浙江某大桥双壁钢围堰结构计算书(附示意图).pdf

1 xxx 大桥 双壁钢围堰计算书 xxx 工程有限公司 二一三年九月二十五日 2 目 录 目 录 1 工程概况.3 1.1 设计情况.3 1.2 地形、地质和水文.3 1.3 钢围堰结构.4 1.4 钢围堰施工方法.5 2 计算依据.6 3 计算参数取值.6 4 计算工况.7 5 荷载计算.9 5.1 钢围堰水、土侧压力计算.9 5.2 水流冲击力计算.10 5.3 抗倾覆计算.10 6 计算方式.10 7 有限元模型加载：.11 8 有限元计算结果.11 8.1 钢围堰接高、下沉计算.11 8.2 钢围堰抗浮验算.12 8.3 封底砼验算.13 8.4 钢围堰结构强度计算.14 8.4.1 钢围堰强度计算结果.15 8.4.2 计算荷载布置.16 8.4.3 钢围堰整体变形.16 8.4.4 面板应力云图.17 8.4.5 隔舱板应力云图.18 8.4.6 l12580820 8.4.7 水平斜杆 l80808.21 8.4.8 竖肋 l75508.24 8.4.9 内撑 61010.26 8.4.10 内撑分配梁 2h40020081327 8.5 隔舱及封底砼结构内力计算.29 8.6 钢围堰整体稳定性验算.29 8.6.1 水平斜杆压杆稳定计算.30 8.6.2 内撑杆.31 9 结论.32 3 横山大桥 6#,7#钢围堰结构计算书 横山大桥 6#,7#钢围堰结构计算书 1 工程概况工程概况 1.11.1 设计情况 设计情况 横山大桥位于浙江省兰溪市，跨越衢江，大桥为双幅桥，水中主墩（3# 9#）桥孔布置为（50+280+50）m，桥梁全长 478.66m，桥面宽 32m,基础 采用钻孔灌注桩基础,双幅桩基每墩共 12 根，低桩承台。单幅承台尺寸为 11m7m3m， 双幅承台间距为5.75m, 4#桩径为1.5m， 6#、 7#墩桩径为1.8m。 承台顶标高为： 6#墩 15.275m、7#墩为 16.186m。承台位于河床面以下，承 台设计为矩形，承台平面尺寸为 117m，承台厚度为 3.0m。 设计承台底面标高分别为 12.275m， （7#为 13.186m） ，封底砼 1.5m 厚。 围堰设计高度 15m，6,7#围堰底设计标高为 10.775m，11.686m。 设计水位标高 23.00m，常水位 22.50m，潮水位 28.27m 1.21.2 地形、地质和水文 地形、地质和水文 地质：根据钻探资料显示，从上至下依次为填土、粉砂、卵石、强风化细砂 岩、强风化泥质粉砂岩，水中 6#墩、7#墩河床基本无覆盖层，承台底均嵌入卵 石层内。 河床标高：墩位处砂砾层顶标高 18.16m，砾层厚约 4.9m，强风化层顶标高 13.26m，深度约计 1.10m，中风化约计 11m。由于采用水下开挖施工，计算土压 力的参数此处从略. 水文：流速根据季节而变化，最低通航水位 22.50，最高通航水位 28.27，百 年一遇洪水位为 34.46m，6#、7#主墩水深 7 米左右。 其中 6#、7#墩承台施工采用双壁钢围堰。主桥下游有一座 6 米宽钢栈桥， 其中心线与主桥中心线间距 19.525 米。 横山大桥 50 年一遇洪水位为+26m，6-7 号主墩位于深水区，墩位处水深约 78 米，最大水流速度 3.94m/s。 4 1.31.3 钢围堰结构 钢围堰结构 6,7 号墩承台采用双壁钢围堰围水施工。钢围堰采用双壁结构，舱壁厚度 1.0m，围堰内腔平面尺寸比承台尺寸放大纵向 50cm 横向 60cm，钢围堰封底砼 采用 c30 水下砼，封底厚度 1.5m，刃脚砼高度 1.2m，夹壁砼按照高度 3.0m 设 计。内注水，注水最大高度 12m（=围堰高度） 6,7#墩钢围堰由壁体、刃脚、内撑三大部分组成。壁体主要由隔舱板、水平 环板、水平斜杆及内外壁板构成。刃脚高度 1.2m，围堰底节高度共 3m。内撑用 型钢构成平面框架，与钢围堰箱形梁一起形成稳定结构体系，内部设置横向分配 梁。 钢围堰内、外壁板采用 8mm 钢板，隔舱腹板采用 8mm 钢板。水平环筋采 用 l125x80x8 角钢，水平斜撑采用 l125x800x8 角钢，竖肋采用 l75x50x8 角钢， 内撑采用61010 圆管，横向分配梁 2h500200813。 图图 1 钢围堰平面尺寸参数钢围堰平面尺寸参数 图图 2 钢围堰平面结构图钢围堰平面结构图 5 图图 3 围堰立面结构图围堰立面结构图 1.41.4 钢围堰施工方法 钢围堰施工方法 钢围堰竖向分 5 节，每节高 3m，每节水平分 14 块，围堰块件在车间或工地 制作，然后用汽车和驳船运到现场组拼。设计时考虑了： 1) 围堰后场制作以 25t 汽车吊为主，现场拼装采用 50t 履带吊； 2) 围堰单件设计重量控制在：单片重量不超过 10 吨。 3) 第一节套箱自浮，隔舱设置不串通； 钻孔施工完成后，将首节围堰浮运到现场，拆除承台范围内的平台，在钢护 筒上安装围堰底节拼装平台，围堰底节利用千斤顶+精轧螺纹钢下放系统整体下 放。 底节入水自浮后，分块、分节安装剩余钢围堰块件，围堰灌水下沉，着床后 底节关注水下砼，然后在围堰内外采用水下 “开挖” 依次下沉。 在钢围堰内用刚性导管法浇筑水下封底砼；封底砼达到设计强度后，开始在 围堰内抽水，凿桩头，封底砼顶面找平；然后浇筑承台砼。 分节浇筑墩身砼，墩身施工过程中，在 6、7 围堰最下面內撑更改在承台上 并去掉中间一道支撑。 6 图图 4 围堰墩身施工內撑结构图围堰墩身施工內撑结构图 2 计算依据计算依据 2.1 桥涵 （公路施工手册） 2.2 钢结构设计规范 （gb 50017-2003） 2.32.3 建筑施工计算手册 3 计算参数取值计算参数取值 3.1 钢材弹性模量 e=2.1x10 5mpa，泊松比取 0.3。 3.2 材料设计强度： 国标 gb500172003 钢材牌号 厚度或直径 d（mm） 抗剪 拉，弯应力 端面承压 d16 125 215 16d40 120 205 q235 40d60 115 200 325 d16 180 310 16d35 170 295 q345 35d50 155 265 400 注：表中厚度是指计算点的钢材厚度；对轴心受力杆件是指截面中较厚钢板的厚度. 3.3 c30 砼单轴抗压强度设计值压=13.8mpa，单轴抗拉强度设计值 拉=1.39mpa。见下表 7 3.4 钢筋砼容重取 26 kn/m3，素砼容重取 24 kn/m3。 3.5 封底砼与钢护筒的最大摩阻力取 150kpa。 3.6 主要构件的截面特性 表 1 主要计算构件截面特性表 表 1 主要计算构件截面特性表 名 称 规 格 面积 a （mm2） 惯性矩 ix （mm4） 抵抗矩 wx （mm3） 回转半径 ix （mm） 名 称 规 格 面积 a （mm2） 惯性矩 ix （mm4） 抵抗矩 wx （mm3） 回转半径 ix （mm） 水平环筋 l125x80x8 1574.5 2794540 32876 42 水平压杆 l80x80x8 1205.913 1102626/28522927565.65 30.23 水平压杆 l125x80x8 1574.5 2794540/46458132876 42 竖 肋 l75x50x8 922.27 561731 11234 7.84 圆管内撑 61010 18849.56 848465000 271852 214 内撑分配 梁 2h400200 16674 509885000 2549425 174.87 4 计算工况计算工况 工况 1：工况 1：钢围堰下沉过程各节段的计算，包括干舷高度控制，围堰内外水头控 制等。 8 图图 5 工况工况 1：抽水到施焊第二道撑杆：抽水到施焊第二道撑杆 工况 2：工况 2：钢围堰下沉到设计位置，浇筑完成封底砼，砼达到 80%设计强度后， 围堰内抽水，此时围堰承受最大侧压力。 图图 6 工况工况 2：钢围堰下沉到设计位置，浇筑完成封底砼：钢围堰下沉到设计位置，浇筑完成封底砼 工况 3：工况 3：浇筑完成 3m 厚承台砼，砼达到 80%设计强度后，拆除 2 号内撑，准 备墩身施工，首节墩身施工高度控制在 7m 以内。 9 图图 7 工况工况 3：墩身施工：墩身施工 5 荷载计算荷载计算 67 号主墩承台尺寸一致，6 号墩承台标高最低，围堰内抽水后，钢围堰承受 的侧压力最大，故，以受力最不利的 6 号墩钢围堰进行计算。 5.15.1 钢围堰水、土侧压力计算 钢围堰水、土侧压力计算 72 号墩钢围堰总高 21m，围堰顶标高为+4.0m，围堰刃脚底标高为-17.0m，封 底厚度为 3m，墩位河床顶标高为-7.0m，施工水位+2.638，计算水位+3.0m，计算 水深 10m，主动土压力计算高度为 7m。 水容重：w=10kn/m 3 水深：h1=10m 水压力：p1=wh1=1010=100kn/m 2 主动土压力系数： （根据下沉开挖工艺，不计算） 主动土压力： （根据下沉开挖工艺，不计算） 即，封底砼以上作用在围堰侧壁上的最大侧压力：p侧= 157.25kn/m 2 10 5.25.2 水流冲击力计算 水流冲击力计算 根据公路桥涵设计通用规范: 2 2 v g kafw . 矩形阻水结构物形状系数：k=1.0；圆形取 0.6；本案取 0.934 图纸提供流速为 3.94m/s a=bh 钢围堰迎水面宽度：b=31m 河床以上钢围堰高度：h=4.834m 水容重：w=10kn/m 3 水流速度：v=3.94m/s 重力加速度：g=10m/s 2 水流冲击力：fw = ka（w v 2/2g）=0.93431m4.84m(水深)（10 3.94 2/210）=1165.58kn 流水压力 p=fw/a=7.25kn/m 2 5.35.3 抗倾覆计算 抗倾覆计算 围堰如河床时，流水倾覆力矩 m1=1165.58*4m 安装第二自重倾覆力矩 m2=114.135*4m浮力+摩阻力=887.94t 8.28.2 钢围堰抗浮验算 钢围堰抗浮验算 在工况二中，钢围堰下沉到设计位置后，浇筑 3m 水下封底砼，封底砼达到 80%设计强度后，围堰内抽水完成，钢围堰将承受很大的上浮力，上浮力主要靠 钢围堰、封底砼自重以及封底砼与桩基的摩阻力共同克服，验算结果如下： 钢围堰内抽完水后的总上浮力： 13 图图 9 计算浮力的外截面计算浮力的外截面 f浮=v1w=307.64212.2241=3761t 钢围堰总重量+舱内砼+水(满)： g1=291.513（自重）+468（砼 3m 计）+11.997m71.64m0.9841=1605t 图图 1 0 围堰底部内截面围堰底部内截面 封底砼自重：g2=v2c=231.52.4=555.6 扣除钢围堰和封底砼自重后的上浮力： f上=f浮-g1-g2=3781-1605-555.6=1620t f上依靠封底砼与桩基的摩阻力抵消，则封底砼与桩基间的摩阻力： p=f上/a=162010/(72.828（内周长）1.5 高度)=148kpap=150kpa 故，钢围堰内抽水后，抗浮满足要求。 8.38.3 封底砼验算 封底砼验算 在工况 2 中，封底砼底面承受方向向上的水压力，同时承受封底砼自重荷载。 对作用封底砼上的荷载计算如下： 作用在封底砼底面的最大水压力：p1=12.2510=122.5kpa（不考虑潮水） 作用在封底砼顶面的承台砼荷载：p2=263=78kpa 封底砼自重：p3=241.5=36kpa 14 建立 1/4 封底砼实体模型，与各桩基连接位置的封底砼设置固结约束，计算 时不考虑钢围堰对封底砼侧面的约束作用（偏安全） 。 工况 2：施加在封底底面的实际均布荷载为 p1-p3=86.5kpa 工况 3：施加在封底砼底面的实际均布荷载为 p1-p2-p3=10.5kpa 故，按荷载最大的工况二进行计算，计算结果如下： 建模加载 图图 11 等效压应力 图图 12 拉应压力 最大拉应力拉=0.9mpa 拉= 2mpa 最等效压应力压=1.9mpa 压=20mpa 封底砼最大变形 f=0.016mm 在水压力以及承台砼荷载作用下， 封底砼强度满足设计要求 （假定砼浇筑均匀） 。 8.48.4 钢围堰结构强度计算 钢围堰结构强度计算 在工况 1、2、3 中，钢围堰承受的最大组合组合侧压力为 157.25kn/m 2，通过建立 整体有限元模型对各工况下钢围堰进行的刚度、强度及稳定性计算，通过计算看 出工况 3工况 3 是钢围堰在侧压力作用下的最不利工况。 15 8.4.1 钢围堰强度计算结果钢围堰强度计算结果 表 3 钢围堰强度计算结果 表 3 钢围堰强度计算结果 构 件 项 目 工况 1 工况 2 工况 3 构 件 项 目 工况 1 工况 2 工况 3 最大应力（mpa）65 54 102 面板 8mm 最大变形（mm）3.9 4.4 6 最大应力（mpa）121 113 173 隔舱板 8mm 最大变形（mm）3.8 4.3 5 最大应力（mpa）147 106 147 l125808 最大变形（mm）3.9 4.4 6 最大应力（mpa）179 136 175 最大变形（mm）3.9 4.4 6 横撑 l80808 最大轴力（kn）161 154 196 最大应力（mpa）93 91 98 竖肋 l75508 最大变形（mm）3.9 4.4 5 最大应力（mpa）62 54 86 最大变形（mm）1 1 1.5 直杆轴力（kn）1063 964 966 内撑61010 斜杆轴力（kn）469 431 477 最大应力（mpa）75 77 102 内撑分配梁 2h400200 最大变形（mm）2 2.2 3 钢围堰各构件最大应力均小于设计强度，满足要求。 16 8.4.2 计算荷载布置计算荷载布置 图图 13 1/4 钢围堰计算荷载布置图 1/4 钢围堰计算荷载布置图 8.4.3 钢围堰整体变形钢围堰整体变形 图图 14 最大组合变形 3.9mm（工况 1） 最大组合变形 3.9mm（工况 1） 17 图 15 钢围堰整体变形云图最大 4.4mm（工况 2） 图 15 钢围堰整体变形云图最大 4.4mm（工况 2） 图 16 钢围堰整体变形云图最大 6mm（工况 3） 图 16 钢围堰整体变形云图最大 6mm（工况 3） 8.4.4 面板应力云图面板应力云图 图 17 钢围堰面板应力云图最大 654 图 46图 46工况 2 下的模态屈曲系数 k=314 图 47图 47工况 3 下的模态屈曲系数 k=214 8.6.1 水平斜杆压杆稳定计算水平斜杆压杆稳定计算 钢围堰需要验算稳定性的受压杆件为水平斜杆、内撑直杆和内撑斜杆。 水平斜杆角钢l80*80*8 受压最大轴力 f1=196kn。 u=1 两端铰支，e=210000,l=1400mm,i=285229m