东营港码头扩建工程承台钢套箱整体稳定性分析研究报告.doc
东营港码头扩建工程承台钢套箱整体稳定性分析研究报告长安大学公路学院 1 概述1.1 结构概况东营港码头扩建工程引桥共136个桥墩，中港二航局承担施工的引桥桥墩共126个，分标准墩和加宽墩，其中加宽墩6个，其余均为标准墩。每个桥墩由三部分组成：预制安装的桩裙、现浇承台、现浇墩身及盖梁。桥墩分三层施工，承台施工利用钢吊箱的施工措施来进行施工，采取先在陆上将钢套箱、吊架和桩裙安装好，并在桩裙上铺设部分底模，然后用起重船整体吊装。吊装到位后铺设余下底模，帮扎钢筋，完成后浇承台砼。砼分二层浇注，第一层砼施工标高为+1.20m+2.20m，第二层砼施工标高为+2.20m+4.4m；第三层（大部分桥墩）墩身及盖梁施工标高为+4.4m（+6.4+7.40）m，侧模一次安装。标准墩承台，平面外形呈棱型，外形尺寸为18.5×6m、加宽墩承台外形尺寸为34.55×6m，高3.0m，标高从+1.20m+4.20m，墩身内有空腔标高从+4.20m+H1.20m，盖梁外型尺寸为19.5×6m，高1.20m。最后在盖梁上施工T梁支座垫石砼。图1-1 承台钢吊箱结构图（单位：mm） 图1-2 吊架平面图（单位：mm）1.2设计标准1）设计基准期50年，结构安全等级二级；2）1980年西安坐标系，当地理论深度基准面（在1985年国家高程基准面以下0.78m）；3）设计水位：设计高/低水位 1.86/0.08m 极端高/低水位 3.46/-1.54m（50年一遇）；4）波浪：NE向50年一遇波浪见下表，有效周期为T9.8s；海图水深（m）4.06.08.010.013.0设计高水位1.86mH1%=3.52mH1%=4.72mH1%=5.92mH1%=6.39mH1%=6.92m极端高水位3.46m H1%=4.48mH1%=5.68mH1%=6.24mH1%=6.53mH1%=6.98m5）海冰：流冰运动方向基本与引桥轴线垂直，呈SE-NW向。50年一遇设计平整冰厚见下表，冰温-2.5，设计抗压强度2085KPa；海图水深2.02.05.05.010.010.015.0>15.0设计冰厚64.044.032.026.022.06）地质：起始3跨海底地形坡度约2.4，其他部分地形平坦，坡度<1%；7）地震烈度：7度；1.3设计依据1）港口工程混凝土结构设计规范(JTJ267-98)2）港口工程灌注桩设计与施工规范(JTJ248-2001)3）港口工程预应力混凝土大直径管桩设计与施工规程(JTJ261-97)4）港口工程桩基规范(JTJ254-98)5）公路工程抗震设计规范(JTJ004-89)6）海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范(JTJ275-2000)2.主要计算内容1）单纯考虑起重船吊装桩裙时吊架的稳定性.2）考虑水位1.8m,波高3.52米时,桩和底模焊接夹桩为3排和4排和5排的情况下,承台混凝土未施工时吊架和套箱的整体稳定性.3.有限元分析模型3.1模型基本参数吊架由型钢 ( 232a、228a、225a、220a、216、I20b、20a ) 组成。钢套箱由面板(=8mm钢板), 横肋（212、228、80×50×6、竖肋肋（I12）组成。底模由底模钢板（=5mm钢板）、主梁（I 18 ）、次梁主梁（10）、吊杆（d=45mm）组成。桩裙由桩裙上部混凝土（厚度0.75m）、桩裙下部混凝土（等效厚度0.625m）组成。表3-3 材料特性表编号材料弹性模量（Pa）泊松比密度（kg/m3）1Q345q(16Mnq)2. 1×10110.37850230号混凝土1.95×10100.172500东营港码头扩建工程钢构件采用Q345q(16Mnq)，根据桥梁用结构钢(GB/T714-2000)规定， Q345q钢材的力学性能如下表：表6-4-3Q345q钢材的力学性能钢材牌号厚度(mm)屈服点(MPa)抗拉强度(MPa)Q345q1634551017353254903650315470511003054703.2模型简述模形采用大型通用有限元商业程序ANSYS进行分析。根据施工单位提供的施工方案及钢套箱的构造特点，计算模型选用了Shell93空间三维壳单元模拟套箱、桩裙；beam4空间三维梁单元来模拟吊架、套箱纵横肋、底模主次梁及吊杆。在分析中，将整个结构视为均质弹性体，没有考虑焊缝的影响。钢套箱起吊过程中，主要考虑在套箱、桩裙及吊架自身自重作用下吊架的整体稳定性；钢套安装过程中，主要考虑在静水压力，波浪力等荷载作用下钢套箱的整体稳定性。故分析采用了两种计算模型，即：模型：吊架(梁单元)稳定性分析.模型：吊架(梁单元)和桩裙套箱(板单元)整体稳定性分析.3.3 有限元模型的建立3.3.1结构模型模型的结构离散有限元模型共分1849个单元，1723个节点。图3-1 结构离散图（模型）模型的结构离散有限元模型共分19399个单元，38576个节点。图3-2 套箱桩裙及底模离散图（模型）3.3.2 边界条件模型1的边界条件:考虑到吊绳对吊架变形及应力影响不大,因此约束四个吊点处的三向线位移.模型2的边界条件:考虑到桩和吊架及底模钢板之间是焊接的,因此约束桩和吊架及底模钢板的所有焊接点的线位移和角位移.3.3.3 计算荷载计算中考虑的加载工况： 工况1: 单纯考虑起重船吊装桩裙、套箱时吊架的稳定性；工况2: 考虑水位1.8m,波高3.52米时,桩和底模焊接夹桩为3排的情况下,未浇注承台第一层混凝土时吊架、桩裙及套箱结构的整体稳定性；工况3: 考虑水位1.8m,波高3.52米时,桩和底模焊接夹桩为4排的情况下, 未浇注承台第一层混凝土时吊架、桩裙及套箱结构的整体稳定性；工况4 考虑水位1.8m,波高3.52米时,桩和底模焊接夹桩为5排的情况下, 未浇注承台第一层混凝土时吊架、桩裙及套箱结构的整体稳定性。单根吊具承受荷载计算:1.标准桩裙：外围面积，周长L=42.44m 桩裙顶口内圈面积 ，周长L=37.16m 桩裙顶口面积 A=2.取1，2桩所在排架为研究对象，根据吊架平面图（图1） #、10桩分界线处面积：余下端头1、2#、11、12四根桩分界线处面积：A-A=30.07-13.17=16.90m所以桩裙端部四个吊具承受荷载占全部荷载的：16.90/30.07=56.2%每个吊具占全部荷载的：56.2%=14.05%桩群总重114t,考虑最不利荷载，端头吊架1，2桩处单个吊具承受荷载为最不利：11414.05%=16.02（t）3.钢套箱侧模板按25t计，加固于桩裙上，在各个排架荷载分配按桩裙外周长计算，端头处四个吊具吊点分担：（42.44-17.56）/42.4425=14.65（t）， 每处吊具承受钢模重：1/414.65=3.67（t）4、承台底模按6t重计，搁置于桩裙牛腿上，在各个排架荷载分配按桩裙顶口内圈周长计算，端头处四个吊具吊点分担：（37.16-17.56）/37.166=3.16（t）， 每处吊具承受钢底模重：1/43.16=0.79（t）根据吊架平面图，可以判断端头1，2桩处（11、12桩处对称）排架吊具吊点受力为最不利荷载组合，其值为：（16.02+3.670.79）9.811000=200800N考虑最不利情况,所有吊具吊点所受外荷载采用此值.模型二:静水压力公式: 波浪冲击力推导公式: 考虑最高水位1.8米,最大波高3.52米时桩裙及钢套箱的稳定性.最大水位以下套箱及承台承受外荷载考虑静水压力及波浪冲击力(H+0.5)*9800+1.34*1.34*1000.最大水位以上最大波高以下套箱及承台承受外荷载只考虑波浪冲击1.34*1.34*1000=1795.6Pa.桩群自重,吊架自重以及钢套箱自重考虑成外荷载当集中力加到各个吊具上.同模型一相同考虑, 端头 1，2桩处（11、12桩处对称）排架吊具吊点受力为最不利荷载组合，其值为：（16.02+25/10+3.670.79）9.811000=225404N考虑最不利情况,所有吊具吊点所受外荷载采用此值.有限元分析结果图中结果均采用N（力）m（长度）kg（质量）的国际单位制，应力单位为Pa。工况1:图3-4吊架X向位移图 (单位:m)图3-5 吊架Y向位移图 (单位:m)图3-6 吊架Z向位移图 (单位:m)图3-7 吊架最大压弯应力图（单位：Pa）工况2:图3-8桩群套箱及底模的X向位移(单位:m)图3-9桩群套箱及底模的Y向位移(单位:m)图3-10 桩群套箱及底模的Z向位移(单位:m)图3-11 桩群套箱及底模的X向应力（单位：Pa）图3-12 桩群套箱及底模的Y向应力（单位：Pa）图3-13 桩群套箱及底模的Z向应力（单位：Pa）图3-14 桩群套箱及底模的VON MISES应力（单位：Pa）工况3:图3-15 桩群套箱及底模的UX向位移(单位:m)图3-16 桩群套箱及底模的UY向位移(单位:m)图3-17 桩群套箱及底模的UZ向位移(单位:m)图3-18 桩群套箱及底模的SX应力（单位：Pa）图3-19 桩群套箱及底模的SY向应力（单位：Pa）图3-20 桩群套箱及底模的SZ向应力（单位：Pa）图3-21 桩群套箱及底模的VON MISES 应力（单位：Pa）工况4:图3-22 桩群套箱及底模的UX向位移(单位:m)图3-23 桩群套箱及底模的UY向位移(单位:m)图3-24 桩群套箱及底模的UZ向位移(单位:m)图3-25 桩群套箱及底模的SX向应力（单位：Pa）图3-26 桩群套箱及底模的SY向应力（单位：Pa）图3-27 桩群套箱及底模的SZ向应力（单位：Pa）图3-28 桩群套箱及底模的VON MISES应力（单位：Pa）
