《栈桥专业验算》.docx
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《栈桥专业验算》
第一节栈桥验算书
一、适用范围及验算说明
本验算书适用于平潭海峡大桥栈桥。
依据附图1已知分配横梁I22a的工字钢，间距为0.75m。
横断面布置36根槽钢，卧放。
对于海底高程在-15.5m以上时，标准跨之间采用φ800mm×12mm×3的螺旋钢管桩（间距为15m），制动墩采用钢管桩φ630mm×10mm×6；海底高程在-15.5m以下时，标准跨之间采用φ1200mm×16mm×3的螺旋钢管桩（间距为15m），制动墩采用钢管桩φ800mm×12mm×6。
二、设计依据
1、《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）
2、《公路工程技术标准》JTGB01－2003
3、《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）
4、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）
5、附图1
三、主要参考资料
1、《钢结构设计手册》第三版
2、《路桥施工计算手册》
3、《建筑结构静力计算手册》2004版
四、主要技术标准
设计荷载：
履带吊-100、挂车-120
基本可变荷载：
履带吊－100、混凝土运输车－40、挂车-120
其他可变荷载：
①风力：
6级风力，设计速度取Vd＝13.8m/s；
20年一遇风速为33.5m/s；
②波浪力：
20年一遇，波浪力为20kN；
③冰压力：
20年一遇，冰压力为190.9kN；
④汽车制动力：
按《公路桥涵设计通用规范》采用；
⑤温度作用：
考虑整体升温32℃，降温35℃。
五、地质情况
水深3.5m左右，桥位区地质分布为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土、泥岩，其中淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土厚度为3m～6m，下层分布泥岩，较密实。
六、主要结构形式
支撑桩：
制动墩采用φ630mm×10mm×6钢管
中间墩采用φ800mm×10mm×3钢管
跨径为15m
制动墩采用φ800mm×10mm×6钢管
中间墩采用φ1200mm×10mm×3钢管
跨径为15m
桩顶横梁：
2I36a
上部分配横梁：
I22a
桥面板：
[22a卧放
七、结构验算
（一）计算荷载
⑴竖向荷载：
挂车-120重为120t；履带吊-100重为100t。
⑵、水平荷载
A、风载：
式中：
Fwh：
横向风荷载标准值（KN）；
Wd：
设计基准风压（KN/m2），公式为
；
Awh：
横向迎风面积（m2），此处取Awh＝39m2；
Vd：
设计高度Z的风速（m/s），此处取Vd＝13.8m/s；
Z：
距水面的高度（m），此处Z＝3.8m；
γ：
空气重力密度（KN/m3），
；
k0：
设计风速重现期换算系数，此处取k0＝0.9；
k1：
风载阻力系数，此处取k0＝0.9；
k3：
地形、地理条件系数，此处取k3＝1.00；
g：
重力加速度，g＝10m/s2。
B、波浪力：
F波＝20KN
C、冰压力：
F冰＝190.9KN
D、汽车制动力：
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）查得，汽车制动力为汽车荷载重力的10％，但栈桥设计时速为15km/h，此处取水平制动力为120KN。
（二）上部结构内力计算
1[22a内力
1）荷载计算
单边车轮作用在跨中时，[22a弯矩最大，轮压力为简化计算可作为集中力。
荷载分析：
1）自重均布荷载：
0.23kN/m
2）施工及人群荷载：
不考虑与汽车同时作用
3）汽车轮压：
最大轴重为300kN，每轴4组车轮，则单组车轮荷载为75kN，车轮
着地宽度和长度为0.5m×0.2m，单组车轮作用在3根[22a上，则单根[22a受到的荷载为：
=1/3×75kN/0.2m=125kN/m。
则单边车轮布置在跨中时弯距最大计算模型如下：
图2.1.1.1受力模型
图2.1.1.2弯矩图（Mmax=4.11kN.m）
履带荷载属均布荷载，100t分布作用在6m长的区域，对桥面槽钢的作用比轮式荷载小，不予计算。
选用[22a，则Wy=28.2cm3；
σ=M/W=4.11kN.m/28.2cm3=145Mpa＜[δ]=188.5Mpa；满足强度要求。
（根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》第1.2.10条有：
对于临时结构有1.3[σ]＝145×1.3＝188.5Mpa）
2）刚度验算
该结构的容许挠度为不大于结构总长的1/400。
根据《建筑结构静力计算手册》
挠度：
fmax=qcl3（8-4
2+
3）/384EI
=c/l=0.2m/0.75m=0.27
2I22a横向分配梁内力计算
1）荷载计算
单边车轮作用在跨中时，横向分配梁的弯矩最大，轮压力为简化计算可作为集中力。
荷载分析：
1）自重均布荷载：
1.11KN/m
2）施工及人群荷载：
不考虑与汽车同时作用
3）汽车轮压：
挂-120当单边车轮布置在跨中时弯距最大，计算模型如下：
图2.2.1.1受力模型
图2.2.1.2弯矩图（Mmax=9.04kN.m）
图2.2.1.2剪力图（Qmax＝70.35kN）
荷载分析：
100t履带吊轮压：
履带吊接地长度为6m，I22a布置间距为0.75m，则履带吊同时作用在9根I22a上，单根I22a的履带轮压为1000÷9＝111kN小于挂-120单轴300kN同时作用在单根I22a上，不予计算。
选用I22a则A=42.1cm2,W=310cm3，I/S=18.9（I=3400cm4，S=174.9），b=
0.75cm
σ=M/W=9.04/0.31=29.2MPa<188.2MPa
<[τ]=85×1.3=110Mpa
2）刚度计算
根据《建筑结构静力计算手册》
挠度：
结构刚度与强度均满足要求。
3贝雷梁内力计算
1）汽车荷载作用阶段
荷载分析：
1）自重均布荷载：
q1=17.58kN/m；
2）施工及人群荷载:
不考虑与车辆同时作用；
3）利用SAP2000建立受力模型如下：
a.挂-120布置在跨中:
2.1.1.1受力模型
2.1.1.2弯矩图（Mmax=3403.54kN.m）
2.1.1.3剪力图（Qmax=723.61kN）
2.1.1.4节点反力图（Nmax=723.61kN）
b.挂-120后轴布置在跨中:
2.1.1.5受力模型
2.1.1.6弯矩图（Mmax=3275.78kN.m）
2.1.1.7剪力图（Qmax=931.6kN）
2.1.1.8节点反力图（Nmax=931.6kN）
c.挂-120布置在跨端:
2.1.1.9受力模型
2.1.1.10弯矩图（Mmax=2699.3kN.m）
2.1.1.11剪力图（Qmax=1059.61kN）
2.1.1.12节点反力图（Nmax=1059.61kN）
d.挂-120布置在1/4跨:
2.1.1.13受力模型
2.1.1.14弯矩图（Mmax=3438.03kN.m）
2.1.1.15剪力图（Qmax=863.61kN）
2.1.1.16节点反力图（Nmax=863.61kN）
则：
Mmax1=3438.03kN·m
Qmax1=1059.61kN
2）100t履带吊作用阶段
1）自重均布荷载：
q1=17.58kN/m；
2）施工及人群荷载:
不考虑与履带吊同时作用
3）100t履带吊轮压：
q2=1300kN÷6m=217kN/m（考虑最大吊重30t）
a.作用在跨中
3.3.2.1受力模型
3.3.2.2弯矩图（Mmax=3676.54kN.m）
3.3.2.3剪力图（Qmax=627.61kN）
b.作用在跨端
3.3.2.4受力模型
3.3.2.5弯矩图（Mmax=1997.79kN.m）
3.3.2.6剪力图（Qmax=980.11kN）
c.作用在1/4跨
3.3.2.7受力模型
3.3.2.8弯矩图（Mmax=3155.91kN.m）
3.3.2.9剪力图（Qmax=944.94kN）
经过上述分析知，在履带作用阶段贝雷梁最大弯矩Mmax2=3676.54kN.m，最大剪力Qmax2=980.11kN。
纵向主梁选用4组双排单层贝雷架，则
贝雷梁容许弯矩[M]=1576.4×4=6305.6kN.m，
容许剪力[Q]=490.5×4＝1962kN，
截面特性：
[I]=5×105×4=20×105cm4。
Mmax=Mmax2=3676.54kN.m<[M]=6305.6kN.m
Qmax=Qmax1=980.11kN<[Q]＝1962kN
3）刚度计算
根据《建筑结构静力计算手册》
根据《建筑结构静力计算手册》
挠度：
fmax=qcl3（8-4
2+
3）/384EI
=c/l=6m/15m=0.4
fmax=1000KN×15003（8-4×0.42+0.43）/（384×2.1×105MPa×20×105cm4）=15.53×10-3m﹤15m/400=37.5mm
满足强度要求。
42I32a下横梁内力
对于下横梁受力最不利情况为：
（1）挂-120沿栈桥的边侧行驶到桩顶时；
（2）履-100在栈桥上吊装30t重物时。
由于栈桥剪力决定了履-100吊装30t重物只能处于栈桥中心位置；综合对比情况
（1）比情况
（2）受力严重，为简化计算，将挂-120荷载以集中力的形式对下横梁的内力进行分析。
（1）挂-120沿栈桥的边侧行驶到桩顶时
1）自重均布荷载：
q1=15.97×15/6+0.53=40.455kN/m
2）施工及人群荷载:
不考虑与履带吊同时作用
3）挂-120轮压：
Q1=Q2＝Q3＝Q4＝300kN
第一步：
利用SAP2000建模，求解贝雷梁支点反力。
（偏载时图中只显示了六片贝雷梁）
R1R2R3R4R5R6
2.4.1.受力模型
R1R2R3R4R5R6
2.4.2支点反力（Rmax=508.77kN）
第二步：
根据上面的分析结果，模拟贝雷加载分析2I36a内力。
R1R2R3
2.4.3受力模型
2.4.4弯矩图（Mmax=152.82kN.m）
2.4.5剪力图（Qmax=509.2kN）
R1R2R3
2.4.6支点反力（Rmax=842.94kN）
根据上面的计算分析，取Mmax=152.82kN·m，Qmax=509.2kN进行下横梁的截面设计。
Wx=Mmax/[σ]=152.82kN·m/140Mpa=1092cm3
A=Qmax/[τ]=509.2kN/85Mpa=59.9cm2
选用2I36a,W=2×875cm3=1750cm3,A=2×76.3=134.2cm2,
I/S=30.97（I=31520cm4，S=1017.6cm3），b=1.36×2＝2.72cm。
σ=M/W=152.82kN·m/1750cm3=87.3MPa<1.3[σ]
<1.3[τ]
从应力计算结果非常小可看出，挠度肯定满足要求，可不作计算。
满足强度要求。
（三）钢管桩承载力计算
1单桩最大需承载力
根据图2.4.6可知单桩最大受压力为842.9kN。
所以桩顶最大作用力为842.94kN。
根据等截面替换原则钢管桩φ600mm×10mm×6，A=1112.12cm2，φ1200mm×16mm×3，A=1785.43cm2，大于钢管桩φ800mm×12mm×3，A=891.21cm2。
下面重点计算φ800mm×10mm×3钢管桩。
由上分析知钢管桩单桩承载力最大值为842.94kN，据此施工中选用
ICEV360振动锤进行施打钢管桩，ICEV360振动锤性能参数见下表。
表4.1ICEV360振动锤性能表
电机功率
（kW）
偏心力矩
N·m
振动频率r/min
激振力
kN
机重
kg
允许拔桩力
KN
90
460
1050
570
6155
240
根据《装配式公路钢桥多用途使用手册》中关于振动沉桩承载力的计算，按电动机消耗的能量求桩基的极限承载力公式：
式中：
——沉桩将达规定标高前，下沉速度为0-5cm/min时，所需的有效功率（kW）；
——沉桩机无负荷时的功率（kW）；
ν——沉桩最后一阵速度（cm/min），根据栈A-3工程变更令取0.5cm/min；
Q——振动体系的重量（t），DZ90A锤重6.15t；
α——土质系数，取2.0
β——桩基入土速度系数，取0.15
根据以往施工记录，ICEV360无负荷时电动机输入电流为100A，电压为375V，求振动锤终打前电动机输入电流：
从以上计算可以看出，ICEV360振动锤在终打前，电动机输入电流必须大于190A，沉桩最后一阵速度10min入土深度不大于5cm。
2钢管桩入土深度（考虑冲刷深度3m）
根据《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）第4.2.4条：
式中：
Qd—单桩垂直极限承载力设计值（kN）；
—单桩垂直承载力分项系数，取1.45；
U—桩身截面周长（m），本处为2.512m；
—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）；
—单桩极限桩端阻力标准值（kPa）；
A—桩身截面面积，Φ800×10mm钢管桩A=297.07cm2；
查看地质资料可得，在SK8处的地质资料最为不利，该区域土层磨阻力如表4.2：
表4.2土层摩阻力统计
序号
土层名称
承载力（kPa）
桩周摩阻力
（kPa）
顶面
（m）
底面高程
（m）
层厚（m）
1
淤泥
45
10
-3.40
-9.70
6.30
2
淤泥质亚粘土
70
20
-9.70
-15.40
5.70
3
亚粘土
140
35
-15.40
-18.90
3.50
4
中砂
300
55
-18.90
-20.60
1.70
5
强风化角砾岩
450
100
-20.60
-27.60
7.00
由842.94kN＝1/1.45×[2.512×（10×6.3+20×5.7+35×3.5+55×1.7+100×Lx）]（淤泥层考虑3m深的冲刷深度，施工中对相应施工区域进行施工监测，当河床冲刷深度大于2m时，须对桩基础进行防护，防止冲刷继续。
）
计算得：
Lx=0.96m，桩底入强风化角砾岩层1.0m。
则[P]=1/1.45×[2.512×（10×6.3+20×5.7+35×3.5+55×1.7+100×1）+450×297.07×10-4]＝922.69kN≥842.94kN。
据此知钢管桩需打入强风化角砾岩层1m，桩底标高为-21.60，取-22.0m。
钢管桩的入土深度为河床面以下18.6m，单根钢管桩总长28m。
（四）钢管桩稳定性计算
河床面高程为-3.4m，按3m冲刷深度考虑，则可假定钢管桩悬臂固结点在-6.4m处，桩顶标高取+4.303m，钢管悬臂长度为10.703m。
1单根钢管桩流水压力计算
单根桩流水压力计算：
Fw=kAγv2/（2g）
式中：
Fw――流水压力标准值（kN）；
k――形状系数（钢管取0.8）；
A――阻水面积（m2），计算至一般冲刷线处；
γ――水的重力密度（kN/m3）；
v――设计流速（1.53m/s）；
g――重力加速度（9.81m/s2）。
Fw=kAγv2/（2g）＝0.8×（0.6×11.24）×10×1.532÷（2×9.81）＝6.4kN
2单根钢管桩风力计算
1）横桥向风压计算
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ-02189）第2.3.8条计算横桥向风压：
W=K1K2K3K4W0（Pa）
式中：
W0——基本风压值（Pa），550Pa；
K1——设计风速频率换算系数，取1.0；
K2——风载体形系数，钢管桩取0.8；
K3——风压高度变化系数，1.08；
K4——地形、地理条件系数，查表2.3.8——3知，取K4＝1.4；
；
迎风面积：
；
横桥向风载：
；
2）纵桥向风压计算
纵桥向风压按横桥向风压的70%计算。
纵桥向风载：
3波浪力
波浪力为Pmax＝20kN。
4利用SAP2000建立有限元模型
图4.4.1计算模型（单位：
kN）
图4.4.2变形图（fmax=0.0244m）图4.4.3轴向力（Nmax=985.56kN）
图4.4.2剪力图（Qmax=49.84kN）图4.4.3弯矩图（Mmax=180.17kN.m）
5使用阶段钢管桩强度验算
经上述建模分析知，钢管桩在冲刷后泥面处最大弯矩M=180.17kN.m，最大水平力为34.95kN，最大剪力为49.84kN、轴力为985.56kN。
下面利用《港口工程桩基规范》中介绍的m法计算钢管桩在泥面以下的变形及弯矩：
式中：
——桩身在泥面及泥面以下的变形（m）；
——作用在泥面处的水平荷载（kN），34.95kN；
——桩的相对刚度系数（m）；
——桩材料的弹性模量（
），钢管为2.06×108
；
——桩截面的惯性矩（m4），Φ800×12mm钢管为2.3×10-3m4,Φ1200×16mm钢管为10.4×10-3m4；
——分别为变形和弯矩的无量纲系数按，表C.2.2查得；
——作用在泥面处的弯矩（
），180.17
；
——桩侧地基土的水平抗力系数随深度增长的比例系数（
），取4200
；
——桩的换算宽度，
取2d（d为桩受力面的桩宽或桩径）（m），
=1.6m；
——桩身最大弯矩距泥面深度（m）；
——换算深度（m）,根据
按表C.2.2查得0.69；
——桩身最大弯矩（m）；
无量纲系数，根据
按表C.2.2中查得（m）。
Φ800×12mm钢管桩Wx=11531.62cm3，A=297.07cm2,Φ1200×16mm钢管桩Wx=34769.07cm3，A=595.143cm2。
根据上述计算，钢管桩在压弯共同作用下，最大应力为：
，满足要求；
钢管桩挠度
，满足要求。
同理，Φ1200×16mm钢管桩也满足要求。
6使用阶段钢管桩间剪刀撑和平撑强度验算
钢管桩间剪刀撑和平撑均设计为[20a，经上述建模分析知，[20a各杆件中最不利杆件为水平撑杆，其最大弯矩M=10.5kN.m，最大剪力为9.8kN；轴向力最大杆件为斜撑杆，最大轴力为156.227kN。
[20a的界面参数为：
W=178.04cm3,A=28.83cm2,
I/S=13.47（I=1753.3cm4，S=130.12cm3），b=0.7cm。
σ=M/W=10.5kN.m/178.04cm3=59MPa<[σ]=140×1.3=182Mpa；
<[τ]=85×1.3=110Mpa；
；满足强度要求。
（注：
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