延延高速栈桥计算书.docx
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延延高速栈桥计算书
施工方案编号：
001
延延项目钢便桥修复
计算书
编制:
复核:
批准:
中铁十四局集团第三工程有限公司
2015/4/20
目录
第一章设计计算说明1
1.1设计依据2
1.2工程概况2
1.3钢栈桥设计2
1.3.1主要技术参数2
1.3.2栈桥结构4
第二章钢便桥计算5
2.1贝雷钢栈桥计算过程与结果（12+15×2m）6
2.2贝雷钢栈桥计算过程与结果（9+30+12m）11
第三章栈桥施工注意事项16
第四章栈桥运营注意事项16
延延项目钢便桥修复计算书
第一章设计计算说明
1.1设计依据
《黄河特大桥钢便桥施工图纸》；
《钢结构设计规范》GB50017-2003；
《路桥施工计算手册》；
《公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004）》；
《装配式钢桥使用手册》；
《装配式公路钢桥多用途使用手册》；
1.2工程概况
2015年2月10日至2月15日，由于黄河上游整体气温变化较大，造成黄河上游河道封冰消融，在延延高速黄河特大桥桥址处，主河道出现大面积持续流凌现象，体积大，流速快，为近几年之最。
在此之前，入冬以来河道反复出现流凌、雍冰现象，对钢管桩小规模的冲击，限于流凌体积小及雍冰高度有限，未对便桥造成实质性的破坏，但造成了河道内大面积结冰，雍冰高度持续增大，河道变窄。
入冬以来的持续雍冰积累及温度的迅速变化，流凌体积大，流速快是造成这次便桥破坏的主要原因。
该桥上部结构为两道纵梁，每道纵梁采用三片贝雷架拼装，每三片布置一道横向加劲梁。
0#~8#墩跨径组合为1200+900+3×2100+1500+2×1500，长度129m。
纵梁上每间隔75cm布置一道I25a型横向分配梁，桥面为[30槽钢。
下部结构为钢管桩，4#墩桩底入岩4.5m～5.0m。
钢便桥2#墩河道侧六根钢管桩冲毁，仅剩最左侧一排；3#、4#、5#墩除红色所示单排钢管桩倾斜受力，其余均被冲毁；桥面内外侧之间倾斜，高差54cm。
目前便桥2#墩剩余一排桩至4#墩之间距离45m，4#墩至6#墩之间距离37.5m。
黄河主河道在2#墩至4#墩之间。
目前4#~6#墩贝雷梁已经全部拉倒，便桥4#墩所剩管桩受冰凌冲击，下游钢管桩倾斜，桩顶双拼I40工字钢支撑扭曲变形。
修复方案先加固4#墩，增加现有便桥的稳定，然后从便桥8#墩向小里程方向，采用钓鱼法施工新便桥，7#、6#钢管桩基础不变，从6#～4#墩桥跨改为12m+12m+12m,利用新建桥桥面做平台，用履带吊拆除拉倒的旧桥，补强4#墩钢管桩基础和分配梁，提升贝雷梁到原高度，更换受损贝雷梁，从2#墩向大里程用钓鱼法在12米处增加两排钢管桩，原来的2#～4#墩21m*2跨度变为12m+30m。
1.3钢栈桥设计
1.3.1主要技术参数
（1）荷载确定
根据本栈桥实际修复后使用情况，桥面荷载考虑以下两种主要荷载：
钢栈桥使用中最重车辆9m3的混凝土运输车；钢栈桥架设时履带吊的荷载。
混凝土运输车的轴重大轴距短，选取跨中位置作为计算荷载；将履带吊架梁工况作为检算荷载，履带吊不通过30m跨径栈桥。
1台9m3的混凝土运输车车辆荷载的平面和立面布置如下（参考车型：
三一重工生产的SY5250GJB4（9m3欧Ⅲ）：
底盘型号
SYM1250T4
整备质量
14000kg
整车外形尺寸（长×宽×高）
9200×2490×3880mm
满载总质量
40000kg
轴距
3575mm+1350mm
↑P1↑P2↑P3Pn/2↑Pn/2↑
三一重工9m3砼罐车
P1=6t，P2=P3=17t，合计：
40t。
履带吊架梁时荷载平面及立面如下（参考车型：
三一重工生产的SCC500E履带起重机，自重50t，最大起吊重量50t）：
履带吊自重50t，吊重按20t考虑，合计70t。
履带吊型号
SCC500E
整备质量
50000kg
履带尺寸
5720×700mm×2
履带着地面积
4500×700mm×2
工作时履带间隙
3000mm
本项目满载总质量
70000kg
↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑↑
70t均布荷载35t均布荷载35t均布荷载
三一重工SCC500E履带起重机（自重50t，最大起吊重量50t）
（3）钢弹性模量Es=2.1×105MPa；
（4）材料许用应力：
Q235钢：
[σ]=210MPa；[τ]=160MPa。
16Mn钢：
[σ]=273MPa；[τ]=208MPa。
1.3.2栈桥结构
钢栈桥采用12+9+30+12×3+15×2m八跨一联连续梁结构，栈桥宽6m。
栈桥基础采用打入φ630×10mm钢管桩基础，桩顶安装2I40型钢横梁，布置6排贝雷梁，间距0.45+0.45+2.28+0.45+0.45m，贝雷梁上按照0.75m间距布置I25a横梁，横梁布置在贝雷竖杆及中间位置，面板采用[30槽钢，顺桥向横铺，桥面设置钢管栏杆，高度1.2m。
第二章钢便桥计算
钢便桥计算分别选取采用加强弦杆的9+30+12m最大跨径及标准12+15×2m跨径未加强连续梁作为计算模型，利用MidasCivil计算程序进行验算。
12+15×2m跨径取以下9个工况进行，9+30+12m取前4个计算工况。
钢便桥计算工况一览表
编号
名称
荷载1
荷载2
组合系数
工况1
砼罐车跨中无偏载
便桥自重
砼罐车
1.1×荷载1+1.25×荷载2
工况2
砼罐车跨中偏载
便桥自重
砼罐车
1.1×荷载1+1.25×荷载2
工况3
砼罐车支点无偏载
便桥自重
砼罐车
1.1×荷载1+1.25×荷载2
工况4
砼罐车支点偏载
便桥自重
砼罐车
1.1×荷载1+1.25×荷载2
工况5
履带吊跨中无偏载
便桥自重
履带吊
1.1×荷载1+1.25×荷载2
工况6
履带吊支点无偏载
便桥自重
履带吊
1.1×荷载1+1.25×荷载2
工况7
水流冲击荷载验算
便桥自重
水流冲击
0.9×荷载1+1.35×荷载2
便桥自重通过在程序中设置重力系数进行自动加载，除自重外还需加载砼罐车荷载及履带吊荷载，取便桥最不利位置进行验算。
采用《公路桥涵设计通用规范》4.3.8条，对钢管桩流水压力进行计算。
Fw=KA
K桥墩形状系数，钢管桩为圆形墩查表可知为0.8，A为阻水面积，
为谁的重力密度，V为水设计流速，Fw流水压力标准值，流水压力的着力点在设计水位线下0.3倍水深处。
根据设计院提供的水文地质调查报告及日常水流监测情况综合，桥址处水流最大流速为4m/s。
则单根钢管桩的水流压力荷载为：
1/2*0.8*1000*4^2*0.63*7=28224N
在12+15×2m跨径中，钢管桩深入覆盖层，将横向流水荷载作为工况七在模型中予以考虑；在9+30+12m跨径中钢管桩处于主河道未生根，采取了钢管桩内部钻孔植筋注浆的横向加固措施，另行计算。
2.1贝雷钢栈桥计算过程与结果（12+15×2m）
工况1（砼罐车跨中无偏载）：
砼罐车跨中无偏载（模型）
砼罐车跨中无偏载（反力）
砼罐车跨中无偏载（位移等值线）
砼罐车跨中无偏载（应力）
工况2（砼罐车跨中偏载）：
砼罐车跨中偏载（模型）
砼罐车跨中偏载（反力）
砼罐车跨中偏载（位移等值线）
砼罐车跨中偏载（应力）
工况3（砼罐车支点无偏载）：
砼罐车支点无偏载（模型）
砼罐车支点无偏载（反力）
砼罐车支点无偏载（位移等值线）
砼罐车支点无偏载（应力）
工况4（砼罐车支点偏载）：
砼罐车支点偏载（模型）
砼罐车支点偏载（反力）
砼罐车支点偏载（位移等值线）
砼罐车支点偏载（应力）
工况5（履带吊跨中无偏载）：
履带吊跨中无偏载（模型）
履带吊跨中无偏载（反力）
履带吊跨中无偏载（位移等值线）
履带吊跨中无偏载（应力）
工况6（履带吊支点无偏载）：
履带吊支点无偏载（模型）
履带吊支点无偏载（反力）
履带吊支点无偏载（位移等值线）
履带吊支点无偏载（应力）
工况7（流水冲击荷载）：
流水冲击荷载（模型）
流水冲击荷载（反力）
流水冲击荷载（位移等值线）
流水冲击荷载（应力）
12+15×2m跨径栈桥计算汇总表
编号
项目
数值
部位
工况
备注
1
贝雷弦杆最大应力
207MPa
支点
工况5
安全
2
贝雷立杆最大应力
228MPa
支点
工况5
安全
3
II40型钢最大应力
30MPa
支点
工况5
安全
4
I25a型钢最大应力
158MPa
支点
工况5
安全
5
φ630钢管最大应力
50MPa
一侧钢管
工况5
安全
6
栈桥最大位移
2.03cm
一侧贝雷
工况2
安全
7
最大支点反力
42.7t
一侧钢管
工况5
安全
说明：
1、根据12+15×2m跨径栈桥计算汇总表可知，栈桥各构件应力状态均在安全范围，结构强度满足要求。
2、栈桥桥位处覆盖层较薄，覆盖层下为坚硬裸岩地质，基础情况良好，不再进行钢管桩打入深度计算，为保证钢管桩生根效果，对主河道内钢管桩进行冲击钻孔灌注混凝土确保钢管桩固定牢靠。
2.2贝雷钢栈桥计算过程与结果（9+30+12m）
2.2.1结构计算
工况1（砼罐车跨中无偏载）：
砼罐车跨中无偏载（模型）
砼罐车跨中无偏载（反力）
砼罐车跨中无偏载（位移等值线）
砼罐车跨中无偏载（应力）
工况2（砼罐车跨中偏载）：
砼罐车跨中偏载（模型）
砼罐车跨中偏载（反力）
砼罐车跨中无偏载（位移等值线）
砼罐车跨中无偏载（应力）
工况3（砼罐车支点无偏载）：
砼罐车支点无偏载（模型）
砼罐车支点无偏载（反力）
砼罐车支点无偏载（位移等值线）
砼罐车支点无偏载（应力）
工况4（砼罐车支点偏载）：
砼罐车支点偏载（模型）
砼罐车支点偏载（反力）
砼罐车支点偏载（位移等值线）
砼罐车支点偏载（应力）
9+30+12m跨径栈桥计算汇总表
编号
项目
数值
部位
工况
是否安全
备注
1
贝雷弦杆最大应力
328MPa
支点
工况2
否
超限需说明
2
贝雷立杆最大应力
298MPa
支点
工况2
否
超限需采取措措施
3
II40型钢最大应力
44MPa
支点
工况2
安全
4
I25a型钢最大应力
167MPa
支点
工况2、4
安全
5
φ630钢管最大应力
43MPa
一侧钢管
工况4
安全
6
栈桥最大位移
5.05cm
一侧贝雷
工况2
安全
分配梁位移过大需采取措施
7
最大支点反力
52t
一侧钢管
工况2
安全
说明：
1、根据9+30+12m跨径栈桥计算汇总表可知，除工况2外栈桥各构件应力状态均在安全范围，结构强度满足要求。
2、在工况2情况下，贝雷片弦杆和立杆都出现了应力超限的情况，集中在3个支点处分配梁与贝雷片竖杆与弦杆的连接节点处，如图所示：
应力超限节点细部图
理论分析将此处视为节点接触，在实际工程中此处接触为面接触实际产生的应力要小于计算值；在此节点之外弦杆的应力均在允许值之内，因而弦杆安全；对于小腹杆超限，可在结构上予以加强，采取小腹杆两侧布设双拼10槽钢进行加强。
此情况为极限偏载下出现的情况，在正常使用情况下，不会出现此工况。
3、为避免说明1中出现的局部应力超限的情况出现，由于便桥为流冰冲毁后重建，使用期较短现场并未采取加固措施，而是通过设置行车路线，保证车辆行车处于中轴线两侧不出现大的偏载，同时在便桥上不允许会车跟车，严格限速逐次通过便桥。
2.2.2便桥横向水流荷载计算
由前述可知单根630钢管桩的流水压力荷载为2.8t，单根800钢管桩流水压力荷载为3.6t。
考虑自重与流水压力共同作用，自重荷载组合系数为0.9，流水压力组合系数为1.35。
原钢便桥4#墩旧钢管桩及新建钢管桩较多，未生根，处于主河道重阻水面积较大，将其作为水流荷载计算最不利位置分析。
采取的加固措施为便桥上下游两侧分别设置两根820钢管桩与便桥630钢管桩采用螺旋管做平联，使之为一整体。
将4根Φ820mm钢管灌完砼然后利用钻机设备进行取芯，每根桩取3根，入岩7m，然后每根放入2组32钢筋注入水泥浆。
4#墩钢管桩分布平面图钢管桩钻孔加固
由上图可知总的横向流水压力为17根630钢管桩与4根800钢管桩总和为：
1.35*（17*2.8+4*3.6）=83.7t
流水压力荷载对钢管桩群的作用效应，只考虑四根820钢管桩所提供的抗拔和抗剪能力（此假设，计算结果趋于保守）。
受力模型简化为下图刚架，只考虑横桥向的作用效果。
易知:
F1=F2=83.7/2=41.85t（组合系数1.35）；
G1=G2=0.9*12*（0.82/2）^2*3.14*26/10*2=32.8t（组合系数0.9）；
钢便桥压力荷载从模型中提取为F3=F5=18.6t；F4=13.1t（组合系数0.9）；
易求得:
支点A：
水平反力39.4t，方向水平向左，竖直反力19.1t，方向竖直向上。
支点B：
水平反力44.3t，方向水平向左，竖直反力96.6t，方向竖直向上。
两个支点均未出现向下的支反力，钢管桩无抗拔要求，抗拔验算通过。
取下游侧较大水平反力44.3t进行抗剪验算。
820钢管桩钻孔后插入钢筋可提供的水平抗剪力为：
360*3.14*0.25*32^2*12/10000=347t
其中360为钢筋抗剪设计值，12为下游侧抗剪钢筋根数。
安全储备系数为347/44.3=7.8,能够满足抗剪需要。
第三章栈桥施工注意事项
a、钢管桩平面位置偏差控制在双排桩80mm，垂直度控制在1%以内；
b、钢管桩施打完成后，应立即进行钢管桩的横向连接，焊接剪刀撑及钢管平联，所有钢结构的焊接，包括钢管桩的节段焊接、型钢的焊接以及各个连接件的焊接质量需可靠牢固；
c、钢管桩横向连接完成后，立即灌注混凝土，保证桩内混凝土密实，可采用旧棉被对钢管桩底部进行封底，避免混凝土被流水冲走。
d、便桥桥面完成后，进行加固措施的施工，钻孔放入钢筋并灌浆。
第四章栈桥运营注意事项
本修复栈桥工程运行期为8个月，建立健全维护栈桥的相关制度，安排专人负责并做好维护记录。
a、设置行车线路指引，砼罐车按照主动路线行进，严禁跟车会车，超限车辆通行；
b、建立修复后便桥沉降观测记录，监控便桥跨中挠度变化；
c、定期检查贝雷片连接处的销子、定位销的松动脱落情况；以及焊缝等做好定期养护。
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