东湖隧道栈桥计算书midas.docx
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东湖隧道栈桥计算书midas
DHTDK0+300交通疏解
钢栈桥施工计算书
东湖通道工程一标段
2012.12.17
一、工程概况
东湖通道工程起于二环线水东段主线高架桥（红庙立交），止于鲁磨路与东湖东路交叉口，主要包括红庙立交和东湖隧道两部分。
根据设计，东湖隧道将从九女墩北侧下筲箕湖。
根据相关资料显示和现场踏勘情况，在DHTDK0+300处存在一条现状湖边道路与隧道主体结构呈十字交叉。
该现状路位于筲箕湖与九女墩的交界处，上连华侨城居民区，下接沿湖路，是华侨城居民进出居住小区的必经道路。
该交叉段的隧道主体结构为暗埋式，需下穿该现状路，该现状路处于挖方施工范围，隧道结构施工将不可避免破坏现状路，造成该道路无法正常通行。
经与华侨城方沟通，拟在交叉段新修一座钢栈桥，以供小区车辆和行人通行，施工车辆从桥下施工便道通行。
二、栈桥简介
栈桥起点桩号K0+000,止点桩号K0+323.410,全长约324米，钢栈桥设计桥面宽度为9m（0.228m宽护栏+1.022m宽人行道+6.5m宽机动车道+1.022m宽人行道+0.228m宽护栏）。
栈桥采用钢管桩+分配梁+贝雷梁（H588型钢）+桥面板相结合的形式，跨湖中隧道主体结构区域采用39m跨双层贝雷梁，其他区域均采用12m标准跨径。
栈桥每5孔或6孔栈桥为一联，并在每两联的交接处设置制动墩（为双排桩，其余位置为单排桩）。
栈桥基础采用D529×10mm钢管，桩顶安放2Ⅰ36a横向分配梁传递荷载，纵向布置贝雷梁，每组贝雷片在各标准竖杆断面及下弦平面内设置支撑架；组与组之间设置竖向和水平支撑架，将整个贝雷片连成一体，增强栈桥稳定性。
贝雷梁与型钢之间连接采用直径20的“U”型螺栓，贝雷片与钢管桩之间通过设置纵、横分配梁传递荷载。
贝雷架上部均布I25b（I28b）横向分配梁，间距705㎜（500㎜），横向分配梁上设置Ⅰ12（I14）纵向分配梁，间距30cm；桥面板采用10mm厚花纹钢板，花纹钢板与纵向分配梁焊接成框架结构。
三、计算依据
1、《东湖通道工程Ⅰ标段隧道部分岩土工程勘报告》（2012）；
2、《东湖通道指导性施工组织设计》；
3、《公路桥涵施工技术规范》（JTGTF50-2011）；
4、《装配式公路钢桥多用途使用手册》（黄绍金等编著）人民交通出版社
5、《城市桥梁设计荷载标准》（CJJ77-98）
6、《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）；
四、设计说明
1、主要技术参数
（1）、Q235钢材：
弹性模量：
E=2.1×105MPa
轴向容许应力[σ]=140MPa
弯曲容许应力[σw]=145MPa（临时结构允许不超过170MPa）
剪切容许应力：
[τ]=85MPa
（2）、16Mn钢：
轴向容许应力[σ]=210MPa
弯曲容许应力[σw]=200MPa
剪切容许应力：
[τ]=120MPa
2、栈桥设计荷载
栈桥设计按照《城市桥梁设计荷载标准》的要求，满足城-B级汽车荷载通行的要求，同时也满足栈桥施工时机械设备的要求。
（1）、永久荷载
结构自重由程序自动给出，考虑1.2的安全系数。
（2）、基本可变荷载
基本可变荷载主要考虑汽车荷载和履带吊车荷载，考虑1.4的安全系数。
①、汽车荷载：
城市B级车辆荷载，城－Ｂ级标准载重汽车应采用三轴式货车加载，总重300KN，前后轴距为4.8m，行车限界横向宽度为3.0m，具体布置如下图1、图2所示。
车辆限速20km/h，不计冲击作用。
图2城-B级车辆荷载横桥向布置
图1城-B级标准车辆纵、平面布置
②、50t履带吊机：
自重50t，接触面积为2—4650×760mm2。
50t履带吊机限于墩顶起吊作业，正向最大吊重为50t，侧向最大吊重为10t。
50t履带吊机的相关参数和负荷特性表见表1和表2所示。
表150t履带吊机相关参数表
型号
总重量
最大
吊重
履带尺寸
履带中
心间距
空载地
基压力
最大吊重
地基压力
QUY50A
50t
10t
4.66×0.76m
3.54m
7.059t/m2
8.47t/m2
50t履带吊机负荷特性表表2（单位：
t）
主臂长
工作幅度
13.0
16.0
19.0
22.0
25.0
28.0
31.0
34.0
37.0
40.0
43.0
46.0
49.0
52.0
3.7
50.00
（4.5m）
36.55
4.0
44.85
44.80
（5.5m）
26.55
5.0
31.00
30.90
30.85
30.85
6.0
23.55
23.50
23.40
23.40
23.30
23.30
7.0
18.98
18.85
18.80
18.75
18.65
18.60
18.55
8.0
15.75
15.65
15.60
15.55
15.50
15.45
15.35
15.30
15.20
9.0
13.45
13.35
13.30
13.25
13.15
13.10
13.05
12.95
12.90
12.85
12.75
10.0
11.70
11.60
11.55
11.50
11.40
11.35
11.25
11.20
11.15
11.05
11.00
10.90
10.85
12.0
9.20
9.15
9.06
9.08
8.90
8.85
8.80
8.70
8.65
8.55
8.50
8.40
8.35
8.25
14.0
8.95
（12.3m）
7.45
7.40
7.35
7.25
7.20
7.10
7.05
6.95
6.90
6.80
6.75
6.65
6.60
16.0
6.90
（14.9m）
6.20
6.15
6.05
6.00
5.90
5.85
5.75
5.70
5.60
5.55
5.45
5.35
18.0
5.50
（17.5m）
5.20
5.15
5.05
5.00
4.98
4.85
4.75
4.70
4.60
4.55
4.45m
20.0
4.50
4.45
4.35
4.30
4.20
4.15
4.05
3.95
3.90
3.80
3.75
22.0
3.85
3.80
3.70
3.65
3.55
3.50
3.40
3.35
3.25
3.15
24.0
3.70
（22.7m）
3.35
3.25
3.20
3.10
3.08
2.95
2.85
2.80
2.70
26.0
3.10
（25.3m）
2.85
2.80
2.70
2.65
2.55
2.46
2.35
2.25
28.0
2.55
（27.9m）
2.45
2.35
2.30
2.20
2.10
2.00
1.90
30.0
2.15
2.10
2.00
1.90
1.80
1.70
1.60
32.0
2.10
（30.5m）
1.80
1.70
1.60
1.50
1.40
1.30
34.0
1.70
（33.0m）
1.50
1.35
1.25
1.15
1.05
（3）其他可变作用
①栏杆荷载：
按人行道栏杆设计，作用于栏杆立柱顶上的水平推力标准值为：
0.75kN/m；作用于栏杆扶手上的竖向力标准值为：
1.0kN/m。
②行人荷载：
按照下列公式计算
通过计算，标准12跨度的行人荷载取值为4KN/㎡，39m跨度的贝雷梁栈桥的行人荷载取值为5KN/㎡。
3、荷载组合
根据栈桥的功能性要求和现场施工时的实际情况，考虑以下几种荷载组合，具体组合见表3（其中39m跨栈桥只按照组合1进行验算）
表3荷载组合表
组合名称
组合内容
组合1
1.2×结构自重+1.4（城市B级荷载+其他可变作用）
组合2
1.2×结构自重+1.4（50t履带吊车空载）
组合3
1.2×结构自重+1.4（50t履带吊机墩顶作业，最大吊重10t）
五、复核计算
本栈桥的结构形式一共有三种，分别为跨湖中隧道主体结构区域采用的39m跨双层双排贝雷梁结构；标准12m跨度的单层双排贝雷梁结构；岸边处作为施工平台的12m跨度的双根H588型钢结构，具体计算时按照以下三种结构形式进行验算。
5.1、标准12m跨度的贝雷梁栈桥
1、设计截面形式如下：
2、建立计算模型
3、贝雷梁最大变形计算
表4贝雷梁最大变形表
组合名称
组合内容
贝雷梁最大变形（mm）
组合1
1.2×结构自重+1.4（城市B级荷载+其他可变作用）
10.2
组合2
1.2×结构自重+1.4（50t履带吊车空载）
9.7
组合3
1.2×结构自重+1.4（50t履带吊机墩顶作业，最大吊重10t）
7.7
贝雷梁弹性竖向最大变形为10.2mm，即为12000/10.2=1/1176，挠度满足要求。
4、贝雷梁强度计算
表5杆件性能表
杆件名称
材料
断面型式
断面面积（cm2）
理论容许承载能力（KN）
弦杆
16Mn
2[10
2×12.74
560
竖杆
16Mn
I8
9.52
210
斜杆
16Mn
I8
9.52
171.5
弦杆最大轴力图（单位：
kN）
竖杆最大轴力图（单位：
kN）
斜杆最大轴力图（单位：
kN）
经计算得到主桁各杆件的最大轴力如下表所示：
表6杆件最大轴力表（kN）
组合名称
弦杆
斜杆
竖杆
组合1最大轴力
280.7
82.8
147.9
组合2最大轴力
268.2
63.7
80.5
组合3最大轴力
200.9
98．8
146.4
由以上计算可知，贝雷梁的各个杆件的内力都能符合设计要求。
5、12.6工字钢计算
12.6分配梁组合应力图（单位：
MPa）
12.6分配梁剪应力图（单位：
MPa）
由计算可得，12.6工字钢的应力如下表
表712.6工字钢应力表
组合名称
剪切应力（MPa）
组合应力（MPa）
组合1
108.3
167.4
组合2
18.5
104.3
组合3
23.4
85.9
由以上计算可知，12.6工字钢的最大组合应力为167.4MPa，剪切应力为108.3MPa，超过规范允许地要求。
（可采用14工字钢代替或者调整间距为200㎜）。
6、25b分配梁计算
25b分配梁组合应力图（单位：
MPa）
25b分配梁剪应力图（单位：
MPa）
由计算可得，25b工字钢的应力如下表
表825b工字钢应力表
组合名称
剪切应力（MPa）
组合应力（MPa）
组合1
43.7
118.3
组合2
12.7
82.7
组合3
15.8
126.8
由以上计算可知，25b工字钢能满足设计要求。
7、36a分配梁计算
36a分配梁组合应力图（单位：
MPa）
36a分配梁剪应力图（单位：
MPa）
由计算可得，36a工字钢的应力如下表
表936a工字钢应力表
组合名称
剪切应力（MPa）
组合应力（MPa）
组合1
31.7
40.3
组合2
16.3
24.7
组合3
30.3
40.5
由以上计算可知，36a工字钢能满足设计要求。
8、钢管桩计算
钢管桩最大承载力图（单位：
KN）
由以上计算可知，钢管桩的最大轴力为414.3KN
（1）、强度验算
钢管立柱最大轴力为：
N=414.3KN
考虑现场施工因素，偏心e=50mm
钢管立柱设计采用为φ529×10mm钢管
A=16304.9mm2
W=2076335mm3
②、稳定性验算
回转半径：
i=183.52mm
长细比:
查表得轴心受压稳定系数：
φ=0.835
③、刚度验算
λ=54，5＜[λ]=150
5.2、标准39m跨度的贝雷梁栈桥
1、设计截面形式如下：
2、建立计算模型
3、贝雷梁最大变形计算
表10贝雷梁最大变形表
组合名称
组合内容
贝雷梁最大变形（mm）
组合1
1.2×结构自重+1.4（城市B级荷载+其他可变作用）
48.7
贝雷梁弹性竖向最大变形为48.7mm，即为39000/48.7=1/801，挠度满足要求。
4、贝雷梁强度计算
表11杆件性能表
杆件名称
材料
断面型式
断面面积（cm2）
理论容许承载能力（KN）
弦杆
16Mn
2[10
2×12.74
560
竖杆
16Mn
I8
9.52
210
斜杆
16Mn
I8
9.52
171.5
弦杆最大轴力图（单位：
kN）
竖杆最大轴力图（单位：
kN）
斜杆最大轴力图（单位：
kN）
经计算得到主桁各杆件的最大轴力如下表所示：
表12杆件最大轴力表（kN）
组合名称
弦杆
斜杆
竖杆
组合1最大轴力
325.9
45.4
110.4
由以上计算可知，贝雷梁的各个杆件的内力都能符合设计要求。
5、12.6工字钢计算
12.6分配梁组合应力图（单位：
MPa）
12.6分配梁剪应力图（单位：
MPa）
由计算可得，12.6工字钢的应力如下表
表1312.6工字钢应力表
组合名称
剪切应力（MPa）
组合应力（MPa）
组合1
129.4
182.7
由以上计算可知，12.6工字钢的最大组合应力为182.7MPa，最大剪切应力为129.4MPa，不符合相应规范要求，为保证结构安全，可将12.6工字钢更改为14工字钢，或者将其间距调整为200㎜。
6、25b分配梁计算
25b分配梁组合应力图（单位：
MPa）
25b分配梁剪应力图（单位：
MPa）
由计算可得，25b工字钢的应力如下表
表1425b工字钢应力表
组合名称
剪切应力（MPa）
组合应力（MPa）
组合1
26.1
66.3
由以上计算可知，25b工字钢能满足设计要求。
7、36a分配梁计算
36a分配梁组合应力图（单位：
MPa）
36a分配梁剪应力图（单位：
MPa）
由计算可得，36a工字钢的应力如下表
表1536a工字钢应力表
组合名称
剪切应力（MPa）
组合应力（MPa）
组合1
24.1
31.3
由以上计算可知，36a工字钢能满足设计要求。
8、钢管桩计算
钢管桩最大承载力图（单位：
KN）
由以上计算可知，钢管桩的最大轴力为317.5KN
（1）、强度验算
钢管立柱最大轴力为：
N317.5＜414.3KN，因此不需要进行验算，详细计算过程详见12m标准跨贝雷梁的钢管桩计算。
⑵、稳定性验算
详细计算过程详见12m标准跨贝雷梁的钢管桩计算。
⑶、刚度验算
λ=54，5＜[λ]=150
5.3、标准12m跨度的H588型钢栈桥
1、设计截面形式如下：
2、建立计算模型
3、H588型钢最大变形计算
表16H588型钢最大变形表
组合名称
组合内容
H型钢最大变形（mm）
组合1
1.2×结构自重+1.4（城市B级荷载+其他可变作用）
7.76
组合2
1.2×结构自重+1.4（50t履带吊车空载）
7.47
组合3
1.2×结构自重+1.4（50t履带吊机墩顶作业，最大吊重10t）
5.84
H588型钢弹性竖向最大变形为7.76mm，即为12000/7.76=1/1546，挠度满足要求。
4、H588型钢强度计算
H588型钢分配梁组合应力图（单位：
MPa）
H588分配梁剪应力图（单位：
MPa）
由计算可得，H588型钢的应力如下表
表17H588型钢应力表
组合名称
剪切应力（MPa）
组合应力（MPa）
组合1
18.5
49.7
组合2
13.7
46.1
组合3
23.7
37.7
由以上计算可知，H588型钢的最大组合应力为49.7MPa，最大剪切应力为23.7MPa，其设计符合要求。
5、14工字钢计算
14分配梁组合应力图（单位：
MPa）
14分配梁剪应力图（单位：
MPa）
由计算可得，14工字钢的应力如下表
表1814工字钢应力表
组合名称
剪切应力（MPa）
组合应力（MPa）
组合1
97.4
160.6
组合2
19.4
135.9
组合3
19.6
152.9
由以上计算可知，14工字钢的最大组合应力为160.6MPa，按照临时结构不超过170MPa的要求，也能满足施工要求。
为保证结构安全，可将其间距调整为200㎜。
6、28b分配梁计算
28b分配梁组合应力图（单位：
MPa）
28b分配梁剪应力图（单位：
MPa）
由计算可得，28b工字钢的应力如下表
表1928b工字钢应力表
组合名称
剪切应力（MPa）
组合应力（MPa）
组合1
33.5
144.8
组合2
8.2
123.0
组合3
11.6
161.5
由以上计算可知，25b工字钢的最大组合应力为161.5MPa，按照临时结构不超过170MPa的要求，其设计符合要求。
7、36a分配梁计算
36a分配梁组合应力图（单位：
MPa）
由计算可得，36a工字钢的应力如下表
表2036a工字钢应力表
组合名称
组合应力（MPa）
组合1
16.8
组合2
17.2
组合3
30.9
由以上计算可知，36a工字钢能满足设计要求。
8、钢管桩计算
钢管桩最大承载力图（单位：
KN）
由以上计算可知，钢管桩的最大轴力为403.7KN
（1）、强度验算
钢管立柱最大轴力为：
N403.7＜414.3KN，因此不需要进行验算，详细计算过程详见12m标准跨贝雷梁的钢管桩计算。
⑵、稳定性验算
详细计算过程详见12m标准跨贝雷梁的钢管桩计算。
⑶、刚度验算
λ=54.5＜[λ]=150
5.4、钢管桩入土深度计算
由以上计算可知，钢管桩的最大承载力为414.3KN。
根据地质资料，栈桥处的土层依次为淤泥、淤泥质粘土、粉质粘土，偏于安全考虑，只考虑钢管桩打入粉质粘土的深度。
钢管桩承载力采用桩基承载力计算公式：
式中：
R—单桩垂直极限承载力设计值（KN）；
1/2—单桩垂直承载力分项系数；
U—桩身截面周长（m），U＝1.67m；
—单桩第i层土的极限侧摩阻力标准值（kPa）；
—桩身穿过第i层土的长度（m）；
fsk—单桩极限桩端阻力标准值（kPa）；
Ap—桩身截面面积，Φ529×10mm钢管桩，A=16304.9mm2；
钢管桩插打处的土层为粉质粘土，其物理指标如下（参考相关资料）：
土层摩阻力统计
序号
土层名称
承载力（kPa）
桩周
摩阻力
层厚（m）
（kPa）
1
3-1粉质粘土
120
40
15
钢管桩承载力
R＝1/2×［1.67×40×15+120×3.14×0.529×0.529/4］］=514.2KN>414.3KN
由上述计算结果可知，钢管桩保证入粉质粘土的厚度在15m以上可以保证钢管桩的承载力满足设计要求。
六、结论
通过以上计算可知：
1、该栈桥可以满足设计要求；
2、建议桥面系全部采用14工字钢。
3、必须保证钢管桩打入粉质粘土的深度在15m以上。
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