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主墩钢吊箱围堰设计计算


主墩钢吊箱围堰设计计算 ⑴工况分析 工况一:围堰底节整体浮运到墩位后,精确定位后插打定位钢护筒 底隔舱面积 706m2,双壁面积 338 m2 围堰吃水深度:3920/(706+338)=3.75m 侧板内外壁承受对压水头荷载。 工况二:围堰作为钻孔平台,进行钻孔桩施工 钢吊箱由 14 根定位钢护筒承载,钻孔过程中双壁隔舱灌水高度根据根据水 位变化相应调节。 工况三:钻孔桩全部施工完成后,水上接高围堰顶节,下放至设计标高 工况四:浇注封底混凝土 工况五:抽水,浇注第一层承台 工况六:浇注第二层承台 工况七:拆除内支架,进行塔柱施工 ⑵围堰结构计算 1)双壁侧板 ①围堰壁板 围堰壁板采用δ =8mm, L75×8mm 角钢加劲。 加劲肋布置: 最大间距为 350mm, 跨度有 800、1000mm。考虑 30 倍δ 8mm 板参与共同受力,其截面特性为: A=3006mm2;I=2983066mm4 ;W=51879mm3

A、1000 段加劲肋允许最大水头:



??

M 0.350 ? h ?1.02 ?107 ? ? 170 MPa W 10 ? 51.9 ?103 (加劲肋按 Mmax=1/10qL2 计算)

则壁板加劲肋允许最大水头为:

h?

10 ?170 ? 51.9 ?103 ? 25.2m 0.350 ?1.02 ?107 M h ?1.0 ? 0.3502 ? 6 ?107 ? ? 170 MPa W 16 ? 82 ?1000 得



??

双壁板允许最大水头为: h ? 23.7m 故 1000mm 段壁板允许水头为 18.8m。

B、800 段加劲肋允许最大水头:

M 0.350 ? h ? 0.82 ?107 ?? ? ? 170 MPa W 10 ? 51.9 ?103 由
则壁板加劲肋允许最大水头为:

(加劲肋按 Mmax=1/10qL2 计算)

10 ?170 ? 51.9 ?103 h? ? 39.4m 0.350 ? 0.82 ?107 M h ? 0.8 ? 0.3502 ? 6 ?107 ?? ? ? 170 MPa W 16 ? 82 ? 800 由
双壁板允许最大水头为: h ? 23.68m 故 800mm 段壁板允许水头为 23m。



②围堰水平环及内支架计算 围堰水平环受力控制工况为工况五,采用 midas 软件建立 1/4 整体模型,壁 板内灌注的混凝土采用实体单元,面板采用加劲板单元,其余为梁单元,模型图 如下所示:

图 174 围堰计算 1/4 模型图 A、内、外壁各 11.65m 水头 计算得到水平环最大应力(绝对值)如下表所示: 表 34 围堰水平环应力表

8×1000 段水平环 □260×14+□150×12 最大组合应力(Mpa) 30

11×800 段水平环 □320×20+□180×16 最大组合应力(Mpa) 98.6

10×1000 段水平环 □300×16+□150×12 最大组合应力(Mpa) 非内支架对应位置 66.5 内支架对应位置 188(未计加强板)

图 175 1/4 结构水平环组合应力图(MPa)

图 176 1/4 围堰双壁内桁架轴力图(t)

表 35 杆件稳定验算表
杆件 Nmax(t) A(mm ) i(cm) L(mm) λ =L/i φ η =0.6+0.0015λ σ =Nmax/A/φ /η (MPa) 是否满足要求
2

L100×10 -11.6 1926 1.96 2236 114 0.47 0.771 -165 满足

L125×12 -18.2 2891 2.46 2236 91 0.61 0.737 -140 满足

隔舱板最大应力为 127MPa,隔舱板应力图如下

图 177 隔舱应力图 B、内壁 10.3m 水头,外壁 13m 水头 计算得到水平环最大应力(绝对值)如下表所示: 表 36 围堰水平环应力表

8×1000 段水平环 □260×14+□150×12 最大组合应力(MPa) 29

11×800 段水平环 □320×20+□180×16 最大组合应力(MPa) 106

10×1000 段水平环 □300×16+□150×12 最大组合应力(MPa) 非内支架对应位置 67.8 内支架对应位置 174(未计加强板)

C、内壁 13m 水头,外壁 10.3m 水头 计算得到水平环最大应力如下表所示: 表 37 围堰水平环应力表
8×1000 段水平环 □260×14+□150×12 最大组合应力(MPa) 26.7 11×800 段水平环 □320×20+□180×16 最大组合应力(MPa) 105.5 10×1000 段水平环 □300×16+□150×12 最大组合应力(MPa) 非内支架对应位置 90.8 内支架对应位置 196(未计加强板)

D、围堰下沉工况 侧板内外壁承受对压水头取值为 h=10.0m。 计算得到水平环最大应力如下表所示: 表 38 围堰水平环应力表
8×1000 段水平环 □260×14+□150×12 最大组合应力(Mpa) 169.3 11×800 段水平环 □320×20+□180×16 最大组合应力(Mpa) 80.9 10×1000 段水平环 □300×16+□150×12 最大组合应力(Mpa) 74.3

E、拆除底层内支架,塔柱施工 拆除内支架之前,可使双壁内水位高于承台顶部标高 7.5m,即调节双壁内 水位标高保证双壁内水位标高在+16.5m 左右,水位+25.8m 进行检算。侧板承受 水头外壁为 h=25.8-16.5=9.3m,内壁 16.5-9=7.5m。 计算得到水平环最大应力如下表所示: 表 39 围堰水平环应力表
8×1000 段水平环 □260×14+□150×12 最大组合应力(MPa) 11×800 段水平环 □320×20+□180×16 最大组合应力(MPa) 10×1000 段水平环 □300×16+□150×12 最大组合应力(MPa)

33.5

72.5

136

2)底龙骨 龙骨截面为 HN700×300,所受荷载有:混凝土自重、浮力、底板及自身的 重力;混凝土自重与浮力的合力为 7.2t/m2(作用在底板上)。 建立 1/2 整体模型,龙骨局部位置加强后,计算得到龙骨最大应力值为 154.5MPa, 吊点位置处最大反力为 98.3t, 龙骨应力图及吊杆轴力图如下图所示:

图 178 1/2 龙骨应力图

图 179 1/2 结构吊点轴力图 3)内支架 内支架上下弦杆采用 HM588×300 型钢,斜杆采用 2[28b 截面,竖杆采用 2[25b 截面,平联采用 2L125×12 截面。内支架高 3.2m。 ①围堰挂桩工况 布置 6 台钻机, 每台钻机及其钻具按 150t 计。 侧板及底隔舱共重 2118.4t, 其自重主要由浮力平衡(侧板内外壁间的面积为 338m2,则需控制侧板壁板内水 头比壁板外水头低 6.5m 以上) ; 底板、 底龙骨重量为 571t, 该重量由吊杆承担, 加上吊杆自身重量,吊杆总数为 136 根,则每个吊杆力为 12t。考虑水头变化影 响,侧板按照 30%压重作用在内支架上,水流流速按照 4m/s 计算得到每个定位 桩处水平力 61t。 计算模型如下图所示:

图 180 围堰挂桩工况 1/2 计算模型(钻机第一次循环) 表 40 内支架斜杆与竖杆杆件性能表
截面特性 面积 A(mm ) i(mm) 计算长度 l(mm) 长细比λ
2

2[28b(背靠背) 9031 36.4 3605 99.04

2[28b(相扣) 9031 67.7 3605 53.2

2[25b 7895 35.7 3000 84.03

稳定系数φ

0.561

0.842

0.661

计算结果见下表所示: 表 41 内力及应力计算表
HM488 最大 组合 应力 (MPa ) 71.5 91.5 102 72.6 75.4 77 2[28b 轴力 2L125 ×12 最 大组合 最大 最大 拉力 压力 应力 ( t) (t) (MPa) 79.6 84.5 77.3 42.1 34.7 36 36 44.2 50 56.7 56.1 57.4 -39.4 -55.8 -60.3 -68.1 -67.7 -69 2[28b 应力 拉应 力 (MPa) 40 48.72 55.36 62.78 62.12 63.56 2[25b 内力 2[25b 应力 拉应 力 (MPa ) 5 4.18 5.32 7.60 4.18 4.31 稳定 压应 力 (MPa ) -39 -61. 9 -66. 7 -61 -61 -61

循环 次数

稳定压 最大 最大 应力 拉力 压力 (MPa) (t) (t) -77.8 -109.5 5 -119.0 2 -134.4 2 -133.6 3 -136.1 9 4.5 3.3 4.2 6 3.3 3.4 -20.3 -32.3 -34.8 -31.8 -31.9 -31.8

第一 次 第二 次 第三 次 第四 次 第五 次 第六 次

②围堰封底吊挂工况 围堰封底时,按每根吊杆受力 100t 计算,由程序计算得到 表 42 内力及应力计算表
HM488 最 2L125×12 最 大组合应 大组合应力 力(MPa) (MPa) 128 35.9 2[28b 内力 最大 拉力 (t) 148 最大 压力 (t) -103 2[28b 应力 拉应 力 (MPa) 163.9 稳定压 应力 (MPa) -135.5 2[25b 内力 最大 拉力 (t) 20.7 最大 压力 (t) -10.8 2[25b 应力 拉应 力 (MPa) 26.22 稳定压 应力 (MPa) -20.69

图 181 1/4 封底吊挂工况内支架腹杆轴力图(t) ③围堰封底完成后抽水工况 建立如下图所示的 1/4 整体模型,按+25.8m 的设计水位对底层内支架进行 验算。 则程序计算得到 2L125×12 杆件组合应力:σ max=58MPa,σ min=-68.8MPa HM488×300 杆件组合应力:σ max=19MPa,σ min=-137.5MPa 2[28b 杆件组合应力: 2[25b 杆件组合应力: σ max=27.3MPa,σ min=-63.2MPa σ max=3.6MPa,σ min=-52MPa

(最大轴力值为-119t) 图 182 内支架底层杆件轴力图(t)

(最大 Mx 值为 10.1t·m) 图 183 内支架顶层杆件 Mx 图(t·m)

(绝对值最大 My 值为 3.0t·m) 图 184 内支架顶层杆件 My 图(t·m) 验算 H588x300 杆件强度与稳定: 取上述杆件的各种内力的最大值进行验算。 Nc=-119t Mx=10.1t·m,My=3.0t·m A =192.5cm2 Wx=2926.2cm3,Wy=541 cm3 ix=20.8cm,iy=7.0cm Lx=400.0cm,Ly=200.0cm λ x=Lx/ix=400.0/20.8=19,λ y=Ly/iy=200.0/7=29 查表可得 φ x=0.983,φ y=0.939
' N Ex

=8574t,

' N Ey

=3680t

? x =1.05, ? y =1.2

? mx = ? my = ? tx = ? ty =1.0
? =1.0

? bx =1.05, ? by =1.0
M y 119 ?100 10.1?10000 3.0 ?10000 N Mx ? ? ? ? ? A ? xWx ? yWy 164.4 1.05 ? 2926.2 1.2 ? 541 ? 151MPa ? f ? 170MPa

? M ? mx M x N ? ? ? ty y ? x A ? W (1 ? 0.8 N ) ? byWy x x ' N Ex
119 ?100 1.0 ?10.1?10000 1.0 ? 3.0 ?10000 ? ? 1.0 ? 0.983 ?164.4 1.05 ? 2926.2 ? (1 ? 0.8 ? 119 ) 1.0 ? 541 8574 ? 162 MPa ? f ? 170 MPa ?

? my M y ? M N ? ? tx x ? ?y A ? bxWx ? W (1 ? 0.8 N ) y y ' N Ey
119 ?100 1.0 ?10.1?10000 1.0 ? 3.0 ?10000 ? 1.0 ? ? 119 0.983 ?164.4 1.05 ? 2926.2 1.2 ? 541? (1 ? 0.8 ? ) 3680 ? 154MPa ? f ? 170MPa ?
因此内支架上、下弦强度及整体稳定满足要求。 4)围堰封底混凝土计算 按照抽水水位+24m 计算,建立封底混凝土及桩的空间数值模型,取 18m 的 桩长, 如下图所示。 计算按上表的参数进行, 考虑了围堰自重、 封底混凝土自重、 侧板内混凝土自重和侧板内充水自重等的影响。允许粘结力取值为 15.0t/m2。

图 185 计算模型图

由桩底反力减去桩身自重后,可得到桩与封底混凝土的粘结力。 计算结果如下表所示: 表 43 桩与封底砼粘结力计算表
桩号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 粘结力 (t) 478.6 366 344 470.8 520.1 505.2 500.8 380.2 511.4 532.5 534.4 钢护筒直径 (m) 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2 3.2 单位面积 允许粘结力 2 (t/m ) 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 封底混凝土高度 (m) 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 粘结应力 2 (t/m ) 14.43 11.04 10.37 14.20 14.69 14.24 14.10 11.47 14.42 15.06 15.02 是否满足要求 满足 满足 满足 满足 满足 满足 满足 满足 满足 满足 满足

由以上计算结果可知局部粘结力满足要求。 封底混凝土应力 经计算得到封底混凝土最大主拉应力为 0.71MPa。封底混凝土应力满足受力 要求。主拉应力图见下图所示:

图 186 封底混凝土主拉应力(MPa)


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