跨海大桥栈桥设计计算及施工方案.doc

跨海大桥栈桥设计计算及施工方案 前 言 1、地形、地质 北引桥陆地区，地势平坦；滩涂区北高南低，坡降平缓，地面高程2.3m~-3.26m。 据物探资料显示，本合同段桥位区桩基地质以粘性土、亚砂土、粉砂土、淤泥质粘土为主，基本无不良地质。 2、气象、水文 杭州湾地处东部沿海地区，受其典型喇叭状地形形成的“狭管效应”影响，水文、气象条件十分复杂，属重大灾害天气多发地带。 影响桥位区施工作业不利气象因素主要有季风（全年平均风速3m/s左右，北岸略高于南岸）、台风（多发生在7-9月间）、雾（北岸10月份出现最多，持续时间一般在4小时以内）。 不利的水文因素主要是潮汐，杭州湾为强潮河口湾，潮汐类型为浅海半日潮，日潮不等现象明显。 北岸乍浦站（1930-1999年）潮汐特征值： 项目 最高潮位 最低潮位 最大潮差 平均高潮位 平均低潮位 平均潮差 潮位（m） 5.54 -4.01 7.57 2.52 -2.12 4.65 桥位北岸乍浦站设计潮位（单位m） 频率 0.33 1 2 5 备注 设计高潮位 6.15 5.80 5.55 5.30 建议采用 设计低潮位 -3.58 -3.56 建议采用 第一节 施工栈桥设计计算 一、计算资料 1、栈桥设计荷载：汽车—超20级、挂车—120，设计桥面净宽为8m，标高为7m，平均滩涂地面标高为0.15m，最低滩涂地面标高为-4.12m,最高滩涂标高为2.82M。 2、栈桥区地层为淤泥质亚粘土，物理指标为:W=40.4%，γ=17.7KN/m3，e=1.171，IL=1.33，a0.1-0.2=0.73MPa -1,Es=3.1MPa，C=18.2KPa，φ=4.1°，qc=0.97 MPa,fs=10.6 KPa，N=3击 3、10m高30年重现期风压为0.54KN/m2，20m高30年重现期风压为0.71KN/m2，30m高30年重现期风压为0.82KN/m2。 4．拟定栈桥结构：栈桥采用跨径8.5m，每个墩设3根φ60钢管桩，钢管桩壁厚为8mm，桩顶采用H692型钢横梁做横向连接，横梁上面纵桥向安装间距为160cm的H606型钢纵梁，纵梁上面横桥向安装间距为28.33cm的I18型钢，在I18型钢上面铺10mm厚钢板作为桥面板。 二、栈桥上部结构计算 栈桥上部结构计算利用我集团引进的韩国大型结构计算软MIDAS/CIVIL进行，主梁采用简支梁计算，横梁采用连续梁计算。计算结果如下： 计算荷载（汽-超20） 序号 构件名称 汽-超20（组合I） 应力（Mpa） 挠度（MM） 容许剪应力 计算剪应力 容许应力 计算应力 容许挠度 计算挠度 1 下横梁 85 28.6 145 105 7 1.1 2 主梁 85 30 145 56.1 13 3.5 3 上横梁 85 5.9 145 46.5 2.7 3.5 验算荷载（挂车-120） 序号 构件 名称 挂车-120（组合II） 应力（Mpa） 挠度（MM） 容许剪应力 计算剪应力 容许应力 计算应力 容许挠度 计算挠度 1 下横梁 1.4*85 58.1 1.4*145 146.2 8.4 2.5 2 主梁 1.4*85 67 1.4*145 128.7 15.6 7.1 3 上横梁 1.4*85 14.2 1.4*145 122.8 3.6 7.1 注:1、根据规范JTJ025-86,第1.1.5条规定,对于临时结构, 其竖向容许挠度可适当放大; 2、根据规范JTJ025-86,第1.1.5条规定,用挂车验算时,容许竖向挠度可增加20%。 3、计算挠度为累计挠度。 三．桩基承载力计算 根据计算结果,汽-超20计算荷载产生的单桩最大竖直荷载为492.5KN;挂-120验算荷载产生的单桩最大竖直荷载为685.7KN。对于沉桩钢管桩自重不计。 根据规范(JTJ024-85，4.3.2-4)规定,打入桩的容许单桩承载力计算公式为:[p]=(αiuLτp+αAσR)/2，对于打入桩αi、α值均取1。对于荷载组合II规范规定（JTJ024-85，4.3.2-4）容许承载力可以提高25%，U=0.6m×3.14=1.884m ,钢管桩地层处于软塑粉砂和流塑、软塑亚粘土地层，下面取两个典型断面进行桩长计算： 1、根据设计柱状图孔位编号XZK22：桩身所处地层均为流塑淤泥质亚粘土地层(最不利)，τp=25KPa, σR=1000KPa，A=0.6×0.6×3.14/4=0.283m2,但根据专家咨询会意见,对于管桩桩底支承力不得超过承载力的10%考虑, A、汽-超20计算荷载-桩长计算 492.5=[1.884×L×25×(1+10%)]/2,得L=19M. B、挂-120验算荷载-桩长计算 685.7= [1.884×L×25×(1+10%)×1.25]/2,得L=21.17M. 2、根据设计柱状图孔位编号XZK23：桩身所处地层为：中间有6.5M夹层为软塑亚砂土, 取τp=35KPa;其余为流塑淤泥质亚粘土地层，取τp=25KPa，σR=1000KPa，A=0.6×0.6×3.14/4=0.283m2。但根据专家咨询会意见,对于管桩桩底支承力不得超过承载力的10%考虑, A、汽-超20计算荷载-桩长计算 492.5=[1.884×(L-6.5)×25+1.884×6.5×35]×1.1/2, 得L=16.41M. B、挂-120验算荷载-桩长计算 685.7=[1.884×(L-6.5)×25+1.884×6.5×35]×1.1×1.25/2 , 得L=18.58M. 根据上述计算结果所得: 汽-超20荷载计算桩长为Lmax=19 m ,Lmin=16.41m,;按挂-120验算荷载计算桩长为Lmax=21.17m，Lmin=18.58m。在内河港池围堤以北方向全部为滩涂区,在大桥左侧约100M位置在修建码头通道,局部冲刷影响很小，由于挂车-120作为验算荷载上桥概率很小,因此设计平均桩长取值为L=19M；在内河港池围堤以南方向滩涂区，冲刷影响较大，平均桩长取L=20M;对于双排桩墩位桩长取L=18M.鉴于基桩数量多,地质情况较复杂,实际施工每根墩的桩长根据实际桩位地质及试桩情况调整。 3．桩基水平承载力计算 Rh=a3EIxoa/Vx 其中E—弹性模量； I—桩截面惯性矩； Xoa—桩顶容许水平位移值； Vx—桩顶水平位移系数； a—桩的水平变形系数； a=（mb0/EI）1/5 其中m—桩侧土水平抗力系数的比例系数； b0—桩身的计算宽度，圆形桩（D=600）取值为b0=0.9(1.5d+0.5)； 查得m=2000KN/m4，计算得b0=1.26m，I=6.52 ×10-4m4，则a=0.454(1/m) Vx取2.441，假定桩顶的容许偏移值为Xoa=4.1cm(见后面计算) 得Rh=308KN (1)考虑海水流动对桩产生的水流压力为P=KAγV2/2g 其中： K—形状系数，圆形取0.8 V—水流速度，取平均涨潮最大流速，3.77m/s γ—水的容重，取10KN/m3 A—阻水面积，按照入水8m计算，A=0.6×8=4.8 m2 P=0.8×4.8×10×3.772/(2×9.8)=27.8KN （2）风载对桩的影响 ωk=K1K2K3K4ω0 式中ωk—风荷载的标准值 K1—对设计风速频率换算系数，取0.85 K2—为风压体型系数，取0.5 K3—为风压高度变化系数，取1 K4—为地形条件系数，取1.3 ω0—为基本风压值，取0.54KN/m2 求得ωk=0.3KN/m2 可以计算栈桥的单跨横向挡风面积为14.3m2，单跨产生的风荷载力的大小为4.29KN；纵桥向挡风面积为7m2，风荷载力的大小为2.1KN。 （3）考虑栈桥上车辆制动产生的水平荷载对桩的影响 汽车制动产生的水平力按车辆总重量的10%计算，挂-120的总重量为1200KN，产生的水平力为120KN，方向与制动方向垂直。 以上合计120+4.29+27.8=152.1KN，远小于栈桥桩基的单桩水平承载力。 4．钢管桩的应力及水平位移计算 钢管桩的长细比为：λ=l/i=μl0/i 其中l为计算长度，l0为钢管长度，取10m计算，i为惯性矩半径，8mm壁厚直径为60cm的钢管桩i=0.208，μ为长度系数，取2/3。 求得λ=32.05<40，因此，钢管桩为短杆构件，不需要进行稳定校核。 栈桥施工时在A56墩之前的桩每40m加一排钢管桩，在A56—A57墩之间的栈桥每隔一跨加一排钢管桩，对A56墩附近的钢管桩进行计算，此时水深最大处为7m左右，桩顶距海底面高度为9m。 计算桩的水平位移 在进行单桩桩顶水平位移的验算中，考虑单桩在风荷载、水流荷载、车辆动荷载等外部荷载同时作用在单桩且相互夹角为零的最不利情况。 车辆制动荷载为120KN，考虑由9根钢管桩受力，则单桩受力为13.3KN，作用点考虑作用在桩顶上。 纵桥向风荷载作用力为2.1KN，考虑由3根桩进行承担，单桩受力为0.7KN，作用点在桩顶。 水流荷载为24.3KN，考虑由3根桩承担，单桩受力为8.1KN，作用点为水深的H/3处，即桩与海床分界点上2.33m处。单桩的受力情况如下图：   13.3KN 22.1KN  0.7KN  9m 9m 8.1KN 145KN.m 2.33m 7m   求得等效水平力H=22.1KN；弯矩M=145KN.m。 δ=H0δHH（0）+M0δHH（0） 其中 δHH（0）=（1/a3EI）×[(B3D4-B 4D3)+Kh(B2D4-B4D2)] / [(A3B4-A4B3) +Kh(A2B4-A4B2)] δMH（0）=（1/a3EI）×[(B3C4-B4C3)+Kh(A2C4-A4C2)] / [(A3B4-A4B3) +Kh(A2B4-A4B2)] Kh为桩柱底面土因转动而发生的土抗力影响系数，当ah>2.5时，取为0；查表得(B3D4-B4D3)值为12.412；(A3B4-A4B3)值为3.7624；(B3C4-B4C3) /(A3B4-A4B3)值为2.1875，代入可求得水平位移量为： δ=(22.1/0.4543×2.03×108×6.54×10-4) ×12.412/3.7624 +(145/0.4543×2.03×108×6.54×10-4) ×2.1875 =0.61×10-2+1.18×10-2 =1.79×10-2m 水平位移△L=(OB/OA) ×δ=16/7×1.79cm=4.1cm (2)计算桩的应力 σmax min=N/A+M/W=685.7/0.015+(145+685.7×0.041)/1.852×10-3 =4.57×104+9.35×104 所以，σmax= =13.92×104KN/m2<1.3[σ]=145MPA； σmax min= =4.78×104KN/ m2<1.3[σ]= 145MPA 满足要求， 通过以上的计算可知，当所有荷载作用在单跨之间的管桩上已经能够承受水平变形以及满足应力的要求，因此排间的剪刀撑以及跨间的剪刀撑在满足构造要求即可，此时剪刀撑也是整座桥梁安全储备体系。 三、结论 经过对钢管桩入土深度、水平位移和应力，上构型钢抗弯、抗剪承载力及变形计算，设计的栈桥满足设计荷载承载能力要求。 第二节 施工方案、方法及其质量控制要点 本合同负责北岸滩涂区东侧施工栈桥的修建，栈桥桩号：K50+010-K51+580，全长1575m；根据设计，在大桥东侧搭设施工栈桥，总长为1570.3m，与陆地临时道路接通，作为本合同施工用桥，同时作为第Ⅱ合同段通向桥轴向码头的通道。 栈桥搭设标准：在栈桥内设两处会让点，每500m一处，会让点宽4m，长36m，荷载等级同栈桥。由于堤坝顶加固后标高为7.35M,而栈桥桥面标高为7.0M,因此在0#台至6#墩设置过渡段,纵坡为0.7%,其它桥跨纵坡均为0%;0#台桥面宽度按10M设计,1#墩以南方向桥面宽度均为8M。 1、栈桥施工方案 本栈桥由滩涂区下部结构工区实施，根据工程现场施工条件，结合下部结构施工方案，拟定施工栈桥方案如下： 施工栈桥由主栈桥、辅助栈桥、施工平台、会让点共四部分组成。栈桥桥面标高7.0m，栈桥各部分标高一致。 序号 名称 功能 1 主栈桥 机械设备、材料运输通道 2 辅