磺砂特大桥钢栈桥设计计算书(终).讲解学习

磺砂特大桥钢栈桥设计计算书(终).

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霞浦东冲至火车站段公路A3标段磺砂特大桥

钢栈桥设计计算说明书

中铁十六局集团第五工程有限公司 霞浦东冲至火车站段公路A3标段项目经理部

2016年9月15日

目录

1.钢栈桥设计依据 ......................................................... 0

1.1.工程概况 ......................................................... 0 1.2.设计依据和设计规范 ............................................... 0

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1.3.技术标准及设计说明 ............................................... 0 2.钢栈桥结构设计 ......................................................... 1

2.1.技术标准 ......................................................... 1 2.2.钢栈桥结构形式 ................................................... 1 3.荷载计算 ............................................................... 2

3.1.12m³混凝土运输车 ................................................. 2 3.2.50t履带吊 ....................................................... 3

3.2.1.履带吊正面吊重 ............................................. 3 3.2.2.履带吊侧向吊重 ............................................. 3

4.钢栈桥结构检算 ......................................................... 3

4.1.桥面系检算 ....................................................... 3

4.1.1.桥面系构造 ................................................. 3 4.1.2.桥面板计算 ................................................. 4 4.1.3.配筋计算 ................................................... 7 4.2.贝雷梁检算 ...................................................... 10

4.2.1.12m³混凝土运输车计算 ...................................... 10 4.2.2.50t履带吊计算 ............................................ 12 4.3.分配梁检算 ...................................................... 13

4.3.1.中间墩分配梁验算 .......................................... 13 4.3.2.中间墩分配梁反力 .......................................... 14 4.4.钢管桩检算 ...................................................... 15

4.4.1.钢管桩的嵌固点计算 ........................................ 15 4.4.2.钢管桩水流力 .............................................. 15 4.4.3.风力计算 .................................................. 16 4.4.4.钢管桩强度检算 ............................................ 16

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4.4.5.钢管桩承载力检算 .......................................... 17

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1.钢栈桥设计依据

1.1.工程概况

黄沙特大桥于沿海陆域滩涂地带，起讫桩号K25+151～K26+960。上部构造为12×（5×30）预应力砼预制T梁，先简支后结构连续，桥梁全长1809.00m，桥宽10.5m，桥梁交角90°，下部构造采用桥墩采用柱式墩、钻孔灌注桩；桥台采用U台、扩大基础，肋板台、钻孔灌注桩。 1.2.设计依据和设计规范

《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015) 《公路工程技术标准》（JTG B01－2003） 《钢结构设计规范》(GB 50017-2003) 《路桥施工计算手册》（周水兴等编著） 《建筑结构静力计算手册》2004版 《港口工程荷载规范》（JTJ215-98） 1.3.技术标准及设计说明

（1）栈桥桥面设计标高+6.5m,桩顶标高+4.8m，最高潮位3.8m（实测）,最低潮位-2.72m。

（2）设计控制荷载：主要通行12m³混凝土车，50t履带吊吊装作业。 （3）设计行车速度：10km/h。

（4）栈桥施工方案：栈桥钢管采用50T履带吊配合液压振动锤DZ60振动入土，履带吊处于栈桥上，栈桥材料采用陆地组装，通过栈桥运输至施工点，采用履带吊安装。计划从东冲往火车站方向开始施工。

（5）动载系数：混凝土运输车荷载的冲击系数取1.3。 （6）型钢、钢管桩允许应力 抗拉、压 188.5MPa 抗弯 w188.5MPa 抗剪 110MPa

单排单层贝雷梁容许弯矩M788.2kNm

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单排单层贝雷梁容许剪力Q245.2kN

2.钢栈桥结构设计

2.1.技术标准

（1）设计恒载：钢栈桥结构自重

（2）设计活载：12m³混凝土运输车（重50t） （3）验算活载：50t履带吊(自重52t+吊重15t) （4）设计行车速度：10km/h （5）设计使用寿命：3年 2.2.钢栈桥结构形式

该栈桥位于桥梁右侧，用于连接两岸，中间留通航孔。桥面净宽6.0m。贝雷梁钢栈桥上部构造从上到下依次是厚20cm混凝土桥面板、贝雷梁。混凝土桥面板直接支撑在贝雷梁顶面，通过预埋件与贝雷梁固定。钢栈桥纵梁采用6排单层321型贝雷梁，间距为0.90m+1.30m+0.9m+1.30m+0.90m，贝雷梁跨度12m，采用6跨一联布置，中间设置刚性墩。

钢栈桥下部结构横向分配梁采用2I36a型钢，分配梁支撑在φ529×8mm钢管桩上，钢管桩采用2根，钢管桩横向间距4.0m；钢管桩平联剪刀撑均采用[20槽钢，详见下图。

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钢栈桥横断面布置图（单位：mm）

3.荷载计算

钢栈桥使用中最大活载为12m³的混凝土运输车和50t履带吊；所以将其作为控制荷载，进行钢栈桥结构设计。 3.1.12m³混凝土运输车

12m³混凝土运输车重50t，荷载分配情况如下： 前轴重8t，P1801.3104kN 后轴重21t，P2P32101.3273kN 前轮和后轮间距为4m，轴间距如下图:

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图2、12m³混凝土运输车轮轴间距图 （单位：mm）

3.2.50t履带吊

QUY50t履带吊整机质量为52t，履带轨距、接地长度和履带板宽度为：3540mm×4690mm×760mm，具体见下图：

图3、50t履带吊尺寸图 （单位：mm）

3.2.1.履带吊正面吊重

履带吊正面吊重15t时前半部分承载重量，单条履带吊荷载为：

q1520+150142.9kN/m，取2m宽桥面板计算，则桥面板横桥向线荷载为：

20.54.692142.9376.1kN/m。 0.76q1板3.2.2.履带吊侧向吊重

计算时考虑侧向吊重15t达到临界状态时，荷载最不利，最不利侧履带线荷载为：

q2520+150142.9kN/m，取2m宽桥面板计算，则桥面板的横桥向线荷载为：4.692142.9376.1kN/m。 0.76q2板4.钢栈桥结构检算

4.1.桥面系检算

4.1.1.桥面系构造

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钢栈桥满铺厚20cm的预制混凝土桥面板，桥面板预埋件与贝雷梁焊接“U”卡箍固定。 4.1.2.桥面板计算 4.1.2.1.混凝土罐车荷载 混凝土运输车单轮荷载为

273136.5kN，后轮轴距为1.4m，接地长度为0.2m，一块22m宽桥面板上纵桥向最多可作用两个后轮，轮压横桥向宽度取0.6m。在2m宽的桥面板上混凝土运输车产生的横桥向均布荷载为：

2136.5455kN/m。 0.6砼面板自重产生的均布荷载为: 26620.2610.4kN/m(钢筋混凝土容重取

=26kNm3)

以单辆砼搅拌车为计算模型，以桥面板为线单元计算，桥面板最大弯矩计算模型如下：

图4、计算模型

用有限元软件计算，得到弯矩图：

图5、桥面板弯矩图

桥面板最大剪力计算模型如下：

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图6、计算模型

图7、桥面板剪力图

所以，由上面计算可得：

M下max50.7kNm M上max25.2kNm Qmax217.6kN

4.1.2.2.50t履带吊荷载

50t履带吊侧向吊重15t时单条履带最大纵桥向线荷载为142.9kN/m，取2m宽的桥面板计算，履带横桥向宽0.76m，履带吊产生的横桥向均布荷载为：

2142.9376.1kN/m 0.76砼面板自重产生的均布荷载为: 26620.2610.4kN/m(钢筋混凝土容重取

=26kNm3)

计算弯矩时，考虑履带吊侧面吊重15t，并且达到临界状态，计算模型如下：

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图12、计算模型

用有限元软件计算，得到弯矩图：

图13、桥面板弯矩图

计算桥面板的剪力时，考虑履带吊侧吊15t，并处于临界状态，计算模型如下：

图14、计算模型

用有限元软件计算，得到剪力图：

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图15、桥面板剪力图

所以，由上面计算可得履带吊产生的最大弯矩和剪力：

M下max49.8kNm M上max22.4kNm Qmax214.0kN

4.1.2.3、桥面板最大荷载取值

综合混凝土搅拌运输车和履带吊最不利状态受力，得到桥面板最大的弯矩和剪力为：

表1、桥面板不同工况下内力结果总表

作用类型 12m³砼车 50.7 25.2 217.6 50t履带吊吊重15t 临界状态 49.8 22.4 214.0 最大值 50.7 25.2 217.6 M下max（kNm） M上max（kNm） Qmax（kN） M下max50.7kNm M上max25.2kNm Qmax217.6kN

由上表可知桥面板最大的弯矩和剪力为：

4.1.3.配筋计算 4.1.3.1.承载力计算

根据同济大学出版社《混凝土结构设计原理》中的双筋矩形截面的承载力计算： 公式：1fcbxfy'As'fyAs0 ○1

'2 Mu1fcbx(h0x/2)fy'As'(h0as) ○

3 MufyAs(h0as') (当x<2a＇时) ○4 Qc0.7hftbh0 ○

1-------------系数,砼受压区等效矩形应力图形的

应力与砼轴心抗压强度设计值之比

fc------------------------砼轴心抗压强度设计值

b-------------------------------构件的截面宽度

x---------------------------------砼受压区高度 fy、fy'-----------------钢筋抗拉、抗压强度设计值

a'-----------受拉钢筋合力点至截面受拉边缘的距离

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h0---------------------------------截面有效高度

‘as-----------受压钢筋合力点至截面受压边缘的距离

Mu-----------------------------------弯矩设计值

As、As'------------------------受拉、受压钢筋面积

Qc----------------受弯构件剪压区混凝土承受的剪力 ft-----------------------混凝土轴心抗压强度设计值 8004)） h-----------截面高度影响系数（h(h01当h0<800mm时，取800mm；当h0>2000mm时，取2000mm；在800～2000mm之间时，线性内插。

查表得：

11.0，fc14.3MPa（砼强度等级为C30）， fyfy'300MPa，b1.99m，

桥面板厚h=20cm，h0ha'0.20.030.17m，

as'as0.03mft1.43MPa，桥面板钢筋布置：下排：主筋Φ16@15cm（14根），构造Φ10@20cm；上排：主筋Φ10@20cm（11根），构造Φ10@20cm。

As140.01622.81103m2

4As'110.0120.86103m2

41得： 由公式○

1.014.31.99x3000.861033002.811030 得x=20.6mm

因为 x<2a＇＝60mm 所以

[M下max]fyAs(h0a')3002.81103(0.170.03)103 118.02kNm50.7kNm，满足要求。

'[M上max]fyAs'(h0as)3000.86103(0.170.03)103

36.1kNm25.2kNm，满足要求。 桥面板承受的最大剪力为：

因为h0800mm，所以取h0800mm

80048004h()=()=1.0

h080011收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

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由公式○4得：

Qc0.71.01.431.990.17103338kN217.6kN，满足要求。

4.1.3.2、混凝土面板裂缝宽度计算：

wfK1K2rK21sEs(8080.4dz5 ) ○

M1M6 0.52 ○

MMZ(1n12n23n3)As1 ○7

Ac18 Ac12ab ○

wf计算裂缝宽度(mm)；

K1钢筋表面形状影响系数，带肋钢筋K10.8；

K2荷载特征影响系数；

系数，对带肋钢筋取0.3；

M1活载作用下的弯矩（MN·m）；

M2恒载作用下的弯矩（MN·m）；

M全部计算荷载作用下的弯矩，当主力作用时为恒载弯矩与活载弯矩之和

（MN·m）；

r中心轴至受拉边缘的距离与中心轴至受拉钢筋重心的距离之比，对板，r可采用

1.2；

s受拉钢筋重心处的钢筋应力（MPa）；

d受拉钢筋直径（mm）；

z受拉钢筋的有效配筋率；

n1,n2,n3单根，两根一束，三根一束的受拉钢筋的根数；

1,2,3考虑成束钢筋的系数，对单根钢筋11.0，对两根一束20.85，对三根一束30.70；

As1单根钢筋的截面积(m2)；

Ac1与受拉钢筋相互作用的受拉混凝土面积，取为与受拉钢筋重心相重的混凝土面积；

计算面板下部裂缝： 由公式○8得：

Ac120.3199119.4cm2

As141.622.01cm2

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由公式○7得：

z(1.0140.8500.70)2.010.23568

119.4受力钢筋均为带肋钢筋，因此取0.3，K10.8， 由公式○6得：

ql210.41.31.32.2kNm 恒载产生的弯矩值为：88计算得：M1=48.5kN.m,M22.2kN.m

K210.3 s48.52.20.510.2870.0221.309 50.750.7M50.7129MPa

As(h0as)2.81(0.170.03)由公式○5得：

wf0.81.3091.212980.416(80)0.09mm0.2mm，裂缝宽度满足要52.0100.23568求。

4.2.贝雷梁检算

钢栈桥主梁采用六排单层贝雷梁，钢栈桥为六跨一联，贝雷梁采用销轴连接，本计算中偏安全的按简支梁计算，计算跨径12m。

恒载取值:

贝雷梁自重

640.3106kNm

12钢筋混凝土桥面板重量为：

6260.22.61031.2kNm

124.2.1.12m³混凝土运输车计算

计算时一跨内考虑两辆混凝土运输车。一辆混凝土运输车前轮荷载为：104kN，后轮荷载为：273kN

单根贝雷梁承担的荷载为：

桥面板和贝雷梁自重产生的均布荷载：

631.26.2kNm 6收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

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两辆砼车产生的集中荷载P1为：

34.7173.5kNm 0.2210434.7kN，轮胎着地长度0.2m，6两辆砼车产生的集中荷载P2、P3为：

91455kNm 0.2227391kN，轮胎着地长度0.2m，6混凝土运输车作用下计算模型如下：

图16、计算模型

图17、贝雷梁弯矩图

由弯矩图可知：最大Mmax594.4kNmM788.2kNm，满足要求。 剪力最大时，计算模型：

图18、计算模型

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图19、贝雷梁剪力图

由剪力图可知：最大Qmax220.4kNQ245.2kN，满足要求。

4.2.2.50t履带吊计算

履带吊侧向吊重15t到临界状态时最不利，此时单条履带吊线荷载为142.9kN/m，按

631.26.2kNm，履带照作用在一半贝雷梁上计算。单根贝雷梁结构自重均布荷载为：

6142.947.6kNm，50t履带吊荷载作用，最大弯矩计算模型如下： 吊均布荷载为：3

图20、计算模型

图21、贝雷梁弯矩图

由弯矩图可知：最大Mmax650.5kNmM788.2kNm，满足要求。 当贝雷纵梁剪力最大时，计算模型如下：

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图22、计算模型

图23、贝雷梁剪力图

由剪力图可知：最大Qmax184.7kNQ245.2kN，满足要求。 4.3.分配梁检算

4.3.1.中间墩分配梁验算

分配梁最不利荷载为：两辆混凝土运输车同时作用在分配梁正上方，此时分配梁承受钢栈桥上部结构自重和混凝土运输车荷载。一孔钢栈桥混凝土桥面板自重：

Q11260.2260010/1000374.4kN

一孔钢栈桥贝雷梁自重：

Q26430010/100072kN

两辆混凝土运输车荷载：

Q32（104+273+273）=1300kN

贝雷梁平均分担：

QQ1Q2Q3374.472+1300291.1kN 66分配梁由2根Ⅰ36型钢拼焊而成，为跨径4m的外伸梁，计算模型如下：

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图33、计算模型

图34、分配梁弯曲应力图

由弯曲应力图可知：

最大弯曲应力max174.2MPa=188.5MPa，满足要求。

图35、分配梁剪应力图

由剪应力图可知：

最大剪应力max93.0MPa110MPa，满足要求。

图36、横梁挠度图

由挠度图可知：最大挠度fmax7mmf4.3.2.中间墩分配梁反力 分配梁反力计算结果：

L4000=10mm，满足要求。 400400收集于网络，如有侵权请联系管理员删除

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图37、反力结果

由分配梁的反力结果可知：钢管桩桩顶的受到的最大反力为873.3kN。

4.4.钢管桩检算

4.4.1.钢管桩的嵌固点计算 桩的嵌固点计算公式：

T5EI （见港口工程桩基规范 附录C） mb0嵌固点深度：ZmT （值取2.0）

b0：桩的换算宽度，取2d；

m：桩侧地基土的水平抗力系数：取5000KN/m4

名 称 Φ529×8管桩 A(m2) 0.0131 W(m3) 0.0017 I(m4) 0.000445 Zm(m) 4.4.2.钢管桩水流力

涨落潮流速较为平缓，取0.5m/s，水流力按下式计算：

rV2RKA2g

其中：K-水流阻力系数，桩为圆形，取0.8； r-水容量，取10kNm； V-水流速度； g-重力加速度，取10ms；

A-单桩入水部分在垂直于水流方向的投影面积；

水流力计算时，根据钢管自由长度、钢管面积以及水流速度按公式进行计算， 水深5.02m(平均高潮位3.08m，14#墩位水最深：-1.94m），则单桩所受水流力为： 第一排桩：FW1=（0.8*10*0.5/20）*5.02*0.8=0.8KN 第二排桩遮流系数m10.66 ，FW2=0.66*0.8=0.53KN

水流力的合力作用于施工水位以下1/3水深处,水流力倒三角形分布。

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4.4.3.风力计算

据《公路桥涵设计通用规范（JTJ D60-2004）》，风荷载标准值

Fwhk0k1k3WdAwh

式中：k0－设计风速重现期换算系数，取1.0

k1－风载阻力系数，取1.7

k3－地形，地理条件系数，取1.02

Wd—设计基准风压，经计算得Wd＝1.12KPa； Awh—横向迎风面积（实际尺寸）；

桥面系及贝雷梁结构尺寸按11.25m×1.632m计算，断面投影面积18.36m2，实际面积6.5m2。代入参数，求得风力F=12.5kN。

4.4.4.钢管桩强度检算

运用midas建模计算，结果如下：

图42、钢管桩应力结果图（单位：MPa） 图43、钢管桩反力结果图（单位kN） 钢管桩最大应力max49.6MPa188.5MPa，满足强度要求； 钢管桩最大支反力为F734.5钢管Φ529×6，,钢管桩截面特性：

i184.2mm

A13088mm2

钢管桩计算长度：（实际平均桩长为28m） l00.72819.6m

l019600106.4 i184.2查稳定系数表得：

0.592

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N734.510394.8MPa[]188.5MPa A0.59213088钢管桩稳定性满足要求。 4.4.5.钢管桩承载力检算

4.4.5.1.地质资料

14#墩淤泥层厚27.1m，河床标高-1.94m，钢管桩处于最不利位置。因此选取14#墩位的钢管桩进行承载力检算，14#墩地质资料见下表：

14#墩地质资料表

土层 编号 1 2 3 4.4.5.2.计算公式

单桩垂直极限承载力计算公式

根据《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）中： 单桩垂直极限承载力计算公式：

Qd=1土层名称 桩侧摩阻力 (kPa) 10 60 40 分层厚度 （m） 27.1 2.0 5.6 淤泥 中砂 粘土 RUqlqA

fiiRi式中：Qd——单桩垂直承载力设计值(kN) ；

R——单桩垂直承载力分项系数，考虑钢管桩内部摩阻力，本处取1.1；

U——桩身截面周长；

qfi——单桩第i层土的极限侧摩阻力标准值；

li——桩身穿过第i层土的长度； qRi——单桩极限桩端阻力标准值；

A——桩身截面面积（m2）；

栈桥和平台采用开口的钢管桩，偏安全考虑，不考虑桩端阻力和桩端闭塞效应。 在14#墩位处，管桩入土深度取32m（淤泥层27m、中砂层2m、粘土3m）

o1Qd(Uaqfili)gR1[3.140.529(1027602403)]770.1kN734.5KN1.1

承载力满足要求。

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以上管桩的设计入土深度，为最不利情况下的入土深度。钢管桩在后场拼接长度为24m（若长度不够可进行水上二次接桩），管桩的入土深度，按设计和惯入度相结合的“双控”进行控制。确保栈桥承载力和稳定性满足要求。

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