X嘉陵江大桥5#墩双壁钢围堰计算书(共26页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上目 录专心-专注-专业第一章 基本资料1.1 工程概况 桥梁全长1250m。其中主桥为双塔双索面混凝土斜拉桥，跨径布置为60+135+250+135+60m，桥面宽15m，两个主塔高分别为178m和179.5m，为菱形桥塔。南北引桥分别位于曲线上，南引桥为一联2*45m连续梁，桥面宽从12m渐变至13.26m，北引桥为两联3*60m的连续刚构+一联3*50m的连续梁，桥面宽从12m渐变至18.32m。P4、P5、P6为水中基础。5#墩双壁钢围堰设计参数及水文资料如下：钢围堰顶标高： +176.000m钢围堰底标高： +164.412m第一层内支撑标高： +170.41

2、2m第二层内支撑标高： +173.412m承台顶标高： +172.412m承台底标高： +166.412m设计流速： 2.0m/s设计浪高： 0.5m河床标高 +168.000m1.2 主要计算依据1、X嘉陵江大桥5#墩双壁钢围堰设计图2 、公路桥涵设计通用规范（JTG D-60 2004）3 、铁路桥梁钢结构设计规范（TB 10002.2-2005 J461-2005）4 、地基及基础第三版，中国建筑工业出版社 （1998年） 5 、港口工程荷载规范（JTJ21598）6 、钢结构设计规范（GB 50017-2003）7 、板桩码头设计与施工规范（JTJ 26798）8 、公路施工手册 桥涵

3、9、水利水电钢闸门设计规范SL74951.3 钢围堰结构钢围堰采用双壁结构，由壁板、竖向箱型梁、内支撑三大部分组成。壁板主要由隔舱板、水平环板、水平斜杆、竖向加劲肋及内外壁板构成，舱壁总厚1.0m。刃脚高1.0m，作为围堰底节的组成部分一道加工。内支撑采用钢管，与钢围堰箱形梁一起形成稳定结构体系。在内支撑位置设置竖向箱形梁作为一级支撑结构，水平设置环形板和水平斜撑作为二级支撑结构，竖向设置角钢次梁为三级支撑结构，内外壁之间通过水平斜杆和水平环板连接而形成整体。钢围堰内、外壁板采用6mm钢板，箱形梁腹板采用12mm钢板，箱形梁翼板采用16mm钢板，箱梁环向肋板采用10mm钢板，水平环板采用10m

4、m或者14mm钢板，水平斜撑采用L75x75x8角钢，竖肋采用L75x75x8角钢，内撑采用钢管。钢围堰结构如下图所示。图1.1 双壁钢围堰平面布置图图1.2. 双壁钢围堰剖面图1.4计算参数取值1、钢材弹性模量，泊松比取0.3。2、Q235钢抗拉、抗压和抗弯强度设计值f=215Mpa，抗剪强度设计值fv=125Mpa。3、C25砼单轴抗压强度设计值压=11.5MPa，单轴抗拉强度设计值拉=1.23MPa。4、钢筋砼容重取26 KN/m3，素砼容重取24 KN/m3。5、封底砼与钢护筒的最大摩阻力取150KPa。6、主要计算构件的截面特性见表1表1 主要计算构件截面特性表名 称规 格面积A（c

5、m2）惯性矩Ix（cm4）抵抗矩Wx（cm3）回转半径ix（cm）水平环板114x18025.2水平环板210x18018.0水平斜杆1L75x75x811.5059.9611.202.28水平斜杆22- L75x75x823.00119.9222.43.55竖 肋L75x75x68.79746.958.642.31内 撑=630=10195.0015.5内、外壁板t=10隔舱板腹板12x956242.715790翼缘16x400第二章 双壁钢围堰结构受力计算2.1 计算工况根据施工工艺流程，本计算书共分三种工况进行钢围堰构件的强度、刚度及稳定性验算，取各构件的最不利受力工况作为评价结构安全的

6、指标。三种工况如下：工况一：钢围堰下沉过程中顶节、底节受力计算，包括干舷高度控制，围堰内外水头控制等。工况二：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。工况三：浇筑完成第一层3m厚承台砼，砼达到80%设计强度后，拆除第一层内支撑，准备浇筑第二次承台砼。2.2钢围堰下沉与抗浮计算2.2.1钢围堰下沉计算在工况一中，钢围堰在接高、下沉过程中按接高后干舷高度不小于1m考虑，夹壁内、外水头以及隔舱间的水头控制在10m以内，钢围堰接高、下沉过程中的相关计算结果见表2。表2 钢围堰接高、下沉计算结果参 数第一阶段第二阶段第三阶段施工内容底节围堰下水、

7、自浮顶节围堰接高灌水下沉至河床围堰重量175.4t323.3t323.3t刃脚砼总量00t0t夹壁砼重量000灌水总重量289t289666.4t重量合计464.4t612.3t989.7t围堰高度6.0m11.59m11.59m入水深度5.0m6.43m10.59m夹壁内水深3.3m3.3m6.96m干舷高度1.0m5.16m1.0m夹壁内、外水头1.7m3.13m3.63m浮 力464.4t612.3t989.7t注：上表中数值仅供施工参考，具体施工措施（如干舷高度）由施工单位自行确定。2.2.2钢围堰抗浮与整体稳定性计算1 钢围堰抗浮计算在工况二中，钢围堰下沉到设计位置后，浇筑2m水下封

8、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，计算结果如下： 钢围堰内抽完水后的总上浮力：钢围堰+夹壁水总重量：G1=9897KN封底砼自重：扣除钢围堰和封底砼自重后的上浮力：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：故，钢围堰内抽水后，抗浮满足要求。2 钢围堰整体稳定性计算钢围堰下沉到设计标高后，迎水面由于受到流水压力作用，产生绕下游刃脚的转动弯矩，应对其进行验算。流水压力产生的转动弯矩：，钢围堰自重产生的抵抗弯矩：,则该工况下，钢围堰满足整体稳定性要求。2.3 钢围堰构件受力计算

9、2.3.1 计算荷载1上游迎水面流水压力根据公路桥涵设计通用规范（JTG D-60 2004）第4.3.8条进行计算，公式如下：，式中：流水压力值（）； 水的重力密度（）； 流水速度（）； 阻水面积（），计算止一般冲刷线处，,为钢围堰阻水面宽度，为施工水位到河床底的高度； 重力加速度（）； 桥墩形状系数，取1.5。将各参数代入上式得：，则：每米宽最大流水压强为：，钢围堰所受的流水压力如下图所示。图2. 流水压力计算图示2 静水压力静水压力计算公式：式中：计算点至水面高度（m），本计算书计算值围堰刃脚处； 水的重力密度（）；3 波浪力波浪力作用高度取0.5m，波浪力为作用于高出水面围堰壁板的均布

10、荷载，其大小为。2.3.2 竖向箱形梁受力计算钢围堰壁板受到静水压力、波浪力和流水压力作用，经竖向箱形梁(以下简称竖梁)传递到内支撑钢管上，竖梁与内支撑为主要传力结构。竖梁所受荷载如图3所示，计算中假定钢围堰壁板简支支承于竖梁上，竖梁承受相邻壁板一半荷载，图中荷载值为水平向一米宽荷载值，竖梁支承于封底混凝土、第一层内支撑及第二层内支撑上，竖梁力学计算模型如图4所示。荷载组合：流水压力+静水压力+波浪力。图3 竖向箱形梁受力图示图4.1 竖梁力学计算图示（工况二）（单位：Kn/m）图4.2竖梁力学计算图示（工况三）（单位：Kn/m）利用有限元软件MIDAS/CIVIL计算工况二、三下竖梁在单位宽

11、度荷载作用下的内力图如下图5、图6所示。图5.1 工况二：竖梁弯矩图(单位：kNm)图5.2 工况二：竖梁剪力图(单位：kN) 图5.3 工况二：竖梁支点反力图(单位：kN)图6.1 工况三：竖梁弯矩图(单位：kNm)图6.2 工况三：竖梁剪力图(单位：kN) 图6.3 工况三：竖梁支点反力图(单位：kN)1号竖梁横截面如图7所示。图7. 1号竖梁横断面图(单位：mm)截面特性：惯性矩：截面模量：横截面积：注：上述截面特性计算中，不考虑水平环板、竖向加劲肋参与受力，附属构件仅对箱形梁局部稳定有关。简化力学模型中，1号竖梁承受6.025m宽水压力与波浪力作用，2号竖梁承受5.45m宽水压力与波浪

12、力作用，1号与2号竖梁截面形式相同（截面特性），则1号梁在工况二下受力最不利，对一号梁进行强度与刚度验算。将面板上的承受的均布荷载向隔舱板上简化成线荷载：则1号竖梁受到弯矩为：则，（0.3为水平方向单位宽荷载产生的位移值，方向指向围堰内部），故满足要求。3号竖梁承受的荷载宽度为：，截面形式如下： 图8. 3号竖梁横断面图(单位：mm)，通过与1号梁对比可知，3号竖梁在工况二作用下结构安全可靠。2.3.3 内支撑受力计算从图5.3、图6.3中可看出，第一层内支撑在工况二下受力最不利，1号内支撑垂直于壁板方向的反力为：, 2号内支撑：，则1号、2号内支撑轴力分别为：，。钢管横截面积：，回转半径：，

13、计算长度：1号支撑：，钢管两端焊接于钢围堰壁板上，长度系数：。强度验算：根据钢结构设计规范（GB50017）第5.1.1条规定：轴心受压构件强度按下式计算： 式中：为轴心压力； 为净截面面积。代入上式：，满足要求。稳定性验算：根据钢结构设计规范（GB50017）第5.1.2条规定：轴心受压构件稳定性按下式计算： 式中： 为轴心受压构件的稳定系数，长细比，压杆为a类构件，查钢结构设计规范（GB50017）附录二附表2-1得，。代入上式：，稳定性满足要求。2.3.4 水平桁架受力验算1.水平桁架的斜杆受力计算水平桁架由内、外侧环钢板（14180mm）和斜杆组成，内、外环钢板相当于水平桁架的上、下弦

14、杆。水平桁架平面如图9所示。图.9 水平桁架(单位：mm)水平桁架斜杆计算水平桁架层间距为1m,取水深9.5m处计算桁架节点力：斜杆轴力： 斜杆采用角钢,，回转半径，长度系数（按两端铰接计算），长细比，压杆为a类构件，查钢结构设计规范（GB50017）附录二附表2-1得。，水平桁架杆件强度满足要求。2.水平桁架平环板计算 水平环板轴力：,式中：为水平桁架竖向间距，为桁架节点水平间距。弦杆强度： 式中：N环板轴力，F环板截面面积。3.焊缝长度计算角钢厚度，水平环板厚，角焊缝强度设计值。根据构造要求：角钢肢尖处：角钢肢背处： 取。，则。，根据钢结构设计规范（GB50017）表7-2的规定：，即焊缝

15、长度按构造要求取值，角钢肢尖和肢背处均取2.3.5 竖向加劲肋受力验算(1)计算封底混凝土面以上外壁水压力(2)加劲肋受力验算竖向加劲肋计算是以水平桁架为支撑的多跨连续梁,计算时可按三跨连续梁计算：弯矩 ,剪力 式中；，；为作用在单根竖肋上的水压力，可近似按均不荷载计算；为水平桁架竖向间距。水平桁架竖向间距为，竖向加劲肋间距为0.5m，代入上述公式：按水利水电工程钢闸门设计规范，计算与竖向加劲肋共同作用的壁板有效宽度。水利水电工程钢闸门设计规范G1.0.2面板参与梁系有效宽度计算：(1)面板兼作主(次)梁翼缘的有效宽度B,对于简支梁或连续梁中正弯矩段，可按下列公式计算，取其中较小值： (2-1

16、)(Q235钢) (2-2)(16锰钢) (2-3)式中，主次梁的间距，；有效宽度系数，按表3采用；面板宽度；梁肋宽度，当梁上另有翼缘时为上翼缘宽度；表3 面板有效宽度系数0.511.52.02.53456810200.20.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.000.160.300.420.510.580.640.710.770.790.830.860.92注：1.为主次梁弯矩零点之间的距离。对于简支梁；对于连续梁的正弯矩段可近似地取；对于其负弯矩段可近似地取，其中为主次梁的跨度(见图2-12)；2.适用于梁的正弯矩图为抛物线图形，适用于梁的负弯矩

17、图近似地取为三角形。图.10 面板有效宽度示意图(2)对于连续梁中负弯矩段或悬臂段，面板的有效宽度应按下式取用： (2-4)有效宽度系数，按表3采用；面板与环板焊接，属连续梁形式，故有效跨度取。 图11 围堰壁板图示(单位：mm)竖向加劲肋采用角钢,（壁板兼作竖向加劲肋翼缘），查表3，直线插值得：。由公式(2-1) ，取较小值，见图12。图12 面板参与角钢受力有效宽度(单位：mm)角钢：,壁板，, 根据惯性矩移轴公式得：，弯曲正应力：剪应力：故竖向加劲肋强度满足要求。2.3.6 面板应力与挠度计算壁板以承受水平荷载为主，其最不利受力工况为抽水阶段。壁板可看作是由加劲肋角钢支撑的多跨连续梁，其

18、荷载为均布水压力q，外侧壁板承受围堰外部水压与隔舱灌注水水压的联合作用，内侧壁板承受围堰外水压作用，故内壁板受力最不利。内壁板在标高+165.412+167.412范围内，水平、竖向支撑（肋板）间距为0.5米，其余隔舱为竖向肋板间距0.5米、水平支撑1.0m，现用有限元软件MIDAS/Civil计算标高+165.412（以下简称1号板）和标高+167.412（以下简称2号板）处面板的弯曲应力。计算模型采用四边固结支撑，计算结果如下图所示。图13图14 1号板等效应力图（单位：MPa）图14 1号板位移图（单位：mm） 图15图14 2号板等效应力图（单位：MPa）图16 2号板位移图（单位：m

19、m）结果统计：最大应力：，最大变形2.6mm，说明内壁板在水压力作用下受力安全。 第三章 钢围堰局部验算3.1 封底混凝土验算在工况二中，封底砼底面承受向上的水压力，同时承受封底砼自重荷载。在工况三中，封底砼底面承受方向向上的水压力，顶面承受方向向下的3m厚承台砼荷载，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水压力：P1=95KPa作用在封底砼顶面的第一次承台砼荷载：P2=26*3=78KPa封底砼自重：P3=24*3=72KPa建立1/2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）。工况二：施加在封底

20、砼底面的实际均布荷载为P1-P3=23KPa工况三：施加在封底砼底面的实际均布荷载为P1-P2-P3=-49KPa（即封底混凝土顶面压力较底面压力大）。故，按荷载最大的工况三进行计算，计算结果如下所示。图17 1/2封底混凝土计算模型图.18 封底混凝土拉应力云图(单位：Pa)图.19 封底混凝土压应力云图(单位：Pa)图.20 封底混凝土竖向位移图(单位：m)最大拉应力拉=0.2MPa0.8*拉=1.144MPa最大压应力压=0.13MPa0.8*压=11.44MPa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。3.2 内支撑与壁板连接处验算1号内支撑（第一层内支撑）与壁板连接处在工

21、况二下受力最不利，利用有限元软件ANSYS对其进行局部受力分析。有限元计算模型如下所示。图21 连接部分有限元计算模型图.22 连接部节点位移云图(单位：mm)图.23 连接部最大压应力图(单位：)图24 连接部最大拉应力图(单位：)结果统计：最大拉应力：，最大压力：，均小于设计值，说明内支撑与壁板连接处局部受力安全。钢管与壁板连接处焊缝强度计算：焊缝承受剪切方向荷载为：，焊缝长度：，焊缝应力：，即连接处焊缝抗剪强度满足要求。3.3浇筑封底砼时钢围堰底端拉杆设计在浇筑封底混凝土时，新浇混凝土会对壁板产生侧压力，为了减小围堰底端由于该压力而产生过大向外位移，在封底混凝土设计标高以上0.2m处设置

22、三根拉索。根据建筑施工模板安全技术规范（JGJ162-2008）的第4.1.1条，计算新浇混凝土对模板（钢围堰壁板）的侧压力计算公式（取其中较小值）： 式中 新浇筑混凝土对模板的侧压力，；混凝土的重力密度，新浇混凝土的初凝时间（h）可按实测确定。当缺乏试验资料时，可采用计算（T为混凝土的温度）；V混凝土的浇筑速度，；H混凝土侧压力计算位置处至新浇混凝土顶面的总高度，；1外加剂影响修正系数，不掺外加剂时取1.0，掺具有缓凝作用的外加剂时取1.2；2混凝土坍落度影响修正系数，当坍落度小于30mm时，取0.85；5090mm时，取1.0；110150mm时，取1.15。代入上述公式有：取较小值得：。一侧壁板承受的总拉力为：，所需拉杆截面积：，每方向上（顺桥向与横桥向）拟布置六组，每组两根R235钢筋，则拉杆钢筋截面积为：，采用，各方向上每组钢筋均匀布置，交叉处可适当调整钢筋的竖向位置，每组的两根钢筋需绑扎牢固，且与壁板连接处要有足够的连接强度。