钢套箱计算说明书

1、设计依据

公路桥涵设计通用规范（JTJ021-）

公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）

苏通长江公路大桥北引桥招标文件

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2、计算说明

依水文勘测资料及钢套箱施工工期，取钢套箱设计水位为3.91m，垂线流速2.39m/s。

采用两种形式的钢套箱形式：承台底位于水中的采用有底钢吊箱形式，承台底位于水中的采用无底钢套箱形式。有底钢套箱平面尺寸29.1m8.0m，无底钢套箱平面尺寸11.6m8.0m。

钢套箱顶面标高4.5m，底标高为：有底钢吊箱-2.5m，无底钢套箱-2.8m。

3、有底钢套箱

3.1  侧壁计算

1）竖向加劲计算

钢套箱内共设上下两层支撑。承台高2.5m，顶面标高为1.0m，为方便施工下层支撑中心位于承台顶面以上0.50m处，标高为1.50m。

侧壁受力最不利受力工况为封底完毕，钢套箱内排空水时的受力状态。取迎水面侧壁进行计算，结构计算简图为两跨连续梁体系，迎水面水压力分布如图1所示。

图1  水压力分布图

标高3.91m处水压力：

p1=1.5 v2/(2g)=1.5102.392/20=4.284KN/m2

标高-1.5m处水压力：

p2=h+1.5 v2/(2g)=10(3.91+1.5)+1.5102.392/20=58.4KN/m2

3节钢套箱的竖向加劲肋中心间距均为66cm，上节钢套箱竖向加劲肋选用I12型钢，中节、底节选用I18型钢。取66cm宽侧壁压力及刚度，经计算(计算过程略)得：

中节、底节：Mmax=27.61KNm

上节：Mmax=7.14KNm

应力验算：

中节、底节：

上=MY上/I=27.6110003.85/3380=31.46MPa<1.3145MPa

下=MY下/I=26.9410005.95/3380=48.58MPa<188.5MPa

上节：

上=MY上/I=7.1410001.8/823.8=15.65MPa<188.5MPa

下=MY下/I=7.1410005.0/823.8=43.33MPa<188.5MPa

最大变形0.22mm，刚度满足要求。

2）横向加劲计算

中、底节钢套箱的横向加劲肋中心间距均为60cm，横向加劲肋选用L100638型钢。取60cm宽侧壁刚度，取标高-1.2m处水压力作为平均外力进行计算，结构计算简图为单跨固端梁。

标高-1.2m处水压力：

p2=h+1.5 v2/(2g)=10(3.91+1.2)+1.5102.392/20

=55.4KN/m2

经计算(计算过程略)得：Mmax=1.15KNm

应力验算：

上=MY上/I=1.1510001.76/666=3.0MPa<1.3145MPa

下=MY下/I=1.1510009.04/666=15.6MPa<188.5MPa

最大变形0.011mm，刚度满足要求。

上节钢套箱的横向加劲肋中心间距仍采用60cm，横向加劲肋选用L80508型钢。取60cm宽侧壁刚度，取标高1.9m处水压力作为平均外力进行计算，结构计算简图为单跨固端梁。

标高1.9m处水压力：

p2=h+1.5 v2/(2g)=10(3.91-1.9)+1.5102.392/20=24.4KN/m2

经计算(计算过程略)得：Mmax=0.505KNm

应力验算：

上=MY上/I=0.50510001.29/333=1.96MPa<1.3145MPa

下=MY下/I=0.50510007.51/333=11.4MPa<188.5MPa

最大变形0.01mm，刚度满足要求。

3.2 围檩及横撑计算

经计算，上下层横撑分别支撑于标高1.5m处和3.51m处。为满足构造要求（主要是避开桩身护筒位置），同时使得围檩内力尽量合理均匀，经试算拟定横撑布置如图2所示。下层围檩采用I56b型钢，横撑采用400/10mm钢管；上层采用I45a型钢，横撑采用200/10mm钢管。

图2  横撑布置示意图

1）围檩计算

●下层围檩计算

经计算(计算过程略)，围檩内最大弯矩为：

Mmax=296.2KNm      对应的轴向力N=1.1KN

应力计算：=N/A+M/W=1.110/146.45+296.21000/2447=134MPa<1.3220MPa

最大挠度4.07mm，满足刚度要求。

●上层围檩计算

经计算(计算过程略)，围檩内最大弯矩为：

Mmax=33.5KNm      对应的轴向力N=21.5KN

应力计算：=N/A+M/W=21.510/102+33.51000/1430=26MPa<1.3220MPa

最大挠度1.03mm，满足刚度要求。

2）横撑计算

●下层横撑计算

经计算(计算过程略)，横撑内最大轴力为：Nmax=530KN

应力计算：=N/A=53010/122.52=43MPa（不控制设计）

●上层横撑计算

经计算(计算过程略)，横撑内最大轴力为：Nmax=59.3KN

应力计算：=N/A=59.310/59.69=10MPa（不控制设计）

3.3　钢套箱底板计算

底板采用8mm钢板，钢板底布置了沿钢套箱宽度方向的加劲肋，加劲肋采用[14b槽钢，间距40cm。

底板最不利受力工况为浇注封底混凝土，混凝土无强度时。

取40cm宽底板计算，结构计算简图为3跨连续梁。

底板自重荷载：q1=53.3110-478=0.416KNm

混凝土线荷载：q2=(25-10)1.00.4=6KNm

经计算(计算过程略)得：Mmax=15.22KNm

应力验算：

上=MY上/I=15.2210003.36/1311=39MPa<1.3220MPa

下=MY下/I=15.22100011.44/1311=133MPa<286MPa

最大变形0.00mm，刚度满足要求。

3.4　上、下横梁及吊杆计算

单根上、下横梁均由2I45a型钢组成。吊杆采用32mm精轧螺纹钢筋。

上、下横梁最不利受力工况为浇注封底混凝土后，钢套箱内排水之前。承受的荷载有：上横梁自重、钢套箱重（包括围檩及横撑重）、下横梁重、封底混凝土重及水的浮力。计算水位取测时水位1.5m。

1）荷载

单根上横梁自重：q1=1.608KN/m

单根下横梁自重（计入浮力）：q2=1.404KN/m

测时水位1.5m，上节钢套箱全部和中节的0.2m位于水上，经计算这两部分的总重：G1=227.7KN

水下部分钢套箱的侧壁重(计入浮力)：G2=309.7KN

钢套箱底板重（计入浮力）：G3=212KN

上层围檩及横撑重：G4=88KN

下层围檩及横撑重：（偏于安全不计浮力）：G5=144KN

封底混凝土重（计入浮力，略去桩体体积的影响）：G6=3492KN

2）内力计算

吊杆布置示意见图3。

图3  吊杆布置示意图

经计算(计算过程略)得：

上横梁控制设计，最大弯矩为：Mmax=365.6KNm

应力计算：=M/W=365.61000/(14302)=128MPa<1.3220MPa

吊杆最大拉力为：N=291.5KN

应力计算：=N/A=291.51000/(D2/4)=363MPa<400MPa

3.5  辅助桩设计计算

为满足上横梁支撑的需要，在两承台桩基的中间设置了两根辅助桩，辅助桩采用80mm，=10mm钢管桩。

从江苏省交通规划设计院和中船勘察设计研究院提供的苏通大桥详勘项目STXK2合同段【工程地质勘察中间报告】，可知本标段冲刷线下较深范围内基本为粉砂层，土体极限摩阻力为35KPa。

经计算辅助桩桩顶最大承力为329.5KN，偏于安全不计桩底承压力，由式

[P]=(UiLii)/2   得：L=2[P]/(U)=2329.5/（0.835）=7.49m

偏于安全取入土深度15m

则实际单桩承载力为：P=(0.81535)/266T

3.6  封底混凝土撑裹力计算

根据施工顺序，封底混凝土与桩身之间的撑裹力的验算工况：钢套箱内排水完毕时。取计算水位3.91m。

●承受的荷载

下横梁重：G1=94.87KN

钢套箱重：G2=826KN

上层围檩及横撑重：G3=88KN

下层围檩及横撑重：G4=144KN

封底混凝土重（略去桩体体积的影响）：G5=5820KN

水浮力：F1=29.186.4110=14922.5KN

则排水后合力为：F=G1+ G2+ G3+ G4+G5F1=-7950KN

●撑裹力计算

封底混凝土采用C25，撑裹抗剪应力取[]=450KN/m2

撑裹力(略去辅助桩)：f=121.02.0450=33929KN

撑裹力远大于上浮力，满足该工况受力要求。

4、无底钢套箱

无底钢套箱侧壁构造与有底钢套箱相同，承受的侧压力亦相同，故对此侧壁不再验算。

4.1  围檩及横撑计算

无底钢套箱围檩和横撑的支撑位置及结构形式与有底钢套箱相同。即：上下层横撑分别支撑于标高1.5m处和3.51m处。下层围檩采用I56b型钢，横撑采用400/10mm钢管；上层采用I45a型钢，横撑采用200/10mm钢管。为满足构造要求（主要是避开桩身护筒位置），同时使得围檩内力尽量合理均匀，经试算拟定横撑布置如图4所示。

图4  横撑布置示意图

1）围檩计算

●下层围檩计算

经计算(计算过程略)，围檩内最大弯矩为：

Mmax=82.69KNm      对应的轴向力N=158KN

应力计算：=N/A+M/W=15810/146.45+82.691000/2447=44.6MPa<1.3220MPa

最大挠度0.09mm，满足刚度要求。

●上层围檩计算

经计算(计算过程略)围檩内最大弯矩为：

Mmax=8.813KNm      对应的轴向力N=17.78KN

应力计算：=N/A+M/W=17.7810/102+8.8131000/1430=7.9MPa<1.3220MPa

最大挠度0.21mm，满足刚度要求。

2）横撑计算

●下层横撑计算

经计算，横撑内最大轴力为：Nmax=2.9KN

应力计算：=N/A=2.910/122.52=23.7MPa（不控制设计）

●上层横撑计算

经计算(计算过程略)，横撑内最大轴力为：Nmax=31.94KN

应力计算：=N/A=31.9410/59.69=5.4MPa（不控制设计）

4.2  封底混凝土撑裹力计算

根据施工顺序，封底混凝土与桩身之间的撑裹力的验算工况：钢套箱内排水完毕时。取计算水位3.91m。

●承受的荷载

钢套箱重：G2=450KN

上层围檩及横撑重：G3=39KN

下层围檩及横撑重：G4=KN

封底混凝土重（略去桩体体积的影响）：G5=2860KN

水浮力：F1=1186.7110=5904.8KN

则排水后合力为：F=G1+ G2+ G3+ G4+G5F1=-2492KN

●撑裹力计算

封底混凝土采用C25，撑裹抗剪应力取[]=790KN/m2

撑裹力(略去辅助桩)：f=61.32.0790=38717KN

撑裹力远大于上浮力，满足该工况受力要求。