主墩钻孔桩作业平台结构验算.docx
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主墩钻孔桩作业平台结构验算
附件2-1主墩钻孔桩作业平台结构计算书
计算说明
平台结构说明
本桥单个过渡墩桩基总数为7个，直径为2米。
钻孔桩基施工采用3台冲击钻机进行，由于桩基位于水中，因此首先在河中搭设好钻孔作业平台。
该平台基础为单排四根φ600×8mm钢管桩（共计四排，横桥向间距4.5米，纵桥向间距4.33米）打入河床砂土层，在钢管桩高出水面部位用φ299×5mm钢管作横向连接，将16跟钢管桩在两个方向上连接成整体，在每排钢管桩顶横桥向固定一组贝雷梁（每组两排），然后在上方纵桥向安放I25b工字钢并固定牢。
详细结构尺寸见钻孔作业平台图。
计算结构简化说明
为计算简便同时又跟本工程施工实际相符合，对钢管桩作业平台的建设起到指导性的作用，在计算时对结构做出了相应简化。
计算工况
本钻孔作业平台的作用在于桩基施工时冲击钻机停放打桩、小型泥浆泵等机具设备放置、承台施工时套型模板安装及浇注承台混凝土的模板外侧支撑、浇筑承台封底混凝土支架。
因此工况分为如下两个：
1、平台在桩基施工时的结构受力；
2、平台在承台施工时的结构受力。
结构简化
1、I25为梁端简支梁；
2、贝雷梁计算采用MIDAS软件进行计算；
3、计算时不考虑钢管桩桩身倾斜度且所有钢管桩均为轴心受力；
4、钢管桩为纯摩擦桩基。
编制依据
1、《主墩钻孔桩工作平台施工图》
2、《公路工程施工计算手册》
3、《钢结构计算手册》
4、《公路桥涵施工技术规范》
5、《结构力学教材》、《材料力学教材》
荷载计算
桩基施工时荷载计算
1、施工机具设备荷载
在钻孔桩施工时平台上共计停放三台钻机进行打桩作业，钻机停放位置为平台的对角上各停放1台，每台重15吨重，外加小型机具设备共计5吨，故1/9平台上方最大外荷载共计20吨，考虑1.2倍安全系数，平台计算荷载为24吨。
2、水流对钢管桩的冲击力计算如下：
考虑潮水水流冲击速度为3米/秒，查《公路桥涵设计通用规范》得作用在桥墩上的流水压力标准值按下式计算：
式中：
——流水压力标准值；
——桥墩形状系数；圆形为0.8，方形为1.5，矩形为1.3.，圆端形为0.6，尖端形为0.7；
——桥墩阻水面积，计算至一般冲刷线处；由于该处位于海边，潮水频发，故此处偏于安全取桩身最大入水深度10m。
——水的重度；
——水流速度；
则
3、风力计算：
平台受10级大风荷载作用的情况下，10级大风风速为28.4m/s，换算成风压为0.504KN/m2,平台加钢管桩有效横截面面积为：
12m2，单片贝雷梁有效截面面积为1.22m2,考虑桩身外露长度3米。
则横向风力计算如下：
N1=0.504×（12+1.22×8）=11KN。
4、船只撞击力横桥向取100KN，纵桥向取200KN。
承台施工时荷载计算
根据承台施工方案，本施工作业平台在承台施工时主要用于套箱模板安装和在模板外侧作横向支撑、承台封底混凝土自重。
现取以下施工工况分别进行计算。
1、套箱模板安装时底板重量和套箱模板重量
根据套箱模板图纸计算出底板重量为，20吨，套箱侧模重量60吨。
2、承台封底混凝土共计250方，重量为643.5吨。
3、承台封底混凝土浇筑完成后抽出套箱内部水，外侧水压力计算如下：
承台施工时间段预计水位为17米。
套箱模板高度为4米，顶标高为19.3米。
查《流体力学》教材得静水压力标准值按下式计算：
顺桥向套箱两侧水压差为：
=0.5×9.806×1.72×14=198.4KN
同理横桥向套箱两侧水压差为：
F1=0.5×9.806×1.72×12=170KN
4、套箱模板横桥向水流压力计算
5、风力计算
套箱模板外露高度为2米，考虑10级大风的横桥向风力为：
N2=0.504×12×2=12.1KN
顺桥向风力为：
N3=0.504×14×2=14.1KN
6、船只撞击力横桥向取200KN，顺桥向取100KN。
桩基施工时平台上部型钢结构受力计算
I25工字钢受力计算
根据钻机停放位置和形式，可将荷载平均分布到单根I25工字钢上，钻机下方共计4根I25工字钢，因此结构受力简图如下：
图中q=24×9.8÷4.33÷4=13.6KN/m
Mmax=1/8×ql2=1/8×13.6×4.332=31.9KN·m
σmax=Mmax/Wz=31.9×106/422240=75.4MPa
=13.6×4.33×103÷2÷212.7÷10=13.8MPa
因此I25b型工字钢能够满足结构受力要求。
贝雷梁受力计算
将上方传递下来的荷载平均分摊到两排贝雷梁上，则结构计算模型图如下：
图中q=24×9.8÷4.85÷2=24.2KN/m
弦杆受力
弦杆轴力图如下：
由图知弦杆最大轴力为47.2KN<560KN，满足要求。
弦杆弯矩图如下：
由图知弦杆最大弯矩为9.6KN·m<21.676KN·m，满足要求。
竖杆轴力
由图知：
竖杆最大轴力为68.2KN<210KN，满足要求。
斜杆轴力
斜杆轴力图如下：
由图知：
斜杆轴力最大为46.1KN<170KN，满足要求。
因此，贝雷梁结构受力能满足钻孔桩作业施工时的结构受力要求和施工使用要求。
桩基施工时平台桩基承载力计算
钢管桩桩身承载力计算
桩身竖向承载力计算
此工况下竖向荷载组合为：
施工机具荷载+平台自重
施工机具荷载共计24吨，平台自重16吨，考虑由4根钢管桩平均分担，则每根钢管桩受到压力为13吨。
σ1=F/A=10×9.8×103÷（3.14×300×300-3.14×292×292）÷106=6.7Mpa
桩身长细比计算：
iy=（I/A）1/2=（29.6×0.5×29.6）1/2=20.9
考虑钢管桩边界条件为下端固定，上端自由，故μ=2
λy=2L/iy=2×1500/20.9=143.5（考虑河床冲刷2米，桩身自由端长度取15米）
查稳定因数表得：
ψ=0.331
按照细长受压杆件截面容许应力为：
[σ]=ψ×σ=0.331×140=46.3MPa>6.7MPa（满足要求）。
桩身横向承载力计算
此工况下横向荷载组合为：
水流冲击力+风力+船只撞击力
则钢管桩受到最大横向荷载在横桥向方向为：
FW+N1+F船横=21.6+11+100=131.6KN
顺桥向方向为：
FW+N1+F船顺=21.6+11+200=231.6KN
根据结构受力特点，钢管桩在两个方向上横向受力考虑由4根钢管桩平均分担，则横向连接钢管受到最大压力为231.6÷4=57.9KN，钢管桩受到水平力最大值为227.6÷4=57.9KN
将钢管桩结构简化为为单悬臂梁，则由横向力引起的钢管桩身截面最大弯矩为：
Mmzx=57.9*14=810.6KN·m
σ2=M/Wz=810.6×106÷3.14÷5963÷8×300=45.6Mpa<[σ]=140MPa（满足要求）。
τ2=2F/A=F/πr0δ=57.9×103÷（3.14×296×8）=7.8Mpa<[σ]=100MPa（满足要求）。
摩擦桩基承载力计算
桩基竖向承载力计算
查《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），钢管桩的竖向极限承载力可按下式计算：
Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp
式中
Quk——钢管桩极限承载力；
Qsk——总极限侧阻力标准值；
Qpk——总极限端阻力标准值；
u——桩身周长；
qsik——钢管桩（混凝土预制桩）侧第i层土的极限侧阻力标准值；
li——第i层土的厚度；
λp——桩端土塞效应系数，对于闭口钢管桩λp=1，对于敞口钢管桩按下式取值；
当hb/d<5时，λp=0.16hb/d，当hb/d≮5时，λp=0.8
qpk——钢管桩（混凝土预制桩）桩底土的极限端阻力标准值；
hb——桩端进入持力层的深度；
d——桩的直径；
Ap——桩端截面积。
本施工平台钢管桩采用不封端的形式直接由振动锤打入土层。
钢管桩入土深度为12米。
查本施工便桥处基础地质资料得地表以下25米土层依次为：
稍密状粉细沙、中密状砾沙、中密实状粉细沙、中密状中细沙、坚硬状粉质粘土。
土层厚度分别约为：
4~6米、0~2米、8~13米、0~3米、5~6米。
查土体极限摩阻力表得该类土体最小极限摩阻力分别为22KPa、190KPa、42KPa、74KPa、73KPa。
因此桩基极限承载力为：
Quk=3.14×0.6×（22×4+190×0+42×8）=798.8KN。
钢管桩竖向承载力特征值Ra=Quk/K=798.8/2=399.4KN>130KN.
故桩基打入河床以下12米能满足竖向承载力要求。
桩基横向承载力计算
查《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），钢管桩的水平承载力特征值可按下式计算：
EI——桩身抗弯刚度，对于钢筋混凝土桩，EI=0.85EcI0，其中I0为桩身换算截面
惯性矩：
圆形截面为I0=W0d0/2；矩形截面为I0=W0b0/2；
——桩顶容许水平位移；
——桩顶水平位移系数；
——桩的水平变形系数；按下式计算：
m——桩侧土水平抗力系数的比例系数；
b0——桩身的计算宽度（m）；
圆形桩：
当直径d≤1m时，b0=0.9（1.5d+0.5）；
当直径d>1m时，b0=0.9（d+1）；
因此b0=0.9（1.5d+0.5）=0.9×（1.5×0.6+0.5）=1.26m
E=2.06×108KN/m2；I=8.0675×10-4m4；取
=10mm
查桩侧土层从上至下水平抗力系数比例系数分别为：
4.5，6.0，故
=（4×4.5+8×6）/12=5.5
=0.529
换算埋深
h=0.529×12=6.35，查表
=2.441
=75.5KN>57.9KN，因此满足抗风力、洪水冲刷和船只撞击力的要求。
承台施工时平台承载力计算
贝雷梁受力计算
在此工况下，贝雷梁上受到φ32精轧螺纹吊杆的压力作用，该作用力计算如下：
承台套箱模板共计80吨，承台封底混凝土重643.5吨，合计723.5吨。
在施工时每组贝雷梁上方设吊杆10根，吊杆间距1.5米，则每根吊杆受到拉力为：
723.5÷10÷4=18.9吨。
每排贝雷梁受到吊杆压力为9.45吨。
结构模型图如下：
弦杆轴力
弦杆轴力图如下：
由图知弦杆最大轴力为106.7KN<560KN，满足要求。
竖杆轴力
由图知：
竖杆最大轴力为207KN<210KN，满足要求。
斜杆轴力
斜杆轴力图如下：
由图知：
斜杆轴力最大为118.2KN<170KN，满足要求。
因此，贝雷梁结构受力能满足承台封底作业施工时的结构受力要求和施工使用要求。
钢管桩桩身承载力计算
桩身竖向承载力计算
此工况下最不利竖向荷载组合为：
套箱模板重量+底板重量+承台封底混凝土自重
则钢管桩受到最大竖向荷载为：
G套+G底+G砼=60+20+643.5=723.5吨，
根据此时结构受力形式，考虑由8根钢管桩平均分担，则每根钢管桩受到压力为90.4吨。
σ1=F/A=90.4×9.8×103÷（3.14×300×300-3.14×292×292）÷106=60.7Mpa
桩身长细比计算：
iy=（I/A）1/2=（29.6×0.5×29.6）1/2=20.9
考虑钢管桩边界条件为下端固定，上端自由，故μ=2
λy=2L/iy=2×1400/20.9=134（考虑河床冲刷1米，桩身自由端长度取14米）
查稳定因数表得：
ψ=0.373
按照细长受压杆件截面容许应力为：
[σ]=ψ×σ=0.373×170=63.4MPa>60.7MPa（满足要求）。
桩身横向承载力计算
此工况下横向荷载组合为：
水流冲击力+风力+船只撞击力+套箱内外水压力差
则钢管桩受到最大横向荷载在横桥向方向为：
+N2+F船横+F1=64.3+12.1+100+170=346.4KN
顺桥向方向为：
N3+F船顺+F水压=198.4+14.1+200=410.5KN（顺桥向水流冲击力忽略不计）
根据结构受力特点，钢管桩在两个方向上横向受力考虑由4根钢管桩平均分担，则横向连接钢管受到最大压力为410.5÷4=102.6KN，钢管桩受到水平力最大值为410.5÷4=102.6KN
横向连接钢管受到压应力为：
σ1=F/A=102.6×103÷[3.14×（2992-2942）]=11MPa<140MPa
将钢管桩结构简化为为单悬臂梁，则由横向力引起的钢管桩身截面最大弯矩为：
Mmzx=102.6*14=1436.4KN·m
σ3=M/Wz=1436.4×106÷3.14÷5963÷8×300=81Mpa<[σ]=140MPa（满足要求）。
τ3=2F/A=F/πr0δ
=102.6×103÷（3.14×296×8）=13.8Mpa<[σ]=100MPa（满足要求）。
摩擦桩基承载力计算
桩基竖向承载力计算
根据4.2.1计算知钢管桩竖向承载力特征值
Ra=Quk/K=798.8/2=399.4KN<904KN,因此在承台施工时需加大钢管桩的打入深度。
现根据地质情况将钢管桩打深8米，得到钢管桩的竖向承载力为：
Quk=3.14×0.6×（22×4+190×0+42×8+74×0+73×8）=1899.1KN。
Ra`=Quk/K=1899.1/2=949.5KN>904KN。
故桩基打入河床以下12+8=20米能满足竖向承载力要求。
桩基横向承载力计算
结合4.2.2计算结果查桩侧土层从上至下水平抗力系数比例系数分别为：
4.5、6.0、10，故
=（4×4.5+8×6+10×8）/20=7.3
=0.561
换算埋深
h=0.561×20=11.2，查表
=2.441
=90.2KN<102.6KN，因此在施工时采取如下措施进行加固。
①、将承台套箱模板内侧与钻孔桩钢护筒连接牢固，当发生船只撞击钢管桩时，撞击力能够有效转移给钢护筒承担。
在经过上述加固处理措施后，在计算钢管桩横向受力时可不考虑船只撞击力，故钢管桩受到横向力最大为
+N2+F1=64.3+12.1+170=246.4KN
此时再考虑由4根钢管桩平均分担，则单根钢管桩承受最大横向力为246.4÷4=61.6KN<90.2KN（符合要求）。
总结
经以上计算知，此过渡墩型钢钻孔桩作业平台能够满足施工作业要求及结构受力要求。
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