桥梁方案主桥深水基础施工方案含主桥承台防撞设施计算书.docx
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桥梁方案主桥深水基础施工方案含主桥承台防撞设施计算书
青田县瓯江四桥(步行桥)工程
深水基础(含防撞墩)施工方案计算书
第一章深水基础围堰施工方案计算书
1计算依据
1.1《青田县瓯江四桥(步行桥)工程单壁钢围堰布置图》;
1.2《建筑施工计算手册》;
1.3《钢结构设计规范》(GB500017-2003);
1.4《midasCivil2015版》;
1.5《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)
1.6《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1-2005)
1.7《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》(TB10002.3-2005)
1.8《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5-2005)
1.9《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2-2005)
1.10《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)
2工程概况
主桥P6、P7号桥墩桩基所处水中构筑物、桥墩、承台、桩基基础环境作用等级为Ⅱ类环境,桩基采用水下C30混凝土、承台混凝土标号均C30混凝土;承台顶高程+3.0m,承台位于河道内区域,围堰基坑挖深2m。
水下封底混凝土厚度为1.0m。
防撞墩采用高桩墩式结构,上部墩体采用C30钢筋砼墩体结构,墩顶高程为9.28m,直径5.5m,高4m。
防撞墩下部结构采用桩长为38m的φ1200mm灌注桩基础。
桩中心距墩体边缘均为1.1m。
呈等边三角形布置。
(1)河床高程:
+0.0m,枯水期施工。
(2)围堰施工期间常水位:
+3.00m,围堰顶高程为+4.0m,围堰底高程-2.0m。
(3)河水流速:
施工期间3.8m/s。
(一般泄洪最大流速)
(4)河床地质:
河床覆盖层由上至下为卵漂石层、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩。
(5)承台底面高程+3.00m,承台高度3.5m,承台平面尺寸15×7m圆端形设置。
(6)钻孔桩直径1.8m,2×3行列式布置。
3地质情况
根据工程地质勘测报告,P6、P7#承台处的地质情况如表1。
表3.1承台地质情况
底层序号
底层名称
层厚(m)
层顶高程(m)
桩侧摩阻力标准值qik(Kpa)
备注
①
素填土
0
30
②
卵漂石
24.7
-18.62
100
②-1
夹粉砂
0.9
-19.25
30
③
含粘土卵石
100
④-1
全风化花岗岩
4.9
-24.42
70
④-2
强风化花岗岩
3.9
-28.32
160
④-3
中风化花岗岩
3
-31.32
④-4
微风化花岗岩
8
-39.32
P6、P7#墩处地质情况详见表2.5.3-1。
地质层名称
地质层层底高程
地质层层厚
地基承载力
②卵(漂)石(Q4al)
-14.25
14.1
350
③含粘土卵石(Q3al-pl)
-23.95
9.7
320
④-3中风化花岗岩(γ53
(2))
-29.85
5.9
1500
④-3微风化花岗岩(γ53
(2))
-37.35
7.5
3000
4设计施工方案概述
4.1围堰构造
主墩承台钢围堰设计:
两端为半圆形;面板为最外侧布置;长×宽=17.6m×8.6m。
单壁钢套箱结构设计:
由内向外依次为:
5mm厚钢板面板,横肋-∠100×63×8mm角钢30cm间距,I20a工字钢竖肋布置间距为60cm,背杠-2[25a槽钢100cm间距,套箱顶部下50cm布置一道围囹,围囹及内支撑设计为双榀I40a工字钢,钢围堰总高度为6m。
图5.1-1钢围堰平面布置图
图5.1-2钢围堰立面布置图
4.4封底
封底混凝土的厚度1.0m。
模型采用实体单元结构。
5围堰结构计算
5.1设计计算参数
表5.1.1-1基坑支护结构所需材料表
序号
材料名称
抗压强度
(MPa)
抗拉强度
(MPa)
抗剪强度(MPa)
弹性模量(MPa)
备注
1
Q235
215
215
125
2.0×105
表5.1.1-2基坑支护结构所需材料截面特性表
序号
部位
规格
项目
极限应力[σ]
(MPa)
备注
1
外面板
8mm
外侧
215
2
竖向加劲
I20
组合应力
215
3
围囹
I40
组合应力
215
4
水平环向加劲
10#槽钢
组合应力
215
5
钢管支撑
Φ529×8
组合应力
215
5.2荷载取值及分配系数
5.2.1自重
钢结构自重78.5kN/m3,混凝土自重25kN/m3,计算时荷载分项系数取1.2。
5.2.2静水压力
静水压力随着水深的增加呈线性分布,P=γh
计算水位标高为4.8m,计算水位深度为3.8m。
围堰底部静水压力最大P=γh=9.8×3.8=37.24kN/m2,计算时荷载分项系数取1.4。
5.2.3流水压力
当非汛期水位最高4.8m时,作用于围堰的流水压力可按下式计算(公路桥涵设计通用规范):
式中:
围堰抗水流冲击检算主要是其抗倾覆性和抗滑移的检算。
取K=0.73,g=9.81
=3.8m/s,A=52.5m2则:
故最大动水压力F=0.73*10*3.8*3.8/(2*9.81)=5.37kN/m2其合力作用于水面下1/3水深处,,计算时荷载分项系数取1.4。
5.2.4土压力
土压力荷载是河床以下土体对围堰的挤压产生的主动土压力,土压力计算按郎肯土压力计算,河床土质有设计图纸及实际调查可知河床处均是卵漂石,卵漂石的容重γsat=22kN/m3内摩擦角取ψ=350。
河床底距钢围堰脚底2m。
主动土压力P=(γsat-γw)htan2(450-ψ/2)
单壁钢围堰脚底处P=(22-10)×2×tan227.50=6.5KN/m2,计算时荷载分项系数取1.4。
5.3有限元模型分析
对浇筑封底混凝土的不利工况进行分析,采用midas建立空间有限元模型,内支撑采用梁单元模拟,水平加劲、竖向加劲采用梁单元模拟,封底混凝土用实体单元模拟,面板采用用板单元模拟、背肋采用梁单元模拟。
钢围堰底部采用全方向约束支撑,封底混凝土采用Z轴方向约束支撑。
荷载组合为自重+静水压力+土压力+流体压力,荷载分项系数分别为1.2、1.4和1.4。
有限元模型如下:
详见下图5.3-1、2所示。
图5.3-1单壁钢围堰整体模型结构图
图5.3-2单壁钢围堰整体模型荷载分布图
5.3.2整体结构变形分析
根据仿真计算结果,单壁钢围堰最大位移11.6mm,满足要求。
根据仿真计算结果,单壁钢围堰短边最大应力
,满足要求。
5.3.4模拟计算结果分析
1、内壁板应力
内壁板应力范围:
8.6MPa~86MPa
2、角钢应力
角钢应力范围:
-65.4MPa~58.3MPa
3、竖肋应力
竖肋应力范围:
-146.7MPa~132.4MPa
4、背杠应力
背杠应力范围:
-67.4MPa~42.1MPa
5、围囹应力
双榀I40工字钢围囹应力范围:
-84.8MPa~90.6MPa
双榀I40工字钢围囹最大位移:
5.38mm
6、内支撑应力
内支撑应力范围:
-52.9MPa~-58.3MPa
双榀I40工字钢围囹最大位移:
0.39mm
5.3.5结论
钢围堰应力检算结果汇总如下表
表5.3.5-1钢围堰应力检算汇总表
部位
规格
项目
最大值
(MPa)
允许应力[σ]
(MPa)
是否
满足
外面板
5mm
组合应力
86
215
满足
横肋
100*63*8mm
组合应力
58.3
215
满足
竖向加劲
I20
组合应力
132.4
215
满足
背杠
2]25
组合应力
67.4
215
满足
围囹
2I40
组合应力
90.6
215
满足
钢管支撑
Φ529×8
轴向压应力
58.3
215
满足
(1)计算结果显示,围堰内壁及竖肋应力集中趋近极限值。
(2)围堰计算考虑最不利工况:
当水位满至围堰顶20cm时的荷载计算,在施工过程选择在枯水期,枯水期水位一般不超过3.5m,如果水位连续上涨,考虑在施工过程中将围堰内进行注水,保证内外水压力平衡。
6吊放系统计算
吊耳、钢丝绳、卸扣的选择
根据梁的截面尺寸、分段的长短和吊装工况,选择用4个吊耳起吊。
吊耳设在钢梁纵横板交点处,端部用钢板加强,保证局吊部稳定,吊耳采用坡口焊接。
6.1、吊耳强度验算
吊耳选择25吨吊耳,,材质为Q345B钢,主板厚25mm,外侧加强侧板厚12mm。
吊耳详图如下。
6.1.1、吊耳强度核算
4个吊耳:
最重段按62吨计算,分项系数取1.1,动力系数取1.2,钢丝绳夹角最大按60度计算,各设置了4个吊耳。
每个吊耳所承受的拉力为:
N=62×1.1×1.2×9.8/3.46=802.032/3.46=231.801KN
经上述计算,当采用4个吊耳进行吊装时单个吊耳承受的拉力为231.8KN,由于吊装时钢丝绳角度大于60度,因此吊耳主要承受竖向拉力引起的剪应力,受剪截面积为:
A=20*200=4000mm2
吊耳承受的剪应力为:
F=231.8*1000/4000=57.95N/mm2 6.1.2、吊耳角焊缝应力校核 角焊缝面积: 计算公式 角焊缝的拉应力: 计算公式σ=F/A=231.8*1000*1.73/(2*3360)=59.67MPa 角焊缝的剪应力: 计算公式 Τ=F/A=231.8*1000/(2*3360)=34.49MPa 组合应力: 计算公式σ=68.92MPa 角焊缝的许用应力: 计算公式 角焊缝应力满足要求。 6.2、钢丝绳选择 本工程最大重量节段62T 钢丝绳强度计算(起吊点4个) 根据钢丝绳允许拉力计算公式S=P/K 钢丝绳作吊索使用取安全系数K=8 钢丝绳允许拉力S=62/4/cos(60/2)=17.89t=178.9KN 计算钢丝绳破断拉力P=S*K=178.9*8=1431.2KN 查钢丝绳技术表选用以下标准的钢丝绳: 6*37(股1+6+12+18),抗拉强度1850Mpa,直径56mm的钢丝绳换算系数(6×37)=0.82 查表得钢丝绳破断拉力P=ΣN*α=2175*0.82=17833.5KN>1431.2KN 6.3卡环卸甲计算 考虑起吊钢箱梁节段最大重量为62t,由4个卡环卸甲扣钢丝绳吊起,进行计算。 Fg=G/4cosβ=620KN/4*cos30°=178.9KN 根据卸甲的允许荷载公式[Fk]≈3.5d2202≈3.5d2d≈7.6cm 即取销子为7.6cm以上的卸甲作为吊装联结使用(取25t的卸甲)。 7封底混凝土检算 检算最不利工况下的围堰抗浮稳定性,围堰受水浮力时可能的失稳形式有三种: ①封底砼抗浮失稳;②封底砼连同钢围堰一起上浮失稳;③钢围堰自身上浮失稳。 根据围堰实际结构情况,围堰内混凝土封底按1.0m厚度进行验算复核,具体如下: 7.1封底混凝土抗浮失稳计算 水浮力 F1=(10*3.8)*(9*8.6+3.14*(4.3)^2-6*3.14*1^2) =4431KN 封底混凝土的重量 F2=((9*8.6+3.14*(4.3)^2-6*3.14*1^2)*1*23=2682KN 混凝土与钢护筒摩擦力 F3=6*3.14*2.3*1*120=5199KN 混凝土与钢围堰内壁摩擦力 F4=(9+8.6*3.14*0.5)*2*1*120=5400KN 抗浮稳定系数 K=(F2+F3+F4)/F1=(2682+5199+5400)/4431=2.99>1.3 满足规范要求 7.2封底混凝土连同围堰一起失稳 钢围堰浮力: F6=(10*3.8)*(9*4.3+3.14*(4.3)^2-6*3.14*1^2) =4431KN 钢围堰结构重量 F7=622KN 抗浮稳定系数 K=(F2+F3+F4+F7)/(F6) =(2682+5199+5400+622)/(4431) =3.13>1.3 满足规范要求 7.3钢围堰自身上浮失稳 钢套箱浮力: F6=(10*3.8)*(9*4.3+3.14*(4.3)^2-6*3.14*1^2) =4431KN 抗浮稳定系数 K=(F4+F7)/(F6) =(5400+622)/(4431) =1.35>1.3 满足规范要求 8承重牛腿计算 承重牛腿采用I32a工字钢,作为套箱组拼临时承重结构。 牛腿上翼缘及腹板位置与钢护筒均采用贴脚焊焊接,焊缝焊角尺寸hf=10mm,焊缝有效高度he=0.7hf=7mm,上翼缘及腹板均与钢护筒满焊连接,上翼缘顶部焊缝长度lw1=130mm,上翼缘底部焊缝长度lw2=60mm,腹板焊缝长度lw3=283mm,采用手工焊,焊条采用J502焊条,查《钢结构设计规范》可知,焊缝强度设计值ffw=200Mpa。 钢套箱自重60t,考虑人员、施工机具荷载,取65t,则单根牛腿承重 P=1.2⨯650/10=78KN,按集中荷载加载,与钢护筒距离e=1600mm。 计算荷载: 弯矩M=78⨯1.6=124.8KN⋅m; 剪力V=P=78KN。 水平牛腿焊缝计算 根据钢结构设计规范要求, 焊脚尺寸 不得小于1.5 t为较厚焊件厚度。 不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍。 锚板尺寸与平托尺寸,易知6.7mm< <12mm。 故本次设计中取 =10mm。 计算内力剪力Q=78kN,弯矩M=124.8kN.m 平联杆件端部沿周边全部施焊 a、根据工字钢受力特点,考虑其剪力全部由腹板处角焊缝承受 < 为角焊缝计算厚度,取为o.7 =7mm 为角焊缝计算长度,取为实际焊缝长度减去2 。 有 = =19.6Mpa< =160Mpa b、拉力与弯矩由全部焊缝承担 < 式中、 为焊缝截面对中性轴的截面模量. 为强度设计值增大系数,对承受静力荷载与间接动力荷载,取为 =1.22 有 =55.7Mpa< =195.2Mpa 在综合作用处有 < 有 =49.6Mpa< =160Mpa满足要求 结论: 采用 =10mm完全能够满足设计规范要求。 第二章防撞墩施工方案计算书 1工程概况 防撞墩采用高桩墩式结构,上部墩体采用C30钢筋砼墩体结构,墩顶高程为9.28m,直径5.5m,高4m。 防撞墩下部结构采用桩长为38m的φ1200mm灌注桩基础。 桩中心距墩体边缘均为1.1m。 呈等边三角形布置。 主墩防撞墩托架设计: 防撞墩底模板支撑系统采用焊接在防撞墩钢管上的型钢托架,型钢采用I32a工字钢,托架为15道斜支撑与桩基钢护筒焊接,斜撑上焊接I32工字钢横梁。 托架上满铺底模板,底模板采用整体式桥面板三块,为I14工字钢与10mm钢板焊接而成。 图1.1-1防撞墩托架布置图 2设计计算原则 (1)在满足结构受力情况下考虑挠度变形控制; (2)综合考虑结构的安全性; (3)采取比较符合实际的力学模型; (4)尽量采用已有的构件和已经使用过的支撑方法; 3计算依据 (1)《建筑施工模板安全技术规范》(JGJ162-2008); (2)《建筑施工计算手册》(第三版)江正荣编著; (3)《钢模板技术规范》GB50214-2001; (4)《钢结构设计规范》(GB500017-2003); (5)《midasCivil2015版》; 4计算荷载 4.1荷载计算 (1)新浇砼自自重荷载(γ=25KN/m3): q1=61.7KN/m2 (2)模板、方木及内模支架q2=1.0KN/m2 (3)施工人员及机料荷载q3=3.0KN/m2 (4)混凝土振捣时产生的荷载q4=2.0KN/m2 4.2荷载分项系数 计算脚手架及模板支撑架强度时的荷载设计值,取其标准值乘以下列相应的分项系数: (1)永久荷载的分项系数,取1.2;计算结构倾覆稳定时,取0.9。 (2)可变荷载的分项系数,取1.4; (3)计算构件变形(挠度)时的荷载设计值,各类荷载分项系数,均取1.0。 4.3荷载组合 计算底模板及托架强度时,荷载组合 (1)为: (1)模板、支架自重+ (2)新浇筑钢筋砼自重+(3)施工人员及设备荷载标准值+(4)振捣混凝土时产生的荷载; 验算底板模板及托架的刚度时,荷载组合 (2)为: (1)模板、支架自重+ (2)新浇筑钢筋砼自重。 5计算模型 对浇筑封底混凝土的不利工况进行分析,采用midas建立空间有限元模型,钢构件采用梁单元模拟,托架底板采用板单元模拟。 斜撑、主横梁与管桩交叉焊接部位采用全方向约束支撑。 有限元模型如下: 详见下图5.1-1、2所示。 图5.1-1防撞墩托架整体模型 图5.1-2防撞墩托架整体模型 图5.1-3防撞墩托架模型边界条件 图5.1-4防撞墩托架模型荷载布置 6整体模型计算分析结果 图6.1-1组合荷载1防撞墩托架整体强度 图6.1-2组合荷载2防撞墩托架整体强度 由以上两种荷载组合分析可知,荷载组合作用下防撞墩托架最大应力 ,故防撞墩托架整体强度满足要求。 7单元模型计算分析结果 7.18mm厚面板计算 (1)面板强度计算 图7.1-1组合荷载1面板强度 图7.1-2组合荷载2面板强度 由以上两种荷载组合分析可知,荷载组合作用下防撞墩托架最大应力 ,故防撞墩托架面板整体强度满足要求。 (1)面板刚度计算 图7.1-3组合荷载1面板刚度 图7.1-4组合荷载2面板刚度 由计算结果可知: 荷载组合1作用下I32a工字钢最大位移向下,最大位移为 ,满足要求。 7.2I32a工字钢斜撑计算 (1)强度计算 图7.2-1组合荷载1下I32a工字钢斜撑强度 由计算结果可知: 荷载组合1作用下防撞墩托架最大应力 ,故防撞墩托架I32a工字钢斜撑强度满足要求。 (2)刚度计算 图7.2-2组合荷载1下I32a工字钢斜撑刚度 由计算结果可知: 荷载组合1作用下I32a工字钢最大位移向下,最大位移为 ,满足要求。 7.3I32a工字钢横梁计算 (1)强度计算 图7.3-1组合荷载1下I32a工字钢横梁强度 图7.3-2组合荷载2下I32a工字钢横梁强度 由计算结果可知: 荷载组合1作用下防撞墩托架最大应力 ,故防撞墩托架整体强度满足要求。 图7.3-3组合荷载1下I32a工字钢横梁应力图 (2)刚度计算 图7.3-4组合荷载1下I32a工字钢横梁刚度 图7.3-5组合荷载2下I32a工字钢横梁刚度 由计算结果可知: 荷载组合1作用下I32a工字钢最大位移向下,最大位移为 ,满足要求。 7.4I14工字钢分配梁计算 (1)强度计算 图7.4-1组合荷载1下I14工字钢分配梁强度 图7.4-2组合荷载2下I14工字钢分配梁强度 由计算结果可知: 荷载组合1作用下防撞墩托架最大应力 ,故防撞墩托架I14工字钢强度满足要求。 (2)刚度计算 图7.4-3组合荷载1下I14工字钢分配梁刚度 图7.4-4组合荷载2下I14工字钢分配梁刚度 由计算结果可知: 荷载组合1作用下I14工字钢最大位移向下,最大位移为 ,满足要求。 7.5结论 1、防撞墩检算结果汇总如下表 表8.1-1防撞墩托架强度检算汇总表 部位 规格 项目 最大值 (MPa) 允许应力[σ] (MPa) 是否 满足 面板 8mm 组合应力 60.2 215 满足 斜撑 I32 组合应力 57.8 215 满足 横梁 I32 组合应力 39.9 215 满足 分配梁 I14 组合应力 52.29 215 满足 表8.1-2防撞墩托架刚度检算汇总表 部位 规格 项目 最大值 (mm) 允许位移 (mm) 是否 满足 面板 8mm 组合应力 3.18 4 满足 斜撑 I32 组合应力 0.34 1 满足 横梁 I32 组合应力 1.62 2.5 满足 分配梁 I14 组合应力 3.18 10 满足 7.6.钢护筒计算 护筒长8m、直径1.4m、壁厚10mm,防撞墩托架与桩基钢护筒进行焊接,护筒与混凝土摩擦承受荷载作用力。 即F=2.75*2.75*3.14*4*23*1.2=2621KN。 每根护筒承受的压力F=873KN。 护筒计算按照压杆稳定进行计算。 查五金手册可知i=49.145cm, ,故护筒受力模型属于小柔度杆件。 ,满足要求。
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