莆田联十一线A5标三江口特大桥过渡墩钻孔平台设计计算书.docx

莆田联十一线A5标三江口特大桥
过渡墩钻孔平台设计计算书

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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》（JTG D60-2015）
⑵《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）
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）ISBN 7-114-03855-0
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，自重50t，吊重20t。
B、钻孔桩机，重量约12t。
⑵ 设计使用寿命：3年
⑶ 桥面宽度：12m
⑷ 桥面标高： +7m；

3. 设计说明

钻孔平台作为水中基桩施工的临时结构，主要承受的作用有钻机荷载、其他施工机具及堆载、平台自重等。

3.1 平台桥型布置

平台总长为42m，桥跨布置5排钢管柱，每排4根，平台纵桥向跨度为9m+12m+9m+12m，平台顶面宽12m。

3.2 结构说明
（1）下部结构
平台基础采用钢管桩，钢管桩规格为ø529×10mm，横桥向布置4根，间距3.5m。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12m。
（2）上部结构
平台主梁采用321贝雷梁，规格为3m*1.5m，纵桥向布置14片，贝雷梁横桥向布置3组，每组3排，用45cm和90cm支撑架连接成组，每组间距为3.3m。
贝雷梁上铺I28工字钢作为分配梁，将[20a槽钢反扣于工钢上作为平台面板。

3.3.荷载参数
（1）基本可变荷载
钻孔桩机荷载：自重7t，冲锤5t，与平台有4个接触点。
50t履带吊机:自重50t，吊重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3高度计）；
（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：
平台风载水平力为：
假定作用点在冲刷线上，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、 平台结构验算
本次验算通过MIDAS/Civil结构分析软件计算完成，平台支架Midas分析模型图如下：

图5.5 平台Midas分析模型图
平台施工过程中与使用过程中受力状态大体相当，所以仅以平台使用过程作分析，平台所受荷载有如下：
恒载: 恒载为平台自重，计算时恒载系数为1.2。
活载：钻孔桩机120KN，按1.4倍活载系数，q=1.4x（70+50）/4=42 kN
履带吊自重500KN，吊重200KN，总重700KN，按1.4倍活载系数，履带吊机着地压力 q=1.4x700/2/4.65/0.76=139 kN/m2
设计荷载=恒载+活载
5.1 、平台面板验算
面板采用[20a反扣在工28的分配梁上，分配梁间距为50cm，取履带吊荷载作受力分析，用MIDAS/Civil建模得

结果如下图：

图5.1 平台面板应力结果图

图5.2平台面板位移结果图
可知，面板最大应力，满足要求。
面板最大扰度，满足要求。
5.2 、工字钢分配梁验算
因两组贝雷梁的间距为3.3m，故分配梁的最大跨度为3.3m，当履带吊处于分配梁跨度中作业时，分配梁受力最不利，此时分配梁所受荷载：
履带吊机着地压力 q=1.4x700/2/4.65/0.76=139 kN/m2
用MIDAS/Civil建模得

结果如下图：

图5.3分配梁应力结果图

图5.4分配梁位移结果图
可知，分配梁最大应力，满足要求。
分配梁最大扰度，满足要求。
5.3 、贝雷梁验算
贝雷梁所受荷载组合如下：
工况1：履带吊布置在平台12m跨中，且作用在贝雷梁上，所受荷载=1.2恒载+1.4活载
工况2：履带吊布置在平台12m跨边，且作用在贝雷梁上，所受荷载=1.2恒载+1.4活载
工况3：4台钻孔桩机工作中，所受荷载=1.2恒载+1.4活载

用MIDAS/Civil分别建模得：

图5.5 工况1平台受力分析图

图5.6 工况2平台受力分析图

图5.6 工况3平台受力分析图
（1）贝雷梁强度验算

图5.7 工况1贝雷梁应力结果图

图5.8 工况2贝雷梁应力结果图
图5.9工况3贝雷梁应力计算结果图

5.10 工况1贝雷梁位移计算结果图

5.11 工况2贝雷梁位移计算结果图

5.12 工况3贝雷梁位移计算结果图

由上可知：
工况1贝雷梁所受应力最大，最大应力，满足要求。
工况1贝雷梁扰度最大，最大扰度，满足要求。
5.4 、桩顶横梁与钢管桩验算
当履带吊处于钢管桩顶部作业时，此时横梁和钢管桩受力最不利，取此最不利状态对横梁和钢管桩进行验算。

用MIDAS/Civil建模得

5.13横梁与钢管桩受力结构图

5.4.1 、横梁验算

5.14 横梁应力计算结果图

5.15 横梁位移计算结果图
可知，横梁最大应力，满足要求。
横梁最大扰度，满足要求。
5.4.2 、钢管桩验算
（1） 钢管桩强度分析

5.16 工况一钢管桩应力计算结果图
可知，钢管桩最大应力，满足要求。
（2） 钢管桩稳定性分析

5.17 钢管桩反力计算结果图
可知钢管桩所受反力为437.6KN.
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 = 630 mm，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=437.6kN＜=928.151KN
承载力满足要求。
5.5、栈桥整体稳定性验算
(1)、荷载分析
钢平台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，取整个平台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，平台有向水流方向倾覆的趋势，平台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平台稳定。平台外侧两根钢管桩横桥向间距为10.5m,所以抗倾覆力臂取5.25m。

(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、 结论
经验算，钢平台的结构受力满足要求。
现场实际施工中，可对钢平台的某些主要部位进行加强，提高平台的安全可靠性。施工中需注意以下事项：
1、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。
2、平台横向每组贝雷梁用工字钢或槽钢连接，平台每跨贝雷梁至少用连接2道，提高贝雷梁的整体性。
3、每根工字钢分配梁与贝雷梁需用U型螺栓相连接。
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。