钢栈桥设计计算书.docx

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钢栈桥设计计算书

钢栈桥设计计算书

第1章.结构设计

1.1.结构设计依据

（1）.《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011）；

（2）.《钢结构设计手册》（第二版）；

（3）.《装配式公路钢桥多用途使用手册》；

（4）.《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》——（JTJ025－86）；

（5）.《公路桥涵地基与基础设计规范》——（JTGD63-2007）；

（6）.《港口工程荷载规范》——（JTJ215－98）；

（7）.《公路桥涵设计通用规范》——（JTGD60-2004）。

1.2.结构设计的各项技术参数

（1）.A3钢材的允许拉、压应力：

【σ】＝140MPa；

（2）.A3钢材的允许弯应力：

【σw】＝145MPa

（3）.A3钢材的允许剪应力：

【τ】＝85MPa；

（4）.A3钢材的弹性模量：

E＝2.1×105MPa；

（5）.双排不加强贝雷允许剪力：

【F】＝490.5kN；

（6）.双排不加强贝雷允许弯矩：

【M】＝1576.4kN·m；

（7）.16Mn钢材的允许拉、压应力：

【σ】＝200MPa

（8）.16Mn钢材的允许弯应力：

【σw】=210MPa

（9）.16Mn钢材的允许剪应力：

【τ】＝120MPa；

（10）.16Mn钢材的弹性模量：

E＝2.1×105MPa；

（11）.焊接强度容许值[

]=110MPa；

根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》规定，临时结构可以考虑1.3倍材料强度的提高系数。

1.3.结构设计方案

阶段1、从XX侧从大堤沿桥轴线搭设栈桥至23#墩，栈桥宽4.5m,标高+7.3m,留23#-25#总宽79.5m作为双向通航航道。

XX侧从大堤搭设25#-26#间栈桥。

阶段2、当XX侧22#、23#墩施工完成后，拆除21#到22#、22#到23#墩间栈桥作为双向通航航道，搭设23#-25#间栈桥，用于施工24#-26#墩。

钢栈桥采用贝雷加型钢的组合结构形式，栈桥均采用φ630×8mm的螺旋钢管桩基础，每排钢管之间的横向间距均为3.15m。

纵向间距9m、12m不等，中间人行通道管桩横向间距2m，纵向间距30m。

横向钢管间设置[20a的槽钢作为平联及斜撑。

桩顶设双肢I28a工字钢的承重梁，上面铺设单层2组不加强型贝雷架为纵梁，同组两排贝雷之间采用45#花架连接，两组贝雷间采用L75×75×5的角钢进行连接，贝雷架上铺设间距为75cm的I28a的工字钢作为横向分配梁，分配梁和贝雷之间采用骑马螺栓固定。

桥面纵向铺设间距为24cm的反扣[20a槽钢作为面板，栈桥两侧设置1.2m高的Φ48×3mm的钢管护栏，护栏表面涂刷红白相间的油漆（30cm×30cm）。

栈桥每6跨设为一联，并设置0.2m伸缩缝，伸缩缝用0.5m宽钢板一端焊接一端自由构造。

以加强钢管整体平整性，底层平联在最底潮位时焊接。

阶段1栈桥布置图

阶段2栈桥布置图

第2章.设计荷载

2.1.永久荷载

结构自重。

单组单层双排贝雷梁及桥面系自重分析如下：

标准12m跨双排贝雷自重：

q1=2kN/m；

[20a反扣槽钢自重：

q2=（25（根）×0.226KN/m）/2=2.821kN/m；

I28a工字钢自重：

q3=（6×0.435KN/m）/（0.75×2）=1.74kN/m；

单侧贝雷及桥面系钢材自重：

Q=q1+q2+q3=6.561kN/m。

2.2.可变荷载

2.2.1.车辆荷载

钢栈桥在搭设时，采用20t浮吊进行悬臂振桩施工，50t履带吊自重50t+吊重20t，考虑1.1的冲击系数，验算荷载取77t。

钢栈桥搭设好后，通行的主要是10m3的砼罐车（自重15t+砼重25t,考虑1.1的冲击系数，验算荷载取45t）、50t履带吊及运输材料的平板车。

综合考虑，验算50t履带吊和10m3砼罐车作用时的受力情况。

50t覆带吊荷载分布图式：

图2.1-50t覆带吊荷载分布图

10m3砼运输罐车荷载分布图式：

图2.2-10m3砼运输罐车荷载分布图

2.2.2.水流压力

水流压力的计算分两个阶段：

阶段一：

常水位水流压力荷载。

查看相关水文地质资料，设计最大水流流速为0.5m/s，根据《港口工程荷载规范》规定：

其中圆形结构Cw=0.73，水的密度ρ=1t/m3,钢管桩的阻水高度取1m,则阻水面积A=1×0.63=0.63m2，不考虑遮流影响和水深影响系数。

水流压力FW=0.73×0.63×1×0.52/2=0.05kN/m

即钢管桩在水面以下,冲刷线以上承受倒三角型水流压力荷载。

2.2.3.漂流物静压力

考虑贝雷阻挡的漂浮物宽度为12m，吃水深度为0.5m，按照《港口工程荷载规范》计算：

。

2.2.4.风压力

本项目位于台风多发地区，应予以考虑台风风荷载影响。

根据设计说明，极端最大风速为36m/s（12级），即取V10=36m/s，则Vd=K2×K5×36m/s=1.08×1.38х36=53.65m/s。

K2—高度修正系数，查规范取1.08（A类地表，离水面5m）；

K5—阵风风速系数，查规范取1.38（A类地表）；

设计基准风压为：

K0—设计风速重现期换算系数，取1.0；

K1—风载阻力系数，按照《公路桥涵设计通用规范》规定，桥面系取K1=1.3；贝雷桁架实面积比=桁架净面积/桁架轮廓面积=1.35/（1.5x3）=0.3，查表4.3.7-4得风载阻力系数为1.7，考虑桁架遮挡系数η，根据贝雷桁片间距比=两桁架中心距/迎风桁高度=0.45/1.5=0.3＜1，查表4.3.7-5得η=0.80，所以贝雷桁架风载阻力系数为K1=1.7x0.8=1.36。

钢管桩风载阻力系数查表4.3.7-6得K1=1.2。

K3—地形，地理条件系数，取1.0。

根据风压计算公式：

，桥面系的横桥向风压

，贝雷桁架的横桥向风

。

上部结构的总迎风面积：

每片贝雷投影面积A1=1.35m2，[20a槽钢迎风面积A2=0.073×12=0.876m2。

则一跨12m上部结构所受风荷载

，上部结构所受风荷载转化成集中荷载加载到钢管桩的顶面。

按栈桥常水位，钢管桩水面以上露出5m考虑，则钢管桩所受风荷载F=1.0×1.2×1.0×1.76×0.63×（5-2）×2=7.98kN，作用在标高+3.03m处。

2.3.河床冲刷计算

2.3.1.计算所用的基本参数

（1）.计算流速V=0.5m/s；

（2）.桥墩计算宽度b1=0.63m（钢管桩外直径）；

（3）.设计断面桥孔部分最大水深hMax=10m；

（4）.墩型系数Kξ=1；

（5）.河床圆砾平均粒径：

dj=7.5mm（可以修正）；

2.3.2.冲刷计算

（1）.一般冲刷:

由于栈桥属于临时工程，使用年限为3年，一般冲刷不明显，故取

。

（2）.局部冲刷:

查表：

则总冲刷深度取h=0.5+0.3=0.8m。

考虑到洪水的影响，最大冲刷深度取1m。

第3章.结构验算

3.1.结构最不利工况分析

栈桥在运行过程中，最不利工况是罐车或者履带吊行驶到贝雷跨中位置。

3.2.结构的强度、刚度及稳定性验算

3.2.1.桥面[20a纵梁验算

（1）.受力分析

桥面[20a纵梁支撑在I28a上横梁上，横向共布置18根，间距为24cm。

当汽车荷载和履带吊荷载分别作用其上时，汽车轮胎传递给桥面[20a纵梁的荷载较为集中，[20a纵梁按照3跨连续梁受力进行简化验算。

而履带吊由于履带的分布扩散作用，传递给桥面[20a纵梁的荷载较为均布，且[20a纵梁按照6跨连续梁受力进行简化验算。

所以对于桥面[20a纵梁最不利受力验算时应采用汽车荷载。

图3.1-混凝土罐车荷载布置横断面图（单位：

m）

图3.2-混凝土罐车荷载布置纵断面图（单位：

m）

图3.3-履带吊荷载布置横断面图（单位：

m）

图3.4-履带车荷载布置纵断面图（单位：

m）

经分析，当10m3砼罐车中、后轮有一个轮胎荷载作用在单根桥面[20a纵梁跨中时弯矩最大，作用在支点区域时剪力最大。

中后轮P1=36/（4×2）=4.5t=45kN，单轮胎接触面积为0.2m×0.3m，单根桥面[20a纵梁所受的汽车荷载：

45kN/0.2m=225kN/m

（2）.[20a槽钢截面参数

b=7mm=7×10-3m

A=28.4cm2=28.4×10-4m2

I=127cm4=127×10-8m4

Wy=48393mm3=48.4×10-6m3

E=2.1×105MPa

（3）.受力计算图式

荷载位于跨中时：

图3.5-桥面[20a纵梁计算图式（单位：

kN、m）

荷载位于支点处时：

图3.6-桥面[20a纵梁计算图式（单位：

kN、m）

（4）.受力计算结果

荷载位于跨中时：

图3.7-弯距图（单位kN.m）

图3.8-变形图（单位m）

荷载位于支点处时：

图3.9-剪力图（单位kN）

求得：

（5）.强度及刚度验算

正应力验算：

满足要求。

剪应力验算：

τMax=QMaxS/Ib＝37.41×25.8×10-6/128×10-8×7×10-3=107.7MPa

<1.3[τ]=1.3×85=110.5MPa满足要求

挠度验算：

ƒMax=1.02mm<750/400=1.875mm满足要求

3.2.2.I28a上横梁验算

（1）.受力分析

上横梁采用I28a，长6.0m，0.75m间距布置，与贝雷片间通过骑马螺栓连接固定，贝雷相对上横梁从左侧开始横向位置分别为0.45m、0.9m、5.1m、5.55m。

同桥面纵梁一样，I28a上横梁最不利受力计算时,应采用汽车荷载。

当10m3砼罐车中、后轴轮胎荷载作用在上横梁顶面，且横向有一组轮胎荷载位于上横梁跨中时弯矩最大，作用在支点附近时剪力最大。

最不利荷载布置见图3.10、3.11所示，单根I28a上横梁所受的汽车荷载：

中后单组轮胎P1=36/（4×2）=4.5t=45kN。

单组轮胎经过3根槽钢传递，则q=45×2/0.68=132kN/m。

图3.10-10m3砼罐车荷载最不利位置纵向布置图

图3.11-10m3砼罐车荷载最不利位置横向布置图

（2）.I28a截面系数

A=55.37cm2=55.37×10-4m2

b=8.5mm=8.5×10-3m

I=7115cm4=7115×10-8m4

S=292.7cm3=292.7×10-6m3

W=508.214cm3=508.214×10-6m3

E=2.1×105MPa

（3）.计算图式

图3.12-I28a上横梁计算图式（单位：

kN、m）

（4）.计算结果

图3.13-剪力图（单位kN）

图3.14-弯距图（单位kN·m）

图3.15-挠度变形图

求得：

（5）.强度及刚度验算

正应力验算：

满足要求。

剪应力验算：

τMax=QMaxS/Ib＝（82.96×292.7×10-6）/（8.5×10-3×7115×10-8）

＝40.18MPa<1.3[τ]=1.3×85=110.5MPa满足要求。

挠度验算：

ƒMax=5.7mm

3.2.3.贝雷梁验算

（1）.受力分析

贝雷梁采用单层双排不加强型结构形式，主要承受由上横梁传递的车辆荷载和上横梁、桥面纵梁及贝雷自重恒载。

（2）.贝雷梁参数

由《装配式公路刚桥梁多用途使用手册》可知单层双排不强型贝雷技术参数：

[M]=1576.4kN.m；

[Q]=490.5kN；

Ix=7932000mm4=7932000×10-12m4

（3）.受力计算

计算单侧贝雷承受的最大荷载时，取履带吊偏载比为0.7：

0.3，单侧履带吊位于贝雷顶面。

履带长度为4.5m,两条履带的中心距离为3.6m。

图3.16-单侧贝雷最不利荷载计算图（单位：

kN）

贝雷所受荷载最大为539kN，至少覆盖6根分配梁,每根分配梁传递荷载为P3=539/6=89.8kN。

按照最不利荷载布置对贝雷梁进行内力计算：

图3.17-单侧贝雷梁受力计算简图

图3.18-单侧贝雷承梁剪力图（单位：

kN）

图3.19-单侧贝雷承梁弯矩图（单位：

kN.m）

求得：

QMax=289.85kN,MMax=929.2kN·m,ƒMax=5.6mm强度及刚度验算：

MMax＝929.2KN.m<[M]=1576.4kN·m满足要求

QMax＝289.85KN<[Q]=490.5kN满足要求

ƒMax=5.60mm＜12000/400=30mm满足要求

钢管桩稳定性验算

计算得到屈曲临界荷载系数为1.62>1,考虑到栈桥钢管桩之间及钢管桩间有贝雷相连，，所以栈桥具有足够的承压稳定性。

3.2.4.双肢I28a下承重梁强度验算

钢管桩顶部的下横梁采用双肢I28a工字钢，承受车辆及上部构造自重传递的荷载，主要为受压构件。

I28a的腹板厚度为8.5mm，贝雷与工钢接触面宽为176mm，则承压面积为0.176×2×0.0085=2.992×10-3m2。

支反力最大为履带吊作用在钢管桩顶时P=539kN，则下横梁所受压应力为：

σmax=P/A=539×103/（2×2.992×10-3）=90.07MPa<1.3[σ]=1.3×140=182MPa满足要求。

3.2.5.钢管桩牛腿强度验算

牛腿采用δ=10mm钢板制作，规格尺寸如图3.51所示，牛腿与钢管桩焊接连接。

上横梁传递的上部荷载全部由牛腿承担，再将其传递于钢管桩。

对牛腿焊缝按同时承受弯矩、剪力角焊缝作强度验算。

图3.52-牛腿结构示意图（单位：

cm）

焊缝全部采用双面焊，焊角尺寸hf=10mm，角焊缝有效厚度he=10×0.7=7mm。

由前述计算可知，钢管桩最大受力为652.5kN，每个钢管桩上设两个牛腿，单个牛腿受力为539kN/2=269.5kN。

则牛腿角焊缝最大剪力为N=269.5kN，

弯矩M=269.5×0.15=40.4kN.m。

垂直角焊缝有效面积为：

A2=4×（300-10）×7＝8120mm2

水平角焊缝有效焊缝面积为：

A1=2×（300-10）×7＝4060mm2

角焊缝面积和为：

A=4060+8120=12180mm2

角焊缝重心位置y=（4060×3.5+8120×147.5）/12180=95mm

焊缝惯性矩

=1.18×108mm4

焊缝抵抗矩：

Wf=1.18×108/（95-7）=134×104mm3

角焊缝强度验算：

弯矩计算值由牛腿全部角焊缝承受，考虑剪力仅由垂直角焊缝承受，角焊缝最大应力出现在下端点：

其中β为抗弯强度提高系数，查《钢结构设计原理》得β=1.22。

焊缝剪应力：

τN＝

＝22.1MPa

焊缝弯应力：

δM＝

＝30.1MPa

角焊缝应力τ=

=

=33.1MPa≤[

]=110MPa。

焊缝强度满足要求。

3.2.6.桥台扩大基础计算

两岸栈桥与河堤相连处均采用整体式C25混凝土扩大基础，基础尺寸为5×2.0m。

查地质资料，

荷塘侧：

[σ]地基=90kPa

均安侧：

[σ]地基=90kPa

扩大基础竖向受力采用单排钢管桩所承受的竖向荷载，为P=539x2=1078kN。

则扩大基础基底应力为：

均安侧：

σ=1078/（2.5×5）=86.4kPa<90kPa满足承载力要求。

荷塘侧：

σ=1078/（2.×5）=86.4kPa<90kPa满足承载力要求。

扩大基础处开挖后采用小型夯实机夯实，防止其出现较大沉降变形。

3.2.7.钢管桩入土深度计算：

受力分析

通过各种工况下结构的内力计算结果可得到单根钢管桩桩顶受力最大为P＝539kN。

地层允许承载力及极限摩阻力设计值

根据地勘单位提供的地质勘察报告可知各墩位地层分布情况如表3.1～3.4：

表3.1-荷塘侧地质情况

分层厚度

（m）

层底深度

（m）

层底高程

（m）

岩土名称及特征

容许承载力（kPa）

极限摩阻力（kPa）

1.8

2.3

0.91

粉质粘土

90

30

7.2

9

-6.29

淤泥质砂

70

20

12.2

21.2

-18.49

粉砂

90

30

入土深度计算

查《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）得沉桩的容许承载力：

式中：

[P]——单桩轴向受压容许承载力（kN）；

U——桩的周长（m）；

——承台底面或局部冲刷线以下各土层厚度（m）；

——与

对应的各土层与桩壁的极限摩阻力（kPa）；

——桩尖处土的极限承载力（kPa）；

、

——分别为沉桩对各土层桩周摩擦力和桩底承载力的影响系数，对于锤击沉桩其值均取为1.0。

钢管桩入土深度按地质情况分别进行计算，偏安全考虑，不计闭塞作用产生的桩端承载力，单根钢管桩入土深度按公式P=

来计算。

设钢管桩入粉砂层深度为h1，单根钢管桩入土深度按以下公式计算：

P=

539×1.55=3.14×0.63×（30×1.8+20×7.2+30×h1）

解得h1=8m

则入土深度L1=1.8+7.2+8=17m.