金温双壁钢围堰计算书0831 - 图文

金温铁路大溪大桥

9号桥墩双壁钢套箱设计计算书

中铁第五勘察设计院集团有限公司技术研究院

2011年9月

金温铁路大溪大桥

9号桥墩双壁钢套箱设计计算书

计算： 复核： 审核：

中铁第五勘察设计院集团有限公司技术研究院

2011年9月

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一、设计依据 ............................................................................................ 4 二、套箱结构 ............................................................................................ 6 三、荷载工况 .......................................................................................... 10 四、计算模型： ...................................................................................... 10 五、下沉过程分析 .................................................................................. 11 六、抽水工况计算 .................................................................................. 14 七、整体抗浮验算 .................................................................................. 19

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一、设计依据

1. 任务来源：

《金温铁路大溪大桥基础施工技术咨询合同》； 2. 采用规范：

《钢结构设计规范》GB 50017━2003 《铁路桥梁抢修（建）规程》 《铁路桥涵施工规范》TB10203-2002 《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002 《钢结构工程施工及验收规范》GB50205-2001； 3．采用图纸：

《金温铁路大溪大桥施工图》 4. 水文数据：

施工水位：48.71m，承台底标高34.700m； 5. 承台数据：

承台平面尺寸20.3m（线路方向）×9.6m（垂直线路方向）;底承台底标高34.700m，底承台顶面标高38.200m；

6. 钻孔桩数据：

2#墩墩基础钻孔桩直径2.0m，数量11根； 7. 钢材数据：

钢Q235，容许轴向应力160MPa；容许弯曲应力170MPa；容许剪应力95MPa ；

8. 封底混凝土数据：

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封底混凝土采用标号C20水下混凝土，

单位重量2.3T/m；弯曲受压容许应力=7.0MPa，弯曲受拉容许应力=0.4MPa ，弯曲受压容许应力=0.67MPa ；

9. 地质资料：

双壁钢套箱位置范围内主要为卵石土。

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二、套箱结构

在进行相关经济技术比较后建议对9#墩深水基础施工采用双壁钢套箱方案，以保证9#深水基础施工质量和安全，达到经济技术最优化施工。

1.钢套箱基本结构

钢围堰为双壁套箱，内外壁板之间用水平桁架连接。围堰平面为矩形，承台尺寸(20.3×9.6m)，内壁比承台四周各加大15cm，围堰内侧尺寸(20.6×10.2m)。围堰内侧尺寸(20.6×10.2m)，之间相距1.4m。共设12道隔仓板，转角处各设一道隔仓板，长边设2道隔仓板，短边设2道隔仓板。围堰全高16.7m。围堰沿高度分为三节，自下而上依次为第1节6.1m（含刃脚1.4m高）、第2节4.9m、第3节5.6m。

依据现场水上起重工具起重能力限制在2×10t以内的技术资料，在双壁钢套箱平面分块上，将每节套箱设为8块，最大块重量基本控制在20t以内，保证水上作业安全。

2.壁板

根据结构分析计算结果和经济性要求，钢套箱内外壁板厚度δ=6mm。壁板的具体结构尺寸和位置参考相应部分图纸。

3.水平弦杆

根据结构分析计算结果和经济性要求，并考虑施工方便，水平斜撑在立面上根据不同深度，不同的位置而为两种形式：桁架斜杆主要为∠80×8，∠125×8两种形式，直杆为∠80×8mm。

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4.竖肋

根据结构分析计算结果，钢套箱在立面上根据不同深度内受力的不同,竖肋分为两种形式：分别为∠70×45×7、∠90×56×7,在施工过程中应注意区分；

5.水平肋板

根据结构分析计算结果，在第一节和第三节段采用TN200×200-8×13，在第二个节段采用TN250×200-9×14。

6.隔仓板

竖向隔舱板厚度δ＝6mm和δ＝12mm 两种，δ＝12mm 隔舱板共四块，设置在内支撑对应区域，δ＝12mm 隔舱板还采用了竖向斜杆进行补强。

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图1 套箱整体立面图

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图2 套箱整体平面图

7.刃脚

钢板厚δ＝6mm。顶面顺坡度方向布置加劲肋角钢，加劲肋角钢两端与内壁板水平桁架弦杆及外壁板加劲角钢焊接，加劲肋中部焊接

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斜杆及水平杆支撑到外壁板加劲角钢,刃脚区域的桁架和底板加劲肋均采用∠70×45×7mm。

8.封底混凝土：

在考虑先做钻孔桩后做钢套箱和封底混凝土工况下，经计算取双壁钢套箱封底混凝土厚度为2.1m。

9. 内支撑：

围堰在沿短边方向设置3道内支撑，采用Φ529×14钢管，内支撑与围堰连接处的细部构造按设计图处理。在围堰的角部设置钢管Φ529×14形成支撑体系。

三、荷载工况

围堰设计时考虑壁仓内填充了6.3m壁舱混凝土，有壁仓混凝土区域围堰结构设计较弱。因此计算主要包括两种计算工况：

1．围堰悬浮下沉

围堰悬浮下沉时的围堰结构受力（主要是验算底节围堰结构受力）；

2．围堰下沉到位

围堰下沉到位且封底混凝土达到设计强度后抽水工况（主要验算围堰结构整体受力）。

四、计算模型：

利用MIDAS有限元软件建立封底混凝土以上钢套箱1/4模型，内外壁板采用板单元，其余结构采用梁单元，底部施加固定约束，2侧施加位移对称约束。整体模型如图3-图5。

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1.板壳单元

离散和模拟内、外壳板、底板、隔舱板以及套箱支撑结构。单元大小以壳板垂向加劲肋间距为依据，形状尽量接近正方形。

2. 梁单元

离散和模拟竖向加劲角钢（∠70×45×7、∠90×56×7）、水平桁架弦杆（TN249×199、TN200×200）、

3. 桁架单元

水平桁架直杆（∠80×8）、水平桁架斜杆（∠80×8、∠125×8），以及支撑杆。

五、下沉过程分析

1.受力情况分析

下沉前先将刃角区域填满混凝土（1.4m）。围堰着床前处于悬浮状态，采用壁仓注水下称，尽量减小壁仓内外水头差，减小第一、二节两节围堰在下沉过程中结构受力。围堰着床后由于泥沙摩阻力，可往壁仓内填充混凝土下沉，壁仓混凝土填充对围堰结构受力有利。

外轮廓面积： 23.4×12.7=297.2 内轮廓面积： 20.6×9.9=203.9 套箱壁隔舱内面积：297.2-203.9=93.2 围堰总重：G=300t 刃角混凝土重：G0=180.6t

围堰注水下沉时，围堰吃水深度:h=(300+180.6)/93.2+1.4/2=5.86m 由于刃角区域已经填充混凝土，因此壁仓内外最大水头差:

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Δh=5.86-1.4=4.46m,按照4.5m计算。 此时底节围堰受的最大水压力为: q=4.5×10=0.045MPa

计算时对对称结构内外壁均施加0.045Mpa的水压力计算。 2.计算模型

图3 载荷形式

3. 套箱下沉工况计算结果

图4 横肋梁等效应力（MPa）

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从显示结果可以看到，水平环板最大等效应力为154MPa，主要出现在桁架节点位置，这种结果主要是梁单元与板单元交界产生的集中应力。并且从图中可以看到显示154MPa的区域极小，属于计算应力，实际连接处结构尺寸大于计算模型的应力点，排除集中应力点，结构应力均小于130Mpa。

图5 水平桁架直杆（∠80×8）轴力（t）

图中结果显示，水平直杆最大轴压力为9.6t。 λ=1200/24.4=49 φ=0.861

容许承载力：[N]=160×1230×0.861=16.9t

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图6 水平桁架斜杆（∠80×8）轴力（t）

图中结果显示，水平桁架斜杆最大轴压力为4.8t。 λ=1600/24.4=65.6 φ=0.778

容许承载力：[N]=160×1230×0.778=15.3t 满足要求。 4.下沉过程计算说明

从上面的计算过程可以看到，采用注水下沉时，底部两节围堰在整个过程中的最大水头差为4.6m，围堰结构整体受力满足要求。

六、抽水工况计算

1.计算工况分析

套箱下沉到位后，进行水下封底混凝土浇筑。待封底混凝土达到强度100%后，开始抽水。抽水前必须将壁舱混凝土填充到设计标高，且达到凝固强度。封底混凝土与套箱完全结合成一个整体，在套箱下部施加固结约束。

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此时封底混凝土已经凝固，约束条件考虑成封底混凝土以下1m位置固结。

×对称平面内约束：D×=0，Ry=0，Rz=0 Y对称平面内约束：Dy=0，R×=0，Rz=0 2.计算模型

为了更加真实的反应出结构受力情况，对水压力加载到刃脚部分，作为参考。

图7 整体模型及加载图

3.计算结果：

图8 壁板应力图（MPa）

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壁板应力最大为63.5MPa，满足要求。

图9 内外竖肋梁单元应力图（MPa）

除去约束位置由于混凝土约束而形成的应力集中点外，竖肋应力满足要求。并且通过局部简化计算，亦满足受力要求。

图10 内外横肋应力

最下部混凝土填充区域不考虑钢结构受力情况，除去约束影响部分，横肋最大等效应力为156.6MPa，主要出现在桁架节点位置，这种结果主要是梁单元与板单元交界产生的集中应力。并且从图中可以看到显示156.6MPa的区域极小，属于计算应力，实际连接处结构尺寸大于计算模型的应力点，排除集中应力点，结构应力均小于

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130Mpa。

图11 水平直杆内力（N）

直杆∠80×8，容许承载力：[N]=160×1230×0.861=16.9t，计算中最大内力为9.54t，满足要求。

图12 水平斜杆（∠80×8）内力（t）

水平斜杆∠80×8，容许承载力：[N]=160×1230×0.778=15.3t，最大内力为15.16t，满足受力要求。

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图13 斜杆（∠1250×8）内力图（N）

图中结果显示，水平桁架斜杆最大轴压力为23.9t。 λ=1700/38.8=44 φ=0.882

容许承载力：[N]=160×1795×0.882=25.3t，满足受力要求。

图14 支撑（钢管）内力图

计算结果，角支撑最大压力32t，对于Ф140×8mm钢管角支撑： λ=2000/46.8=43

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φ=0.887

容许承载力：[N]=160×3317.5×0.887=47.08t满足受力要求。 内支撑152.3t，于Ф426×14mm钢管内支撑： λ=10000/145.7=68.6 φ=0.776

容许承载力：[N]=160×18120.7×0.776=225t，满足受力要求。 4.计算结果总结

从以上结果分析，可以看出：模型能够满足受力要求，且受力比较均匀，材料利用比较充分。

5.封底混凝土计算

封底混凝土厚度取2.1m，封底混凝土底面处水深14m。利用有限元软件建模计算：取截面（2.1×1m）截面梁，梁长取5.7-1=4.7m，

封底砼底面向上的压力：q=14-2.3×2.1=9.17t/m 计算得到封底砼中的应力：0.34MPa，满足要求。

七、整体抗浮验算

钢围堰在抽水以后形成封闭体系，结构会产生很大的上浮力，主要靠围堰自重、壁仓混凝土自重、壁仓内填充水重量、封底混凝土与围堰之间粘接力以及泥沙对围堰内外壁的摩阻力来抵抗结构上浮。

外轮廓面积：297.18，内轮廓面积：203.94。 桩直径D=2.1m，周长l=6.6m,面积3.46，共11根桩。

套箱壁隔舱内面积：93.24，围堰总重：280t，刃角混凝土重：180.6t。

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围堰总高度h=16.77m，抽水后产生的总浮力按排开水的体积计算：

F=（297.2-11×3.46）×16.11=4174.8

壁仓填充混凝土重量：180.6+93.24×4.9×2.3=1231.4 封底混凝土重量：（203.94-11×3.46）×2.1×2.3=801.2 隔舱内水重量：93.24×1×10.47=976.2 钢护筒可提供粘接力（按10t/（m*m））： 10×3.14×2.1×2.1×11=1523.2

4218.8-280-180.6-1231.4-801.2-976.2=749.4t<1523.2t

整体抗浮满足要求。同时计算考虑了壁仓内全部填满水直内壁顶面，如果封底混凝土与壁板粘接强度或者泥沙侧摩阻力较大，壁仓内注水也可以适当降低。

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