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Q1%=8580m3/s;
最高水位:
H1%=3.864m;
最大流速:
V1%=1.36m/s;
钢管桩和钢平台均穿过第一层淤泥质黏土,进入中密中砂层,进入两种土层的深度见表1,查相关规范取淤泥质黏土的桩周摩阻系数为20kpa,中密中砂的桩周摩阻系数为55kpa。
根据设计文件各墩冲刷情况见表2:
表2各墩冲刷深度表
一般冲刷线
一般冲刷深度
局部刷线
局部冲刷深度
-17.39m
11.89m
-20.33m
14.83m
-17.53m
10.23m
-20.64m
13.34m
-16.62m
11.52m
-18.81m
13.71m
二、计算依据
1.《榕江特大桥桥型整体布置图》
2.《榕江特大桥设计说明》
3.《榕江特大桥71~73号主墩桩基施工组织设计》
4.《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)
5.《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10002.5—2005)
6.《桥涵》(公路施工手册)
7.《铁路桥涵施工规范》(TB10203—2002)
8.《钢结构设计规范》(GB50017-2003)
三、计算参数取值
1、钢材密度取7.85t/m3,钢材弹性模量E=2.1x105Mpa,泊松比取0.3。
2、Q235钢抗拉、抗压和抗弯强度设计值[f]=215Mpa,抗剪强度设计值[fv]=125Mpa;
Q345钢抗拉、抗压和抗弯强度设计值[f]=310Mpa,抗剪强度设计值[fv]=180Mpa;
321贝雷片允许弯矩[M0]=975KN.m,允许剪力[N0]=245KN。
3、主要计算构件的截面特性
表3主要计算构件截面特性表
构件
截面积A(cm2)
惯性矩Ix(cm4)
截面模量Wx(cm3)
回转半径r(cm)
钢管桩
201
156009
3900
27.86
钢护筒
1524
17539550
115013
107.28
2I36b
167
33148
1842
贝雷桁片
250500
3340
四、计算内容
1、钢护筒:
钢护筒埋设深度和打入深度计算,钢护筒振打过程中强度和稳定性计算。
2、321贝雷梁:
最不力工况下贝雷梁强度和刚度计算。
3、钢管桩:
单根钢管桩在水流作用下的稳定计算,钢管桩受轴向力的强度和稳定性计算,承载能力验算。
4、2I36b工字钢分配梁:
最不力工况下的强度计算。
五、荷载计算
1、恒载:
恒载主要为施工平台自重,钢管桩顶以上部分的恒载G1=1150KN,钢管桩自重G2=850KN,本恒载未计入钢护筒重量。
2、施工活载
每个施工平台按两台旋转钻机同时作业考虑,每台钻机自重G3=1100KN(含钻头、配重、钻杆),配套空压机、泥浆循环系统等约G4=400KN,人群荷载略。
3、总荷载
考虑1.2的附加系数作为水流冲击力和风力的影响,则平台设计总荷载G=1.2[G1+G2+2(G3+G4)]=6000KN。
六、结构计算
1、钢护筒计算
1.1钢护筒埋设深度计算
钢护筒埋设深度L按下述公式计算:
L=
式中:
L—护筒埋置深度,m;
H—施工水位至床面深度,m;
h—护筒内水头,即护筒内水位与施工水位之差,m;
—护筒内泥浆容重,KN/m3;
—水的容重,KN/m3;
—护筒外床体土层的饱和容重,KN/m3,
=
其中:
—土粒的相对密度;
e—饱和土层的孔隙比。
当护筒穿过几种不相同的土质时,护筒外河床土的饱和容重取平均值,即:
=
—几种不同土的平均饱和容重,KN/m3;
—每种不同土的饱和容重,KN/m3;
—每种不同土的层厚,m。
在上述计算公式中,施工水位考虑+2.634m,
则71号墩钢护筒处的H1=8.134m,72号墩钢护筒处的H2=9.934m,73号墩钢护筒处的H3=7.734m;
h=2m;
=11KN/m3;
=10KN/m3。
淤泥质粘土取
1=2.7,e1=1.8;
中砂层取
2=2.65;
e2=0.762。
则淤泥质粘土层,
=10(2.7+1.8)/(1+2.7)=12.16KN/m3
中砂层,
=10(2.95+0.762)/(1+0.762)=22.2KN/m3
71号墩平均饱和容重:
=(12.48x12.16+3.23x22.2)/(12.48+3.23)=14.22KN/m3
72号墩平均饱和容重:
=(14.49x12.16+3.42x22.2)/(14.49+3.42)=14.08KN/m3
73号墩平均饱和容重:
=(11.52x12.16+3.59x22.2)/(11.52+3.59)=14.55KN/m3
故钢护筒埋设深度L值:
71号墩L=[(2+8.134)x11-8.134x10]/(14.22-11)=9.36m
72号墩L=[(2+9.934)x11-9.934x10]/(14.08-11)=10.37m
73号墩L=[(2+7.734)x11-7.734x10]/(14.55-11)=8.38m
1.2钢护筒打入深度计算
三个墩钢护筒底端最小埋置深度分别为:
9.36m、10.37m、8.38m;
三个墩护筒设计打入深度分别为:
15.71m、17.91m、15.11m,满足要求;
有效嵌固深度值为:
2(d+1)=2×
(3.05+1)=8.1m;
钢护筒周边土的摩阻力
R=fuL(Kpa)
式中,R——土的摩阻力;
f——土单位面积的动摩阻力(KPa);
u——钢护筒周边长度(m);
L——钢护筒的入土深度(m);
则:
71号墩R1=3.05×
3.14×
(20×
12.48+3.23×
55)=4092KN
72号墩R2=3.05×
14.49+3.42×
55)=4577KN
73号墩R3=3.05×
11.52+3.59×
55)=4098KN
施工时采用160t液压振动锤以2000转速能振打到设计位置,激振力为1176KN。
1.3钢护筒强度计算
钢护筒最不利工况是在振打过程中承受1176KN激振力。
整体受压强度
钢护筒截面面积:
A=1524cm2
则压应力б=1176×
10/1524=7.7MPa≦[б]=215MPa,满足要求。
1.4钢护筒受压整体稳定计算
钢护筒长细比λ=L/r
L取钢护筒顶至钢护筒在土中的有效嵌固深度位置的长度。
钢护筒顶标高取为+5.69m,72号墩床面标高最底为-7.3m,有效嵌固深度值为:
(3.05+1)=8.1m
则L=5.69+7.3+8.1=21.09m=2109cm
于是λ=2109/107.28=19.7
按下式计算整体稳定性:
N/(ΦA)≤f
其中N为钢护筒所受激振力;
A为钢护筒截面面积;
Φ为轴心受力构件的稳定系数,查表知
Φ=0.946
f为钢材的抗压强度设计值,取f=215MPa
则N/(ΦA)=1176x10/(0.946×
1524)=8.2MPa<
f,满足要求。
2、贝雷梁计算
根据施工安排,两台钻机不会同时在同一组贝雷梁上进行作业,贝雷梁按一跨承受钻机荷载,另一跨无钻机情况进行计算,此时贝雷梁承受两部分荷载,第1部分为钢管桩顶以上的平台、空压机和循环系统重量,总重195t,按在8组贝雷梁上均布考虑,则每组贝雷梁上作用均布线荷载q=10KN/m,第2部分为钻机自重,每台钻机钻孔施工时重1100KN,则在每组贝雷梁上作用2个F=275KN集中力,计算跨径为2x12m连续,计算简图见图2。
图2贝雷梁计算简图
用ANSYS有限元软件进行计算,结果如下:
计算模型图变形图(最大变形12mm)
弯矩图(最大弯矩1070KN.m)应力图(最大应力153MPa)
最大弯矩=1070KN.m,<
2x975=1950KN.m满足要求;
最大剪力=250KN<
2x245=490KN满足要求;
最大应力153MPa<
310MPa满足要求;
最大变形12mm,12/12000=1/1000〈1/400满足要求;
支反力:
292KN、500KN、-0.57KN
3、钢管桩计算
3.1单根钢管桩在水流作用下的稳定
1)单根钢管桩的水阻力
Fw=KA(rv2/2g)(KN)
r—水的容重(KN/m3),取r=10(KN/m3)
v—设计流速(m/s),取1.36(m/s)
A—钢管桩阻水面积(m2)
g—重力加速度,g=9.81(m/s2)
K—形状系数,圆形结构物,取K=0.8。
单根钢管桩最大水阻:
Fw1=12.2KN
2)单根钢管桩的位移和内力
由于地基为弹性地基,需按m法计算弹性地基的变形情况。
土中基础变形系数:
α=
b1=0.9k(1.5d+0.5)=0.9×
1×
(1.5×
0.8+0.5)=1.53m
EI=(2.1×
108)×
(156009×
10-8)=327609KN
查规范,m偏安全取3000KN/m4
利用“桥梁博士”软件进行计算,结果如下:
河床面位置最大位移4.5mm,转角0.0022弧度
最大弯矩:
178.1KN.m
最大应力б=178.1×
1000/3900=46MPa≦[б]=215MPa,满足要求。
3.2钢管桩承载能力验算
三个墩钢管桩设计打入深度分别为:
18.27m、18.47m、17.61m;
钢管桩桩端承载力作为安全储备不计入承载力的计算,则,钢管桩承载能力容许值按以下公式计算:
Ra=1/2*u*a(L*q)
式中,Ra——单桩轴向受压承载力容许值(KN);
u——钢管桩周边长度(m);
L——钢管桩的入土深度(m);
q——土单位面积的动摩阻力(KPa);
a——桩侧摩阻力影响系数,锤击桩取1.0;
则单桩承载力容许值:
71号墩Ra1=0.5×
0.8×
1.0×
12.48+55×
5.79)=714KN
72号墩Ra2=0.5×
14.49+55×
3.98)=639KN
73号墩Ra3=0.5×
11.52+55×
6.15)=714KN
计算钢管桩承受的最大荷载为500KN,单根钢管桩自重为47KN,则单根钢管桩最大轴向荷载为547KN〈容许承载力639KN,满足要求。
3.3钢管桩强度计算
钢管桩最大轴向力为547KN。
钢管桩截面面积:
A=201cm2
则压应力б=547×
10/201=27MPa≦[б]=215MPa,满足要求。
3.4钢管桩受压整体稳定计算
钢管桩长细比λ=L/r
L取钢管桩顶至钢管桩在土中的有效嵌固深度位置的长度。
钢管桩顶标高取为+5.23m,72号墩床面标高最底为-7.3m,有效嵌固深度值为:
(0.8+1)=3.6m
则L=5.23+7.3+3.6=16.13m=1613cm
于是λ=1613/27.86=57.9
其中N为钢管桩所受激振力;
A为钢管桩截面面积;
Φ=0.769
则N/(ΦA)=547x10/(0.769×
201)=35MPa<
4、分配梁计算
在钻孔施工时,贝雷梁上的工字钢分配梁不承受弯矩,钻机荷载直接通过分配梁传递到贝雷梁上,在钻机移动到下一孔的过程中,钻机1/4荷载作用在一组分配梁跨中时,分配梁受力最不利,此时钻机自重约800KN,取分配梁最大跨径L=4.8m简化为简支结构进行计算,跨中作用一个集中力F=800/4=200KN。
最大弯矩M=F*L/4=240KN.m,最大应力б=240×
1000/1842=130MPa≦[б]=215MPa,满足要求。
最大剪力Q=F/2=100KN,最大剪应力fv=Q/A=100×
10/167=6MPa≦[fv]=125MPa,满足要求。
七、计算结论
以上计算结果表明,71~73号主墩钻孔平台在搭设过程和钻孔施工过程中各结构的强度、刚度和稳定性均满足设计和规范要求,施工过程中应严格按照施工方案作业,各构件材料和加工应符合相关规范和验收标准的要求。
2008年10月28日