417.29月份789101112平均水位（m）19.6518.8418.0616.4813.6410.70從表中統(tǒng)計資料可以看出：長江中游汛期出現(xiàn)在5~10月，歷年最高水位及最大流量多出現(xiàn)在7~8月，最低水位及最小流量多出現(xiàn)在1~2月。（2）地質條件依據(jù)《湖北鄂東長江公路大橋基礎資料報告》“斜拉橋北塔工程地質評價”-斜拉橋北塔位于長江之中,第四系砂類土覆蓋層厚度25.4～30.3m，基巖面較平坦?；鶐r為灰色、灰褐色泥質粉砂巖、砂巖、礫巖和紫褐色安山巖。局部有破碎。細砂地層巖性：局部夾雜軟塑-流塑亞粘土，層厚<25.0m。物理性質極限摩阻力35~45KPa,承載力：100~200KPa。二、鋼吊箱結構初步設計方案1、控制工況對以下兩種不利工況進行驗算：（1）封底抽水后待澆筑首層混凝土（2）拆支撐后的不利工況（3）吊箱受力圖示 2、參數(shù)選?。?）水文條件按北岸工期總計劃（見計劃工期表），圍堰不渡洪（6~9月）。因此，設計計算水位取施工期平均高水位+富裕高度，該方案在充分考慮施工期間水位后，?。?22.00m；（2）荷載類參數(shù)確定1）靜水壓強：10kN/m32）流速：V=+2.58m/s3）波浪沖擊力：浪高1.5m。（假定數(shù)值）4）基本風壓力：0.35KPa,設計基本風速：23.9m/s。（3）鋼吊箱設計結構參數(shù)1)鋼吊箱平面內凈尺寸：42m×29.5m，四角為795×380cm倒角（橫×順）。（與承臺尺寸相同，考慮吊箱圍堰側板兼作承臺模板）；2)鋼吊箱頂面標高：+22.0m（防浪板高：205cm，頂標高：+24.05m）；3)鋼吊箱底面板標高：+4.0m;4)內支撐設二層，下層:+12.0m；上層：+7.0m。5)封底混凝土厚3m。6)承臺混凝土總高8m，按設計要求分兩層澆筑。7)吊箱設計重量：1121t，吊箱高18m。（4）荷載組合1)水平：靜水壓力+流水壓力+風力+其它2)豎向：吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其它。（5）設計依據(jù)規(guī)范湖北鄂東長江公路大橋A標招標文件；《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》（JTJ025-86）；《施工結構計算方法與設計手冊》；《水下地基與基礎》《公路橋涵施工技術規(guī)范》3、設計驗算、構件型號確定（1）吊桁架側壁最長標準單元塊設計復核1）吊箱側面板板驗算①荷載計算a、靜水壓力計算按20年一遇最高設計水位+24.0m計算。P靜=γH=10×（24.05-4）=205kPab、流水壓力計算流水壓力：式中：F1——鋼吊箱所受的水流作用力，kN；ξ1——擋水形狀系數(shù),矩形采用1.0，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，V=2m/s；g——重力加速度，g=9.81m/s2。按簡化等代均布荷載布置。c、波浪力計算無可靠參數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗按靜水壓力最大值15%取值②工況一SAP2000單元建模計算復核：選最長標準塊段一進行局部模型靜力計算。工況一模型面板加載示意圖單位：KPa加載說明：吊箱懸浮狀態(tài)（未堵鉆孔與底板前）需內部注水7m高，此水頭壓力對外面板抵消部分外荷載（整體），對內側面板產(chǎn)生一附加凈水壓力。建立模型于兩面板分別加載。a.面板受力分析內側壁板最大合應力圖(單位:N/mm)外側壁板最大合應力圖(單位:N/mm)面板中部最大合應力max=158MPa；面板最大合應力max=45MPa分析：面板選用=8mmA3鋼板。最小應力小于最大應力,不做控制內力。根據(jù)應力圖，兩鋼箱內、外邊緣處應力集中，內力較大，尤其體現(xiàn)在底部腳點以及內支撐位置處，其余位置應力小于140MPa。位于底緣的應力較大位置通過局部構造加強予以解決，不作為面板選型的控制內力。底緣位置應力較大處也可由實際施工中的箱內混凝土抵抗。b.水平桁架受力計算最大荷載處（+5ｍ處）箱內水平環(huán)板桁架結構計算結果工況一標高+5處（底第二層）水平桁架受力圖單位：KPa分析：根據(jù)應力圖，兩鋼箱內、外邊角點處應力集中，內力較大，由模型建立結點及面的劃分以及取局部塊建模和約束的導致。邊端部內力通過該處加強局部構造解決。此處對具有代表性位置構桿件進行強度及穩(wěn)定性驗算。驗算各桿件內力：ⅰ、I250*12mm弦桿（水平環(huán)板）受力驗算位置：靠近鋼箱點水平環(huán)板參數(shù)：Wx=1.25E-4；A=3.0E-3；Ix=1.563E-5(單位:ｍ)控制內力：M2max=13.23KNm;Vmax=3.76KN;N=65KN強度驗算截面的強度滿足要求穩(wěn)定性驗算：式中：-平面內受壓構建失穩(wěn)系數(shù)，查表；-截面模量發(fā)展系數(shù)；-等效彎矩系數(shù)；-參數(shù)，=2EA/（1.12）計算長度Lo=0.8L=0.8×25.6=20.48cm，ix=7.2，=Lo/ix=2.84,查表得=1.0，=1.2，=1.05，=2EA/（1.12）=5.54×10665000/(12500×1)+1.2×13.23×103/(1.05×125×1)=126.2MPa<1.4×140=196MPa。截面的穩(wěn)定性滿足要求。水平桁架弦桿（環(huán)板）選用加工整體扁鋼板250×12mm。ⅱ、設計雙肢2L100×100×10腹桿驗算參數(shù)：Wx=50.12；A=2×19.261=38.5122；(單位:cm)強度：，滿足強度要求。根據(jù)內力計算結果，該處位置置于選用此型號桿件，其余位置選用2L75*75*10(詳見結構圖，下章)。穩(wěn)定性驗算：根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》軸心受力桿件計算雙肢等邊2L100×10組合界面參數(shù)：Lox=108cm;Loy=100cmix=3.06cm;iy=4.6cm=108/3.06=35;=100/4.6=22等邊雙角鋼繞對稱軸=22×（1+0.32）=29查表取較小的穩(wěn)定系數(shù)得：=0.918，穩(wěn)定性滿足要求。水平桁架腹桿改用2L100×100×10。c.豎肋受力分析X=6.70m（近1/２跨徑跨中）;X=12.45m（近鋼箱支點）X=1.583m（近鋼箱支點）跨中x=6.7m豎肋各桿件最大內力情況：標高彎矩M2(KNm)剪力V3(KN)軸力P(KN)+4.5(外側桿)5.828-0.62411.32+4.5內側桿）7.18-8.646.2支點附近x=1.583m豎肋各桿件最大內力情況：標高彎矩M2(KNm)剪力V3(KN)軸力P(KN)+5(外側桿)-3.217.76170.235+5~+11（外側桿）2.8-14.8Pmax=52.4支點x=12.45m豎肋各桿件高最大內力情況：標高彎矩M2(KNm)剪力V3(KN)軸力P(KN)+5(內側桿)+5.52-4079.7ⅰ、驗算X=6.7m跨中位置豎肋內力，取內側桿+5位置豎肋界面：L125×10截面：參數(shù)：Wx=39.97；A=24.373；ix=3.85；(單位:cm)穩(wěn)定性驗算：計算長度L=8L0=0.8×100=80cm。=80/3.85=21，=0.967，根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》查表得:==3.142×206×106×24.4×10-4/（1.1×212）=10216=0.85，=1.05，()=1-0.8×7.2/10216=1=6200/(2437.3×0.967)+0.85×7.18×103/(1.05×39.97)=148MPa<1.4×140=196MPa。截面的穩(wěn)定性滿足要求。ⅱ、支點x=12.45m豎肋驗算豎肋界面：Ｌ125×10等邊角鋼控制內力：M=5.52KNm；P=80KN。強度驗算：參數(shù)：Wx=39.97；A=24.373；ix=3.85(單位:cm)穩(wěn)定性驗算：計算長度L=0.8L0=0.8×100=80cm。=80/3.85=21，b類截面，=0.967。根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》查表得:==3.142×206×106×24.4×10-4/（1.1×212）=10216=0.967，=0.85，=1.05，()=1-0.8×80/10216=0.9937=80000/(2437.3×0.967)+0.85×5.52×103/(1.05×39.97×0.9937)=40+112.4=152.MPa<1.4×140=196MPa。截面的穩(wěn)定性滿足要求。經(jīng)驗算其它位置處均滿足強度及穩(wěn)定性需求。故，豎肋改用L125×10的等邊角鋼。d.依箱雙壁板在最不利何載作用下整體變形單位：cm最大位移出現(xiàn)在標高+14m，吊箱封底頂面近一半位置。[v]=3.5/1500=1/428<1/400,滿足《公路橋梁施工技術規(guī)范》規(guī)定的結構表面外露大塊模板規(guī)定。③工況二計算分析工況二：首層混凝土澆筑完成，拆除下層支撐后的，壁板上兩支點間距8m時，驗算壁板結構受力。SAP2000建模型如下圖。A．整體模型約束及加載布置圖荷載同工況一B、面板結構受力分析內側面板最大合應力分布88.4（單位：MPa）外側面板最大合應力分布32(單位：MPa)分析：圖示面板的最大合應力小于第一工況面板受力，經(jīng)驗算層面板塊受力均在允許范圍內。面板結構可靠。C、水平桁架結構受力分析+5標高1/2水平桁架受力圖+7標高1/2水平桁架受力圖+10標高1/2水平桁架受力圖+17標高1/2水平桁架受力圖分析:圖示桿件內力均小于第一最不利工況下的桿件受力,經(jīng)驗算各層桁架桿件受力均在允許范圍內。故在選用第一工況下確定的桿件情況下在第二不利工況荷載作用下,吊箱的雙壁結構是可靠的。（2）內支撐系統(tǒng)內支撐設計過程中分別對井字型、八字型進行了對比，以盡量減少護筒分段割除工作量以及減少支撐數(shù)量為基本原則充分利用雙壁板吊箱較大的壁板剛度，最終確定了此支撐型式。1)工況一：最不利工況，吊箱抽水完成階段，吊箱內外形成巨大的水頭差。驗算荷載取標準節(jié)段支撐軸力，其余塊段按平面比例插值取得，斜段按分力疊加集中至支撐上，建立：內支撐模型首層內支撐阿加載(+12)首層內支撐阿加載(+19)說明：內支撐主撐為O800×8mm鋼管，共兩層，間距7m，橫縱向鋼管位于統(tǒng)一平面內相貫連結，斜撐與水平、豎直撐交點采用格構法蘭塊，承擔三個方向軸力。（局部待詳細計算）模型中的三個方向的桿件均釋放桿端彎矩。層間桁架為O300×8mm小鋼管，受力較小，釋放兩端彎矩約束，目的提高結構穩(wěn)定性設置。模型中支座設置為限制鋼管豎向及垂直于各個桿件長度方向的兩個自由度，釋放沿長度方向的自由度。由于焊縫較長且沿相貫線分布均勻，故主撐桿件間節(jié)點模型中均設置為固結形式。A.主桿控制計算內力如下表：LPM2M3vmKNKN-mKN-mKN18.751260120.247.753B.強度及穩(wěn)定性驗算：桿件參數(shù):ix=iy28cm,Ix=Iy=156088cm4,A=199cm2,D=80cm,Wx=Wy=Ix查《鋼結構設計規(guī)范》得：強度驗算：安全系數(shù)：K=196/69=3穩(wěn)定性驗算：（由于M3較小此處忽略不計）計算長度L=L0=1875cm。=1875/28=67，a類截面，=0.854。==3.142×206×106×199×10-4/（1.1×672）=8185.4KN根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》查表得:=0.854，=0.85，=1.15，()=1-0.8×1260/8185.4=0.877,=0.7,=1.0,=0.85=1260000/(19900×0.854)+0.85×20.24×103/(1.15×3902×0.877)+0.7×0.85×7.75/3902=78.4MPa<1.4×140=196MPa。失穩(wěn)安全系數(shù)：K=203/78.4=2.59。經(jīng)計算,其余控制內力作用下桿件穩(wěn)定性均滿足要求.因此,內支撐系統(tǒng)選用主桿:O800×8mm鋼管，層間桁架采用O300×8mm的小鋼管，滿足要求。2)工況二：首層混凝土澆筑完成，拆除下層支撐后的，混凝土頂面與支撐鋼管間距8m時，驗算支撐結構受力。A.模型加載：整體模型加載荷載加載壓彎桿件彎矩圖B.強度穩(wěn)定性驗算：控制內力：P=1341KN,M3=247KNm，M2=1.16KNm截面參數(shù)：ix=iy28cm,Ix=Iy=156088cm4,A=199cm2,D=80cm,Wx=Wy=Ix查《鋼結構設計規(guī)范》得：強度驗算：安全系數(shù)：K=196/122.4=1.5穩(wěn)定性驗算：（M2較小此處忽略不計）計算長度L=L0=1875cm，=1875/28=67，a類截面，=0.854。==3.142×206×106×199×10-4/（1.1×672）=8185.4KN根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》查表得:=0.854，=1，=1.15，()=1-0.8×1341/8185.4=0.869=1341000/(19900×0.854)+1×247×103/(1.15×3902×0.869)=79+63.3=142.3<1.4×140=196MPa。失穩(wěn)安全系數(shù)：K=196/142.3=1.38經(jīng)計算,其余控制內力作用下桿件穩(wěn)定性均滿足要求，支撐截面選用O800×8mm。（3）底板及懸吊系統(tǒng)設計1)底板結構初步設計：設計底板系統(tǒng)模型選用桿件型：主梁：2HN500×200，間距255cm,370cm。次梁：[16基本間距75cm，71cm。設計底板重量：面板選用＝10mm，42×29.5×0.01×7.85＝97.3t；框架重量：HN500200,859.52×89.6×10-3=77.6t；[16,1386.4×19.5=27t。合計：27+77.6=104.6。2)分工況驗算結構A.工況一：吊箱起吊，底板自重作用下（附加吊桿等結構物）驗算吊箱底板在自重作用下、吊箱雙壁面板底緣與底板主梁相交位置處、底板斜撐（３ｍ基本間距）設置豎向約束的條件下底板框架內力是否滿足規(guī)范要求。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，附加結構物何載取底板自重2.6倍，全重約為160t。建立計算結果驗算：主梁控制內力：Mmax=368KNm,Vmax=136KN,N=0。主梁為純彎構建，截面參數(shù)：型號：2×HN500×200，WX=2×1910=382cm3,A=2×114.2=228.4cm2。框架頂面全鋪面板，且與每根主梁焊接牢固，不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故此處僅驗算強度：=91.7MPa<1.4×140=196MPa,滿足要求。依據(jù)模型計算結果，底板中部最大變形值約為：4.87cm，[v]=5/3300=1/660<1/500，滿足規(guī)范要求。C.工況二：下放就位后底板及懸吊系統(tǒng)承受3m封底混凝土受力分析ⅰ荷載：簡化考慮，分配梁承受兩邊半跨的面板荷載分配梁間距75cm。自重荷載:其中面板荷載等代到框架自重中去，自重系數(shù)：3?；炷寥「∪葜兀海?4KN/m3,封底混凝土厚度：3m。間距75cm分配梁線荷載：q1=14×3×0.75=31.5KN/m護筒附近分配梁線荷載：q3=28KN/mⅱ.約束布置:設計每個護筒均布八個吊耳、通過吊桿與底板樁孔周圍八個主梁（２HN500×200）吊點連接，因此底板模型在孔位四周布置八個豎向約束。計算結果圖示ⅲ建模內力計算主梁計算結果最大控制內力：Mmax=289KNm,V=66KN,經(jīng)驗算結構可靠,內力在容許范圍以內。分配梁計算結果最大控制內力：Mmax=35.3KNm,V=56.64KN,強度驗算：選擇[20槽鋼，并將分配梁間距掉整為：60cm。此時線荷載大小q4=42×0.6=25.2KN/m,取5跨連續(xù)梁簡化計算，驗算分配梁內力：應力：=26×103/(1.05×191)=129MPa,強度滿足要求。穩(wěn)定性:因底板框架頂面設有一層1cm厚面板,每一桿件均與面板焊接牢固,因此根據(jù)規(guī)范可滿足穩(wěn)定性要求。 ⅳ吊點、吊桿驗算吊桿設計選型：2[20,Ａ=32.8cm2。吊點最大拉力：580KN.拉桿抗拉強度復核：σ=N/A=580/2×32.8=88.4Mpa<[σ]=140MpaK=140/88.4=1.58鉸座與主梁連接焊縫抗剪：(焊縫長度2×20cm，焊腳高12=N/helw=580000/(8.5×2×400)=170.6Mpa<ftw=185Mpa(三級焊縫)護筒鉸座耳板抗剪：(焊縫長度2×30cm，焊腳高12τ=N/helw=580000/(8.5×2×300)=114Mpa<fcw=125Mpa(三級焊縫)銷子抗剪：(銷子采用45號鋼,直徑:D=6.8cm,[σ]=220MPa,[τ]=125MPa)τ=Q/2A=580000/(2×3.14×3.4×3.4)=79.8Mpa<[τ]=125MpaK=125/79.8=1.57據(jù)此最大受力控制吊桿設計,吊桿選用2[20,銷接板及耳板均選用Q235板。（4）鋼吊箱抗浮穩(wěn)定性1)水位確定按北岸工期總計劃（見計算總工期），吊箱首節(jié)下放時間：07.05.25；整體下放定位固定后：07.6.22；抽水完成時間：07.07.11,承臺施工工期：80天。圍堰需要度過整個洪水期。因此，取5%設計洪水位計算水位值：＋24.05m。2)吊箱整體入水浮力計算鋼吊箱截面積：Sa=1383m2護筒截面積：Sh；入水深度:20-4=16m。鋼吊箱所受的浮力：F=(1383-203)×16=18880t3）封底混凝重量計算 擬定封地混凝土厚度：3m；容重：24KN/M^3Ｇ＝(1178.6-203)×3×24=7020t