施工平台计算书A.docx

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施工平台计算书A

71~73号墩施工平台结构计算书

一、基本情况

1、平台结构简介

71~73号墩桩基施工平台由钢管桩、贝雷梁和型钢分配梁组成。

每个平台共设置18根Ф800x8mm钢管桩，钢管桩上布设了8组单层双排321贝雷梁，贝雷梁上根据钻机施工需要布设了I36b型钢。

每个墩根据设计桩基情况安装11个钢护筒，钢护筒直径3050mm，壁厚16mm，部分钢护筒上设置支撑牛腿，作为贝雷梁的支点，以减少钢管桩数量。

表1钢护筒和钢管桩的入土深度

墩号

钢护筒设计入土深度

钢管桩设计入土深度

河床标高

71

12.48+3.23=15.71m

12.48+5.79=18.27m

-5.5m

72

14.49+3.42=17.91m

14.49+3.98=18.47m

-7.3m

73

11.52+3.59=15.11m

11.52+6.15=17.61m

-5.1m

图1施工平台整体构造图

2、水文、地质

施工水位：

H=2.634m；

最大流量：

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

墩号

一般冲刷线

一般冲刷深度

局部刷线

局部冲刷深度

71

-17.39m

11.89m

-20.33m

14.83m

72

-17.53m

10.23m

-20.64m

13.34m

73

-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：

=

式中：

—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=3.05×3.14×（20×14.49+3.42×55）=4577KN

73号墩R3=3.05×3.14×（20×11.52+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：

2（d+1）=2×（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

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）

式中：

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。

则：

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=0.5×0.8×3.14×1.0×（20×12.48+55×5.79）=714KN

72号墩Ra2=0.5×0.8×3.14×1.0×（20×14.49+55×3.98）=639KN

73号墩Ra3=0.5×0.8×3.14×1.0×（20×11.52+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。

整体受压强度

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：

2（d+1）=2×（0.8+1）=3.6m

则L=5.23+7.3+3.6=16.13m=1613cm

于是λ=1613/27.86=57.9

按下式计算整体稳定性：

N/（ΦA）≤f

其中N为钢管桩所受激振力；

A为钢管桩截面面积；

Φ为轴心受力构件的稳定系数，查表知

Φ=0.769

f为钢材的抗压强度设计值，取f=215MPa

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