钢便桥和水上平台施工方案设计.docx

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钢便桥和水上平台施工方案设计

三江至柳州高速公路融安融江大桥

钢便桥及钻孔平台施工方案

一、编制依据

1、交通部《公路桥涵施工技术规范》

2、《建筑地基基础设计手册》

3、人民出版社《路桥施工计算手册》

4、公路施工手册

5、公路桥涵钢结构木结构设计规范

6、两阶段施工设计图

二、钢便桥主要技术标准

1、设计荷载：

载重750kN施工车辆2、计算行车速度5Km/h

3、n6m连续贝雷梁桥4、桥面布置：

净宽6m

三、主要施工机具

1、25吨吊车2台2、DZ60振动沉桩机（锤）2台

3、铁锚4个4、40电焊机8台

5、等离子切割机2台6、手拉葫芦12个（5T）

7、5T卷扬机2台8、大货车2辆

9、50装载机1台10、打桩船1艘

四、工程概况

融安融江大桥主桥跨越融江河床，水面宽约520m。

工程起点桩号为LK1+276，终点桩号为LK1+950，桥梁全长674m，位于缓和曲线及直线上。

主墩采用双柱多边形墩，过渡墩及引桥桥墩均采用圆柱式墩，桥台采用肋板式桥台，墩台均采用钻孔灌注桩基础。

根据施工图纸及现场地形地貌并结合荷载使用要求，现场勘查、结合桩基平台施工需要，我部拟定在大桥两岸各架设钢便桥一座，钢便桥桥面标高为119.00m。

钢便桥规模为：

三柳高速岸架设钢便桥252m，融江岸架设钢便桥168m，钢便桥全长约420m，跨中125m为融江通航通道。

钢便桥标准跨径为6m，桥面净宽为6米，桥位布置形式为：

钢便桥布置在新建桥梁下游，便桥中心与主墩平台中心墩净距离15米。

钢桥结构特点如下：

1、基础结构：

钢管桩基础

2、下部结构：

工字钢横梁

3、上部结构：

贝雷架纵梁

4、桥面结构：

装配式公路钢桥用桥面板

5、防护结构：

小钢管护栏及铁丝网防护

五、钢便桥设计文字说明

1、基础及下部结构设计

本桥位于融江中，水面宽约520米，主跨3#墩和4#墩水深约12米，边跨水深约8米。

建成后的钢桥桥面标高按水面以上6米控制。

水下地质情况普遍为卵石、粘土。

钢便桥钢管桩基础布置形式：

单墩布置3根钢管（桩径Φ53cm，壁厚8mm），横向间距2.5米，桩顶布置2根28cm工字钢横梁，钢管桩与钢管桩横向之间用[20槽钢水平向和剪刀向焊接连接。

为了增强便桥纵向稳定性，每间隔2个墩位设置1处加强排架墩基础（即单墩布置6根钢管桩，纵横向间距2.5米）。

两岸桥台采用U型桥台。

钢便桥施工钢管桩技术要求：

（1）严格按设计位置和标高打桩；

（2）钢管桩中轴线斜率<1%L；

（3）钢管桩入土深度必须大于5米，实际施工过程由于各墩地质情况不同，钢管桩终孔高程应以DZ60桩锤击振5分钟仍无进尺为准；

（4）个别钢管桩入土深度小于5米锤击不下，且用DZ60桩锤击振5分钟仍无进尺，应当现场分析地质状况，采取措施加强受力；

（5）钢管桩的清除按照当地河道管理要求，便桥折除时必须拔除钢管桩。

2、上部结构设计

桥梁纵向跨径均为6.0米，横向宽6米。

根据行车荷载和桥面宽度要求，6.0米跨纵梁布置单层6片3组150cm×300cm国产贝雷片，横向布置为（90+120+90+120+90）cm=510cm，贝雷片纵向用贝雷销连接，横向用剪刀撑连接以保证其整体稳定性，贝雷片与工字钢横梁间用U型卡连接以防滑动。

3、桥面结构设计

桥面采用装配式钢桥定型桥面板，单块规格为6m×1.5m，桥面板结构组成8㎜厚印花钢板、底横肋用I25a工字钢，肋间距30㎝,制作好的桥面板安放在贝雷片横梁上并用螺栓连接。

4、防护结构设计

桥面采用小钢管（直径Φ4.8cm）做成的栏杆进行防护，栏杆高度1.2m，栏杆纵向3.0m一根立柱（与桥面槽钢焊接），高度方向设置2道横杆。

六、桩基钻孔平台布置

1、桩基钻孔平台的受力要求

考虑到施工的安全，施工前必须要全面考虑施工荷载。

施工平台所受的荷载主要为材料、施工机械荷载即：

钻机200KN、吊车350KN、混凝土及导管400KN、钢筋笼400KN。

考虑实际施工作业可能出现的情况，必须按照最大荷载组合布载，最大跨进行计算。

2、桩基钻孔平台的结构形式

根据以上受力要求，考虑施工中各种不利因素，钻孔平台采用钢桩基础，工字钢横梁、工字钢分布梁、槽形面板。

为保证下部桥梁施工合理利用平台，每个钻孔平台布置入下：

主墩（3#、4#）施工时至少要上2台钻机，冲击荷载大，施工平台采用直径30厘米的钢管布置：

横向跨径3米（3×6=18米），纵向跨径（3.8+2.4+3.8=10米），以避开桩基护筒为原则，横梁采用4根I25a工字钢、工字钢分布梁采用6根I25a型工字钢，面板采用20cm槽钢。

5#过渡墩考虑到施工时至少要上2台钻机，冲击荷载大，施工平台采用直径30厘米的钢管布置：

横向跨径3米（3×6=18米），纵向跨径（4+4=8米），以避开桩基护筒为原则，横梁采用3根双拼I25a工字钢、工字钢分布梁采用6根I25型工字钢，面板采用20cm槽钢。

边墩（6、7、8、9、10）施工平台采用直径30厘米的钢管布置：

横向跨径3米（3×6=18米），以避开桩基护筒为原则，纵向跨径（4米），工字钢横梁采用2根I25a型、工字钢分布梁采用6根I25型工字钢钢,面板20cm槽钢。

实际施工中，钻孔平台工字钢分布位置可作适当调整。

具体构造见“钢便桥及钻孔平台设计图”。

七、钢便桥钢管桩承载力及稳定性计算

1、钢管桩竖向荷载计算

钢管桩承受的竖向荷载有便桥上部结构自重、人群荷载及车辆荷载，分别计算如下：

单跨结构自重P1=mg=12380kg×9.8N/kg=121.3KN

人群荷载：

3.5KN/㎡

车辆荷载：

拟按一台75吨吊行走计算

P2=（750KN÷3）+（3.5KN/㎡×6×6÷3）=292.0KN

每根桩承受的竖向荷载为P=1.25×（P1÷3+P2）=1.25×（121.3÷3+292.0）=415.5KN

钢管桩最重按15KN考虑

则每根桩承受的竖向荷载为P=415.5+15=430.5KN

式中安全系数取1.25，不考虑浮力对结构受力影响。

2、钢管桩沉入深度计算

钢管桩入土深度L=2[P]/auγ，式中P为桩基容许承载力，钢管桩采用振动沉桩，a为振动桩对周围土层摩阻力影响系数，取a=1，u为桩周长u=πD，γ为桩周围土的极限摩阻力。

根据地质情况，河床为密实砂砾层，取γ=50KN/m2（γ取值见建设筑地基基础设计手册）

故L=2×430.5÷（1.0×3.14×0.529×50）=10.3m

实际沉入深度为不小于10.3米或者座入基岩上。

单桩竖向承载力验算:

Ra=（uqsL+aAσr）/2=（πDqsL+aAσr）/2=（3.14×0.530×50×10.3+1×3500×（0.532－0.5142）×3.14）/2=520.3KN>430.5KN

根据地质情况，a取值按3500KN/m2考虑，（a取值见建设筑地基基础设计手册）

满足承载力要求。

式中：

Ra----单桩竖向承载力特征值U-----桩周长

qs-----桩侧土的侧阻力特征值L-----土层厚度

a-----桩底抵抗力影响系数A-----桩顶面积

σr-----极限承载力

3、钢管桩在水平力作用下弯曲应力验算

钢管外径D=53.0㎝，管壁厚8㎜；最大水深12m，施工时钢管上水平撑和斜撑焊接到水面以下4.0m，则计算时只对8.0m水深范围内钢管桩的弯曲应力进行验算。

考虑到风对钢管桩的冲击力远远小于水流的冲击力，所以只按水流冲击力对钢管桩进行验算。

冲击力q=0.8A×ρυ2/2g

式中A为钢管桩阻水面积，A=2rh=0.53×8.0=4.2㎡其中r为桩的半径，h为计算水深，取8.0米。

ρ为水的容重，ρ=10KN/m3，q为流水对桩身的荷载，按均布荷载计算。

υ为水流速度，水流平缓，试验推测υ=2.0m/s，有

q=0.8A×ρυ2/2g=0.8×4.2㎡×10KN/m3×2.02m/s÷（2×9.81m/s2）=6.85KN

Φ53㎝钢管桩的惯性矩I、截面抵抗矩W分别为：

I=π×（D4-d4）/64=3.14×（534-51.44）/64=44672.8cm4

W=π×（D4-d4）/32D=3.14×（534-51.44）/（32×53）=1685.8cm3

钢管桩入土后相当于一端固定,一端自由的简支梁,其承受的最大弯矩和挠度变形为:

Mmax=9qL2/128=（9×6.85KN/m×8.02m）/128=30.83KN.m

σ=Mmax/W=30.83KN.m×103÷1685.8×10-6m3=18.3MPa

[σ]=145MPa

∵σ<[σ]∴满足要求。

fmax=0.00542×qL4/EI=（0.00542×6.85KN/m×8004cm）/（2.1×105×44672.8cm4）=1.6cm<[f]=（L/400）=L=2cm满足要求。

式中E为钢材的弹性模量取E=2.1×105MPa。

4、钢管桩稳定性验算

（1）长细比计算：

λ=μL/i其中L为钢管桩的计算长度；μ根据一端固定，一端简支取μ=1；i为钢管桩的回转半径。

I为钢管桩截面惯性矩，A为钢管桩截面面积。

A=π（D2－d2）/4=3.14×（0.532-0.5142）/4=131.1cm2

i=√（I/A）=18.5cm

λ=μL/i=1.0×800/18.5=43.0

查《建筑力学》钢管稳定系数ф=0.914

（2）计算稳定性

σ=P/￠A=430500N/（0.914×13110mm2）=35.93MPa<[σ]=145MPa

满足要求。

注：

上式中P为竖向荷载，A为钢管截面面积。

便桥从桥台起中间每隔两墩设一个加强墩（即2排3根，纵向间距2.5m），由于单排钢管桩布置已满足受力要求，双排加强墩钢管桩布置一定满足受力要求，这里不再验算。

5、纵、横梁承载力验算

（1）纵梁承载力验算

恒载：

每米纵梁上承载q1=124.6/36=3.46KN/m

荷载:

960KN

查施工手册静力计算公式

M1max=1/4PL=0.250×960×6=1440KN.m

M2max=1/8qL2=0.125×3.46×62=15.57KN.m

Q1max=（0.5＋0.5）P=1×960=960KN.m

Q2max=0.5qL=0.5×3.46×6=10.38KN

Mmax=1440＋15.57=1455.57KN.m

Qmax=960+10.38=970.38KN.m

允许弯矩MO=6片×0.8（不均衡系数）×788.2KN.m=3783KN.m

贝雷片单片允许弯矩:

788.2KN.m

贝雷片截面模量WO=3578.5×6片=21471cm3

强度验算

σ=Mmax/WO=（1455.57×106）/（21471×103）=67.79MPa<[σ]=210MPa

贝雷片单片容许最大剪力[R]=245.2KN

允许剪力Q=6片×0.8（不均衡系数）×245KN=1176KN

即有Qmax=970.83KN<[Q]=1176KN由此可知：

Mmax

挠度验算

贝雷片几何系数E=2.05×105MPa,IO=250497cm4WO=3578.5cm3

（按贝雷片几何特征表）

fmax=PL3/（48EI）=（960KN×63）/（48×2.05×105MPa×250497cm4×6）=14mm<[f]=（12000/400）=30mm满足使用要求。

由上可知：

钢桥抗弯能力、强度、抗剪能力、挠度均满足使用要求。

Mmax

（2）工字钢横梁计算

模式分析：

钢管立柱单排3根横向间距为2.5m，因此按二等跨连续梁验算,计算跨径L=2.5m,横梁承担6片贝雷片传递来的荷载。

6个集中力按路桥施工计算手册进行验算，按照750KN车辆位于墩位时验算（考虑25%安全系数）+贝雷片自重34KN+桥面横、纵梁自重98.5KN

P1=P/6=1103/6=183.83KN

Mmax=0.333P1L=0.333×183.83×2.5=153.04KN.m

Q=（1.333+1.333）P1=490.09KN

横梁采用2根28a工字钢

Ix=7114.14cm4，Wx=503.15cm3，Ix:

Sx=24.62cm3,Sx=288.96cm3,t=8.5mm

横梁强度验算

σ=Mmax/WO=153.04×106/（1006.3×103）=152.08MPa<1.3[σ]=188MPa

剪应力τ=QSx/（Ixt）=490.09×103×288.96×103/（14228.28×104×17.0）=58.55MPa<[τ]=110MPa符合要求。

挠度f=1.466P13/（100EI）=1.466×183.83×2.53/（100×2.0×105×2×7114.14）=1.4㎜

f=1.4mm<2500/400=6㎜符合要求。

八、钻孔平台受力计算

（一）3#、4#主墩平台

1、为了满足水中墩台施工，在桥墩处搭设施工平台，平台高于水面2m，净宽10.0米，长18米，用4排￠30㎝钢管桩排架，最大间距为3.8米，打入土中。

横梁采用4根I25a工字钢，纵梁采用6根I25a工字钢，桥面板结构采用槽钢20㎝槽钢（净距5㎝）。

2、平台钢管桩承受竖向荷载及桩长计算

（1）钢管桩承受竖向荷载计算

每个钢管桩承受竖向荷载有自重、人群、材料荷载及施工机械荷载，分别计算如下：

结构自重P1=mg=30000㎏×10N/㎏=300KN

人群荷载：

3.5KN/m

材料、施工机械荷载：

钻机200KN、混凝土及导管300KN，钢筋笼400KN。

考虑实际施工作业，按照最大荷载组合布载，对最大跨进行计算。

P2=（200+300+400）KN÷4+3.5KN/m2×3.8÷4=228.3KN

每根桩承受的竖向荷载为：

P=1.25×（P1/28+P2）=1.25×（300/28+228.3）=298.76KN

上式中安全系数1.25，浮力对结构受力影响不大,不予考虑。

（2）钢管桩沉入深度计算

桩入土深度L=2[P]/auτ

式中[P]桩容许承载力，钢管桩采用振动沉桩，a为振动桩对周围土层摩阻力影响系数，取a=1，u为桩周长，τ为桩周围土的极限摩阻力，根据地质情况取τ=50kPa.

故L=（2×298.76）/（1.0×3.14×0.30×50）=12.7m

实际沉入深度为不小于12.7米或座于基岩上。

3、平台钢管桩承载力稳定性检算

钢管外径D=30㎝，管壁厚8㎜；在该平台处最大水深12米，施工时钢管上斜撑和平撑焊到从台面以下8.0米，则计算时只对6.0米水深范围内钢管桩的弯曲应力进行计算。

风对钢管桩的冲击力远远小于水流的冲击力，不做验算,只按水流冲击力对钢管桩进行验算。

冲击力q=0.8A×ρυ2/2g

式中A为钢管桩阻水面积，A=2rh=0.30×6.0=1.8㎡其中r为桩的半径，h为计算水深，取6.0米。

ρ为水的容重，ρ=10KN/m3，q为流水对桩身的荷载，均按布荷载计算。

υ为水流速度，试验推测得，υ=2.0m/s，则有

q=0.8A×ρυ2/2g=0.8×1.8㎡×10KN/m3×2.02m/s÷（2×9.81m/s2）=5.28KN

￠30㎝钢管桩的惯性矩I、截面抵抗矩W分别为：

I=π×（D4-d4）/64=3.14×（304-28.44）/64=7823.6cm4

W=π×（D4-d4）/32D=3.14×（304-28.44）/（32×30）=521.6cm3

钢管桩入土后相当于一端固定,一端自由的简支梁,其承受的最大弯矩和挠度变形为:

Mmax=9qL2/128=（9×5.28KN/m×6.02m）/128=13.37KN.m

σ=Mmax/W=13.37KN.m×103÷521.6×10-6m3=25.6MPa

[σ]=145MPa∵σ<[σ]，∴满足要求

fmax=0.00542×qL4/EI=（0.00542×5.28KN/m×6004cm）/（2.1×105×7823.6cm4）=2.0cm<[f]=（L/400）=3.0cm满足要求。

上式中E为钢材的弹性模量取E=2.1×105MPa。

4、钢管桩稳定性验算

（1）长细比计算：

λ=μL/i其中L为钢管桩的计算长度；μ根据一端固定，一端简支取μ=1；i为钢管桩的回转半径。

i=式中I为钢管桩截面惯性矩，A为钢管桩截面面积。

A=π（D2－d2）/4=3.14×（302－28.42）/4=73.4cm2

i=√（I/A）=10.3cm

λ=μL/i=1.0×600/10.3=58.3

查《建筑力学》钢管稳定系数￠=0.849

（2）计算稳定性

σ=P/￠A=298760N/（0.849×7340mm2）=47.94MPa<[σ]=145MPa

满足要求。

式中P:

竖向荷载A:

钢管截面面积。

5、纵横梁承载力验算

（1）纵梁承载力验算

模式分析：

钢筋笼、灌车、钻机分别为四点受力，单个支点P=250KN。

前支腿加强为6根I25型钢，取钻机前支腿进行受力验算。

由于自重相对于荷载较小，忽略不计，跨径取最大跨径3.8米计算。

在集中荷载作用下:

Mmax=0.278PL=0.278×250×3.8=264.1KN.m

Qlmax=（1.167+0.167）P=（1.167+0.167）×250=333.5KN

I25力学特征：

Ix=5023.54㎝4,Wx=401.88㎝3,Sx=232.79㎝3,t=13.0㎜

纵梁强度验算：

σ=Mmax/Wo=264.1×106/（2411.28×103）=109.5Mpa<1.3[σ]=188Mpa

剪应力r=QSx/（Ixt）=333.5×103×1396.74×103/（30141×104×78）=19.81Mpa<[r]=110Mpa

钻孔平台前支腿采用6根I25型钢受力满足要求。

（2）桩顶横梁受力验算

桩顶由4根I25a工字钢支撑最大跨径为3.8米，承受钻机、混凝土铁斗及钢筋笼叠加的力，钻机、钢筋笼和混凝土受力为：

200KN+300KN+400KN=900KN（由左右侧桩顶横梁支撑），简化为相同支座承担的均布荷载，q=900/8=112.5KN/m，

Mmax=0.125qL2=0.125×112.5×14.4=202.5KN.m

Qlmax=（0.5+0.5）qL=1×112.5×3.8=427.5KN

I25a力学特征：

Ix=5023.54㎝4,Wx=401.88㎝3,Sx=232.79㎝3,

t=13.0㎜

横梁强度验算：

σ=Mmax/Wo=202.5×106/（1607.5×103）=125.9Mpa<1.3[σ]=188.5Mpa

剪应力r=QSx/（Ixt）=427.5×103×931.16×103/（20094×104×52）=38.1Mpa<[r]=110Mpa

桩顶横梁采用4根I25a工字钢受力满足要求。

（二）5#过渡墩平台

1、为便于水中墩施工，在桥墩处搭设施工平台，平台净宽8.0米，长18.0米，用3排￠30㎝钢管桩排架，最大间距为4米，打入土中。

横梁采用3根双拼I25a工字钢，纵梁采用每6根I25a工字钢，桥面板结构采用槽钢20㎝槽钢（净距5㎝）。

2、平台钢管桩承受竖向荷载及桩长计算

（1）钢管桩承受竖向荷载计算

每个钢管桩承受竖向荷载有自重、人群、材料荷载及施工机械荷载，分别计算如下：

结构自重P1=mg=25000㎏×10N/㎏=250KN

人群荷载：

3.5KN/m2

材料、施工机械荷载：

钻机200KN、混凝土及导管300KN，钢筋笼400KN。

考虑实际施工作业，按照最大荷载组合布载，对最大跨进行计算。

P2=（200+300+400）KN÷4+3.5KN/m2×4÷4=228.5KN

每根桩承受的竖向荷载为：

P=1.25×（P1/21+P2）=1.25×（250/21+228.5）=300.5KN

安全系数1.25，浮力不影响结构受力，不予考虑。

（2）钢管桩沉入深度计算

桩入土深度L=2[P]/auτ

式中[P]桩容许承载力，钢管桩采用振动沉桩，a为振动桩对周围土层摩阻力影响系数，取a=1，u为桩周长，τ为桩周围土的极限摩阻力，根据地质情况取τ=50kPa.

故L=（2×300.5）/（1.0×3.14×0.3×50）=12.8m

实际沉入深度为不小于12.8米或座于基岩上。

3、平台钢管桩承载力稳定性检算

平台钢管桩承载力稳定性验算同3、4#平台，只以水深、水流、惯性矩有关，不再赘述。

4、纵横梁承载力验算

（1）纵梁承载力验算

模式分析：

钢筋笼、灌车、钻机分别为四点受力，单个支点P=275KN。

前支腿加强为6根I25型钢，取钻机前支腿进行受力验算。

由于自重相对于荷载较小，忽略不计，跨径取最大跨径4.0米计算。

Mmax=0.278PL=0.278×275×4=305.8KN.m

Qlmax=（1.167+0.167）P=（1.167+0.167）×275=366.85KN

I25力学特征：

Ix=5023.54㎝4,Wx=401.88㎝3,Sx=232.79㎝3,t=13.0㎜

纵梁强度验算：

σ=Mmax/Wo=305.8×106/（2411.3×103）=126.8Mpa<1.3[σ]=188.5Mpa

剪应力r=QSx/（Ixt）=366.85×103×1396.7×103/（30141×104×78）=21.79Mpa<[r]=110Mpa

钻孔桩位处支腿采用6根I25工字钢满足受力要求。

（2）桩顶横梁受力验算

桩顶由3根双拼I25a工字钢支撑最大跨径为4.0米，承受钻机、混凝土铁斗及钢筋笼叠加的力，钢筋笼和混凝土受力叠加为200KN+300KN+400KN=900KN（由左右侧桩顶横梁支撑），简化为相同支座承担的均布荷载，q=900/8=112.5KN/m，

Mmax=0.125qL2=0.125×112.5×16=225.0KN.m

Qlmax=（0.5+0.5）qL=1×112.5×4=450KN

I25a力学特征：

Ix=5023.54㎝4,Wx=401.88㎝3,Sx=232.79㎝3,t=13.0㎜

横梁强度验算：

σ=Mmax/Wo=225.0×106/（2411.28×103）=93.31Mpa<1.3[σ]=188Mpa

剪应力r=QSx/（Ixt）=450×103×1396.74×103/（30141×104×78）=26.73Mpa<[r]=110Mpa

故桩顶横梁采用3根双拼I25a工字钢受力较为安全。

（三）边墩平台（6、7、8、9、10）

1、为了满足水中墩施工，在桥墩处搭设施工平台，平台净宽4米，长18米，用2排Φ30㎝钢管桩排架，最大间距为4米，打入土中。

横梁采用2跟双拼I25a工字钢，纵梁采用6根I25a工钢，桥面板结构采用20㎝槽钢（净距5㎝）。

为保证钢筋笼下放的安全，采用在平台上设置龙门吊进行钢筋笼安装。

2、平台钢管桩承受竖向荷载及桩长计算

（1）钢管桩承受竖向荷载计算

每个钢管桩承受竖向荷载有自重、人群、材料荷载及施工机械荷载，分别计算如下：

结构自重P1=mg=18000㎏×10N/㎏=180KN

人群荷载：

3.5KN/m2

材料、施工机械荷载：

钻机100KN、混凝土及导管300KN，钢筋笼400KN。

考虑实际施工作业，按照