安庆大桥锚碇系统受力计算分析.docx
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安庆大桥锚碇系统受力计算分析.docx
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安庆大桥锚碇系统受力计算分析
附件一:
锚碇系统受力、计算分析
1、锚碇系统设计参数及最不利工况的选定
(1)水位:
8月底、9月初处于汛期末,保守考虑水位按7.0m计。
(2)流速:
根据提供的水文资料分析,桥位所处河段受潮汐影响,属感潮河段,受长江径流和潮汐的共同影响,水流流速过程呈周期性变化,涨潮时流速小,落潮时流速大,汛期涨落潮最大垂线平均流速不超过2.5m/s,九月分份首节钢套箱就位时汛期已过,保守考虑,计算取流速2.0m/s。
由于水流为单向,故只设单向定位船。
(3)流向:
取水流方向与桥轴线垂直线5°夹角。
(4)水深:
原始泥面标高约-35.0m,首批12根钢护筒下放泥面有一定冲刷,按全部冲刷10m计,施工水位保守考虑取+7.0m,则墩位处计算水深为52m。
(5)最不利工况分析:
首节钢套箱浮运、就位在9月初,刚好是洪水末期,在首批12根钢护筒插打完毕、并成4根钻孔桩后,已经到十月份,流速已经减小到1.6m/s左右,水流力大幅减小,且部分桩基已成,可抵抗一部分水流力,故锚碇系统受力最不利的工况为浮运到墩位并下沉至顶标高+8.5米、下放首批12根钢护筒时的受力组合。
首节钢套箱入水自浮,吃水7.4米,干舷高度4.6米,考虑到首批12根钢护筒通过首节钢套箱上的定位平台导向下沉,需将首节钢套箱注水下沉到顶标高+8.5米,吃水10.5米,露出水面高度1.5米。
(6)基本风压:
按最大风速20.5m/s(相当于八级风)计,风压为
W0=0.1×20.52×9.81=412Pa=0.412KPa
(7)定位船尺寸(长×宽×高):
50m×15m×4m
(8)定位船负载吃水深度:
2.5m
(9)导向船尺寸(长×宽×高):
108m×18.8m×5.8m
(10)导向船负载吃水深度:
1.5m
(11)钢套箱外轮廓平面尺寸:
29m×84m
2、锚碇系统所受外力计算
作用于锚碇系统的外力主要为钢套箱、定位船、导向船组和导向船旁临时工作船的水阻力和风阻力以及钢护筒的部分水流力通过钢吊箱传递给锚碇系统,现分别计算如下:
(1)钢套箱水阻力R1
R1=KAγv2/2g(kN)………………………………………………①
式中:
γ—水的容重,取γ=10(kN/m3)
v—流速,取2.0m/s
A—钢套箱阻水投影面积(m2),考虑到钢吊箱很长,后端圆形凸出部分也作为阻水面积计算。
则A=H×(D+D-a)=10.5×(29+29-13.8)=569.1m2
其中:
H—钢套箱入水深度(m),10.5m。
D=29ma=13.8m
g—重力加速度9.81(m/s2)
K—形状系数,按《公路桥涵设计通用规范》(JTJ021-89)选取,因钢套箱为圆形结构物,按表取K=0.8
则R1=K×A×γ×v2/2g
=0.8×569.1×10×2.02/(2×9.81)
=928.2(kN)
(2)钢套箱风阻力R2
R2=K1×K2×K3×K4×W0×S(kN)……………………………………②
式中:
K1—设计风速频率换算系数,取不利条件K1=1.0;
K2—风载体型系数,圆形截面物取K2=0.8;
K3—风压高度变化系数,取K3=1.0;
K4—地形、地理条件系数,取K4=1.0;
W0—基本风压值(Pa),W0=0.412Kpa;
S—迎风面积(m2),钢套箱露出水面高度为1.5m,则
S=(H+H-a)×D=1.5×(29+29-13.8)=66.3m2
∴R2=1.0×0.8×1.0×1.0×0.412×66.3=21.9(kN)
(3)定位船水阻力R3
R3=(fsV2+φFV2)×n×10-2……………………………………③
式中:
R3—船只入水部分所受水流作用力(kN);
V—水流速度(m/s);
f—摩阻系数,铁驳采用0.17;
S—船舶沉入面积(m2),按下式计算:
S=L(2T+0.85B)(m2)
其中:
L—船的长度50(m);
T—船的吃水深度2.5(m);
B—船的宽度15(m);
φ—阻力系数,流线型头船采用5;
F—船只入水部分垂直水流方向的投影面积(m2);
F=B×T=15×2.5=37.5(m2)
则S=50×(2×2.5+0.85×15)=887.5(m2)
n—定位船数量,1条;
R3=(0.17×887.5×2.02+5×37.5×2.02)×1×10-2
=13.5(kN)
(4)定位船风阻力R4
按②式计算。
R4=K1×K2×K3×K4×W。
×S
式中:
K1仍取1.0;
K2定位船体形系数,取0.9;
K3取1.0;
K4取1.0;
W0=0.412Kpa
S=15×(4-2.5)×1=22.5(m2)
则R4=1.0×0.9×1.0×1.0×0.412×22.5
=8.3(kN)
(5)导向船组水阻力R5
R5=(fsV2+φFV2)×n×10-2
式中:
S—船舶沉入水面积(米2),按下式计算:
S=L(2T+0.85B)(m2)
其中:
L—船的长度108(m);
T—船的吃水深度1.5(m);
B—船的宽度18.8(m);
φ—阻力系数,方头船采用10;
F—船只入水部分垂直水流方向的投影面积(m2);
F=B×T=1.5×18.8=28.2(m2)
则S=108×(2×1.5+0.85×18.8)=2050(m2)
R5=(0.17×2050×2.02+10×28.2×2.02)×2×10-2
=50.4(kN)
(6)导向船组风阻力R6
按公式⑵,2艘导向船按2倍计算。
R6=K1×K2×K3×K4×W0×S×2式中取值参考步骤4。
则R6=1.0×0.9×1.0×1.0×0.412×(5.8-1.5)×18.8×2
=60.0(kN)
(7)钢套箱旁临时工作船的水阻力和风阻力R7
考虑实际施工情况,从不利情况出发,临时工作船的水阻力和风阻力R7按导向船旁同时停泊6艘定位船的规模计算。
则
R7=6×(R3+R4)=6×(13.5+8.3)=130.8(kN)
(8)联结梁及桅杆吊机的风阻力R8
仍按公式②计算
R8=K1×K2×K3×K4×W0×S
式中:
K1仍取1.0;
K2连接梁体形系数,对于万能杆件组成的桁架,取0.4;
K3、K4仍取1.0;
W0=0.412Kpa。
联结梁及桅杆吊机迎风面积:
S=68×6+36×2+10×4×2+60×1=620(m2)
导向船连接梁布置示意图(单位:
cm)
∴R8=K1×K2×K3×K4×W0×S
=1.0×0.4×1.0×1.0×0.412×620
=102.2(kN)
(9)钢护筒的水阻力R9
单根钢护筒在下沉完毕后,其所受水流力由河床和钢套箱共同承受,通过钢套箱传递到锚碇系统。
①单根钢护筒所受水流力计算
R护筒=KAγv2/2g(kN)………………………………………………①
式中:
γ—水的容重(kN/m3)取γ=10(kN/m3)
v—流速,取2.0m/s
A—钢护筒阻水投影面积(m2)A=H×D
其中:
H—钢护筒入水深度(m),41.5m。
D=3.54m
g—重力加速度9.81(m/s2)
K—形状系数,取K=0.8
则R护筒=K×H×D×γ×v2/2g
=0.8×41.5×3.54×10×2.02/(2×9.81)
=232.8(kN)
②钢护筒受水流力的分配:
钢护筒所受的水流力由钢吊箱底部和河床共同承受,钢护筒入土约二十米,故入土端按固结处理,简化力学图式如下:
解得:
RA=3ql/8=87.3kNRB=5ql/8=145.5kN
③12根钢护筒受水流力计算
钢护筒分两次下沉,第一次先下沉图示的12根护筒,以承受钢套箱超过浮力部分的重量和钻孔平台、钻机及其它施工荷载。
12根钻孔灌注桩施工完毕后进行对应隔舱封底,然后再下放剩余钢护筒,这样剩余的18根钢护筒的水流力通过钢套箱和封底混凝土传递给已成桩基,故锚碇系统计算只计入第一批12根钢护筒的水流力即可。
距离较近的钢护筒之间所受水流力互相影响,如图所示C护筒位于B护筒之后,根据《港口工程荷载规范》JTJ215-98,C护筒的水流阻力应乘以遮流影响系数m1,m1按下表取值:
L/D
1
2
3
4
6
8
12
16
18
>20
后墩
-0.38
0.25
0.54
0.66
0.78
0.82
0.86
0.88
0.90
1.00
前墩
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
1.0
对于C护筒,L/D=8.49/3.44=2.5,按上表插值得m1=0.395,
则RC=0.395×232.8=92kN
护筒的总水流阻力:
∑R=4RC+8R护筒=4×92+8×232.8=2230.4kN
其中由钢套箱底承受的水流力为:
R9=3/8×∑R=3/8×2230.4=836.4kN
综合上述第1~9项,知锚碇系统所受的最不利外力组合为:
R主=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8+R9
=928.2+21.9+13.5+8.3+50.4+60+130.8+102.2+836.4
=2151.7(kN)
(3)主锚个数的计算
设所需铁锚在空气中总重为W(t),铁锚的总拉力为P(kN),当河床覆盖层为砂土时:
W=P/10(5~6)
主锚拟采用6吨铁锚,则每个铁锚可提供的主锚力为:
P=10(5~6)W=300~360(kN)保守计,取P=300(kN)
则主锚个数:
N=2151.7/300=7.2(个)
为安全起见,取N=10个
则每个主锚受力为F=R主/12=2151.7/10=215.2(kN)
(4)主锚链的计算
采用有横档锚链时,链条直径
d=√PK/0.025(mm)
式中:
K—安全系数,一般取K=4;
P—拉力(t)
则:
d=√[(215.2/9.81)×4]/0.025=59.2(mm)
锚链采用φ62mm电焊锚链。
(5)锚绳长度计算
锚绳系用钢丝绳和链条连接,链条段则平躺在河床上,其总长度计算示意图如下:
L=Lm+L0
Lm=√h2+2hp/q
式中:
L0—钢丝绳或链条铺在河床上的长度,L0=2.5~5h,
P—锚缆所受水平拉力,以kN计;
h—缆绳出马口处与锚位河床高度差,取水深42m,(抛锚处不计冲刷)
则h=42+1.5=43.5m
q—缆绳在水中单位长度重量,可按钢丝绳重量的0.7倍计。
6×37-39-1700钢丝绳单位长度重为5.308kg/m,
故q=0.7×5.308=3.7156(kg/m)
则取L0=2.5h=2.5×43.5=108.75(m)因有档锚链每节长为27.5m,故所需节数为108.5/27.5=3.95(节),取4节,Lm=110m。
Lm=√h2+2hp/q
=√43.52+[(2×43.5×215.2×1000/9.81)/3.7156]
=718(m)
则锚绳总长
L=Lm+L0=718+110=828(m)取L=830m。
(6)主锚钢丝绳强度验算
采用6×37-39-1700钢丝绳,校核其安全系数:
钢丝绳的容许拉力S=α×P/K
K=α×P/S
式中:
P—钢丝绳的破断拉力,959.9kN
K—安全系数
S—钢丝绳实际受力
α—钢丝绳破断拉力换算系数,取0.82
故K=0.82×(959.9/215.2)=3.7
满足规定的钢丝绳安全系数[K]=3~6,故安全。
(7)钢套箱下拉缆计算
下拉缆初步拟定按一层布置,考虑设在钢套箱底板处。
以水位处为转动轴心,钢套箱水阻力R1按作用于其入水部分水面以下1/2处计,风阻力按R2作用入水面以上1/2位置处,钢护筒水阻力R9作用于底板处如图。
h1=1/2×10.5=5.25(m)
h2=1.5/2=0.75(m)
hb=10.5(m)
对转动轴心取矩,有Rbhb-R1h1-R2h2-R9hb=0………………
(1)
由
(1)解得:
Rb=1303.6(kN)R导向架=439.1(kN)
若采用两根(回绕,四根受力)6×37-43-1700钢丝绳,其截面积为697.08mm2,破断拉力为1185kN,验算下拉缆的安全系数:
K=α(Fg/P)=α(Fg/Rb2)=0.82×(1185/(1303.6/4))=3.0
满足[K]=3~6,故下拉缆采用6×37-43-1700钢丝绳是安全的。
钢吊箱下拉缆的力很大,施工中可在钢吊箱下游侧隔舱内进行偏压水,以减小下拉缆的拉力,将下拉缆的拉力一部分转换到橡胶护舷导向架上。
下拉缆对钢套箱产生的不平衡力矩为13687.8KN.m,若采取加水平衡,只需在最下游侧舱内加入342.2KN重的水即可,此时水流力全部由橡胶护舷导向架承受(1742.7KN),导向架受力较大,可在下游隔舱内加入150KN的水,则下拉缆受力为732.2KN,导向架受力为1010.5KN。
(8)定位船拉导向船组拉缆计算
按最不利受力情况进行分析组合,得受力图示如下:
①由钢套箱和钢护筒产生的需要其承受的力
Ra1=R1+R2-Rb+R9
=928.2+21.9-1303.6+836.4
=482.9(kN)
②由导向船组产生的需要其承受的力
Ra2=R5+R6+R7+R8
=50.4+60.0+130.8+102.2
=343.4(kN)
则定位船拉导向船组缆绳总拉力:
Ra=Ra1+Ra2=482.9+343.4=826.3(kN)
设采用N根6×37-39-1700钢丝绳,其破断拉力为959.9kN,若取安全系数K=3,则S=α(P/K)即RA/N=α(P/K)
N=(K×Ra)/αP=(3×826.3)/(0.82×959.9)=3.2
为安全起见,取N=6(根)
安全系数:
K=α(P/S)=α[P/(RA/8)]=0.82×[(6×959.9)/826.3]=5.7
符合[K]=3~6,故安全。
(9)导向船侧锚受力计算
①布置位置及计算侧锚的受力情况如下图
②侧锚受力计算
将钢套箱和导向船组作为独立系统对其单独进行分析,可知作用于其上的横向荷载主要为水面以上部分所受的风阻力和水流力的侧向分力。
a、风阻力
主要由水面以上导向船风阻力R6/,联结梁风阻力和桅杆吊机R联/组成,钢套箱在导向船之间,可不计其侧向风阻力,参考步骤“三”可知:
R6/=K1×K2×K3×K4×W0S
=1.0×0.9×1.0×1.0×0.412×4.3×108=172.2(kN)
R联/=K1×K2×K3×K4×W。
×S×2
=1.0×0.4×1.0×1.0×0.412×(4×12×2+60×1×2)
=35.6(kN)
b、水流力的侧向分力
包括钢吊箱和钢护筒及导向船所受的水流力的侧向分力
R侧水=(R1+R5+R9)×Sin5°=(928.2+50.4+836.4)×Sin5°=158.2(kN)
作用于钢套箱和导向船组上的横向荷载为:
R6/+R联/+R侧水=172.2+35.6+158.2=366(kN)
③计算每个侧锚受力及质量
导向船组每边抛五个侧锚,按四个锚平均受力计算,每个侧锚所受的顺桥方向水平荷载为F/4,即91.5kN。
根据前述步骤可计算出每个侧锚的实际受力F侧。
F侧=91.5/cos23.682°=99.9(kN)设所需铁锚早空气中质量为G,
则G=F侧/5~6=16.7~20.0(kN)
=1.7~2.0t
为安全起见,同时加强侧锚以防止钢套箱摆动,侧锚采用4t重的铁锚。
④计算侧锚锚链直径D
仍按前述步骤“五”,知
D=√PK/0.025=√(F侧×K)/0.025
=√[(99.9/9.81)×4]/0.025=40.4(mm)
选用采用φ54mm二级有档电焊锚链。
由于墩位处于航道中,侧锚选用全锚链,以减少施工占用水域面积,并提高侧锚的抗水流力作用,也是防止钢套箱摆动的措施之一。
(10)定位船侧锚受力计算
①按侧锚抛设距离计算侧锚受力
将定位船作为独立系统对其单独进行分析,可知作用于其上的横向荷载主要水面以上部分所受的风阻力和水流力侧向分力。
F1=K1×K2×K3×K4×W。
×S
=1.0×0.9×1.0×1.0×0.412×(4-2.5)×50
=27.8(kN)
F2=R3×Sin5°=13.5×Sin5°=1.2(kN)
F=F1+F2=29.0(kN)
②计算每个侧锚的受力及重量
因定位船每侧各抛设2个铁锚,故每个侧锚所受的顺桥向水平荷载为F/2,按下图即可计算出每个侧锚的实际受力Fs:
Fs=(F/2)/Cosθ
=29/2/Cos15.97°
=15.1(kN)
设所需铁锚在空气中质量为G,则
G=Fz/5=15.1/5=2.9(kN)
为安全起见,侧锚采用2吨重的铁锚,其抗拉力
P=5G=5×2×9.81=98.1(kN)
③计算侧锚锚链直径D
锚链计算直径较小,按与铁锚配套考虑
D=√PK/0.025
=√[(98.1/9.81)×3]/0.025=34.6(mm)
选用采用φ43mm有档电焊锚链,每个铁锚配2~3节锚链。
④侧锚钢丝绳的验算
侧锚钢丝绳受力较小,按与铁锚配套考虑,采用6×37-28-1700钢丝绳,其破断拉力P=500kN,则安全系数
K=αP/F=0.82×500/98.1=4.18
符合[K]=3~6,故采用φ28的钢丝绳是安全的、匹配的。
(11)导向船尾锚受力计算
①计算尾锚荷载R尾
从最不利条件出发考虑,设钢套箱、导向船组及其旁的临时工作船只的风阻力全部由尾锚承担。
根据前述步骤“三”知
R尾=R2+R6+4R4+R8=21.9+60+4×8.3+102.2=217.3(kN)
②计算每个尾锚受力及重量
设所需铁锚在空气中重量为G,G=R尾/4=217.3/4=54.3(kN)
采用4个尾锚,则每个尾锚重W=G/4=54.3/4=13.6(kN)≈1.4吨,为安全起见,同时考虑主锚收锚时对尾锚产生的附加拉力,尾锚选用3吨重的铁锚。
③计算尾锚锚链直径
d=√pk/0.025=√F尾·k/0.025=√54.4/9.81×4/0.025=30(㎜)
选用φ43mm有档电焊锚链,每个铁锚配2节锚链。
④尾锚钢丝绳的选择
按前述步骤“七”当取安全系数K=3时,可知
P=KS/α=KF尾/α=3×54.5/0.82=199.0(kN)
取6×37-24-1700钢丝绳,其破断拉力为358.5kN,则安全系数
k=α(P/F尾)=0.82×(358.5/54.4)=5.4符合[K]=3~6,故安全。
(12)计算结果汇总
至此,锚碇系统的受力计算完毕,计算结果以及根据计算结果配备的锚碇系统情况汇总列出,见下表一和表二
锚碇系统主要计算数据汇总表表一
序号
名称及代号
数值(kN)
备注
1
钢套箱水阻力R1
928.2
2
钢套箱风阻力R2
21.9
3
定位船水阻力R3
13.5
4
定位船风阻力R4
8.3
5
导向船组水阻力R5
50.4
6
导向船组风阻力R6
60.0
7
临时工作船水阻力和风阻力R7
130.8
按六艘定位船规模
8
联结梁及吊机风阻力R8
102.2
9
钢护筒水阻力对钢套箱底板作用力R9
836.4
10
橡胶护舷导向架受力R导向
439.1
11
主锚总拉力R主
2151.7
R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7+R8+R9
12
每个主锚最大拉力
215.2
按10个6吨的主锚计算
13
钢套箱下拉缆Rb
1303.6
设于底板处
14
定位船拉导向船组拉缆Ra
826.3
共布置6根φ39的钢丝绳拉缆
15
导向船每个侧锚受力F侧
99.9
16
定位船每个侧锚抗拉力P
98.1
17
导向船每个尾锚受力
54.3
锚碇系统材料一览表表二
序号
名称
型号或规格
需要数量
备注
1
主锚
6t
10个
2
主锚锚链
φ62
27.5m×4节×16根
3
主锚钢丝绳
6×37-39-1700
8500m
4
定位船侧锚
2t
4个
5
定位船侧锚锚链
φ43
25m×2节×4根
6
定位船侧锚钢丝绳
6×37-28-1700
125m×4根
7
导向船侧锚
4t
10个
8
导向船侧锚锚链
φ54
25m×7节×10根
全锚链
9
钢套箱下拉缆
6×37-43-1700
1400m×2根
10
定位船拉导向船拉缆
6×37-39-1700
500m×6根
11
导向船尾锚
3t
4个
12
船尾锚锚链
φ43
25m×2节×4根
13
导向船尾锚钢丝绳
6×37-28-1700
250m×4根
14
卷扬机
5t
12台
15
滑轮组
5门
52个
16
测力计
10t
60个
17
卸扣
≥32t
100个
18
鸡心环
φ43
8个
φ39
30个
φ28
8个
φ24
8个
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