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深水桥梁施工中的钢吊箱设计计算书


深水桥梁施工中的钢吊箱设计计算书 一、设计条件
1、钢吊箱顶标高 2、钢吊箱底标高 3、承台底标高 4、承台顶标高 5、施工最高水位 6、施工一般水位 7、浇筑第一层承台时水位 8、抽水水位 9、施工最大流速 10、施工时风速 11、第一节高度 12、第二节高度 13、封底砼 C25 干容重 14、护筒顶标高 15、护筒直径 16、承台直径 17、护筒与封底砼间的粘结力 +437.341m +428.841m +430.341m +434.341m +437.50m +436.00m +436.00m +437.00m +0.0m/s +0.0m/s 5.0m 3.5m 24kN/m3 +438.00m 2.2m D=20m f=100kN/m2

1

二、设计依据 设计依据
1、 《港口工程荷载规范》 (JTJ 215-98) 2、 《港口工程钢结构设计规范》 (JTJ 283-99) 3、 《钢结构设计规范》 (GB 50017-2003) 4、 《港口工程混凝土结构设计规范》 (JTJ 267-98) 5、 《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002) 6、 《水利水电工程钢闸门设计规范》 (DL/T 5039—95)

三、钢吊箱基本尺寸及布置 吊箱基本尺寸及布置 基本尺寸
1、基本尺寸: 壁体厚度: 壁体外周长: 壁体内周长: 吊箱外面积: 吊箱内面积: 夹壁内面积: 护筒的总面积: 护筒的总周长: 1.0m 69.429m 63.146m 383.596m2 317.309m2 66.287m2
19(个) ×

π
4

× 2.2 2 = 72.225m 2

19(个) × π × 2.2 = 131.319m
2

2、吊箱重量: a.第一节自重: 壁体高度:5.0m 壁体自重:58.5t 底板自重:63.9t 连通器: 0.7t 拉压杆: 20.1t 第一节总重:143.2t b.第二节自重: 壁体高度:3.5m 壁体自重:38.2t 第二节总重:38.2t c.吊箱结构布置图如下:

3

A

A

A - A

四、钢吊箱下沉计算 吊箱下沉计算
1、第一节下沉 吊箱第一节下沉时,夹壁排水面积 A = 72.225m 2 ,自浮时下沉 h1 ,则

4

底板自重排开水的体积为 V =
143.2 = 72.225 × h1 + 8.14

639 = 8.14m3 78.5

得 h1 = 1.9m

干舷 3.1m

2、第二节接高拼装后下沉 下沉 h2 ,则
143.2 + 38.2 = 72.225 × h2 + 8.14

得 h2 = 2.40m

干舷 2.60m

为保证 1.20m 干舷,须注水 1.40m。

5

第二节拼接完后,注水使钢吊箱下沉设计标高,需再注水 4.7m,因 此钢吊箱内共需注水 6.1m。

五、钢吊箱工况分析
工况一、钢吊箱浮运

6

工况二、钢吊箱下沉到位

工况三、浇筑水下封底混凝土 1.5m

7

工况四、在+437.341m 水位下抽水 抽水前应先将夹壁内抽水 1.6m,再抽钢吊箱内的水。

8

工况五、在+436.0m 水位下浇筑 2.0m 承台

七、封底混凝土计算
1、抽水时封底砼所受力: q=85(浮力)×1.3-24×1.5×1.0=74.5kN/m2 2、封底砼底板抗弯计算: 为简化计算,封底砼板按最不利位置,采用四点支撑砼板(4.40m ×5.20m)。
lx = 4.4m
lx ly = 4.4 5.2
l y = 5.2m

= 0.85

查得 α = 0.1456 根据《港口工程砼结构设计规范》 JTJ267-98 附录 F,素砼结构

9

构件计算,对素砼受弯构件的正截面承载力按下式计算:
Mu = 1 6γ d

γ m f t bh 2

Mu——构件受弯承载力设计值,
2 M u = αql y = 0.1456 × 74.5 × 5.2 2 = 293.3kN ? m

γd——素砼结构系数,对受弯计算,取 2.0; γm——截面抵抗矩的塑性影响系数,取 1.55 ft——砼抗拉强度设计值,对水下砼,取混凝土轴心抗拉强度; 按 C25 混凝土计算, f t = 1.27 MPa ; b——混凝土单位宽度,b=1000mm 经计算:h=1.34<1.50m 取封底砼厚度为 1.50m,抗弯强度满足

八、封底混凝土与钢护筒握裹力计算
钢套箱自重:1814kN 夹壁内水重: 72.225 × 4.5 × 10 = 3250kN
π 混凝土自重: ? 317.309 ? 19 × × 2.2 2 ? × 1.5 × 24 = 8823kN ? ?
?
4

?

浮力: ? 383.596 ? 19 × × 2.2 2 ? × 8.5 × 10 = 26467kN ? ?
?
4

π

?

混凝土与钢护筒的握裹力:(封底混凝土有效高度取 1.40m)

(26467 ? 1814 ? 3250 ? 8823)

(π × 2.2 × 1.4 × 19) × 1.3 = 89.0

kN

m2

< 100 kN

m2

10

九、壁体结构计算
1、壁体材料 面板: 次梁: t=6mm L75×50×6 A=7.26cm2 环板: t=10~12mm A=8.80cm2 Ix=41.1cm4 z0=24.4mm

水平撑杆: L75×6 2、荷载计算 计算工况四(抽水完毕) 外壁最大面荷载: 内壁最大面荷载: 3、纵向次梁计算
40kN / m 2 30kN / m 2

次梁间距 542mm,最不利布置如下图示:

次梁

次梁线荷载:
11

q = 0.542 × 40 = 21.7 kN / m

按五跨连续梁计算
M = αql 2 = 0.105 × 21.7 × 1.0 2 = 2.28kN ? m

面板参与次梁工作,其有效宽度按《水利水电工程钢闸门设计规 程》DL/T 5039-95 G.0.2 条规定
B = ξ 1b B ≤ 60 δ + b l
l 0 0.60 × 1.0 = = 1.2 b 0.50

查表

ξ1 = 0.472

b = 542mm

B = ξ1b = 0.472 × 542 = 256mm

又 B ≤ 60δ + bl = 60 × 6 + 6 = 366mm ,取二者中较小值 B=256mm
A2 = 256 × 6 = 1536mm 2

I2 =

1 × 256 × 6 3 = 4608mm 4 12

L75×50×6:

A=7.26cm2

Ix=41.1cm4

z0=24.4mm

Z=

726 × 24.4 + 1536 × 78 = 60.8mm 726 + 1536
2 2

I = 4608 + 411000 + 1536 × (78 ? 60.8) + 726 × (60.8 ? 24.4 ) = 1831939mm 4

12

W=

I 1831939 = = 30131mm 3 Z 60.8

σ=

M W

=

2.28 × 10 6 = 75.7 MPa < [σ ] = 182 MPa 30131

4、面板计算 按《水利水电工程钢闸门设计规程》DL/T 5039-95 G.0.1 条规定:
b / a ≤ 1.5 ,或面板长边方向与主梁轴线垂直时,需按下式验算面板 A

点的折算应力。
σ zh = σ my 2 + (σ mx + σ ox )2 ? σ my (σ mx + σ ox ) ≤ 1.1α [σ ]

σ my = k y qa 2 / δ = 0.5 × 0.04 × 542 2 / 6 2 = 163MPa
2

σ mx = 0.3σ my = 0.3 × 163 = 48.9MPa

σ ox = (1.5ξ1 ? 0.5)

M = (1.5 × 0.472 ? 0.5) × 75.7 = 15.7 MPa W

故 σ zh = 163 2 + (48.9 + 15.7 )2 ? 163 × (48.9 + 15.7 ) = 142MPa
≤ 1.1α [σ ] = 1.1 × 1.4 × 145 = 223MPa

5、壁体结构: 抽水时,外壁水压:40kPa 内壁水压:30kPa

13

A = 372 × 6 + 200 × 12 = 4632mm 2

372 × 6 × 203 + 200 × 12 × 100 = 150mm 372 × 6 + 200 × 12 1 1 2 2 I = × 372 × 6 3 + 372 × 6 × (203 ? 150 ) + × 12 × 200 3 + 200 × 12 × (150 ? 100 ) 12 12 z= I = 20276384mm 4 = 2028cm 4 W= I = 135.2cm 3 15.0

水平横撑: L75×6 A=8.80cm2

应用 ANSYS 程序计算:

最大位移:9.4 mm 水平横撑最大应力:65.8 MPa 环板最大应力:84.8 MPa < [σ ] = 160MPa

十、底板结构计算
14

采用 ANSYS9.0 对底板进行整体计算,底板各构件的应力详见 “各工况下各构件应力图” 。

十一、 十一、拉压杆计算
1、查设计手册得知 I20a:A=35.55cm2 又由 ANSYS 计算工况三知:T=35t 则
4 σ = 1.2T A = 1.2 × 35 ×10 N 35.5 × 102 mm 2

= 118.3Mpa < f = 215Mpa

2、a)销轴计算(双剪)
τ max 16 0.5 N 16 0.5 × 35 ×10 4 τ = × = × = 82.5MPa < [ ] = 95MPa 3 πd 2 3 3.1416 × 0.062

b)耳板计算(按孔壁局部紧接承压计算)
σc j =
N 0.5 × 35 ×10 4 = = 91.1MPa < ? cj ? = 110 MPa σ ? ? dt 60 × 32

c)孔壁拉应力计算
σ K = σ cj
R2 + r 2 0.132 + 0.032 = 35 × = 38.9 MPa < [σ ] = 180 MPa K R2 ? r 2 0.132 ? 0.032

d)耳板最薄弱处受力计算
σ=
N 0.5 × 30 × 104 = = 105MPa < [σ = 200 MPa ] At 44.5 × 32

e)焊缝计算(取主焊缝计算)
σ= N 30 × 104 = = 31.9 MPa < f f W = 160 MPa 0.7 h f lW 0.7 ×12 × 1120

故拉压杆满足设计要求。

15

十一、各工况下各构件应力图
1.工况一钢吊箱浮运时底板结构的变形如下

底板最大挠度发生在中心处,其挠度值 f=4.9mm 2.工况二钢吊箱下沉到位时各构件应力图如下 与工况四相比较,此工况钢吊箱各构件应力均不是最大应力,故 此工况不为钢吊箱结构的控制工况,故不予列出各构件应力图。 3.工况三钢吊箱浇筑水下封底砼 1.5m 时各构件应力图如下 与工况四相比较,此工况下仅为拉压杆最大受力工况,不为钢吊 箱结构的控制工况。 底板周圈由于有壁体的浮托力作用,故可考虑为竖向约束。 ANSYS 计算模型如下:

16

经计算得知拉压杆轴力 T=350kN

4.工况四钢吊箱抽水时各构件应力图如下 边界条件:1、底板上拉压杆处为铰支座。 2、底板周圈由于有壁体的浮托力作用,故可考虑为竖向 约束。 ANSYS 计算模型如下:

17

底板主梁应力为 123Mpa,计算结果如下:

底板次梁应力为 151Mpa,计算结果如下:

18

底板面板应力为 221Mpa,计算结果如下:

19

综上可知底板结构满足设计要求。 5.工况五浇筑第一层承台 2.0m 时各构件应力图如下 与工况四相比较,此工况钢吊箱各构件应力均不是最大应力,故 此工况不为钢吊箱结构的控制工况。

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