莆田联十一线A5标三江口特大桥钢栈桥施工设计计算书.docx
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莆田联十一线A5标三江口特大桥钢栈桥施工设计计算书
莆田联十一线A5标三江口特大桥
钢栈桥施工设计计算书
计算:
复核:
审核:
审定
中国建筑股份有限公司莆田联十一线A5标项目部
2016年4月
1.设计依据
⑴《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）
⑵《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）
⑶《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）
⑷《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041--2000）
⑸《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
⑹《港口工程设计荷载规范》（JTJ215-98）
⑺黄绍金刘陌生《装配式公路钢桥多用途手册》
⑻路桥施工计算手册（人民交通出版社）ISBN7-114-03855-0
⑼水文、地质、潮汐、气象资料：
木兰溪水文资料：
Q=3520m3/s，H1%=3.70m，V1%=1.05m/s。
简要地质资料：
1-1素填土（Q4ml）；1-3耕值土（Q4ml）；3-1-1淤泥（Q4ml-m），σ=55kpa；3-2淤泥质黏土（Q4ml-m），σ=70kpa；3-3粉质黏土（Q4ml-m）,σ=200kpa；3-4粉砂（Q4ml-m）,σ=110kpa；3-5中砂（Q4ml-m），σ=300kpa；3-8卵石（Q4ml-m），σ=550kpa；6-1全风化花岗岩（γ52）,，σ=350kpa；6-2-1砂土状强风化花岗岩（γ52），σ=450kpa；6-2-2碎块状强风化花岗岩（γ52）,σ=750kpa；6-3中风化花岗岩（γ53），σ=1800kpa；6-4微风化花岗岩（γ53），σ=3800kpa。
根据勘察地质资料，桥址地面下20m范围内主要为冲海积层，下伏基岩为燕山晚期花岗岩及其风化层。
2.设计参数
⑴设计控制荷载：
A、50t履带吊机，吊重20t
B、主梁运输车，重100t
C、40t混凝土罐车
⑵设计使用寿命：
3年
⑶桥面宽度：
8m；
⑷桥面标高：
+6m；
⑸设计车速：
15km/h；
3.设计说明
施工栈桥负担三江口特大桥主桥以及部分引桥施工中的材料、机械、混凝土、主桥钢梁等的运输功能，同时也作为钻孔平台施工过程中的起始平台。
3.1栈桥桥型布置
栈桥总长为593m，荔城侧第一跨为24m，其他为标准桥跨9m，布置为4跨一联（9x4=36m），栈桥桥面宽8m，钢栈桥均布置在线路右侧。
3.2结构说明
（1）下部结构
钢栈桥基础采用钢管桩，9m跨栈桥基础连续墩采用ø630×10mm螺旋钢管，24m跨栈桥基础采用ø820×10mm螺旋钢管，连续墩采用单排桩，横桥向布置3根，间距3.15m；制动墩采用ø529×10mm双排桩，横桥向布置3根，钢管桩横桥向间距3.15m，纵桥向间距1.8m。
钢管桩间用槽钢横向连接，以提高稳定性。
钢管桩顶采用双拼40a工字钢作为横梁，横梁长度为9m。
（2）上部结构
栈桥主梁采用321贝雷梁，贝雷梁单跨跨度为9m、24m，横桥向布置4组，每组2排，排间距为90cm，两组贝雷梁间间距1.2m，24m跨贝雷梁底板用加强弦杆加强。
栈桥桥面板采用板厚20cm预制钢筋混凝土桥面板，桥面板采用C30混凝土。
栈桥总体布置图、连续墩断面图及制动墩断面图见附件。
3.3.荷载参数
（1）基本可变荷载
汽车荷载：
混凝土罐车、主梁运输车等，考虑最大重车100t（主梁运输车），不允许50t以上重车会车。
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）表4.3.1-3规定，其技术指标如下：
项目
单位
技术指标
项目
单位
技术指标
车辆重力标准值
KN
550
轮距
m
1.8
前轴重力标准值
KN
30
前轮着地宽度及长度
m
0.3x0.2
中轴重力标准值
KN
2x120
中、后轮着地宽度及长度
m
0.6x0.2
后轴重力标准值
KN
2x140
车辆荷载的主要技术指标
车辆立面布置图
车辆平面布置图
本栈桥通行重车取相同轮距，荷载比例扩大，则为55KN、440KN、510KN。
50t履带吊荷载:
自重50t，起吊作业20t。
接触面积为2—4660×760mm2
（2）其他可变作用
①行人荷载：
2.5kN/m；
②管道荷载：
2.0kN/m；
③风载：
最大风力按12级考虑，风速为32.6m/s。
风载按《公路桥涵设计通用规范》进行计算，
其中：
（按施工架设期间取值）；
（桁架风载系数）；
（按最不利地形地理条件选取）；
（按A类地表，离地面或水面5m计）；
（按A类取阵风风速系数）；
，
12级风载时：
求得:
单片贝雷片及桥面板迎风面积：
；
风载为：
每联栈桥风载水平力为：
假定风载作用点在冲刷线上，钢管桩在冲刷线上的长度为10m。
④水流力：
水流流速1.05m/s，水流力为
K—水流阻力系数，桩为圆形，取0.63；
—水容重，取10kN/m³；V—水流速度；
—重力加速度，取9.8m/s²；
A—单桩入水部分在垂直于水流方向的投影面积；
栈桥钢管桩水中长度h=10m，水面流速为1.05m/s,河床处流速为0m/s。
水流力
冲刷线以上桩长H=10m，作用点位于桩顶1/3H
4、主要材料设计指标
根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）以及《装配式公路钢桥多用途使作手册》主要材料的设计指标如下
材料名称
材质
抗弯拉极限应力σw（MPa）
抗剪极限应力τ（MPa）
一般型钢构件
Q235
215
125
贝雷梁
16Mn
273
208
5、混凝土桥面板计算
混凝土桥面板宽2m，长8m，厚0.2m，按单向板计算。
汽车荷载两个后轴间距1.4m，小于桥面板宽2.0m，按一块板承受两个后轴车轮计算。
⑴荷载计算
汽车荷载轮压q=1.4x255/2/0.6/0.2=1487KN/m2（控制设计）
履带吊机着地压力q=1.4x700/2/4.65/0.76=138.6KN/m2
⑵内力计算
由于55t汽车荷载控制设计，本算单以此为例计算。
根据栈桥断面布置图，桥面板最大跨度为1.2米。
轮宽20cm，考虑按45°扩散角，板有效宽度0.6m，计算简图如下：
计算得：
Mmax=40.2KN.M
Qmax=89.3KN
⑶配筋计算
桥面板有效宽度b=600mm（考虑按45°扩散角，板有效宽度0.6m）
梁高度h=200mm，as=20mm，as’=20mm
h0=180mm梁自重3KN/m
混凝土选用C30，fc=14.3N/mm2a1=1
ft=1.43N/mm2b1=0.8
钢筋选用HRB335级钢fy=f'y=300N/㎜2ξb=0.55
A、单筋矩形截面在纵向受拉钢筋达到充分发挥作用或不出现超筋破坏所能承受的最大弯矩设计值Mmax
=106.7KN.M
B、单筋矩形截面已知弯矩求配筋
M实际=40.2KN.M
673.19mm2（需要的钢筋截面积）
取钢筋直径￠＝16mm，实取4根
实际配筋面积AS=804.25㎜2
满足构造及受力要求。
⑷抗剪计算
混凝土桥面板截面抗剪如下：
V=0.7βhftbh0=108KN＞Q=98KN
满足构造及受力要求
6、栈桥结构验算
栈桥的设计荷载按以下两种方式组合：
工况一：
1.2倍自重荷载+1.4倍主梁运输车汽车荷载，其中汽车荷载考虑1.3倍的冲击系数。
工况二：
1.2倍自重荷载+1.4倍履带吊荷载，其中履带吊荷载考虑1.3倍的冲击系数。
栈桥的设计验算按9m跨、24m跨分两次验算，本次验算通过MIDAS/Civil结构分析软件计算完成。
6.1、9m标准跨栈桥验算
下图为两跨9m跨度栈桥的Midas分析模型图
图6.1栈桥Midas分析模型图
6.1.1、贝雷梁验算结果分析
（1）贝雷梁强度验算
图6.2工况一贝雷梁应力计算结果
图6.3工况二贝雷梁应力计算结果图
由以上计算结果图可知，工况一下贝雷梁所受应力为188MPa，工况二下贝雷梁所受应力为135MPa。
最大应力188MPa＜σw=273MPa。
故贝雷梁强度满足要求。
（2）贝雷梁扰度验算
6.4工况一贝雷梁位移计算结果图
6.5工况二贝雷梁位移计算结果图
由以上计算结果可知，工况一下贝雷梁最大扰度为5.5mm，工况二下贝雷梁最大扰度为4.7mm。
贝雷梁最大扰度5.5mm＜f=L/400=22mm，故贝雷梁扰度满足要求。
6.1.2、桩顶横梁验算结果分析
（1）横梁强度分析
6.6工况一横梁应力计算结果图
6.7工况二横梁应力计算结果图
由以上计算结果图可知，工况一横梁的最大应力为79.8MPa，工况二横梁的最大应力为62.2MPa。
横梁所受最大应力79.8MPa＜σw=215MPa，故横梁强度满足要求。
（2）横梁扰度分析
6.8工况一横梁位移计算结果图
6.9工况一横梁位移计算结果图
由以上计算结果可知，工况一和工况二横梁的最大位移均为2mm。
横梁最大位移2mm＜f=L/400=7.8mm，故横梁扰度满足要求。
6.1.3、钢管桩验算结果分析
（1）钢管桩强度分析
6.10工况一钢管桩应力计算结果图
6.10工况二钢管桩应力计算结果图
由以上计算结果可知，工况一与工况二钢管桩最大应力均为13.5MPa。
钢管桩所受最大应力13.5MPa＜σw=215MPa，故钢管桩强度满足要求。
（2）钢管桩稳定性分析
6.11工况一钢管桩反力计算结果图
6.12工况二钢管桩反力计算结果图
由以上计算结果可知，工况一钢管桩反力为837KN，工况二钢管桩反力为676KN。
取工况一钢管桩反力837KN为计算依据。
a、钢管桩长细比
钢管桩规格为φ630*10mm，回转半径
，钢管桩长度按30m计算，长细比
＜[λ]=150，钢管桩长细比满足要求。
b、钢管桩稳定性验算：
查《钢结构设计与计算》P520页知：
稳定系数
＝0.357，A＝19400mm2，
＜σw=215MPa，钢管桩稳定性满足要求。
（3）钢管桩承载能力分析
根据《公路桥涵地基与基础设计规范》沉桩的单桩轴向受压容许承载力：
钢管桩参数：
钢管桩采用外径D=630mm，壁厚d=10mm
钢管桩桩底投影面积A=0.312m2
钢管桩周长U=1.979m
土层摩阻力统计见下表：
土层摩阻力统计表
编号
土层名称
土层厚度（m）
桩侧土摩阻力标准值
（kPa）
地基承载力基本允许值
（kPa）
3-1-1
淤泥
15
12
55
3-8
卵石
3.6
180
550
6-2-1
砂土状强风化花岗岩
9.9
110
450
6-2-2
碎块状强风化花岗岩
2.1
150
750
不计地基承载力，钢管桩长度按穿过淤泥层与卵石层，打入强风化花岗岩1m，打入深度共19.6m。
钢管桩单桩容许承载力：
由上面计算可知钢管桩最大反力N=837kN＜
=928.151KN
承载力满足要求。
6.1.4、栈桥整体稳定性验算
（1）、荷载分析
栈桥最不利受力为在最高潮水位时水流力、风荷载产生的同向倾覆弯矩，取一联栈桥（4孔）进行整体稳定性分析。
（2）、倾覆力
水流倾覆力矩：
风力倾覆力矩：
整体倾覆力矩：
（3）、抗倾覆力
水流力、风荷载产生的同向力矩作用下，栈桥有向水流方向倾覆的趋势，栈桥通过自身重量和钢管桩与土层的摩阻力产生的抗倾覆弯矩来保持栈桥稳定。
栈桥外侧两根钢管桩横桥向间距为6.3m,所以抗倾覆力臂取3.15m。
（4）、整体稳定分析
栈桥整体稳定安全系数
，满足整体稳定性要求。
6.2、24m跨栈桥验算
由上面9m跨栈桥验算结果可知，工况一较工况二对栈桥结构影响大，故本次只验算工况一时栈桥的受力情况，下图为24m单跨栈桥的Midas分析模型图。
图6.13栈桥Midas分析模型图
6.2.1、贝雷梁验算结果分析
（1）贝雷梁强度验算
图6.14工况一贝雷梁应力结果图
由以上计算结果图可知，工况一下贝雷梁所受最大应力为235MPa。
最大应力235MPa＜σw=273MPa。
故贝雷梁强度满足要求.
（2）贝雷梁扰度验算
图6.15工况一贝雷梁位移结果图
由以上计算结果图可知，工况一贝雷梁所受最大扰度为18mm。
最大扰度18mm＜L/400=60mm。
故贝雷梁扰度满足要求
6.2.2、桩顶横梁结果分析
（1）横梁强度分析
图6.16工况一横梁应力结果图
由以上计算结果图可知，工况一横梁所受最大应力为155MPa。
最大应力155MPa＜σw=215MPa。
故贝雷梁强度满足要求
（2）横梁扰度分析
图6.17工况一横梁位移结果图
由以上计算结果图可知，工况一横梁所受最大扰度为7.5mm。
最大扰度7.4mm＜L/400=7.8mm。
故贝雷梁扰度满足要求
6.2.3、钢管桩验算结果分析
（1）钢管桩强度分析
图6.18工况一钢管桩应力结果图
由以上计算结果可知，工况一钢管桩最大应力均为18MPa。
钢管桩所受最大应力18MPa＜σw=215MPa，故钢管桩强度满足要求。
（2）钢管桩稳定性分析
6.19工况一钢管桩反力计算结果图
由以上计算结果可知，工况一钢管桩反力为1222.2KN。
a、钢管桩长细比
钢管桩规格为φ820*10mm，回转半径
，钢管桩长度按30m计算，长细比
＜[λ]=150，钢管桩长细比满足要求。
b、钢管桩稳定性验算：
查《钢结构设计与计算》P520页知：
稳定系数
＝0.536，A＝25729mm2，
＜σw=215MPa，钢管桩稳定性满足要求。
（4）钢管桩承载能力分析
根据《公路桥涵地基与基础设计规范》沉桩的单桩轴向受压容许承载力：
钢管桩参数：
钢管桩采用外径D=829mm，壁厚d=10mm
钢管桩桩底投影面积A=0.539m2
钢管桩周长U=2.604m
土层摩阻力统计见下表：
土层摩阻力统计表
编号
土层名称
土层厚度（m）
桩侧土摩阻力标准值
（kPa）
地基承载力基本允许值
（kPa）
3-1-1
淤泥
15
12
55
3-8
卵石
3.6
180
550
6-2-1
砂土状强风化花岗岩
9.9
110
450
6-2-2
碎块状强风化花岗岩
2.1
150
750
不计地基承载力，钢管桩长度按穿过淤泥层与卵石层，打入强风化花岗岩3m，打入深度共21.6m。
钢管桩单桩容许承载力：
由上面计算可知钢管桩最大反力N=1222.2kN＜
=1507KN
承载力满足要求。
6.2.4、栈桥整体稳定性分析
参考9m跨栈桥的稳定性分析。
7、结论
经验算，钢栈桥的受力满足要求。
现场实际施工中，对栈桥的某些主要部位进行加强，提高栈桥的安全可靠性.施工中需注意以下事项：
1、24m跨栈桥必要时可在贝雷梁上面再用一层加强弦杆加强，使其强度更大，下扰度更小。
2、桩顶横梁腰部用加劲钢板加强，钢板间距40cm，桩顶处钢板间距加密为10cm。
3、栈桥横向每组贝雷梁用工字钢或槽钢连接，每跨贝雷梁至少用2根连接，提高贝雷梁的整体性。
4、桩顶横梁设置在钢管桩槽口内，并在底部与钢管桩间焊接牛腿加固，且两侧与钢管桩用钢板焊接固定。
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