青岛某栈桥结构验算书.doc

栈桥验算书
一、适用范围及验算说明：
本验算书适用于某大桥土建工程第8合同段栈桥。
依据《某大桥栈-I施工图》、实地施工情况和现场拥有的材料，并考虑到施工进度和减轻桥面系自重，对原栈桥局部进行了优化。原栈桥结构为：横向分配梁I25a工字钢，间距为1.5m。纵向分配梁I12.6a工字钢，间距为0.35m。桥面为12mm厚的钢板。钢管桩为φ600mm×12mm×6。现变更为分配横梁I22a的工字钢，间距为0.75m。横断面布置36根槽钢，卧放（纵向分配梁I12.6a工字钢取消）。制动墩采用钢管桩φ630mm×10mm×6，中间墩采用钢管桩φ800mm×10mm×3。
二、设计依据
1、《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)
2、《公路工程技术标准》JTG B01－2003
3、《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）
4、《钢结构设计规范》( GB 50017-2003)
5、《某大桥栈-I施工图》
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
桩 顶 横 梁： 2I36a
上部分配横梁： I22a
桥 面 板： [22a卧放。
七、结构验算
1、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》(JTG D60-2004)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。
2、桥面系验算
⑴、 桥面槽钢受力验算：
（据《公路工程技术标准》JTG B01-2003）挂车-120车重为1200KN，车轴数为4个，每个车轴有4组车轮组，每组车轮组的受力为1200 KN/16=75 KN,车轮横向间距为0.9m×0.9m×0.9m，车轮与桥面的接触面积为0.5m×0.2m。（履带吊-100施加于桥面的为面荷载，结构受力更趋于安全，因此在此对履带吊-100不予计算），接触面应
为三根22a的槽钢。按简支梁和25KN均布荷载进行计算，接触面长为0.2m，计算跨径为0.75m。
[22a的截面特性为Iy=158cm4 Wy=28.2cm3 A=31.8cm2
Eg=2.1×105 MPa
1）强度计算
①、按简支梁计算，弯矩剪力图如下图所示。

②、a=0.275m c=0.2m l=0.75m qc=25KN
根据《建筑结构静力计算手册》
剪力：
弯矩： （其中）

③、正应力和切应力
正应力：δ=M/W=4.1KN·m /28.2cm3=1.45×108 N/m2=145 N/mm2
切应力：τ=Q/A=12.5 KN /31.8cm2=3.9N/mm2
④、Q235的容许应力值为：

[δ]=175N/mm2
[τ]=73N/mm2
⑤、相比较所得结果为：
δ=145 N/mm2 ＜[δ] =175N/mm2
τ=3.9N/mm2＜[τ]=73N/mm2
由计算可知，满足要求。
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（8-4γ2+γ3）/384EI
γ=c/l=0.2m/0.75m=0.27
fmax =25KN×0.753（8-4×0.272+0.273）/（384×2.1×105MPa×158cm4）=6.4×10-4m﹤0.75m/400=1.88×10-3m
符合要求。
桥面采用Q235[22a的槽钢卧放，桥面组合形式为多个槽钢焊接成一个整体，并且下缘与分配横梁的接触面焊接，这样结构受力更趋于安全。
(2)、桥面分配横梁受力检算：
挂车-120车重为1200KN，车轴数为4个，每个车轴有4组车轮组，每个车轮组的受力为1200 KN/16=75 KN,车轮横向间距为0.9m×0.9m×0.9m，车轮与桥面的接触面积为0.5m×0.2m。分配横梁在贝雷架上最大间距为1.3m，考虑最不利位置受力，按简支梁和75 KN
集中荷载进行计算，简支梁长为1.3m。
I22a的截面特性为Ix=3400cm4，Wx=309cm3,A=42cm2
1)、强度计算
①按简支梁计算，剪力图、弯矩图如下：

根据《建筑结构静力计算手册》
②、剪力：Q= F/2=3.75×104N
弯矩：Mmax=PL/4=7.5×104N×1.3m/4=2.4×104N·m
③、正应力和切应力
正应力：δ=Mmax/Wx=2.4×104N·m/309cm3=7.8×107 N/m2=78N/mm2
切应力：τ=Q/A=3.75×104N/42cm2=8.9×1 06 N/m2=8.9N/mm2
④、Q235的容许应力值为：
[δ]=175N/mm2
[τ]=73N/mm2
相比较所得结果为：
δ=78N/mm2﹤[δ] =175N/mm2
τ=8.9N/mm2﹤[τ]=73N/mm2
2）刚度验算
根据《建筑结构静力计算手册》
挠度：wmax=Fl3/48EI=37.5KN×1.33/（48×2.1×105MPa×3400cm4）=2.4×10-4m﹤1.3m/400=3.25×10-3m
结构刚度与强度均满足要求。
3、 钢管桩承载力计算
3.1 单桩最大需承力
钢管桩最大需承力出现在车辆行驶在桩顶且偏心作用时，根据分析可知， 挂-120作用时桩顶最大作用力为842.94kN，履-50作用时桩顶最大作用力为634.56kN。根据等截面替换原则钢管桩φ630mm×10mm×6，A=1168.67cm2，大于钢管桩φ800mm×10mm×3，A=744.56cm2。
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DZJ-90A振动锤进行施打钢管桩，DZ-90A振动锤性能参数见下表。
表4.1 DZ-90A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
0～754
1100
780
8720
350
3.2 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=248.18cm2；
查看地质资料可得，在144号墩(RK28+199.70)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(XZK171)
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，桩底如强风化角砾岩层1.0m。
则[P]= 1/1.45×【2.512×（10×6.3+20×5.7+35×3.5+55×1.7+100×1）+450×248.18×10-4】＝861.78kN≥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。
4 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。
4.1 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＝6.4 kN
4.2 单根钢管桩风力计算
4.2.1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），550 Pa；

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：；
4.2.2 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：
4.3 波浪力
波浪力为Pmax＝20 kN。

4.4 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）
4.5 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），34.95 kN；
——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），Φ800×10mm钢管为1.9×10-3 m4；
——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）。
Φ800×10mm钢管桩Wx=9682.348cm3，A=248.18cm2。
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。

4.6 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 =182 Mpa；
<[τ]=85×1.3=110Mpa；
；满足强度要求。
5、计算结论
经分析计算，栈桥各修改部分构件强度和刚度均满足受力要求。