水中临时钢栈桥结构计算书.doc

大鳌大桥
水上临时钢栈桥结构计算书
一、计算依据
1.1、《建筑结构静力计算手册》（第二版—1999年版）。
1.2、《公路桥涵设计手册基本资料》（人民交通出版社—1997年版）。
1.3、《桥梁施工百问》（人民交通出版社—2003年版）。
1.4、《钢结构设计规范》（人民交通出版社—2003年版）。
1.5、《路桥施工计算手册》（人民交通出版社—2001年版）
1.6、《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041—2000）。
1.7、《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2004）。
1.8、《新中一级公路新建工程第三合同段施工图设计变更》。
二、结构形式
钢栈桥设计跨径为15m，从下到上依次采用Φ100cm/Φ60cmδ10mm钢管桩→6片贝雷片→2I36a工字钢下横梁→C30钢筋混凝土预制板。钢栈桥设计承载力为汽-超20，主要车辆荷载按550KN汽车考虑。单根钢管桩设计承载力为1000KN。主墩位置一般冲刷+局部冲刷冲刷深度考虑8m（详见附件《大鳌大桥河中临时措施布置冲刷计算》），其余位置根据《大鳌大桥防洪论证报告》取值，主要冲刷为一般冲刷，冲刷深度为1.06m。桩底按固结考虑，冲刷线位置按节点弹性支撑考虑，弹簧线刚度及角刚度利用m法计算该位置承受荷载及位移关系推导得出。钢管桩不考虑沙层以上持力，按照摩擦桩计算钢管桩承载力。钢栈桥宽6m，主墩位置加大至12m，于其上游设置防撞墩及防撞缆索，故不考虑船舶撞击力。钢管桩顶用Φ30cmδ8mm钢管架横向加强，钢管桩内用中粗砂填满振捣密实，并用C30砼封顶50cm。钢管桩顶设置支撑2I36a工字钢，贝雷梁于支撑工字钢接触部位必须为竖杆位置。于支撑梁于贝雷片接触位置采用2[12.6槽钢环抱焊接扣死。

三、计算参数
3.1、荷载：公路I级，汽超-20级，车辆荷载550KN，车速10km/h，冲击系数1.3。
3.2、水流速度2.69m/s，漂流物自重10KN，考虑冲击力，考虑风荷载。
3.3、贝雷片主梁力学特性
贝雷架选用国产 1500× 3000型贝雷桁架片，高度 1.5m，每单片长度 3.0m。。每片每延米 1KN/m（包括连接器等附属物）。单排单层不加强贝雷架的容许弯矩为 [M]=788.2KN.m。单排单层不加强贝雷架的容许剪 [V]=245.2KN，销子剪力550KN。惯性矩I=250500cm4。
3.4、钢材力学特性：
型钢：[σ]=210MPa，[τ]=160MPa，E=2.1×1011N/m。
A3钢板：[σ]=210MPa，[τ]=140MPa，E=2.1×1011N/m。
3.5 防撞缆索力学特性：
防撞缆索采用Φ26mm标准16×9a钢芯钢丝绳，标准抗拉强度【δ】=1470MPa,单根Φ26mm钢丝绳最小破断拉力329KN。选取数据参考GB/T8918-1996《钢丝绳》。
四、结构计算
4.1、防撞缆索受力验算

根据《公路桥涵设计通用规范》JDG D60-2004表4.4.2-1，且大鳌渡口所渡船满载最重荷载DWT为180t，查上表，通过直线内插法，求得最大船舶撞击力横桥向为260KN。考虑水流夹角15°，若船舶沿水流方向撞击到防撞缆索上，则撞击力为260/cos15°=269.17KN。
根据GB/T8918-1996《钢丝绳》规定，Φ26mm标准16×9a钢芯钢丝绳，单根最小破断拉力329KN。
考虑钢丝绳捻制使每根钢丝受力不均匀,整根钢丝绳的破断拉力应按下式计算:
SP =ΨΣSi 
  式中SP ——钢丝绳的破断拉力,kN;
  ΣSi ——钢丝丝绳规格表中提供的钢丝破断拉力的总和, kN;
   Ψ——钢丝捻制不均折减系数,对6×19绳,Ψ=0.85;对6×37绳,Ψ=0.82;对6×61 绳, Ψ=0.80。
因此Φ26mm标准16×9a钢芯钢丝绳的破断控制力SP =ΨΣSi =0.85×329=279.65KN>269.17KN。
通过以上验算，防撞缆索的钢丝绳满足抗船舶撞击要求。
4.2、钢筋混凝土预制板受力验算
4.2.1、计算说明
在进行钢筋混凝土预制板截面承载力验算时，主要考虑的荷载作用效应组合为：
1、 永久荷载作用效应：主要考虑混凝土预制板的结构自重，自重按密度26KN/m³考虑。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）表4.1.6，自重荷载考虑作用效应分项系数按对结构的承载能力不利对应取值1.2。
2、 可变荷载作用效应：根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004），主要考虑按550KN车辆荷载的相应技术指标考虑。在进行弯矩设计值计算中，取后轴最重荷载140KN，即后轴单排车轮最重荷载70KN。轮距1.8m。单排车轮与预制板接触面宽0.6m，长0.4m。汽车荷载效应按规范取值1.4。单轮最重荷载70KN考虑将荷载平均分布在车轮与预制板的接触面积上。
预制板尺寸为长6m,宽2.9m，厚20cm。预制板混凝土采用双层配筋，主筋采用HRB335Φ14钢筋，箍筋采用HRB335Φ12钢筋。预制板混凝土采用C30标号。
4.2.2、材料力学性能参数及指标
C30混凝土轴心抗压强度fcd=13.8MPa，HRB335Φ14钢筋钢筋设计抗拉强度fsd=280MPa，设计抗压强度f‘sd=280MPa。C30相对界限受压区高度ξ0=0.56，受压区钢筋合力点至截面受压边缘的距离a’s=17mm,受拉区钢筋合力点至截面受压边缘的距离as=17mm。受拉区布置主筋Φ14钢筋15根，间距20cm。受拉区钢筋的截面面积AS=461.7mm2。有效高度h0=200-17=183mm。结构重要性系数γ0=1.3
4.2.3、计算模型
预制板下有间距90cm贝雷片纵梁支撑，550KN汽车轴距1.8m，按照简支梁进行受力验算。考虑混凝土预制板结构自重与车辆荷载作用组合效应得到的弯矩设计值，来检验预制板的承载力。预制板结构自重与550KN车辆荷载按均布荷载计算。在进行截面验算时，按单筋矩形截面计算。
4.2.4、承载力检验
1、计算弯矩设计值M
计算时，取车轮与预制板接触面积的长度0.4m作为矩形截面的宽度进行验算。根据预制板的布筋间距15cm，0.4m宽的截面考虑有3根HRB335Φ14钢筋作为受拉主筋。
自重荷载集度：g=26×103×0.2=5.2KN/m
车辆荷载集度：q=70/0.6=116.67KN/m
自重荷载图如下：
自重荷载弯矩图如下：

自重荷载产生的跨中最大弯矩MGK=1/8×5.2×0.92=0.5265KNm
车辆荷载图如下：

车辆荷载弯矩图如下：
通过计算简图分析
车辆荷载产生的截面最大弯矩MQK=10.5KNm
考虑荷载分项系数后的弯矩组合设计值为：
M=1.2MGK+1.4MQK=1.2×0.5265+1.4×10.5=15.33KNm
结构重要系数取γ0=1.3，考虑结构重要性系数后的弯矩组合设计值为：γ0M=1.3×15.33=19.93KNm。
2、相对受压区高度X验算:=23.42mm。
X<=0.56×183=102.48mm。因此相对受压区长度满足要求。
3、截面抗弯承载力
Mu=
Mu=22.14KNm>γ0M=19.93KNm，所以承载力满足要求。
通过以上验算，钢筋混凝土预制板的设计满足要求。
4.3贝雷片纵梁计算
4.3.1计算说明
栈桥采用横向6片贝雷片作为管桩上的承重结构，每排管桩上2片贝雷片用花窗相连，组成贝雷片梁，计算跨径按纵向管桩距离15米计算。
4.3.2材料力学性能及指标
贝雷架选用国产 1500× 3000型贝雷桁架片，高度 1.5m，每单片长度 3.0m。每片每延米 1KN/m（包括连接器等附属物）。单排单层不加强贝雷架的容许弯矩为 [M]=788.2KN.m。单排单层不加强贝雷架的容许剪力 [V]=245.2KN，销子剪力550KN。惯性矩：I=250500cm4。
4.3.3计算模型
考虑最不利情况，且车重及型钢、贝雷架自重全部传至贝雷片，且整个车重全部集中在跨中，计算跨径15m。按公路工程技术标准q1=10.5kn/m，型钢及贝雷架自重按均布荷载考虑,q2=4.734kn/m,q=q1+q2=15.234kn/m,汽车轴重按集中荷载考虑，由4片贝雷片同时承受.
4.3.4承载力检验
A、强度计算
均布荷载q跨中最大弯矩计算
弯矩方程为：M= qL2/2
Mmax=qL2/8=15.234×152/8=428.5KNm
弯矩图如下：

集中力跨中弯矩
Mmax=F×L/4=550×1.3×15/6=1787.5KNm
弯矩图如下：

通过叠加法可知：跨中弯矩最大，Mmax=2216KNm
4片贝雷片同时受力，容许弯矩 [M]=788.2KN.m ×6=4729.2KN.m
Mmax=2216KNm<  [M]=788.2KN.m ×6=4729.2KN.m，满足要求。考虑最不利情况，当其中一个集中力作用于支座上时，支座处剪力最大，6片贝雷片同时受力。
Qmax=280KN，则：Qmax=280KN <6× [V]= 6×245.2=1417.2KN，满足条件。
Qmax=280KN <6× 销子剪力= 6×550KN=3300KN，满足要求。
B、刚度计算
将整量汽超-20汽车荷载简化为一个集中力作用于跨中，此时跨中有最大挠度，若该种情况贝雷片梁挠度满足要求，则将车辆荷载细化为按轴分布集中力的情况下挠度一定满足要求。
集中力作用在跨中时，最大挠度<L/400=0.03m，满足要求，所以贝雷片梁的挠度满足要求。

4.4 I36a工字钢下横梁承载力验算
工字钢下横梁由两根I36a工字钢组成，按跨径4.5m的简支梁来计算。考虑最不利情况，整个车重平均分配到6片贝雷片梁上面，并传力至工字钢下横梁，即6个集中荷载按间距0.9m作用在工字钢下横梁上。550KN汽车，考虑1.3安全系数，每个集中荷载=550×1.3/6=119.17KN。

受力图如下:

弯矩图如下：

工字钢下横梁弯应力σ=Mmax/ω=321.759×103/875×2×10-6=183.86×106N/㎡=183.86MPa<210MPa,抗弯强度满足要求。
剪力图如下：
<[τ]=120MPa，抗剪强度满足要求。
综上所述，I36a工字钢下横梁满足设计要求。

4.5钢管桩局部冲刷计算
栈桥钢管桩冲刷考虑了一般冲刷+局部冲刷。主墩位置冲刷深度考虑8m（详见附件《大鳌大桥河中临时措施布置冲刷计算》）根据《大鳌大桥河中临时措施布置冲刷计算》的结果，大鳌大桥钢管桩的埋置深度满足冲刷后的埋置深度要求。

4.6钢管桩承载力计算
4.6.1基本计算参数
地质力学性能如下：
地层时代
岩、土层名称
极限摩阻力(Kpa)
Qh
淤泥
0
淤泥质粘土
20
粉砂、细砂
30
粉质粘土
30
Kbz
粉砂岩
160
钢管桩作为栈桥主要承重基础，按照摩擦桩计算。且为保险起见，淤泥的摩阻力忽略不计，为0。钢管桩间距4.5m，由10mm厚的A3钢板卷制而成，管内填砂密实。
4.6.2荷载计算
55t汽车最不利作用在每根钢管桩上的荷载，按每根管桩设计承受600KN，；考虑系数1.2（上面计算时已经考虑系数1.3，这里不计钢管桩水中部分浮力）。
根据经验公式计算单桩竖向承载力

4.7流水及漂流物对栈桥钢管桩冲击力横桥向计算
4.7.1基本计算参数
水流速度2.36m/s，漂流物重W=10KN，撞击时间1s。φ100cm/φ60cm钢管桩最长露出河床长度为L=20m（考虑按设计图纸施工水位3.62m计算）。按φ100cm钢管桩壁厚1.0cm来计算，若φ100cm钢管桩满足要求，则φ120cm钢管桩也满足要求。
惯性矩Ix=3.14×604/32=635850cm4
截面抗弯系数Wx=Sx=3.14× 603/8 =21195cm3
考虑钢管桩中填砂，砂石的弹性模量取E2=5MPa，砂石的泊松比μ1=0.8，钢板泊松比μ2=0.31，根据Halpain—Tsai修正混合率公式计算钢板与所填砂的复合弹性模量

根据计算得出弹性模量E=1293.4MPa
4.7.2荷载计算
钢管桩所受的流水压力（均布荷载）
q=0.8DγV2/(2g)=1×0.6×10×2.692/20=2.171KN/m
钢管桩所受漂流物冲击力（集中荷载）
P=WV/ (gt)=10×2.69/(10×1)=2.69KN
4.7.3计算模型
按照一端为固定端，一端铰接来计算，计算最不利情况如下图所示。

4.7.4、强度计算(q+P组和最大弯矩)
MB= F×L/8+qa2×（6-8a+3a2）/12=53.8+6813.9=4095.44KN
σ= MB/W=4095.44×103/（21195×10-6）=193.23×106Nm
=193.23MPa <[σ]=210MPa，满足条件。
4.7.5、刚度计算
由《公路桥涵设计手册》P222第一项第三行有：
通过叠加法计算
挠度ω=0.05+0.00951=0.044m＜L/400=0.05m
挠度满足要求。
4.8钢栈桥汽车制动力顺桥向稳定计算
4.8.1计算说明
550KN汽车按照10km/h制动行驶，其制动力一般小于自重的10%，即最大为55KN，计算时可以移至支座的底板面上（钢管桩上）。
出于安全考虑，制动力影响2跨，4根钢管桩受力承担，每根钢管桩受力为：
P=55/4=16KN。
4.8.2计算模型
按照单桩悬臂梁计算，最不利情况如下图所示。

备注：计算时不考虑管内填砂密实加强。
4.8.3、强度计算
P=16KN，L=20m
MB=PL=16×20=320KNm
σ= MB/W=320×103/（312017.89×10-8）=102.56×106Pa
=102.56MPa <[σ]=140MPa，满足条件。

4.9钢管桩在各种工况下受力及变形验算。
钢栈桥
钢栈桥荷载明细表
说明
荷载一
单根钢管桩流水压力X轴向67.9KN，Y轴向0.74KN，作用于钢管桩冲刷现以上长度2/3位置；单根钢管桩波浪力X轴向30KN，Y轴向20KN，作用于钢管桩顶端；

荷载二
单根钢管桩承受贝雷梁传递竖向荷载650KN
使用阶段

钢栈桥荷载工况分类表
序号
名称
说 明
1
工况一
钢栈桥形成阶段，荷载组合为：荷载一
2
工况二
正常使用阶段，荷载组合为：荷载一+荷载二
A、 钢栈桥形成阶段

钢栈桥形成阶段计算变形图

钢栈桥形成计算反力图

钢栈桥形成阶段计算剪力图

钢栈桥形成阶段计算弯曲应力图

钢栈桥形成阶段阶段计算结果列表
单 元
最大弯应力(Mpa)
最大剪应力(Mpa)
备 注
钢管桩
184
1.83

变形
横桥向119mm，顺桥向112mm，竖向1mm

B、钢栈桥正常使用阶段

钢栈桥正常使用阶段计算变形图

钢栈桥正常使用阶段计算反力图

钢栈桥正常使用阶段计算剪应力图

钢栈桥正常使用阶段计算弯曲应力图
钢栈桥正常使用阶段计算结果列表
单 元
最大弯应力(Mpa)
最大剪应力(Mpa)
备 注
钢管桩
212.4
1.83

变形
横桥向119mm，顺桥向112mm，竖向5mm

4.10、钢管桩压杆稳定性计算
4.10.1、基本计算参数
管桩顶标高按+4.25m计算，河床底最低处标高-14.13m
4.10.2、计算模型

Φ0.6m钢管桩：
管桩非入土长度为：3.96+14.13=18.09m，冲刷深度为1.06m，则自由长度为1.06+18.09=19.15m，按20m计算。钢管桩按上端自由，下端固支考虑。
计算长度L=20m，设计承载力P=1000KN。
Φ1.0m钢管桩：
主墩位置附近管桩为Φ1.0m钢管桩
管桩非入土长度为：3.96+14.13=18.09m，冲刷深度为8m，则自由长度为8+18.09=26.09m，按27m计算。钢管桩按上端自由，下端固支考虑。
计算长度L=27m，设计承载力P=1000KN。
4.10.3、钢管桩承受临界荷载P计算
Φ0.6m钢管桩：
I=ΠD4/64—ΠD4/64=80634cm4，不考虑钢管中管砂振实。弹性模量E=210GPa
P=π2×E×I/（4L2）=3.142×2.1×1011×80634×10-8/ （4×202）
=1043.5×103N=1043.5KN>P=1000KN，满足条件。
Φ1.0m钢管桩：
I=ΠD4/64—ΠD4/64=380881cm4，不考虑钢管中管砂振实。弹性模量E=210GPa
P=π2×E×I/（4L2）=3.142×2.1×1011×380881×10-8/ （4×272）
=2704.46×103N=2704.46KN>P=1000KN，满足条件。
通过以上计算，钢管桩的稳定性满足设计要求。
五、总结
通过以上计算，钢栈桥满足设计要求。