磺砂特大桥钢栈桥设计计算书(终).doc

霞浦东冲至火车站段公路A3标段磺砂特大桥钢栈桥设计计算说明书中铁十六局集团第五工程有限公司霞浦东冲至火车站段公路A3标段项目经理部2016年9月15日目录1.钢栈桥设计依据11.1.工程概况11.2.设计依据和设计规范11.3.技术标准及设计说明12.钢栈桥结构设计22.1.技术标准22.2.钢栈桥结构形式23.荷载计算33.1.12m混凝土运输车33.2.50t履带吊43.2.1.履带吊正面吊重43.2.2.履带吊侧向吊重44.钢栈桥结构检算44.1.桥面系检算54.1.1.桥面系构造54.1.2.桥面板计算54.1.3.配筋计算84.2.贝雷梁检算124.2.1.12m混凝土运输车计算124.2.2.50t履带吊计算144.3.分配梁检算154.3.1.中间墩分配梁验算154.3.2.中间墩分配梁反力174.4.钢管桩检算174.4.1.钢管桩的嵌固点计算174.4.2.钢管桩水流力184.4.3.风力计算184.4.4.钢管桩强度检算184.4.5.钢管桩承载力检算191.钢栈桥设计依据1.1.工程概况黄沙特大桥于沿海陆域滩涂地带，起讫桩号K25+151K26+960。上部构造为12（530）预应力砼预制T梁，先简支后结构连续，桥梁全长1809.00m，桥宽10.5m，桥梁交角90，下部构造采用桥墩采用柱式墩、钻孔灌注桩；桥台采用U台、扩大基础，肋板台、钻孔灌注桩。1.2.设计依据和设计规范公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2015)公路工程技术标准（JTG B012003）钢结构设计规范(GB 50017-2003)路桥施工计算手册（周水兴等编著）建筑结构静力计算手册2004版港口工程荷载规范（JTJ215-98）1.3.技术标准及设计说明（1）栈桥桥面设计标高+6.5m,桩顶标高+4.8m，最高潮位3.8m（实测）,最低潮位-2.72m。（2）设计控制荷载：主要通行12m混凝土车，50t履带吊吊装作业。（3）设计行车速度：10km/h。（4）栈桥施工方案：栈桥钢管采用50T履带吊配合液压振动锤DZ60振动入土，履带吊处于栈桥上，栈桥材料采用陆地组装，通过栈桥运输至施工点，采用履带吊安装。计划从东冲往火车站方向开始施工。（5）动载系数：混凝土运输车荷载的冲击系数取1.3。（6）型钢、钢管桩允许应力抗拉、压 抗弯 抗剪 单排单层贝雷梁容许弯矩单排单层贝雷梁容许剪力2.钢栈桥结构设计2.1.技术标准（1）设计恒载：钢栈桥结构自重（2）设计活载：12m混凝土运输车（重50t）（3）验算活载：50t履带吊(自重52t+吊重15t)（4）设计行车速度：10km/h（5）设计使用寿命：3年2.2.钢栈桥结构形式该栈桥位于桥梁右侧，用于连接两岸，中间留通航孔。桥面净宽6.0m。贝雷梁钢栈桥上部构造从上到下依次是厚20cm混凝土桥面板、贝雷梁。混凝土桥面板直接支撑在贝雷梁顶面，通过预埋件与贝雷梁固定。钢栈桥纵梁采用6排单层321型贝雷梁，间距为0.90m+1.30m+0.9m+1.30m+0.90m，贝雷梁跨度12m，采用6跨一联布置，中间设置刚性墩。钢栈桥下部结构横向分配梁采用2I36a型钢，分配梁支撑在5298mm钢管桩上，钢管桩采用2根，钢管桩横向间距4.0m；钢管桩平联剪刀撑均采用20槽钢，详见下图。钢栈桥横断面布置图（单位：mm）3.荷载计算钢栈桥使用中最大活载为12m的混凝土运输车和50t履带吊；所以将其作为控制荷载，进行钢栈桥结构设计。3.1.12m混凝土运输车12m混凝土运输车重50t，荷载分配情况如下：前轴重8t，后轴重21t，前轮和后轮间距为4m，轴间距如下图:图2、12m混凝土运输车轮轴间距图 （单位：mm）3.2.50t履带吊QUY50t履带吊整机质量为52t，履带轨距、接地长度和履带板宽度为：3540mm4690mm760mm，具体见下图：图3、50t履带吊尺寸图 （单位：mm）3.2.1.履带吊正面吊重履带吊正面吊重15t时前半部分承载重量，单条履带吊荷载为：，取2m宽桥面板计算，则桥面板横桥向线荷载为：。3.2.2.履带吊侧向吊重计算时考虑侧向吊重15t达到临界状态时，荷载最不利，最不利侧履带线荷载为：，取2m宽桥面板计算，则桥面板的横桥向线荷载为：。4.钢栈桥结构检算4.1.桥面系检算4.1.1.桥面系构造钢栈桥满铺厚20cm的预制混凝土桥面板，桥面板预埋件与贝雷梁焊接“U”卡箍固定。4.1.2.桥面板计算4.1.2.1.混凝土罐车荷载混凝土运输车单轮荷载为，后轮轴距为1.4m，接地长度为0.2m，一块2m宽桥面板上纵桥向最多可作用两个后轮，轮压横桥向宽度取0.6m。在2m宽的桥面板上混凝土运输车产生的横桥向均布荷载为：。砼面板自重产生的均布荷载为: (钢筋混凝土容重取)以单辆砼搅拌车为计算模型，以桥面板为线单元计算，桥面板最大弯矩计算模型如下：图4、计算模型用有限元软件计算，得到弯矩图：图5、桥面板弯矩图桥面板最大剪力计算模型如下：图6、计算模型图7、桥面板剪力图所以，由上面计算可得：4.1.2.2.50t履带吊荷载50t履带吊侧向吊重15t时单条履带最大纵桥向线荷载为，取2m宽的桥面板计算，履带横桥向宽0.76m，履带吊产生的横桥向均布荷载为：砼面板自重产生的均布荷载为: (钢筋混凝土容重取)计算弯矩时，考虑履带吊侧面吊重15t，并且达到临界状态，计算模型如下：图12、计算模型用有限元软件计算，得到弯矩图：图13、桥面板弯矩图计算桥面板的剪力时，考虑履带吊侧吊15t，并处于临界状态，计算模型如下：图14、计算模型用有限元软件计算，得到剪力图：图15、桥面板剪力图所以，由上面计算可得履带吊产生的最大弯矩和剪力：4.1.2.3、桥面板最大荷载取值综合混凝土搅拌运输车和履带吊最不利状态受力，得到桥面板最大的弯矩和剪力为：表1、桥面板不同工况下内力结果总表作用类型12m砼车50t履带吊吊重15t临界状态最大值50.749.850.725.222.425.2217.6214.0217.6由上表可知桥面板最大的弯矩和剪力为：4.1.3.配筋计算4.1.3.1.承载力计算根据同济大学出版社混凝土结构设计原理中的双筋矩形截面的承载力计算：公式： (当x2a时) -系数,砼受压区等效矩形应力图形的应力与砼轴心抗压强度设计值之比-砼轴心抗压强度设计值-构件的截面宽度-砼受压区高度-钢筋抗拉、抗压强度设计值 -受拉钢筋合力点至截面受拉边缘的距离-截面有效高度-受压钢筋合力点至截面受压边缘的距离-弯矩设计值-受拉、受压钢筋面积-受弯构件剪压区混凝土承受的剪力-混凝土轴心抗压强度设计值-截面高度影响系数（）当h02000mm时，取2000mm；在8002000mm之间时，线性内插。查表得：，（砼强度等级为C30），桥面板厚h=20cm，桥面板钢筋布置：下排：主筋1615cm（14根），构造1020cm；上排：主筋1020cm（11根），构造1020cm。由公式得： 得x=20.6mm因为 x2a60mm所以，满足要求。，满足要求。桥面板承受的最大剪力为：因为，所以取=1.0由公式得：，满足要求。4.1.3.2、混凝土面板裂缝宽度计算： 计算裂缝宽度(mm)；钢筋表面形状影响系数，带肋钢筋；荷载特征影响系数；系数，对带肋钢筋取0.3；活载作用下的弯矩（MNm）；恒载作用下的弯矩（MNm）；全部计算荷载作用下的弯矩，当主力作用时为恒载弯矩与活载弯矩之和（MNm）；中心轴至受拉边缘的距离与中心轴至受拉钢筋重心的距离之比，对板，可采用1.2；受拉钢筋重心处的钢筋应力（MPa）；受拉钢筋直径（mm）；受拉钢筋的有效配筋率；单根，两根一束，三根一束的受拉钢筋的根数；考虑成束钢筋的系数，对单根钢筋，对两根一束，对三根一束；单根钢筋的截面积；与受拉钢筋相互作用的受拉混凝土面积，取为与受拉钢筋重心相重的混凝土面积；计算面板下部裂缝：由公式得：由公式得：受力钢筋均为带肋钢筋，因此取，由公式得：恒载产生的弯矩值为： 计算得： 由公式得：，裂缝宽度满足要求。4.2.贝雷梁检算钢栈桥主梁采用六排单层贝雷梁，钢栈桥为六跨一联，贝雷梁采用销轴连接，本计算中偏安全的按简支梁计算，计算跨径12m。恒载取值:贝雷梁自重钢筋混凝土桥面板重量为：4.2.1.12m混凝土运输车计算计算时一跨内考虑两辆混凝土运输车。一辆混凝土运输车前轮荷载为：，后轮荷载为：单根贝雷梁承担的荷载为：桥面板和贝雷梁自重产生的均布荷载：两辆砼车产生的集中荷载P1为：，轮胎着地长度0.2m，两辆砼车产生的集中荷载P2、P3为：，轮胎着地长度0.2m，混凝土运输车作用下计算模型如下：图16、计算模型图17、贝雷梁弯矩图由弯矩图可知：最大，满足要求。剪力最大时，计算模型：图18、计算模型图19、贝雷梁剪力图由剪力图可知：最大，满足要求。4.2.2.50t履带吊计算履带吊侧向吊重15t到临界状态时最不利，此时单条履带吊线荷载为/m，按照作用在一半贝雷梁上计算。单根贝雷梁结构自重均布荷载为：，履带吊均布荷载为：，50t履带吊荷载作用，最大弯矩计算模型如下：图20、计算模型图21、贝雷梁弯矩图由弯矩图可知：最大，满足要求。当贝雷纵梁剪力最大时，计算模型如下：图22、计算模型图23、贝雷梁剪力图由剪力图可知：最大，满足要求。4.3.分配梁检算4.3.1.中间墩分配梁验算分配梁最不利荷载为：两辆混凝土运输车同时作用在分配梁正上方，此时分配梁承受钢栈桥上部结构自重和混凝土运输车荷载。一孔钢栈桥混凝土桥面板自重：一孔钢栈桥贝雷梁自重：两辆混凝土运输车荷载：贝雷梁平均分担： 分配梁由2根36型钢拼焊而成，为跨径4m的外伸梁，计算模型如下：图33、计算模型图34、分配梁弯曲应力图由弯曲应力图可知：最大弯曲应力，满足要求。图35、分配梁剪应力图由剪应力图可知：最大剪应力，满足要求。图36、横梁挠度图由挠度图可知：最大挠度，满足要求。4.3.2.中间墩分配梁反力分配梁反力计算结果：图37、反力结果由分配梁的反力结果可知：钢管桩桩顶的受到的最大反力为。4.4.钢管桩检算4.4.1.钢管桩的嵌固点计算桩的嵌固点计算公式： （见港口工程桩基规范 附录C）嵌固点深度： （）：桩的换算宽度，取2d；：桩侧地基土的水平抗力系数：取5000KN/m4名 称Zm(m)5298管桩0.01310.00170.0004454.4.2.钢管桩水流力涨落潮流速较为平缓，取0.5m/s，水流力按下式计算：其中：K-水流阻力系数，桩为圆形，取0.8；r-水容量，取； V-水流速度；g-重力加速度，取；A-单桩入水部分在垂直于水流方向的投影面积；水流力计算时，根据钢管自由长度、钢管面积以及水流速度按公式进行计算，水深5.02m(平均高潮位3.08m，14#墩位水最深：-1.94m），则单桩所受水流力为：第一排桩：FW1=（0.8*10*0.5/20）*5.02*0.8=0.8KN第二排桩遮流系数 ，FW2=0.66*0.8=0.53KN水流力的合力作用于施工水位以下1/3水深处,水流力倒三角形分布。4.4.3.风力计算据公路桥涵设计通用规范（JTJ D60-2004），风荷载标准值式中：设计风速重现期换算系数，取1.0风载阻力系数，取1.7地形，地理条件系数，取1.02设计基准风压，经计算得1.12KPa；横向迎风面积（实际尺寸）；桥面系及贝雷梁结构尺寸按11.25m1.632m计算，断面投影面积18.36m2，实际面积6.5m2。代入参数，求得风力F=12.5kN。4.4.4.钢管桩强度检算运用midas建模计算，结果如下： 图42、钢管桩应力结果图（单位：MPa） 图43、钢管桩反力结果图（单位kN）钢管桩最大应力，满足强度要求；钢管桩最大支反力为钢管5296，,钢管桩截面特性：钢管桩计算长度：（实际平均桩长为28m） 查稳定系数表得：钢管桩稳定性满足要求。4.4.5.钢管桩承载力检算4.4.5.1.地质资料14#墩淤泥层厚27.1m，河床标高-1.94m，钢管桩处于最不利位置。因此选取14#墩位的钢管桩进行承载力检算，14#墩地质资料见下表：14#墩地质资料表土层编号土层名称桩侧摩阻力(kPa)分层厚度（m）1淤泥1027.12中砂602.03粘土405.64.4.5.2.计算公式单桩垂直极限承载力计算公式根据港口工程桩基规范（JTJ254-98）中：单桩垂直极限承载力计算公式：式中：单桩垂直承载力设计值 ；单桩垂直承载力分项系数，考虑钢管桩内部摩阻力，本处取1.1；桩身截面周长；单桩第i层土的极限侧摩阻力标准值；桩身穿过第i层土的长度；单桩极限桩端阻力标准值；桩身截面面积（）；栈桥和平台采用开口的钢管桩，偏安全考虑，不考虑桩端阻力和桩端闭塞效应。在14#墩位处，管桩入土深度取32m（淤泥层27m、中砂层2m、粘土3m）承载力满足要求。以上管桩的设计入土深度，为最不利情况下的入土深度。钢管桩在后场拼接长度为24m（若长度不够可进行水上二次接桩），管桩的入土深度，按设计和惯入度相结合的“双控”进行控制。确保栈桥承载力和稳定性满足要求。