海上桥梁承台钢吊箱设计计算书.docx

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海上桥梁承台钢吊箱设计计算书

深水高桩承台钢吊箱设计计算书

1.工程概述

1.1承台概况

主线桥66#、70#、79#右幅、80#、81#、85#～88#墩均为深水基础高桩承台，材料为C40海工混凝土，封底混凝土为C20。

承台底标高为+0.3，承台尺寸为9.4×7×2.8和9.2×6.3×2.5两种类型，如下图所示：

承台构造图1.1

1.2水文

桥位处于伶仃洋，一个太阳日内出现两次高潮两次低潮，日潮不等现象显著。

月内有朔、望大潮和上、下弦小潮，约15天一周期。

平均潮差为1.38～1.61之间，最大流速为0.73m/s。

主线桥海上段设计高潮位为+3.576，设计低潮位为-1.384。

1.3工程地质

上述墩位处在深水区域，海底标高为-2.010～-4.600，地层主要为淤泥、亚粘土、粗砂和岩层，详细地质资料详见地勘资料。

2.设计依据

《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）；

《建筑结构设计综合手册》；

《公路桥涵施工技术规范》

《钢结构设计规范》

《海港水文规范》

3.钢吊箱设计

3.1承台施工概述

承台底面标高高出净水面，且海水较深，拟采用有底钢吊箱施工承台。

根据设计文件要求，承台混凝土浇注完毕后，须进行防腐涂装，因此钢吊箱设计时四边尺寸必须要超出承台实际尺寸（现考虑预留1m），为后期涂装留有足够施工空间。

承台混凝土浇筑需准备一套模板，混凝土一次浇筑成型，整个钢吊箱只是起围护止水的作用。

两种类型承台尺寸接近且其所处的地理水文环境类似，考虑共用同一类型尺寸钢吊箱，按大尺寸承台设计，钢吊箱侧壁模板和底篮总重量为56吨。

3.2钢吊箱初步设计

承台封底混凝土厚1.5m，侧模板高度为6m，顶口高出设计高潮位1.224m，面板采用6mm钢板，竖肋采用槽18a，按0.6m间距布置，水平肋采用槽14a，按0.4m间距布置，圈梁采用双肢槽20a。

只在模板顶口布置一层内支撑，材料选取φ450钢管。

底篮采用型钢模板和“井”字型承重工钢梁作为封底混凝土浇筑时的主要受力构件。

布置图如下所示：

侧壁模板布置图3.2-1

底篮布置图3.2-2

3.3钢吊箱侧壁模板设计验算

3.3.1最不利工况

侧壁模板主要是起围护止水的作用，当封底混凝土达到强度并抽水完成时，钢吊箱内外水头差最大，为最不利工况。

3.3.2荷载计算

侧壁模板承受水平向荷载，按照设计规范，水平力=静水压力+流水压力+波浪力+其它。

（1）净水压力

净水压力呈线性分布作用在侧壁模板上，设计高潮位其值为0，最大水压从封底混凝土顶面考虑，F净水=（3.576-0.300）×10=32.76kN/m2。

（2）流水压力

式中：

F流水——钢吊箱所受的水流作用力，kN；

ξ1——挡水形状系数,矩形采用1.3，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，按照广深桥梁设计文件说明，V=0.73m/s；

g——重力加速度，g=9.81m/s2。

流水压力较小，为简化计算，按等代均布荷载在设计高潮位范围内布置。

（3）波浪力

根据广深桥梁设计文件说明，互通海上段（1号计算点位）50年一遇波浪参数如下：

频率F：

H1%

波高H：

2.89m

周期T：

4.2s

波长L：

20.7m

平均水深d：

3.60m

海底坡度i：

1/80（读海底地形图参数）

首先考虑波浪类型，模板按直墙考虑，底部基础看做暗基床，

，3.6＜2×2.89=5.78，i=1/80＜1/10

根据《海港水文规范》的规定，波浪属于远破波。

波浪力计算简图如下：

波浪力计算图图3.3-1

从图中可以看出，波峰处波浪力为0，在净水面波浪力最大，Ps=γK1K2H。

K1和K2根据规范查表分别取1.29和1.01，代入公式计算得：

Ps=γK1K2H

=10×1.29×1.01×2.89＝37.65kN/m2

此处考虑净水面为标高+0.300的位置，以下高度为封底混凝土，忽略波浪力的作用效应。

因此波浪力按照线性变化布置在侧壁模板上。

（4）其它力

其它力主要考虑风荷载的作用，查设计规范，深圳沿海基本风压为F风=0.45kN/m2，作用在设计高潮位标高以上的侧壁模板上。

3.3.3面板验算

面板厚度6mm，尺寸为0.4×0.6m，按照四边简支板模型计算，选取封底混凝土顶部最大荷载组合进行验算。

0.4/0.6=0.67，查《建筑结构设计综合手册》表3.8.1，弯矩系数取0.0723，

F净水+F流水=32.76+0.35=33.11＜F波浪力=37.65

因此面板上的均布压力取波浪力，q=37.65kN/m2

平行于短边的每延米板宽上的弯矩Mac=0.0723×37.65×0.42＝0.44kN/m

板面抗弯刚度W=bh2/6=1×0.0062/6=6×10-6m3

σ=M/W=0.44×103/（6×10-6）=73.33MPa＜[σ]=145Mpa满足要求

3.3.4竖肋和横肋验算

在钢吊箱布置图中，长边侧壁模板跨度最大，受力最不利，因此按照其结构形式建立单块模板模型进行受力分析，计算软件采用SAP2000。

模型如下图所示

计算模型图3.3-2

模板不利工况有两种可能，一种是最高潮位产生的净水压力和流水压力、风荷载的叠加，另一种是波浪力和风荷载的叠加。

工况一：

净水压力+流水压力+风荷载

工况二：

波浪力+风荷载

在SAP2000中对钢面板施加上述荷载并按照这两种工况定义相应的荷载组合，运行软件分析计算，杆件的跨度比较大，主要内力是杆件的弯矩，如下图所示：

内力结果图3.3-3

从上图可以看出圈梁、竖肋和水平肋产生最大弯矩的位置。

通过比较两种工况，相同位置工况二产生的内力明显大于工况一，因此以工况二作为基本内力组合，为分别选取最大弯矩杆件进行受力分析验算。

（1）竖肋

竖肋最大弯矩发生在侧壁模板的跨中位置，从软件计算结果上读出杆件的内力，如图：

最大弯矩为M=16.20kN.m，相应的轴力N=168.90kN，剪力Q=16.755kN。

因竖肋和面板焊接，可以忽略构件的失稳，只考虑构件的强度要求。

竖肋材料为槽18a，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=25.69×10-4m2，I=1272.7×10-8m4，W=141.4×10-6m3，S=83.5×10-6m3，tw=0.007m。

σ=N/A+M/W=168.90×103/25.69×10-4+16.2×103/141.4×10-6=65.75+114.57=180.32＜[σ]=210MPa，满足要求；

τ=QS/（Itw）=16.755×103×83.5×10-6/（1272.7×10-8×0.007）=15.70＜125MPa，满足要求。

（2）水平肋

水平肋最大弯矩发生在侧壁模板的跨中接近顶部支撑点的位置，从软件计算结果上读出杆件的内力，如图：

最大弯矩为M=6.08kN.m，相应的轴力N=47.32kN，剪力Q=9.61kN。

因水平肋和面板焊接，可以忽略构件的失稳，只考虑构件的强度要求。

水平肋材料为槽14a，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=18.51×10-4m2，I=563.7×10-8m4，W=80.5×10-6m3，S=47.5×10-6m3，tw=0.006m。

σ=N/A+M/W=47.32×103/18.51×10-4+6.08×103/80.5×10-6=25.56+75.53=101.09＜[σ]=210MPa，满足要求；

τ=QS/（Itw）=9.61×103×47.5×10-6/（563.7×10-8×0.006）=13.51＜125MPa，满足要求。

（3）圈梁

圈梁最大弯矩发生在侧壁模板的跨中顶部支撑点的位置，从软件计算结果上读出杆件的内力，如图：

最大弯矩为M=37.96kN.m，相应的轴力N=250.13kN，剪力Q=94.46kN。

因圈梁和每根竖肋都焊接，可以忽略构件的失稳，只考虑构件的强度要求。

圈梁材料为双肢槽20a，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=57.66×10-4m2，I=3560.8×10-8m4，W=356.08×10-6m3，S=209.4×10-6m3，tw=0.014m。

σ=N/A+M/W=250.13×103/57.66×10-4+37.96×103/356.08×10-6=43.38+106.61=149.99＜[σ]=210MPa，满足要求；

τ=QS/（Itw）=94.46×103×209.4×10-6/（3560.8×10-8×0.014）=39.68＜125MPa，满足要求。

3.4内支撑设计验算

在钢吊箱布置图中，只顶口布置一层内支撑，材料为φ450×9钢管，长边侧壁模板只在跨中布置一道内支撑，受力最不利，选取它进行受力计算。

根据软件计算结果，支撑处支点反力F=188.92kN。

φ450×9钢管截面参数为：

A=124.69×10-4m2，I=30324.87×10-8m4，ix=0.156m。

承受轴向压力，按照压杆稳定计算，杆件的长度为3m，按照设计规范，长度系数取u0=1.0，则计算长度

l0=u0l

=3×1=3m。

计算柔度系数

λ=l0/ix=3/0.156=19.23

根据柔度系数查附表C-2，取ψ=0.972，则受压杆件的整体稳定性如下：

N/（Aψ）=188.92×103/（124.69×10-4×0.972）=15.59＜[σ]=210MPa，满足要求。

3.5底篮计验算

底篮采用轻型工45作为主要承重梁，按受力情况布置成单根和双肢截面，工14做分配梁，分配梁间距均为0.5m，在分配梁顶部铺设6mm钢板。

3.5.1最不利工况

底篮主要承受封底混凝土的重量，当处在最低设计潮位时，底篮不承受水的浮力作用，此时浇筑封底混凝土为最不利工况，荷载=封底混凝土重量+侧壁模板重量+构件自重。

3.5.2底篮计算结果

用计算软件SAP2000建立底篮整体模型，吊点按照支座处理，施加最不利工况下的各种荷载并进行荷载组合，计算结果如下：

弯矩图图3.5-1

轴力图图3.5-2

剪力图图3.5-3

3.5.3底篮承重梁验算

（1）杆件1验算

杆件1为单根工40，选取内力最大的单元杆件，内力结果如图所示：

最大弯矩为M=89.47kN.m，相应的轴力N=0kN，剪力Q=74.31kN。

轻型工40的截面参数，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=71.44×10-4m2，I=18932×10-8m4，W=946.6×10-6m3，S=540.1×10-6m3，tw=0.008m。

σ=N/A+M/W=0+89.47×103/946.6×10-6=94.52＜[σ]=210MPa，满足要求；

τ=QS/（Itw）=74.31×103×540.1×10-6/（18932×10-8×0.008）=26.74＜125MPa，满足要求。

（2）杆件2验算

杆件2为双肢工40，选取内力最大的单元杆件，内力结果如图所示：

最大弯矩为M=95.39kN.m，相应的轴力N=0kN，剪力Q=131.67kN。

轻型双肢工40的截面参数，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=144.88×10-4m2，I=37864×10-8m4，W=1893.2×10-6m3，S=1080.2×10-6m3，tw=0.016m。

σ=N/A+M/W=0+95.39×103/1893.2×10-6=50.39＜[σ]=210MPa，满足要求；

τ=QS/（Itw）=131.67×103×1080.2×10-6/（37864×10-8×0.016）=23.48＜125MPa，满足要求。

（3）杆件3验算

杆件3为双肢工40，选取内力最大的单元杆件，内力结果如图所示：

最大弯矩为M=183.74kN.m，相应的轴力N=0kN，剪力Q=141.27kN。

轻型双肢工40的截面参数，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=144.88×10-4m2，I=37864×10-8m4，W=1893.2×10-6m3，S=1080.2×10-6m3，tw=0.016m。

σ=N/A+M/W=0+183.74×103/1893.2×10-6=97.05＜[σ]=210MPa，满足要求；

τ=QS/（Itw）=141.27×103×1080.2×10-6/（37864×10-8×0.016）=25.19＜125MPa，满足要求。

（4）杆件4验算

杆件4为双肢工40，选取内力最大的单元杆件，内力结果如图所示：

最大弯矩为M=337.13kN.m，相应的轴力N=0kN，剪力Q=227.56kN。

轻型双肢工40的截面参数，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=144.88×10-4m2，I=37864×10-8m4，W=1893.2×10-6m3，S=1080.2×10-6m3，tw=0.016m。

σ=N/A+M/W=0+337.13×103/1893.2×10-6=178.07＜[σ]=210MPa，满足要求；

τ=QS/（Itw）=227.56×103×1080.2×10-6/（37864×10-8×0.016）=40.58＜125MPa，满足要求。

（5）杆件4验算

杆件5为双肢工40，选取内力最大的单元杆件，内力结果如图所示：

最大弯矩为M=234.12kN.m，相应的轴力N=0kN，剪力Q=88.59kN。

轻型双肢工40的截面参数，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，A=144.88×10-4m2，I=37864×10-8m4，W=1893.2×10-6m3，S=1080.2×10-6m3，tw=0.016m。

σ=N/A+M/W=0+337.13×103/1893.2×10-6=123.66＜[σ]=210MPa，满足要求；

τ=QS/（Itw）=227.56×103×1080.2×10-6/（37864×10-8×0.016）=15.80＜125MPa，满足要求。

3.5.4底篮分配梁验算

底篮热轧轻型工14分配梁间距均为0.5m，其中最大跨径为2.4m，对其进行受力分析。

分配梁荷载为封底混凝土重量及其构件自重，杆件每延米均布力q1=24×1.5×0.5=18kN/m，自重q2=0.14kN/m，按简支梁进行计算，

M=ql2/8=（18+0.14）×2.42/8=13.06kN.m

Q=ql/2=（18+0.14）×2.4/2=21.77kN

普通工12的截面参数，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，I=572×10-8m4，W=81.7×10-6m3，S=46.8×10-6m3，tw=0.0049m。

σ=M/W=13.06×103/81.7×10-6=159.85＜[σ]=210MPa，满足要求；

τ=QS/（Itw）=21.77×103×46.8×10-6/（572×10-8×0.0049）=36.35＜125MPa，满足要求。

3.6悬挂设计验算

钢吊箱悬挂系统由桩顶双肢H500×200×9×14扁担梁、φ32精轧螺纹钢和千斤顶组成，作为钢吊箱下沉和浇筑封底混凝土的受力构件。

当在设计低潮位浇筑封底混凝土时，悬挂系统处在最不利受力状况，竖向力=封底混凝土重量+钢吊箱重量。

竖向力由12根φ32精轧螺纹钢承担，根据上一步底篮计算结果，支点反力如图所示：

支点反力图图3.6-1

由图可知，平行长边方向外侧两排支点反力最大，支点反力均为F=499KN,平行长边方向内侧两排支点反力最小，均为F=276KN,。

φ32精轧螺纹钢容许应力为800MPa，则可承受最大轴向力N=3.14×0.0322/4×800×106=643KN＞F=499KN,满足螺纹钢受力要求。

扁担梁为悬挑受力构件，悬臂长1m，疏略自重，则内力

M=Fl=499×1=499kN.m

Q=N=499kN

双肢H500×200×9×14截面参数，[σ]=210MPa，[τ]=125MPa，I=83800×10-8m4，W=3380×10-6m3，S=2054×10-6m3，tw=0.018m。

σ=M/W=499×103/3380×10-6=147.63＜[σ]=210MPa，满足要求；

τ=QS/（Itw）=499×103×2054×10-6/（83800×10-8×0.018）=67.95＜125MPa，满足要求。

3.7封底混凝土设计验算

3.7.1最不利工况

封底混凝土厚度1.5m，主要承受竖向力，不利工况主要有两种情况：

工况一：

封底混凝土抽水后外部水面达到设计高潮位，

F1=浮力+封底混凝土自重+钢吊箱自重；

工况二：

承台混凝土浇筑后外部水面处在设计低潮位，

F2=承台自重+封底混凝土自重+钢吊箱自重；

3.7.2荷载计算

（1）浮力

封底混凝土底标高为-1.2，设计高潮位为+3.576，钢吊箱内部尺寸为11.4×9，则排开水的体积为：

V=（3.576+1.2）×11.4×9

=490.02m3

水的容重取10KN/m3，则

f=490.02×10=4900.2KN

（2）混凝土重量

根据3.6节计算，封底混凝土重量G1=90.04×1.5×24=3241.44kN

承台净体积V=（9.4×7-3.14×12×4）×2.8

=149.07m3

混凝土的容重取25KN/m3，则

G2=149.07×25=3726.8KN

（3）钢吊箱重量

钢吊箱重量G2=550kN。

3.7.3封底混凝土强度验算

封底混凝土简化成嵌固在钢护筒上角点简支板计算，板的尺寸为6.4×4，查表，取板的弯矩系数为0.1202。

当工况一时，板上均布荷载q=4.576×10-24×1.5=9.76KN/m2,取单位板宽验算，

M=1×0.1202×9.76×6.42

=48.05kN.m

σ=M/W=48.05×103/（1×1.52/6）=0.13＜[σ]=1.06MPa，满足要求；

当工况二时，板上均布荷载q=25×2.8+24×1.5=106KN/m2,取单位板宽验算，

M=1×0.1202×106×6.42

=521.88kN.m

σ=M/W=521.88×103/（1×1.52/6）=1.39≈[σ]=1.06MPa，满足要求；

3.7.4封底混凝土摩擦力验算

钢护筒和封底混凝土接触面积S=3.14×2×1.5×4=37.68m2

取单位面积摩擦力为150KN，则

F=37.68×150=5652KN

工况一时，摩擦力/（浮力+封底混凝土重力+钢吊箱重力）=5652/（4900.2-3241.44-550）=5.1＞1，满足要求；

工况二时，摩擦力/（承台重力+封底混凝土重力+钢吊箱重力）=5652/（3726.8+3241.44+550）=0.75＜1，不满足要求；

由计算可知，单纯靠封底混凝土和钢护筒的摩擦力不足以满足施工要求，因此必须采取措施，在钢护筒上封底混凝土厚度范围内焊接抗剪钢筋或型钢，加大混凝土受力面积。

构件受力主要靠焊缝传递，因此只需计算焊缝长度，焊缝类型为角焊缝。

N=（3726.8+3241.44+550-5652=1866.24KN

取焊缝高度为6mm,则根据钢结构设计规范，

Lw=N/（0.7hffwf）

=1866.24×103/（0.7×0.006×160×106）

=2.78m

在四个钢护筒上焊接构件焊缝长度累计达到2.78m即可满足施工要求。

4.结论

综合上述，钢吊箱设计计算符合设计要求。