北塔承台双壁钢吊箱设计计算书

主塔承台主塔承台钢吊箱设计说明一、钢吊箱总体结构布置钢吊箱内净尺寸取承台外轮廓尺寸，围堰外轮廓总长42m，总宽29.50m。吊箱结构由壁板、内支撑、悬吊系统、定位系统、底板五部分组成，其具体布置见下图。二、钢吊箱壁板系统钢吊箱壁板系统是由竖向钢箱、水平桁架和内外面板构成空间结构，双壁部分壁厚1.5m、高14m，顶标高+18m，底标高+4.0m。单壁部分高4m，顶标高+竖向钢箱为壁板的主受力骨架，由12mm钢板组焊而成，钢板上焊接L75x6角钢加劲，在竖向钢箱上连接内支撑钢管。钢箱之间通过水平桁架相连，桁架间距根据水压力情况而设置，水平桁架采用12mm环形钢板和小型槽钢水平撑焊接而成，分别与壁板面板和钢箱焊接形成空间结构。图1钢吊箱壁板结构图（单位：cm）为保持钢吊箱封底后内外水位一致，在壁板上标高16m的高程位置共设置8个连通管，连通管的大样见图2图2连通管（单位：cm）内面板采用6mm钢板，外面板底部9m受力较大采用8mm厚度，上部12m采用6mm厚度。内外面板均采用L100x6角钢加劲。三、钢吊箱内支撑系统钢吊箱内支撑系统是钢吊箱抽水后壁板抵抗水压力的内撑结构，承受较大的轴向压力和一定的自重弯矩。结合承台施工分层工艺，内支撑系统共布置两层，即标高+12.0m、+19.0m处各设置一层。均采用直径800mm，壁厚10mm的钢管。上下两层内支撑之间采用2[40对扣形成的箱形斜撑和2[32对扣形成的立杆连接成空间桁架结构。内支撑具体布置见下图。图3内支撑平面布置（单位：cm）图4内支撑立面布置（单位：cm）四、钢吊箱定位系统钢吊箱定位系统用于吊箱接近设计标高后，对吊箱的平面位置、倾斜姿态进行纠偏，确保精度。定位系统共布置10处，除迎水面布置4处外，其他三个方向各两处，每处布置30t螺旋式千斤顶2台。图5定位系统平面布置图图6水平定位系统图片水平内定位系统共分为二层，其顶面标高分别为+18m、+14m，共计16个。五、钢吊箱悬吊系统底板悬吊系统承受封底砼浇注过程中全部的竖向荷载（扣除浮力），悬吊系统采用2[20吊杆，两端通过铰板和连接销子，直接与底板及护筒连接图7钢吊箱悬吊系统立面布置图图8钢吊箱悬吊系统构造大样图主塔主塔承台钢吊箱设计计算书一、概况1、承台规模鄂东长江大桥5#北主塔墩基础为深水基础，高桩承台,承台采用C35混凝土，承台厚8m，顺桥向宽29.5m,横桥向长42m，为矩形带直倒角承台。（1）水文条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从表中统计资料可以看出：长江中游汛期出现在5~10月，历年最高水位及最大流量多出现在7~8月，最低水位及最小流量多出现在1~2月。（2）地质条件依据《湖北鄂东长江公路大桥基础资料报告》“斜拉桥北塔工程地质评价”-斜拉桥北塔位于长江之中,第四系砂类土覆盖层厚度25.4～30.3m，基岩面较平坦。基岩为灰色、灰褐色泥质粉砂岩、砂岩、砾岩和紫褐色安山岩。局部有破碎。细砂地层岩性：局部夹杂软塑-流塑亚粘土，层厚<25.0m。物理性质极限摩阻力35~45KPa,承载力：100~200KPa。二、钢吊箱结构初步设计方案1、控制工况对以下两种不利工况进行验算：（1）封底抽水后待浇筑首层混凝土（2）拆支撑后的不利工况（3）吊箱受力图示 2、参数选取（1）水文条件按北岸工期总计划（见计划工期表），围堰不渡洪（6~9月）。因此，设计计算水位取施工期平均高水位+富裕高度，该方案在充分考虑施工期间水位后，取：+22.00m；（2）荷载类参数确定1）静水压强：10kN/m32）流速：V=+2.58m/s3）波浪冲击力：浪高1.5m。（假定数值）4）基本风压力：0.35KPa,设计基本风速：23.9m/s。（3）钢吊箱设计结构参数1)钢吊箱平面内净尺寸：42m×29.5m，四角为795×380cm倒角（横×顺）。（与承台尺寸相同，考虑吊箱围堰侧板兼作承台模板）；2)钢吊箱顶面标高：+22.0m（防浪板高：205cm，顶标高：+24.05m）；3)钢吊箱底面板标高：+4.0m;4)内支撑设二层，下层:+12.0m；上层：+7.0m。5)封底混凝土厚3m。6)承台混凝土总高8m，按设计要求分两层浇筑。7)吊箱设计重量：1121t，吊箱高18m。（4）荷载组合1)水平：静水压力+流水压力+风力+其它2)竖向：吊箱自重+封底混凝土重+浮力+其它。（5）设计依据规范湖北鄂东长江公路大桥A标招标文件；《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）；《施工结构计算方法与设计手册》；《水下地基与基础》《公路桥涵施工技术规范》3、设计验算、构件型号确定（1）吊桁架侧壁最长标准单元块设计复核1）吊箱侧面板板验算①荷载计算a、静水压力计算按20年一遇最高设计水位+24.0m计算。P静=γH=10×（24.05-4）=205kPab、流水压力计算流水压力：式中：F1——钢吊箱所受的水流作用力，kN；ξ1——挡水形状系数,矩形采用1.0，流线型采用0.75；γ1——水的容重，10kN/m3；A——钢吊箱入水部分在垂直于水流方向上的平面投影，取1m2计算。V——水的流速，V=2m/s；g——重力加速度，g=9.81m/s2。按简化等代均布荷载布置。c、波浪力计算无可靠参数，依据经验按静水压力最大值15%取值②工况一SAP2000单元建模计算复核：选最长标准块段一进行局部模型静力计算。工况一模型面板加载示意图单位：KPa加载说明：吊箱悬浮状态（未堵钻孔与底板前）需内部注水7m高，此水头压力对外面板抵消部分外荷载（整体），对内侧面板产生一附加净水压力。建立模型于两面板分别加载。a.面板受力分析内侧壁板最大合应力图(单位:N/mm)外侧壁板最大合应力图(单位:N/mm)面板中部最大合应力max=158MPa；面板最大合应力max=45MPa分析：面板选用=8mmA3钢板。最小应力小于最大应力,不做控制内力。根据应力图，两钢箱内、外边缘处应力集中，内力较大，尤其体现在底部脚点以及内支撑位置处，其余位置应力小于140MPa。位于底缘的应力较大位置通过局部构造加强予以解决，不作为面板选型的控制内力。底缘位置应力较大处也可由实际施工中的箱内混凝土抵抗。b.水平桁架受力计算最大荷载处（+5ｍ处）箱内水平环板桁架结构计算结果工况一标高+5处（底第二层）水平桁架受力图单位：KPa分析：根据应力图，两钢箱内、外边角点处应力集中，内力较大，由模型建立结点及面的划分以及取局部块建模和约束的导致。边端部内力通过该处加强局部构造解决。此处对具有代表性位置构杆件进行强度及稳定性验算。验算各杆件内力：ⅰ、I250*12mm弦杆（水平环板）受力验算位置：靠近钢箱点水平环板参数：Wx=1.25E-4；A=3.0E-3；Ix=1.563E-5(单位:ｍ)控制内力：M2max=13.23KNm;Vmax=3.76KN;N=65KN强度验算截面的强度满足要求稳定性验算：式中：-平面内受压构建失稳系数，查表；-截面模量发展系数；-等效弯矩系数；-参数，=2EA/（1.12）计算长度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。截面的稳定性满足要求。水平桁架弦杆（环板）选用加工整体扁钢板250×12mm。ⅱ、设计双肢2L100×100×10腹杆验算参数：Wx=50.12；A=2×19.261=38.5122；(单位:cm)强度：，满足强度要求。根据内力计算结果，该处位置置于选用此型号杆件，其余位置选用2L75*75*10(详见结构图，下章)。稳定性验算：根据《钢结构设计规范》轴心受力杆件计算双肢等边2L100×10组合界面参数：Lox=108cm;Loy=100cmix=3.06cm;iy=4.6cm=108/3.06=35;=100/4.6=22等边双角钢绕对称轴=22×（1+0.32）=29查表取较小的稳定系数得：=0.918，稳定性满足要求。水平桁架腹杆改用2L100×100×10。c.竖肋受力分析X=6.70m（近1/２跨径跨中）;X=12.45m（近钢箱支点）X=1.583m（近钢箱支点）跨中x=6.7m竖肋各杆件最大内力情况：标高弯矩M2(KNm)剪力V3(KN)轴力P(KN)+4.5(外侧杆)5.828-0.62411.32+4.5内侧杆）7.18-8.646.2支点附近x=1.583m竖肋各杆件最大内力情况：标高弯矩M2(KNm)剪力V3(KN)轴力P(KN)+5(外侧杆)-3.217.76170.235+5~+11（外侧杆）2.8-14.8Pmax=52.4支点x=12.45m竖肋各杆件高最大内力情况：标高弯矩M2(KNm)剪力V3(KN)轴力P(KN)+5(内侧杆)+5.52-4079.7ⅰ、验算X=6.7m跨中位置竖肋内力，取内侧杆+5位置竖肋界面：L125×10截面：参数：Wx=39.97；A=24.373；ix=3.85；(单位:cm)稳定性验算：计算长度L=8L0=0.8×100=80cm。=80/3.85=21，=0.967，根据《钢结构设计规范》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。截面的稳定性满足要求。ⅱ、支点x=12.45m竖肋验算竖肋界面：Ｌ125×10等边角钢控制内力：M=5.52KNm；P=80KN。强度验算：参数：Wx=39.97；A=24.373；ix=3.85(单位:cm)稳定性验算：计算长度L=0.8L0=0.8×100=80cm。=80/3.85=21，b类截面，=0.967。根据《钢结构设计规范》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。截面的稳定性满足要求。经验算其它位置处均满足强度及稳定性需求。故，竖肋改用L125×10的等边角钢。d.依箱双壁板在最不利何载作用下整体变形单位：cm最大位移出现在标高+14m，吊箱封底顶面近一半位置。[v]=3.5/1500=1/428<1/400,满足《公路桥梁施工技术规范》规定的结构表面外露大块模板规定。③工况二计算分析工况二：首层混凝土浇筑完成，拆除下层支撑后的，壁板上两支点间距8m时，验算壁板结构受力。SAP2000建模型如下图。A．整体模型约束及加载布置图荷载同工况一B、面板结构受力分析内侧面板最大合应力分布88.4（单位：MPa）外侧面板最大合应力分布32(单位：MPa)分析：图示面板的最大合应力小于第一工况面板受力，经验算层面板块受力均在允许范围内。面板结构可靠。C、水平桁架结构受力分析+5标高1/2水平桁架受力图+7标高1/2水平桁架受力图+10标高1/2水平桁架受力图+17标高1/2水平桁架受力图分析:图示杆件内力均小于第一最不利工况下的杆件受力,经验算各层桁架杆件受力均在允许范围内。故在选用第一工况下确定的杆件情况下在第二不利工况荷载作用下,吊箱的双壁结构是可靠的。（2）内支撑系统内支撑设计过程中分别对井字型、八字型进行了对比，以尽量减少护筒分段割除工作量以及减少支撑数量为基本原则充分利用双壁板吊箱较大的壁板刚度，最终确定了此支撑型式。1)工况一：最不利工况，吊箱抽水完成阶段，吊箱内外形成巨大的水头差。验算荷载取标准节段支撑轴力，其余块段按平面比例插值取得，斜段按分力叠加集中至支撑上，建立：内支撑模型首层内支撑阿加载(+12)首层内支撑阿加载(+19)说明：内支撑主撑为O800×8mm钢管，共两层，间距7m，横纵向钢管位于统一平面内相贯连结，斜撑与水平、竖直撑交点采用格构法兰块，承担三个方向轴力。（局部待详细计算）模型中的三个方向的杆件均释放杆端弯矩。层间桁架为O300×8mm小钢管，受力较小，释放两端弯矩约束，目的提高结构稳定性设置。模型中支座设置为限制钢管竖向及垂直于各个杆件长度方向的两个自由度，释放沿长度方向的自由度。由于焊缝较长且沿相贯线分布均匀，故主撑杆件间节点模型中均设置为固结形式。A.主杆控制计算内力如下表：LPM2M3vmKNKN-mKN-mKN18.751260120.247.753B.强度及稳定性验算：杆件参数:ix=iy28cm,Ix=Iy=156088cm4,A=199cm2,D=80cm,Wx=Wy=Ix查《钢结构设计规范》得：强度验算：安全系数：K=196/69=3稳定性验算：（由于M3较小此处忽略不计）计算长度L=L0=1875cm。=1875/28=67，a类截面，=0.854。==3.142×206×106×199×10-4/（1.1×672）=8185.4KN根据《钢结构设计规范》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。失稳安全系数：K=203/78.4=2.59。经计算,其余控制内力作用下杆件稳定性均满足要求.因此,内支撑系统选用主杆:O800×8mm钢管，层间桁架采用O300×8mm的小钢管，满足要求。2)工况二：首层混凝土浇筑完成，拆除下层支撑后的，混凝土顶面与支撑钢管间距8m时，验算支撑结构受力。A.模型加载：整体模型加载荷载加载压弯杆件弯矩图B.强度稳定性验算：控制内力：P=1341KN,M3=247KNm，M2=1.16KNm截面参数：ix=iy28cm,Ix=Iy=156088cm4,A=199cm2,D=80cm,Wx=Wy=Ix查《钢结构设计规范》得：强度验算：安全系数：K=196/122.4=1.5稳定性验算：（M2较小此处忽略不计）计算长度L=L0=1875cm，=1875/28=67，a类截面，=0.854。==3.142×206×106×199×10-4/（1.1×672）=8185.4KN根据《钢结构设计规范》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。失稳安全系数：K=196/142.3=1.38经计算,其余控制内力作用下杆件稳定性均满足要求，支撑截面选用O800×8mm。（3）底板及悬吊系统设计1)底板结构初步设计：设计底板系统模型选用杆件型：主梁：2HN500×200，间距255cm,370cm。次梁：[16基本间距75cm，71cm。设计底板重量：面板选用＝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。合计：27+77.6=104.6。2)分工况验算结构A.工况一：吊箱起吊，底板自重作用下（附加吊杆等结构物）验算吊箱底板在自重作用下、吊箱双壁面板底缘与底板主梁相交位置处、底板斜撑（３ｍ基本间距）设置竖向约束的条件下底板框架内力是否满足规范要求。根据以往工程经验，附加结构物何载取底板自重2.6倍，全重约为160t。建立计算结果验算：主梁控制内力：Mmax=368KNm,Vmax=136KN,N=0。主梁为纯弯构建，截面参数：型号：2×HN500×200，WX=2×1910=382cm3,A=2×114.2=228.4cm2。框架顶面全铺面板，且与每根主梁焊接牢固，不会发生失稳现象，故此处仅验算强度：=91.7MPa<1.4×140=196MPa,满足要求。依据模型计算结果，底板中部最大变形值约为：4.87cm，[v]=5/3300=1/660<1/500，满足规范要求。C.工况二：下放就位后底板及悬吊系统承受3m封底混凝土受力分析ⅰ荷载：简化考虑，分配梁承受两边半跨的面板荷载分配梁间距75cm。自重荷载:其中面板荷载等代到框架自重中去，自重系数：3。混凝土取浮容重：＝14KN/m3,封底混凝土厚度：3m。间距75cm分配梁线荷载：q1=14×3×0.75=31.5KN/m护筒附近分配梁线荷载：q3=28KN/mⅱ.约束布置:设计每个护筒均布八个吊耳、通过吊杆与底板桩孔周围八个主梁（２HN500×200）吊点连接，因此底板模型在孔位四周布置八个竖向约束。计算结果图示ⅲ建模内力计算主梁计算结果最大控制内力：Mmax=289KNm,V=66KN,经验算结构可靠,内力在容许范围以内。分配梁计算结果最大控制内力：Mmax=35.3KNm,V=56.64KN,强度验算：选择[20槽钢，并将分配梁间距掉整为：60cm。此时线荷载大小q4=42×0.6=25.2KN/m,取5跨连续梁简化计算，验算分配梁内力：应力：=26×103/(1.05×191)=129MPa,强度满足要求。稳定性:因底板框架顶面设有一层1cm厚面板,每一杆件均与面板焊接牢固,因此根据规范可满足稳定性要求。 ⅳ吊点、吊杆验算吊杆设计选型：2[20,Ａ=32.8cm2。吊点最大拉力：580KN.拉杆抗拉强度复核：σ=N/A=580/2×32.8=88.4Mpa<[σ]=140MpaK=140/88.4=1.58铰座与主梁连接焊缝抗剪：(焊缝长度2×20cm，焊脚高12=N/helw=580000/(8.5×2×400)=170.6Mpa<ftw=185Mpa(三级焊缝)护筒铰座耳板抗剪：(焊缝长度2×30cm，焊脚高12τ=N/helw=580000/(8.5×2×300)=114Mpa<fcw=125Mpa(三级焊缝)销子抗剪：(销子采用45号钢,直径: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据此最大受力控制吊杆设计,吊杆选用2[20,销接板及耳板均选用Q235板。（4）钢吊箱抗浮稳定性1)水位确定按北岸工期总计划（见计算总工期），吊箱首节下放时间：07.05.25；整体下放定位固定后：07.6.22；抽水完成时间：07.07.11,承台施工工期：80天。围堰需要度过整个洪水期。因此，取5%设计洪水位计算水位值：＋24.05m。2)吊箱整体入水浮力计算钢吊箱截面积：Sa=1383m2护筒截面积：Sh；入水深度:20-4=16m。钢吊箱所受的浮力：F=(1383-203)×16=18880t3）封底混凝重量计算 拟定封地混凝土厚度：3m；容重：24KN/M^3Ｇ＝(1178.6-203)×3×24=7020t