州河特大桥5#、6#墩
双壁钢围堰计算书
编制人: 复核人: 审核人:
中铁建工集团州河特大桥项目经理部
二O一O年八月
目 录
1 双壁钢围堰设计概况 ....................................................................... 1 2 检算内容 ........................................................................................... 2 2.1双壁钢围堰施工检算内容 ...................................................... 2 2.2力学性能参数 .......................................................................... 2 3 检算过程 ........................................................................................... 2 3.1加工阶段 .................................................................................. 2 3.2浮运阶段 .................................................................................. 2 3.3 壁内砼浇筑阶段 ................................................................. 18 3.4 下沉阶段 ............................................................................. 19 3.5 承台施工阶段 ....................................................................... 19
州河特大桥
5#、6#墩双壁钢围堰计算书
1 双壁钢围堰设计概况
1.1双壁钢围堰结构设计
州河特大桥5#、6#墩双壁钢围堰采用圆形双薄壁钢结构,钢围堰内直径为25.4m(较承台对角线每侧大100cm),外径27.4m,壁间厚度100cm。钢板厚度为6mm,竖向主龙骨采用∠75×50×8角钢,横向主龙骨采用∠63×6角钢,横向主龙骨间采用10mm扁钢加强,壁间斜撑采用∠75×8角钢。平面分八块,块间用6mm厚钢板设置隔仓板,底节预制高度为3m,以上节预制高度为4.5m。单块钢围堰吊装最大重量约7.5t。块与块之间、节与节之间相连均采用焊接。
州河特大桥5#、6#墩双壁钢围堰统计表
为保证双壁钢围堰有足够的钢度和下沉重量,5#、6#墩双壁钢围堰内壁填充河砂。 1.4施工方法
由于5#、6#墩承台位于州河河道中,河沙覆盖层厚度为0.5-2米,根据水下摸底情况得知地势较为平坦,方便了钢围堰的下沉。
2 检算内容
2.1双壁钢围堰施工检算内容
(1) 加工阶段
(2) 浮运阶段结构强度、刚度、稳定性和围堰的整体稳定性 (3) 就位后壁内填筑阶段 (4) 下沉阶段 (5) 承台施工阶段
2.2力学性能参数
本方案中所选用钢材钢号均为A3(Q235A),力学性能按以下规定计算: (1)弹性模量E=210GPa
(2)抗弯容许应力1.3[σw]=1.3x145=188.5MPa (3)抗剪容许应力1.3[τ]=1.3x85=110.5MPa (4)轴向容许应力1.3[σ]=1.3x140=182MPa
3 检算过程 3.1加工阶段
双壁钢围堰在岸边加工场制作加工,并设四座胎模,以保证加工精度。钢围堰底节在临时码头上拼装焊制成形后,采用2台浮吊和2台汽车吊整体起吊下水。不需进行检算。
3.2浮运阶段
钢围堰壁内为8块空腔,围堰下水后,利用其自身浮力悬浮在水面上,其在水中的受力状态如下图所示:
图1 浮运阶段受力图
3.2.1工况分析
考虑到5#、6#墩均采用围堰分节拼装法施工,钢围堰浮运可分为 3种工况: 工况一:3m底节双壁钢围堰浮运至设计墩位处,即3m底节围堰浮运计算; 工况二:3节双壁钢围堰拼装完毕开始浮运,即13.5m高双壁钢围堰浮运计算; 工况三:4节双壁钢围堰在基坑中漂浮状态,即16.5m高双壁钢围堰浮运计算; 下面就这三种工况分别进行检算。 3.2.2 3m底节钢围堰浮运计算
设围堰内壁内注水高度h,围堰壁内外水位差为h1,重心离底边的距离为h2,浮心离底面的距离为h3,如下图所示:
(1)①壁内外水位差计算:
底3m节钢围堰自重为:554.27KN F浮=G,即:ρgv排=G ρg(π(R2-r2)h1)=G 上式中:
R:围堰外壁半径,r为围堰内壁半径,h1为围堰壁内外水位差 经计算得h1=0.69m ②重心位置计算
m55.427103
0.308103kg/m3 围堰的平均密度1
V179.82
假设围堰厚度为b,则重心高度为:
13b1.5水hah/2
h2
13a水ha
1.3860.5h2
经过计算其重心高度为:h2
0.924h
③浮心位置计算 浮心高度为:h3h④定倾半径计算:
围堰的定倾半径计算,围堰排开水的体积如下图所示:
h1
h0.345 2
定倾半径
J279.25.1m V55.15
J:围堰浮正位置的吃水线包围的面积对其纵轴的惯性矩, V:围堰排开水的体积 ⑤整体稳定性计算
根据浮体的稳定条件,需满足以下条件:
h2h3
将以上结果代如上式可得: h2+12.074h+5.384>0
bb24ac
解上述方程得,h>-0.60m (x=)
2a即当底节围堰壁内不注入水都可保证其稳定。 所以底节双壁钢围堰整体稳定性完全可以满足要求。 (2)结构计算:
围堰悬浮于水中时,其受力如图一所示,围堰壁内水面以下受水的均布压力,内外壁上的压强为P=ρgh=0.69×104Pa
围堰结构如下图:
A-A
断面
图二 围堰结构示意图
①竖肋N2计算:
竖肋N2受两侧钢板的水压力,如右图: 压力F=PS=0.47×104×0.5×0.582=2.01 kN N2杆件为∠75×50×8角钢 计算模型如右图:
q=F/L=2.01/0.5=4.02kN/m
跨中弯矩为:
M=qL2/8=0.126kN·m 跨中处应力
M0.126103
11.98MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求) 6
wx10.5210支座反力RA=1.00kN ②横肋N5计算
双壁钢围堰为圆形结构,横肋各截面仅受压力,不受剪力,满足受力要求。 ③斜撑N6计算:
钢围堰内N6杆件受力可为简化为一桁架,B节点处受力如下图: F=Ps=0.69×104×2×0.582×1=8.03kN
AB、BC杆为∠75x8角钢,AC杆件均为∠63×6角钢。
B
A
计算受力模型输入可得桁架受力如上图:
由以上计算结果可知,AC杆件受拉力,AB、BC杆所受相同压力,故需对此二根杆件进行检算。
a)AC杆:
N2.00103
2.74MPa1.3[]182Mpa(满足要求) 最大正应力
A728.8106
此杆件只受拉力,为二力杆件,无需检算其他项目。 b)AB杆:
此杆为受压杆件,需检算稳定性。 组合截面的性质计算
rx
Ix59.962.28cm ryA11.503
IyA
59.96
2.28cm
11.503
稳定性检算
自由长度:面内:lx=0.8l0=0.8*90=72cm, 面外:ly=l0=90cm i.
对x轴压弯稳定性检算
自由长度lx=72cm x
lx7231.6 查表得:0.908 rx2.28
N3.40103
故得: 3.26MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)4
A0.90811.50310ii.
对y轴压弯稳定性检算
自由长度ly=90cm y
lyry
90
39.5 查表得:0.871 2.28
N3.40103
故得: 3.39MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)4
A0.87111.50310(3)围堰内外壁钢模板计算: a) 强度验算
按内外水头差0.5m计算,取围堰内模板最大侧压力Px5kPa 选用模板区格中三面固结、一面简支的最不利情况进行计算。
lylx58.250
1.1640.86 ly50lx58.2其中lx--为围堰壁模板竖肋间距
ly--为围堰壁模板横肋间距
查《路桥施工计算手册》附录二可得:
Km00.0683 Km0.0711 Km0.0225 Km0.0255
x
y
xy
取1mm宽的板条作为计算单元,荷载q为:
q0.004710.0047N/mm
求支座弯矩:
Km0ql20.06830.0047500280.3Nmm Mx
x
Km0ql20.07110.0047500283.5Nmm My
y
式中l取lx和ly中的较小者 设计钢围堰底节面板厚度为6mm, 截面系数:W求跨中弯矩:
MxKmxql20.02250.0047500226.4Nmm MyKmql20.02550.0047500230Nmm
y
121
bh1626mm3 66
式中l取lx和ly中的较小者 钢板的泊松比0.3,故需换算为:
()
MxMxMx26.40.326.434.3Nmm
() MyMyMy300.33039Nmm
跨中应力检算:
max
Mmax39
6.5MPa1.3[σW]188.5MPa (满足要求) W6
3.2.3 12m节钢围堰浮运计算 (1)整体稳定性计算
设围堰内壁内注水高度h,围堰壁内外水位差为h1,重心离底边的距离为h2,浮心离底面的距离为h3,如下图所示
12m钢围堰自重为:1730.02KN
F浮=G,即:ρgv排=G ρg(π(R2-r2)h1)=G 上式中:
R:围堰外壁半径,r为围堰内壁半径,h1为围堰壁内外水位差 经计算得h1=1.56m ②重心位置计算
m173.0103
0.192103kg/m3 围堰的平均密度1
V899.2
ρ1×12×(6-h2)=ρ水×h(h2-0.5h)
9.790.5h2
经过计算其重心高度为:h2
1.63h
③浮心位置计算 浮心高度为:h3h④定倾半径计算:
围堰的定倾半径计算,围堰排开水的体积如下图所示:
h1
h0.78 2
定倾半径
J631.15.1m V124.7
J:围堰浮正位置的吃水线包围的面积对其纵轴的惯性矩, V:围堰排开水的体积 ⑤整体稳定性计算
根据浮体的稳定条件,需满足以下条件:
h2h3
将以上结果代如上式可得: h2+15.02h-0.39>0 解上述方程得,h>-0.03m
即当13.5m高钢围堰壁内不注水都可以保证其浮运过程中整体稳定性。
(2)结构计算:
围堰悬浮于水中时,其受力如图一所示,围堰壁内水面以下受水的均布压力,内外壁上的压强为P=ρgh=1.56×104Pa
围堰结构如下图:
A-A
断面
图二 围堰结构示意图
①竖肋N1计算:
杆件N1受两侧钢板的水压力,如右图: 压力F=PS=1.56×104×0.5×0.582=4.54KN 计算模型如右图:
q=F/L=4.54/0.5=9.08kN/m 计算跨中弯矩为:
ql29.080.52
M0.28kNm跨中处应力
88
M0.28103
42.5MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)
wx6.83106支座反力RA=4.54KN ②横肋N2计算
双壁钢围堰为圆形结构,横肋各截面仅受压力,不受剪力,满足受力要求。 ③N4龙骨计算:
钢围堰内N4杆件受力可为简化为一桁架,B节点处受力如下图: F=Ps=1.56×104×2×0.582=18.2KN
AB、BC杆为∠75x8角钢,AC杆件均为∠63×6角钢。
B
计算受力模型可得桁架受力如上图:
由以上计算结果可知,AC杆件受拉力,AB、BC杆所受相同压力,故需对此二根杆件进行检算。
a)AC杆:
N6.6103
9.06MPa1.3[]182Mpa(满足要求) 最大正应力6
A728.810
此杆件只受拉力,为二力杆件,无需检算其他项目。 b)AB杆:
此杆为受压杆件,需检算稳定性。 组合截面的性质计算
rx
Ix59.962.28cm ryA11.503
IyA
59.96
2.28cm
11.503
稳定性检算
自由长度:面内:lx=0.8l0=0.8*90=72cm, 面外:ly=l0=90cm i. 对x轴压弯稳定性检算 自由长度lx=72cm x
lx7231.6 查表得:0.908 rx2.28
N11.2103
故得: 10.72MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)
A0.90811.503104ii. 对y轴压弯稳定性检算
自由长度ly=90cm y
lyry
90
39.5 查表得:0.871 2.28
N11.2103
故得: 11.17MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)4
A0.87111.50310(3)围堰内外壁钢模板计算: a) 强度验算
按内外水头差1.56m计算,取围堰内模板最大侧压力Px15.6kPa 选用模板区格中三面固结、一面简支的最不利情况进行计算。
llx58.250
1.164y0.86 ly50lx58.2其中lx--为围堰壁模板竖肋间距
ly--为围堰壁模板横肋间距
查《路桥施工计算手册》附录二可得:
Km00.0683 Km0.0711 Km0.0225 Km0.0255
x
y
xy
取1mm宽的板条作为计算单元,荷载q为:
q0.015910.0159N/mm
支座处弯矩:
02
Km0qlx0.06830.01565002266.4Nmm Mx
x
02Km0qly0.07110.01565002277.3Nmm My
y
式中l取lx和ly中的较小者 设计面板厚度为3mm,截面系数:W求跨中弯矩:
MxKmxqlx20.02250.0156500287.7Nmm
2
0.02550.0156500299.5Nmm MyKmyqly
121
bh1321.5mm3 66
式中l取lx和ly中的较小者 钢板的泊松比0.3,故需换算为:
()
MxMxMx87.70.387.7114.0Nmm
() MyMyMy99.50.399.5129.4Nmm
跨中应力检算:
max
Mmax129.4
86.2MPa1.3[W]188.5MPa (满足要求) W1.5
3.2.3 16.5m节钢围堰浮运计算 (1)整体稳定性计算
设围堰内壁内注水高度h,围堰壁内外水位差为h1,重心离底边的距离为h2,浮心离底面的距离为h3,如下图所示
①壁内外水位差计算: 16.5m钢围堰自重为:284.2KN F浮=G,即:ρgv排=G ρg(π(R2-r2)h1)=G 上式中:
R:围堰外壁半径,r为围堰内壁半径,h1为围堰壁内外水位差 经计算得h1=2.12m ②重心位置计算
m284.2103
0.226103kg/m3 围堰的平均密度1
V1258.8
ρ1×12×(6-h2)=ρ水×h(h2-0.5h)
9.360.5h2
经过计算其重心高度为:h2
1.56h
③浮心位置计算 浮心高度为:h3h④定倾半径计算:
围堰的定倾半径计算,围堰排开水的体积如下图所示:
h1
h1.06 2
定倾半径
J857.75.25m V163.4
J:围堰浮正位置的吃水线包围的面积对其纵轴的惯性矩, V:围堰排开水的体积 ⑤整体稳定性计算
根据浮体的稳定条件,需满足以下条件:
h2h3
将以上结果代如上式可得: h2+15.74h+0.97>0 解上述方程得,h>-0.1m
即当16.5m双壁钢围堰壁内不注水都可保证其浮运过程中整体稳定性。 (2)结构计算:
围堰悬浮于水中时,其受力如图一所示,围堰壁内水面以下受水的均布压力,内外壁上的压强为P=ρgh=2.12×10Pa
围堰结构如下图:
4
A-A
断面
图二 围堰结构示意图
①竖肋N1计算:
杆件N1受两侧钢板的水压力,如右图: 压力F=PS=2.12×104×0.5×0.582=6.17KN 计算模型如右图:
q=F/L=6.17/0.5=12.34kN/m 计算跨中弯矩为:
ql212.340.52
M0.39kNm跨中处应力
88
M0.39103
57.1MPa1.2[W]188.5MPa(满足要求) 6
wx6.8310支座反力RA=6.17KN ②横肋N2计算
双壁钢围堰为圆形结构,横肋各截面仅受压力,不受剪力,满足受力要求。 ③N4龙骨计算:
钢围堰内N4杆件受力可为简化为一桁架,B节点处受力如下图: F=Ps=2.12×104×2×0.582=24.7KN
AB、BC杆为∠75x8角钢,AC杆件均为∠63×6角钢。
B
计算受力模型可得桁架受力如上图:
由以上计算结果可知,AC杆件受拉力,AB、BC杆所受相同压力,故需对此二根杆件进行检算。
a)AC杆:
N9.0103
12.3MPa1.2[]174Mpa(满足要求) 最大正应力6
A728.810
此杆件只受拉力,为二力杆件,无需检算其他项目。 b)AB杆:
此杆为受压杆件,需检算稳定性。 组合截面的性质计算
rx
Ix59.962.28cm ryA11.503
IyA
59.96
2.28cm
11.503
稳定性检算
自由长度:面内:lx=0.8l0=0.8*90=72cm, 面外:ly=l0=90cm i.
对x轴压弯稳定性检算
自由长度lx=72cm x
lx7231.6 查表得:0.908 rx2.28
N15.2103
故得: 14.57MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)4
A0.90811.50310ii. 对y轴压弯稳定性检算 自由长度ly=90cm y
lyry
90
39.5 查表得:0.871 2.28
N15.2103
故得: 15.16MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)4
A0.87111.50310 (3)围堰内外壁钢模板计算: ①强度验算
按内外水头差2.12m计算,取围堰内模板最大侧压力Px21.2kPa 选用模板区格中三面固结、一面简支的最不利情况进行计算。
llx58.250
1.164y0.86 ly50lx58.2其中lx--为围堰壁模板竖肋间距
ly--为围堰壁模板横肋间距
查《路桥施工计算手册》附录二可得:
Km00.0683 Km0.0711 Km0.0225 Km0.0255
x
y
xy
取1mm宽的板条作为计算单元,荷载q为:
q0.021210.0212N/mm
支座处弯矩:
02
Km0qlx0.06830.02125002361.99Nmm Mx
x
02Km0qly0.07110.02125002376.8Nmm My
y
式中l取lx和ly中的较小者 设计面板厚度为3mm,截面系数:W求跨中弯矩:
MxKmxqlx20.02250.02125002119.3Nmm
2
0.02550.02125002135.2Nmm MyKmyqly
121
bh1321.5mm3 66
式中l取lx和ly中的较小者 钢板的泊松比0.3,故需换算为:
()
MxMxMx119.30.3119.3155.1Nmm
()
MyMyMy135.20.3135.2175.76Nmm
跨中应力检算:
max
Mmax175.76
117.2MPa1.3[W]188.5MPa (满足要求) W1.5
3.3 壁内砼浇筑阶段
壁内填充采用泵送砼,向壁内中供料方式采用导管水下灌注: 1) 新浇砼对模板的侧压力:
P1=0.22γct0β1β
2
=0.22×15×10×1.2×1×0.625 =31.3KN/m2
γc:新浇砼在水中的容重; t0:新浇砼的初凝时间(h); β1:外加剂影响修正系数; β2:坍落度影响修正系数;
V:砼浇筑速度(m/h),按每小时供应砼50方,取0.625;
又: P1=γcH
H:为有效压头高度;
0.0.0250.035
0.843
H0.2224.9Fmax150.84312.6kN/m2 按规范取其中的较小值P1=12.6kN/m2
2) 倾倒混凝土时对垂直面板的侧压力:P22.0kPa 由此可计算出每个框架单元上砼的侧压力F F=(P1+ P2)×S=14.6×0.582×0.5=4.2kN
S:框架单元面积,取最大框架单元为最不利
①焊缝计算
初拟框架单元钢板与角钢采用角焊缝满焊连接;
a) 焊脚尺寸hf的选择:
hfmin1.5max1.563.7mm
hfmax1.2tmin1.233.6mm
tmax6mm hfmaxt6mm
要满足hfminhfhfmax 取hf6mm
b) 焊缝长度l的计算:
框架四周角钢及扁钢与围堰钢板之间焊接采用焊十留八的原则,即每间隔8cm焊
(0.510cm。l210100.582)1.202m1202mm 1818
c) 焊缝强度的检算:
F4.2103
(满足要求) f0.83MPa160MPa0.7hfl0.76120210-6
3.4 下沉阶段
由于5#、6#墩钢围堰不存在岩土层的摩阻问题,所以下沉阶段无需计算。
3.5 承台施工阶段
双壁钢围堰抽干水进入施工承台阶段,双壁钢围堰需进行两方面的检算,即抗浮检算和自身强度检算。
钢围堰抗浮检算
5#、6#按全浮力检算。
F浮=ρgV排=1.0×103×10×π×16.32×15.5=129376.9KN
双壁钢围堰及壁内砂重量:
G1=(284.166+2.5x3.14x(16.32-15.52)x16.5)x10=35792.82KN
封底砼重量:
G2=2.5x3.14x15.5x15.5x2.5x10=47149KN
钢围堰所受浮力与(G1+G2)差值:
△G= F浮-G1-G2=46435KN
20根桩基钢护筒内外壁与桩基砼和封底砼之间的极限摩阻力:
20[F]=20Ulτi=12*3.14*2.8*2.5*1*106=439600KN
钢围堰抗浮安全系数:
12[F]/ △G=439600/46435=9.4
钢围堰强度检算
当双壁钢围堰抽干水后施工承台时,受压力最大处即封底砼顶面处双壁钢围堰外壁。此位置围堰壁内填筑了砂,所以只需检算砼抗拉强度,围堰壁均布荷载由水压力和主动土压力两部分组成:
压强为P1=P水+P土=ρgh+γhKa
=1.0×103×10×13.5+(20-9.8)×103×4.983×0.4
=1.55×105Pa
2F2Prsind可得:
02
F1=P1r=1.55×105×16.3=2527KN
F12527103
9.6MPa为C25砼计算抗压强度。 13.2MPa9.6MPa(满足要求)S110.8
因此双壁钢围堰抽干水后受压稳定安全系数为3。
州河特大桥5#、6#墩
双壁钢围堰计算书
编制人: 复核人: 审核人:
中铁建工集团州河特大桥项目经理部
二O一O年八月
目 录
1 双壁钢围堰设计概况 ....................................................................... 1 2 检算内容 ........................................................................................... 2 2.1双壁钢围堰施工检算内容 ...................................................... 2 2.2力学性能参数 .......................................................................... 2 3 检算过程 ........................................................................................... 2 3.1加工阶段 .................................................................................. 2 3.2浮运阶段 .................................................................................. 2 3.3 壁内砼浇筑阶段 ................................................................. 18 3.4 下沉阶段 ............................................................................. 19 3.5 承台施工阶段 ....................................................................... 19
州河特大桥
5#、6#墩双壁钢围堰计算书
1 双壁钢围堰设计概况
1.1双壁钢围堰结构设计
州河特大桥5#、6#墩双壁钢围堰采用圆形双薄壁钢结构,钢围堰内直径为25.4m(较承台对角线每侧大100cm),外径27.4m,壁间厚度100cm。钢板厚度为6mm,竖向主龙骨采用∠75×50×8角钢,横向主龙骨采用∠63×6角钢,横向主龙骨间采用10mm扁钢加强,壁间斜撑采用∠75×8角钢。平面分八块,块间用6mm厚钢板设置隔仓板,底节预制高度为3m,以上节预制高度为4.5m。单块钢围堰吊装最大重量约7.5t。块与块之间、节与节之间相连均采用焊接。
州河特大桥5#、6#墩双壁钢围堰统计表
为保证双壁钢围堰有足够的钢度和下沉重量,5#、6#墩双壁钢围堰内壁填充河砂。 1.4施工方法
由于5#、6#墩承台位于州河河道中,河沙覆盖层厚度为0.5-2米,根据水下摸底情况得知地势较为平坦,方便了钢围堰的下沉。
2 检算内容
2.1双壁钢围堰施工检算内容
(1) 加工阶段
(2) 浮运阶段结构强度、刚度、稳定性和围堰的整体稳定性 (3) 就位后壁内填筑阶段 (4) 下沉阶段 (5) 承台施工阶段
2.2力学性能参数
本方案中所选用钢材钢号均为A3(Q235A),力学性能按以下规定计算: (1)弹性模量E=210GPa
(2)抗弯容许应力1.3[σw]=1.3x145=188.5MPa (3)抗剪容许应力1.3[τ]=1.3x85=110.5MPa (4)轴向容许应力1.3[σ]=1.3x140=182MPa
3 检算过程 3.1加工阶段
双壁钢围堰在岸边加工场制作加工,并设四座胎模,以保证加工精度。钢围堰底节在临时码头上拼装焊制成形后,采用2台浮吊和2台汽车吊整体起吊下水。不需进行检算。
3.2浮运阶段
钢围堰壁内为8块空腔,围堰下水后,利用其自身浮力悬浮在水面上,其在水中的受力状态如下图所示:
图1 浮运阶段受力图
3.2.1工况分析
考虑到5#、6#墩均采用围堰分节拼装法施工,钢围堰浮运可分为 3种工况: 工况一:3m底节双壁钢围堰浮运至设计墩位处,即3m底节围堰浮运计算; 工况二:3节双壁钢围堰拼装完毕开始浮运,即13.5m高双壁钢围堰浮运计算; 工况三:4节双壁钢围堰在基坑中漂浮状态,即16.5m高双壁钢围堰浮运计算; 下面就这三种工况分别进行检算。 3.2.2 3m底节钢围堰浮运计算
设围堰内壁内注水高度h,围堰壁内外水位差为h1,重心离底边的距离为h2,浮心离底面的距离为h3,如下图所示:
(1)①壁内外水位差计算:
底3m节钢围堰自重为:554.27KN F浮=G,即:ρgv排=G ρg(π(R2-r2)h1)=G 上式中:
R:围堰外壁半径,r为围堰内壁半径,h1为围堰壁内外水位差 经计算得h1=0.69m ②重心位置计算
m55.427103
0.308103kg/m3 围堰的平均密度1
V179.82
假设围堰厚度为b,则重心高度为:
13b1.5水hah/2
h2
13a水ha
1.3860.5h2
经过计算其重心高度为:h2
0.924h
③浮心位置计算 浮心高度为:h3h④定倾半径计算:
围堰的定倾半径计算,围堰排开水的体积如下图所示:
h1
h0.345 2
定倾半径
J279.25.1m V55.15
J:围堰浮正位置的吃水线包围的面积对其纵轴的惯性矩, V:围堰排开水的体积 ⑤整体稳定性计算
根据浮体的稳定条件,需满足以下条件:
h2h3
将以上结果代如上式可得: h2+12.074h+5.384>0
bb24ac
解上述方程得,h>-0.60m (x=)
2a即当底节围堰壁内不注入水都可保证其稳定。 所以底节双壁钢围堰整体稳定性完全可以满足要求。 (2)结构计算:
围堰悬浮于水中时,其受力如图一所示,围堰壁内水面以下受水的均布压力,内外壁上的压强为P=ρgh=0.69×104Pa
围堰结构如下图:
A-A
断面
图二 围堰结构示意图
①竖肋N2计算:
竖肋N2受两侧钢板的水压力,如右图: 压力F=PS=0.47×104×0.5×0.582=2.01 kN N2杆件为∠75×50×8角钢 计算模型如右图:
q=F/L=2.01/0.5=4.02kN/m
跨中弯矩为:
M=qL2/8=0.126kN·m 跨中处应力
M0.126103
11.98MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求) 6
wx10.5210支座反力RA=1.00kN ②横肋N5计算
双壁钢围堰为圆形结构,横肋各截面仅受压力,不受剪力,满足受力要求。 ③斜撑N6计算:
钢围堰内N6杆件受力可为简化为一桁架,B节点处受力如下图: F=Ps=0.69×104×2×0.582×1=8.03kN
AB、BC杆为∠75x8角钢,AC杆件均为∠63×6角钢。
B
A
计算受力模型输入可得桁架受力如上图:
由以上计算结果可知,AC杆件受拉力,AB、BC杆所受相同压力,故需对此二根杆件进行检算。
a)AC杆:
N2.00103
2.74MPa1.3[]182Mpa(满足要求) 最大正应力
A728.8106
此杆件只受拉力,为二力杆件,无需检算其他项目。 b)AB杆:
此杆为受压杆件,需检算稳定性。 组合截面的性质计算
rx
Ix59.962.28cm ryA11.503
IyA
59.96
2.28cm
11.503
稳定性检算
自由长度:面内:lx=0.8l0=0.8*90=72cm, 面外:ly=l0=90cm i.
对x轴压弯稳定性检算
自由长度lx=72cm x
lx7231.6 查表得:0.908 rx2.28
N3.40103
故得: 3.26MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)4
A0.90811.50310ii.
对y轴压弯稳定性检算
自由长度ly=90cm y
lyry
90
39.5 查表得:0.871 2.28
N3.40103
故得: 3.39MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)4
A0.87111.50310(3)围堰内外壁钢模板计算: a) 强度验算
按内外水头差0.5m计算,取围堰内模板最大侧压力Px5kPa 选用模板区格中三面固结、一面简支的最不利情况进行计算。
lylx58.250
1.1640.86 ly50lx58.2其中lx--为围堰壁模板竖肋间距
ly--为围堰壁模板横肋间距
查《路桥施工计算手册》附录二可得:
Km00.0683 Km0.0711 Km0.0225 Km0.0255
x
y
xy
取1mm宽的板条作为计算单元,荷载q为:
q0.004710.0047N/mm
求支座弯矩:
Km0ql20.06830.0047500280.3Nmm Mx
x
Km0ql20.07110.0047500283.5Nmm My
y
式中l取lx和ly中的较小者 设计钢围堰底节面板厚度为6mm, 截面系数:W求跨中弯矩:
MxKmxql20.02250.0047500226.4Nmm MyKmql20.02550.0047500230Nmm
y
121
bh1626mm3 66
式中l取lx和ly中的较小者 钢板的泊松比0.3,故需换算为:
()
MxMxMx26.40.326.434.3Nmm
() MyMyMy300.33039Nmm
跨中应力检算:
max
Mmax39
6.5MPa1.3[σW]188.5MPa (满足要求) W6
3.2.3 12m节钢围堰浮运计算 (1)整体稳定性计算
设围堰内壁内注水高度h,围堰壁内外水位差为h1,重心离底边的距离为h2,浮心离底面的距离为h3,如下图所示
12m钢围堰自重为:1730.02KN
F浮=G,即:ρgv排=G ρg(π(R2-r2)h1)=G 上式中:
R:围堰外壁半径,r为围堰内壁半径,h1为围堰壁内外水位差 经计算得h1=1.56m ②重心位置计算
m173.0103
0.192103kg/m3 围堰的平均密度1
V899.2
ρ1×12×(6-h2)=ρ水×h(h2-0.5h)
9.790.5h2
经过计算其重心高度为:h2
1.63h
③浮心位置计算 浮心高度为:h3h④定倾半径计算:
围堰的定倾半径计算,围堰排开水的体积如下图所示:
h1
h0.78 2
定倾半径
J631.15.1m V124.7
J:围堰浮正位置的吃水线包围的面积对其纵轴的惯性矩, V:围堰排开水的体积 ⑤整体稳定性计算
根据浮体的稳定条件,需满足以下条件:
h2h3
将以上结果代如上式可得: h2+15.02h-0.39>0 解上述方程得,h>-0.03m
即当13.5m高钢围堰壁内不注水都可以保证其浮运过程中整体稳定性。
(2)结构计算:
围堰悬浮于水中时,其受力如图一所示,围堰壁内水面以下受水的均布压力,内外壁上的压强为P=ρgh=1.56×104Pa
围堰结构如下图:
A-A
断面
图二 围堰结构示意图
①竖肋N1计算:
杆件N1受两侧钢板的水压力,如右图: 压力F=PS=1.56×104×0.5×0.582=4.54KN 计算模型如右图:
q=F/L=4.54/0.5=9.08kN/m 计算跨中弯矩为:
ql29.080.52
M0.28kNm跨中处应力
88
M0.28103
42.5MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)
wx6.83106支座反力RA=4.54KN ②横肋N2计算
双壁钢围堰为圆形结构,横肋各截面仅受压力,不受剪力,满足受力要求。 ③N4龙骨计算:
钢围堰内N4杆件受力可为简化为一桁架,B节点处受力如下图: F=Ps=1.56×104×2×0.582=18.2KN
AB、BC杆为∠75x8角钢,AC杆件均为∠63×6角钢。
B
计算受力模型可得桁架受力如上图:
由以上计算结果可知,AC杆件受拉力,AB、BC杆所受相同压力,故需对此二根杆件进行检算。
a)AC杆:
N6.6103
9.06MPa1.3[]182Mpa(满足要求) 最大正应力6
A728.810
此杆件只受拉力,为二力杆件,无需检算其他项目。 b)AB杆:
此杆为受压杆件,需检算稳定性。 组合截面的性质计算
rx
Ix59.962.28cm ryA11.503
IyA
59.96
2.28cm
11.503
稳定性检算
自由长度:面内:lx=0.8l0=0.8*90=72cm, 面外:ly=l0=90cm i. 对x轴压弯稳定性检算 自由长度lx=72cm x
lx7231.6 查表得:0.908 rx2.28
N11.2103
故得: 10.72MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)
A0.90811.503104ii. 对y轴压弯稳定性检算
自由长度ly=90cm y
lyry
90
39.5 查表得:0.871 2.28
N11.2103
故得: 11.17MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)4
A0.87111.50310(3)围堰内外壁钢模板计算: a) 强度验算
按内外水头差1.56m计算,取围堰内模板最大侧压力Px15.6kPa 选用模板区格中三面固结、一面简支的最不利情况进行计算。
llx58.250
1.164y0.86 ly50lx58.2其中lx--为围堰壁模板竖肋间距
ly--为围堰壁模板横肋间距
查《路桥施工计算手册》附录二可得:
Km00.0683 Km0.0711 Km0.0225 Km0.0255
x
y
xy
取1mm宽的板条作为计算单元,荷载q为:
q0.015910.0159N/mm
支座处弯矩:
02
Km0qlx0.06830.01565002266.4Nmm Mx
x
02Km0qly0.07110.01565002277.3Nmm My
y
式中l取lx和ly中的较小者 设计面板厚度为3mm,截面系数:W求跨中弯矩:
MxKmxqlx20.02250.0156500287.7Nmm
2
0.02550.0156500299.5Nmm MyKmyqly
121
bh1321.5mm3 66
式中l取lx和ly中的较小者 钢板的泊松比0.3,故需换算为:
()
MxMxMx87.70.387.7114.0Nmm
() MyMyMy99.50.399.5129.4Nmm
跨中应力检算:
max
Mmax129.4
86.2MPa1.3[W]188.5MPa (满足要求) W1.5
3.2.3 16.5m节钢围堰浮运计算 (1)整体稳定性计算
设围堰内壁内注水高度h,围堰壁内外水位差为h1,重心离底边的距离为h2,浮心离底面的距离为h3,如下图所示
①壁内外水位差计算: 16.5m钢围堰自重为:284.2KN F浮=G,即:ρgv排=G ρg(π(R2-r2)h1)=G 上式中:
R:围堰外壁半径,r为围堰内壁半径,h1为围堰壁内外水位差 经计算得h1=2.12m ②重心位置计算
m284.2103
0.226103kg/m3 围堰的平均密度1
V1258.8
ρ1×12×(6-h2)=ρ水×h(h2-0.5h)
9.360.5h2
经过计算其重心高度为:h2
1.56h
③浮心位置计算 浮心高度为:h3h④定倾半径计算:
围堰的定倾半径计算,围堰排开水的体积如下图所示:
h1
h1.06 2
定倾半径
J857.75.25m V163.4
J:围堰浮正位置的吃水线包围的面积对其纵轴的惯性矩, V:围堰排开水的体积 ⑤整体稳定性计算
根据浮体的稳定条件,需满足以下条件:
h2h3
将以上结果代如上式可得: h2+15.74h+0.97>0 解上述方程得,h>-0.1m
即当16.5m双壁钢围堰壁内不注水都可保证其浮运过程中整体稳定性。 (2)结构计算:
围堰悬浮于水中时,其受力如图一所示,围堰壁内水面以下受水的均布压力,内外壁上的压强为P=ρgh=2.12×10Pa
围堰结构如下图:
4
A-A
断面
图二 围堰结构示意图
①竖肋N1计算:
杆件N1受两侧钢板的水压力,如右图: 压力F=PS=2.12×104×0.5×0.582=6.17KN 计算模型如右图:
q=F/L=6.17/0.5=12.34kN/m 计算跨中弯矩为:
ql212.340.52
M0.39kNm跨中处应力
88
M0.39103
57.1MPa1.2[W]188.5MPa(满足要求) 6
wx6.8310支座反力RA=6.17KN ②横肋N2计算
双壁钢围堰为圆形结构,横肋各截面仅受压力,不受剪力,满足受力要求。 ③N4龙骨计算:
钢围堰内N4杆件受力可为简化为一桁架,B节点处受力如下图: F=Ps=2.12×104×2×0.582=24.7KN
AB、BC杆为∠75x8角钢,AC杆件均为∠63×6角钢。
B
计算受力模型可得桁架受力如上图:
由以上计算结果可知,AC杆件受拉力,AB、BC杆所受相同压力,故需对此二根杆件进行检算。
a)AC杆:
N9.0103
12.3MPa1.2[]174Mpa(满足要求) 最大正应力6
A728.810
此杆件只受拉力,为二力杆件,无需检算其他项目。 b)AB杆:
此杆为受压杆件,需检算稳定性。 组合截面的性质计算
rx
Ix59.962.28cm ryA11.503
IyA
59.96
2.28cm
11.503
稳定性检算
自由长度:面内:lx=0.8l0=0.8*90=72cm, 面外:ly=l0=90cm i.
对x轴压弯稳定性检算
自由长度lx=72cm x
lx7231.6 查表得:0.908 rx2.28
N15.2103
故得: 14.57MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)4
A0.90811.50310ii. 对y轴压弯稳定性检算 自由长度ly=90cm y
lyry
90
39.5 查表得:0.871 2.28
N15.2103
故得: 15.16MPa1.3[W]188.5MPa(满足要求)4
A0.87111.50310 (3)围堰内外壁钢模板计算: ①强度验算
按内外水头差2.12m计算,取围堰内模板最大侧压力Px21.2kPa 选用模板区格中三面固结、一面简支的最不利情况进行计算。
llx58.250
1.164y0.86 ly50lx58.2其中lx--为围堰壁模板竖肋间距
ly--为围堰壁模板横肋间距
查《路桥施工计算手册》附录二可得:
Km00.0683 Km0.0711 Km0.0225 Km0.0255
x
y
xy
取1mm宽的板条作为计算单元,荷载q为:
q0.021210.0212N/mm
支座处弯矩:
02
Km0qlx0.06830.02125002361.99Nmm Mx
x
02Km0qly0.07110.02125002376.8Nmm My
y
式中l取lx和ly中的较小者 设计面板厚度为3mm,截面系数:W求跨中弯矩:
MxKmxqlx20.02250.02125002119.3Nmm
2
0.02550.02125002135.2Nmm MyKmyqly
121
bh1321.5mm3 66
式中l取lx和ly中的较小者 钢板的泊松比0.3,故需换算为:
()
MxMxMx119.30.3119.3155.1Nmm
()
MyMyMy135.20.3135.2175.76Nmm
跨中应力检算:
max
Mmax175.76
117.2MPa1.3[W]188.5MPa (满足要求) W1.5
3.3 壁内砼浇筑阶段
壁内填充采用泵送砼,向壁内中供料方式采用导管水下灌注: 1) 新浇砼对模板的侧压力:
P1=0.22γct0β1β
2
=0.22×15×10×1.2×1×0.625 =31.3KN/m2
γc:新浇砼在水中的容重; t0:新浇砼的初凝时间(h); β1:外加剂影响修正系数; β2:坍落度影响修正系数;
V:砼浇筑速度(m/h),按每小时供应砼50方,取0.625;
又: P1=γcH
H:为有效压头高度;
0.0.0250.035
0.843
H0.2224.9Fmax150.84312.6kN/m2 按规范取其中的较小值P1=12.6kN/m2
2) 倾倒混凝土时对垂直面板的侧压力:P22.0kPa 由此可计算出每个框架单元上砼的侧压力F F=(P1+ P2)×S=14.6×0.582×0.5=4.2kN
S:框架单元面积,取最大框架单元为最不利
①焊缝计算
初拟框架单元钢板与角钢采用角焊缝满焊连接;
a) 焊脚尺寸hf的选择:
hfmin1.5max1.563.7mm
hfmax1.2tmin1.233.6mm
tmax6mm hfmaxt6mm
要满足hfminhfhfmax 取hf6mm
b) 焊缝长度l的计算:
框架四周角钢及扁钢与围堰钢板之间焊接采用焊十留八的原则,即每间隔8cm焊
(0.510cm。l210100.582)1.202m1202mm 1818
c) 焊缝强度的检算:
F4.2103
(满足要求) f0.83MPa160MPa0.7hfl0.76120210-6
3.4 下沉阶段
由于5#、6#墩钢围堰不存在岩土层的摩阻问题,所以下沉阶段无需计算。
3.5 承台施工阶段
双壁钢围堰抽干水进入施工承台阶段,双壁钢围堰需进行两方面的检算,即抗浮检算和自身强度检算。
钢围堰抗浮检算
5#、6#按全浮力检算。
F浮=ρgV排=1.0×103×10×π×16.32×15.5=129376.9KN
双壁钢围堰及壁内砂重量:
G1=(284.166+2.5x3.14x(16.32-15.52)x16.5)x10=35792.82KN
封底砼重量:
G2=2.5x3.14x15.5x15.5x2.5x10=47149KN
钢围堰所受浮力与(G1+G2)差值:
△G= F浮-G1-G2=46435KN
20根桩基钢护筒内外壁与桩基砼和封底砼之间的极限摩阻力:
20[F]=20Ulτi=12*3.14*2.8*2.5*1*106=439600KN
钢围堰抗浮安全系数:
12[F]/ △G=439600/46435=9.4
钢围堰强度检算
当双壁钢围堰抽干水后施工承台时,受压力最大处即封底砼顶面处双壁钢围堰外壁。此位置围堰壁内填筑了砂,所以只需检算砼抗拉强度,围堰壁均布荷载由水压力和主动土压力两部分组成:
压强为P1=P水+P土=ρgh+γhKa
=1.0×103×10×13.5+(20-9.8)×103×4.983×0.4
=1.55×105Pa
2F2Prsind可得:
02
F1=P1r=1.55×105×16.3=2527KN
F12527103
9.6MPa为C25砼计算抗压强度。 13.2MPa9.6MPa(满足要求)S110.8
因此双壁钢围堰抽干水后受压稳定安全系数为3。