特大桥D4合同段钢栈桥设计计算书.doc

特大桥D4合同段钢栈桥设计计算书

　　新造珠江特大桥D4合同段钢栈桥　　
　　设计计算书　　

　　计算： 　　
　　复核： 　　
　　审核： 　　

　　路桥华南工程有限公司　　

　　新造珠江　　

　　第一章：工程简介　　
　　一．工程概况　　
　　新造珠江特大桥为广州新洲至化龙快速路上的控制性工程，全长1980m。其中引桥长　1222m　，斜拉主桥长　758m　，珠江大桥桥跨组合为6×m＋2×　41.3m　＋＋2×m。主线按双向六车道，设计行车速度为80km/h；主桥桥宽31米，引桥标准桥宽28.5米；本工程总工期30个月。　　
　　主桥为主跨为350m的双塔斜拉桥。22#、23#主墩以及21#辅助墩为水中基础，需搭设栈桥及平台进行施工。根据工程所处地区的地质环境条件，拟采用贝雷桁架在南、北两岸搭设钢栈桥。　　
　　二．结构设计　　
　　1、施工钢栈桥　　
　　钢栈桥采用贝雷加型钢的组合结构形式，北岸钢栈桥采用3+18×6+15×2m跨径组合、XX钢栈桥采用18+15×2m跨径组合。钢栈桥采用Φ630×8mm的钢管桩作为基础，钢管桩横桥向中心距为400cm，在钢管桩上面设置双支I32型钢作为承重梁，并设置牛腿与钢管桩进行连接。贝雷为双排单层加强，两排贝雷之间采用45#花架连接。二次分配梁采用I28a型钢，I28a型钢间距为100cm。I28二次分配梁上面设置[20a型钢作为一次分配梁，中心距为23cm，形成栈桥。　　
　　二次分配梁I28a与贝雷之间采用直径为Φ　16mm　的骑马螺栓进行连接固定。钢栈桥的两端设置Φ48钢管作为防护栏。钢栈桥的布置图如下：　　
　　　　　　　　钢栈桥断面图　　
　　2、钻孔施工平台　　
　　钻孔平台采用贝雷桁架作为主承重结构，[20型钢作为一次分配结构、I28按照1m间距分布作为二次分配结构，I32型钢作为四周圈梁将荷载传递给钢管桩基础。钢管桩采用直径630mm、壁厚8mm螺旋钢管，钢管桩中心距6.4m。　　
　　二次分配梁I28a与贝雷之间采用直径为Φ　16mm　的骑马螺栓进行连接固定。钢栈桥的两端设置Φ48钢管作为防护栏。钢栈桥的布置图如下：　　

　　3、主墩码头　　
　　钻孔平台采用贝雷桁架作为主承重结构，[20型钢作为一次分配结构、I28按照1m间距分布作为二次分配结构，I32型钢作为四周圈梁将荷载传递给钢管桩基础。钢管桩采用直径630mm、壁厚8mm螺旋钢管，钢管桩中心距4m。　　
　　二次分配梁I28a与贝雷之间采用直径为Φ　16mm　的骑马螺栓进行连接固定。钢栈桥的两端设置Φ48钢管作为防护栏。钢栈桥的布置图如下：　　

　　第二章：结构设计计算各相关参数的确定　　
　　一．计算目的　　
　　为了使钢栈桥、钻孔施工平台及主墩码头在新造珠江特大桥施工的整个过程中能够安全可靠地投入运用，需对钢栈桥的各结构进行强度、刚度及稳定性等方面的计算与验算。　　
　　二．参考资料　　
　　1、设计院及相关部门提供的该项目相关技术资料　　
　　2、《公路桥涵施工技术规范》——人民交通出版社　　
　　3、《钢结构设计手册》——中国建筑工业出版社　　
　　4、《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》　　
　　5、《结构力学》——人民交通出版社　　
　　6、《路桥施工计算手册》——人民交通出版社　　
　　7、《实用土木工程手册》——人民交通出版社　　
　　8、《公路桥涵设计通用规范》——　　
　　三．计算过程中采用的部分参数　　
　　A3钢材的允许应力：【σ】＝170MPa　　
　　A3钢材的允许剪应力：【τ】＝85MPa　　
　　A3钢材的弹性模量：E＝2.1×105Mpa　　
　　16Mn钢材的允许应力：【σ】＝210MPa　　
　　16Mn钢材的允许剪应力：【τ】＝120MPa　　
　　16Mn钢材的弹性模量：E＝2.1×105Mpa　　
　　四．设计技术参数及荷载的确定　　
　　1．上述结构设计计算荷载为50T履带吊及砼罐车，50T履带吊自重约为50T，其计算工况为最重荷载在栈桥上行驶时对栈桥的影响，考虑可能出现的履带吊停留在栈桥上吊装作业时的情况，吊重按20T考虑，则考虑1.1的冲击系数最后取77T进行计算。　　
　　2．结构自重按实际重量计入或由计算软件自动计入；　　
　　3．流水压力　　
　　因新造珠江特大桥施工图设计说明中未提供相关数据，出于安全考虑，施工区域流水设计流速300cm/s。根据《公路桥涵设计通用规范》，则流水压力为：　　
　　Fw=kAγV2/2g　　
　　其中：K—为形状系数，圆形取0.8；　　
　　 A—为阻水面积，取　1m　长度计算，则面积为0.82m2；　　
　　 γ—为水的重力密度，取10KN/m3；　　
　　 V—为设计水流速，　1.4m　/s；　　
　　 g—为重力加速度，取　9.81m　/s2；　　
　　 则：水流压力Fw=0.8×0.63×10×32/2×9.81=2.212KN/m　　
　　 即钢管桩在水中的自由段承受2.212KN/m的水流压力。　　

　　五．结构计算工况的确定　　
　　1．主桥施工栈桥　　
　　工况一：　　
　　钢栈桥搭设施工时，50T履带吊悬吊振桩锤打桩。此时由于前面的钢管桩还在振打，50T履带吊必需停留在悬臂跨上，此工况下主要考虑悬臂时对贝雷的受力大小及钢管桩的承载力。计算荷载为履带吊的自重、振桩锤重同时考虑一定的冲击系数，最后荷载值取77T。　　
　　最大荷载组合为：恒载+活载+水流压力　　
　　工况二：　　
　　钢栈桥搭设好后，正常投入使用时，各种施工车辆在上面行驶或停留。在整个施工过程中，最大荷载有砼运输车满载时为30T左右，考虑冲击系数取33T；履带吊自重50T，吊重20T，考虑冲击系数取77T。　　
　　最大荷载组合为：恒载+活载+水流压力　　
　　2、主墩钻孔施工平台：　　
　　主墩钻孔施工平台结构搭设过程受力状态与使用过程受力状态基本一致，所以仅按照使用过程进行分析。　　
　　最大荷载有砼运输车满载时为30T左右，考虑冲击系数取33T；履带吊自重50T，吊重20T，考虑冲击系数取77T。　　
　　3、主墩码头：　　
　　主墩钻孔施工平台结构搭设过程受力状态与使用过程受力状态基本一致，所以仅按照使用过程进行分析。　　
　　最大荷载有砼运输车满载时为30T左右，考虑冲击系数取33T；履带吊自重50T，吊重20T，考虑冲击系数取77T。　　
　　经过初步分析：主桥钢栈桥、钻孔施工平台、码头均按照履带吊控制设计。　　

　　第三章：结构的设计计算及验算　　
　　一、主栈桥结构设计与验算:　　
　　1．工况一　　
　　在工况一里，主要考虑汽车吊的悬臂作用。单跨栈桥为18m，综合考虑50T履带吊的作业半径，履带吊的荷载布置为从悬臂端的桩顶开始，荷载分布为两中心距为　3.6m　的均布荷载，荷载宽度为　0.7m　，长度为5m。每条履带的均布荷载大小为770÷2÷5=77KN/m，履带吊在栈桥上居中布置，履带悬臂一半。其示意图如下：　　

　　一次分配梁[20的计算：　　
　　根据荷载分布情况以及履带宽度，按最不利考虑，单条履带荷载考虑由3条[20a型钢承担，其大小为77÷3=25.67KN/m,按5跨连续梁考虑，其计算结果如下：　　

　　由上图计算结果可知，[20a承受的最大组合应力为σ=-108.05MPa＜【σ】＝170Mpa。　　

　　由上图计算结果可知，[20最大位移为f=0.66mm＜【f】＝L/400=2.5mm。　　
　　二次分配梁I28的计算：　　
　　根据一次分配梁[20的计算结果得知，在悬吊振桩的情况下，一次分配梁对二次分配两产生的作用力最大为29.32KN，则施加在二次分配梁上的作用力按单边最外侧3个23cm等间距29.32KN大小的作用力计算，则二次分配梁的计算结果如下：　　

　　由上图计算结果可知，I28承受的最大组合应力为σ=87.04MPa＜【σ】＝170Mpa。　　

　　由上图计算结果可知，I28最大位移为f=2.4mm＜【f】＝L/200=5mm。　　
　　整体计算：　　
　　由于悬吊振桩锤施工时，履带吊为居中布置，栈桥的各结构都是等间距对称布置的，所以贝雷计算时可将各重量简化为均布荷载进行计算。履带吊的履带长度为　5m　，则贝雷悬臂部分按2片贝雷　6m　考虑，每片贝雷加花架按　300Kg　考虑，则施加在贝雷上的荷载为：　　
　　贝雷：350×1/3=116.7Kg/m　　
　　I28: 43.465×6×1=260.79Kg/m　　
　　[20: 22.632×25×1=565.8Kg/m　　
　　则施加在贝雷上的结构自重按均布荷载为9.44KN/m，单侧双排加强贝雷的均布荷载为2.36KN/m，施加的活载为单条履带77KN/m，贝雷的计算结果如下：　　

　　由上图计算结果可知，双排加强贝雷承受的最大组合应力为σ=167.43Mpa＜【σ】＝210Mpa。　　

　　由上图可知，双排加强贝雷最大位移为f=4.98mm＜【f】＝L/400=45mm。　　

　　由上图可知，钢管桩最大反力为570.63KN。　　

　　钢栈桥的整体稳定性计算：　　

　　由上图计算结果可知，钢栈桥第一阶失稳系数为15.2。　　
　　结论：综合上述结果可知，钢栈桥在工况一荷载作用下，有足够的刚度、强度、稳定性。结构安全可靠。　　
　　2．工况二　　
　　在工况二中，计算荷载取履带吊的55T。由于在工况一中计算荷载也为55T，所以在工况二里不再进行一次分配梁和二次分配梁的单独计算，而直接进行贝雷及栈桥的整体稳定计算。　　
　　整体计算：　　
　　由工况一的计算可得知贝雷上的结构自重荷载为11.8KN/m，单条履带活载为77KN/m，贝雷弯矩计算时活载布置到跨中，剪力计算时布置到支点处，贝雷取一联4跨连续进行计算。计算结果如下：　　

　　由上图可知，双排加强贝雷最大组合应力为σ=195.08Mpa＜【σ】＝210Mpa。　　

　　由上图计算结果可知，双排加强贝雷最大变形挠度为f=27.39mm＜18000÷400=45mm。　　

　　由上图计算结果可知，钢管桩最大反力为F=541.33KN　　
　　钢栈桥的整体稳定计算：　　

　　由上图计算结果可知，钢栈桥第一阶失稳系数为10.61。　　
　　结论：综合上述结果可知，钢栈桥在工况二荷载作用下，有足够的刚度、强度、稳定性，结构安全可靠。　　
　　二、主墩钻孔施工平台：　　
　　 1、一次分配梁[20的计算：　　
　　 该分配梁计算结果与主栈桥的一次分配梁计算结果一致。　　
　　 2、二次分配梁I28的计算：　　
　　 该分配梁计算结果与主栈桥的一次分配梁计算结果一致。　　
　　 3、整体计算：　　

　　由上图可知，不加强贝雷最大组合应力为σ=263.35Mpa＜1.3【σ】＝273Mpa。　　

　　由上图计算结果可知，不加强贝雷最大变形挠度为f=14.44mm＜10000÷400=25mm。　　

　　由上图计算结果可知，钢管桩最大反力为F=301.89KN　　

　　三、主墩码头计算：　　
　　 1、一次分配梁[20的计算：　　
　　 该分配梁计算结果与主栈桥的一次分配梁计算结果一致。　　
　　 2、二次分配梁I28的计算：　　
　　 该分配梁计算结果与主栈桥的一次分配梁计算结果一致。　　
　　 3、整体计算：　　

　　由上图可知，双排加强贝雷最大组合应力为σ=169.14Mpa＜【σ】＝273Mpa。　　

　　由上图计算结果可知，双排加强贝雷最大变形挠度为f=17.49mm＜15750÷400=39.375mm。　　

　　由上图计算结果可知，钢管桩最大反力为F=311.73KN　　

　　第四章：钢管桩的入土深度计算　　
　　一．主桥钢栈桥　　
　　根据第三章中各工况的计算结果，钢管桩的单桩最大承载力为工况一570.63KN，考虑其它不确定的影响因素，Φ630×8mm钢管桩的最大单桩承载力按600KN进行计算。　　
　　根据地质勘察报告中X22墩附近孔位土质力学性能，　　
　　Qmc4 ：承载力取[σ]=100kPa，摩阻力取[τ]=40kPa，　　
　　层厚6.2m,层顶标高-1.5m；　　
　　Pz1⑦1：承载力取[σ]=350kPa，摩阻力取[τ]=75kPa，层厚3m；　　
　　Pz1⑦2：承载力取[σ]=550kPa，摩阻力取[τ]=130kPa，层厚13.2m；　　
　　则单桩进入Pz1⑦1土层深度为：　　
　　L0=(600×1.5-40×3.14×0.63×6.2)÷(3.14×0.63×75)=2.759m　　
　　根据设计给出的勘察资料，河床标高为-1.5m，　　
　　桩顶标高为：+5.427m；　　
　　桩底标高为：-10.459m；　　
　　单桩桩长为：L=15.886m；　　
　　综合考虑：钢管桩设计长度取18m，实际过程中可以适当调整，但施工过程必须保证单桩承载力不小于60T。　　
　　二、钻孔施工平台及主墩码头：　　
　　比较钻孔施工平台及主墩码头钢管桩反力，钢管桩长度与主桥钢栈桥确定原则一致：钢管桩设计长度取18m，实际过程中可以适当调整，但施工过程必须保证单桩承载力不小于60T。　　

　　目 录　　

　　第一章、施工简介. 1　　
　　一、工程概况. 1　　
　　二、结构设计. 1　　
　　第二章、结构设计计算各相关参数的确定. 3　　
　　一、计算目的. 3　　
　　二、参考资料. 3　　
　　三、计算过程中采用的部分参数. 4　　
　　四、设计技术参数及相关荷载的确定. 4　　
　　五、结构计算工况的确定. 5　　
　　第三章、结构设计计算及验算. 6　　
　　一、主桥钢栈桥. 6　　
　　二、钻孔施工平台. 14　　
　　三、主墩码头. 16　　
　　第四章、钢管桩的入土深度计算. 18　　
　　一、主桥钢栈桥. 18　　
　　二、钻孔施工平台及主墩码头. 18　　

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