钢管桩支架计算书

钢管桩支架计算书

一．工程概况

1.1 工程简介

A匝道2号大桥是陕西神木至府谷高速公路永兴镇立交互通的匝道桥，全桥长221.5m，跨径组合为：3×35m+46.5m+2×35m,，主梁横截面设计为单箱四室结构，箱梁高2.4m，顶板宽19.5m，底板宽14.5，箱梁自重每延米45.9吨，全桥采用现浇连续施工，其中主跨下面通过主干桥西尔沟2号大桥构成立交体系。

1.2 建设条件

该地区属于山谷地区且常年少雨，气候干燥。高程变化有时较剧烈，施工条件较困难。

1.2.1地形地貌

典型的黄土高原沟壑地形，气候干燥，地下水位较深，地形沿高程方向变化较剧烈。

1.2.2地质情况

地质情况主要为

Q，多属于分化砂岩和分化泥岩，岩土层大部或全部受到

4

分化。承载力从中密碎石土的250KPa到风化砂岩的1200KPa不等，摩阻力相应的大体变化为80KPa到100KPa。

1.2.3气候

气候干燥少雨，年均降雨量很小，早晚温差变化较大。

二．施工方案总体布置和荷载设计值

2.1 支架搭设情况说明

A匝道2号大桥上部结构采用现浇式预应力钢筋混凝土变截面箱梁。根据工程实际情况采用钢管桩支架方案进行现浇施工，砼浇筑分两次浇筑，即第一次浇筑箱梁底板和腹板，第二次浇筑箱梁顶板和翼缘板。根据大桥结构设计情况及现场施工条件的特点，综合考虑安全性、经济性和适用性，拟采用钢管桩支架作为该现浇体系的临时支承结构。钢管桩采用Φ800mm×8mm-Q235的无缝焊接钢管。方木布置情况：横桥向放置截面尺寸为15cm×15cm的方木，间距0.3m。15cm×15cm方木放置在工10型钢上，工10型钢放置在贝雷梁上，贝雷梁放置在钢管桩顶端的沙桶上。

2.2 设计荷载取值

混凝土自重取： 26.5kN/m3

箱梁重： 24.1kN/m2

模板自重： 2.5kN/m2

施工人员和运输工具重量： 2.5kN/m2

振捣混凝土时产生的荷载： 2.5kN/m2

考虑分项系数后的每平米荷载总重：31.6kN/m2

三．贝雷梁设计验算

大桥第四跨跨径为46.5m,其他跨径为35m,在计算中需要对不同的跨径进行验算。其中第一跨采用满堂支架法施工，验算过程参考满堂支架法计算书。

神杨路方向第二、三、五、六跨

神杨路方向第二跨，第三跨，第五跨，第六跨，跨中布置两排钢管桩，计算采用间距17m 进行计算，现场可以根据实际情况减小间距。

采用双排单层加强型贝雷梁，每组贝雷梁间距1m, 全截面使用21组。 混凝土箱梁每平方米荷载： 31.6kN/m 2

贝雷梁每片自重： 2×3kN/m

荷载总重： 6kN+31.6kN/m=37.6kN/m

双排单层加强型贝雷梁力学性能：

[M] = 3375kN ·m

[Q] = 490kN

最大弯矩：

M max =ql 2/8=34.6×172 /8= 1358kN ·m<[M]= 3375kN ·m

最大剪力：

Q max =0.5×ql=0.5×34.6×17=319.6kN<[Q]=490kN

纵梁最大挠度:

m EI ql 016.00025

.0101.238417106.3453845114

34=??????=17/400=0.043m 满足要求 神杨路方向第四跨

A 匝道2号大桥第四跨下面有西耳沟1号大桥，属于互通立交体系。西耳沟1号大桥是变截面箱梁，在A 闸道2号桥位置处桥面宽度为38.66米，其中左幅宽16.29m,右幅宽22.37m 。考虑到作业空间，钢管桩在此跨度的最大计算间距为23m 。

采用双排单层加强型贝雷梁，每组贝雷梁间距1m 。采用21组双排单层加强型贝雷梁。

混凝土箱梁每平方米荷载： 31.6kN/m 2

贝雷梁自重： 2×3kN/m

荷载总重： 6kN/m+31.6kN/m=37.6kN/m

最大弯矩：

M max =ql 2/8=37.6×232 /8=2486kN ·m <[M]= 3375kN ·m

最大剪力：

Q max =0.5×ql=0.5×37.6×23= 432kN<[Q]=490kN

纵梁最大挠度: m EI ql 052.001154

.0101.238423106.3753845114

34=??????=< 23m/400=0.058m,满足要求

四．方木、竹胶板、工10型钢计算

第二、三、四、五、六跨

将5组双排加强型贝雷梁组成一联桁架，整体吊装放置在分配梁上。贝雷梁上顺桥向间距1米布置一根工10型钢，其上沿横断面间隔0.3m 布置一根尺寸为15cm ×15cm 的方木，方木上布置厚度为1.5cm 的竹胶板。具体的布置如下图所示：

混凝土箱梁底板传递的均布荷载

15c×15cm方木

竹胶板

钢管桩支架横截面

竹胶板混凝土箱梁底板传递的均布荷载

工10型钢

钢管桩支架侧面图

1.竹胶板计算

模板采用15mm厚的竹胶板，其材料特性为：

容许弯曲强度为70MPa，弹性模量为E=10GPa。

上图可以看出，竹胶板承担着箱梁底部传递的荷载，根据板计算理论，取用竹胶板单位宽度1m,按照三跨连续简支计算。

1m宽的竹胶板的截面特性为：

面积A=1×0.015=1.5×10-2m2

截面模量为W=1×0.0152/6=3.75×10-5m3

截面惯心矩为I=1×0.0153/12=28.13×10-6m4。

方木间最大横向间距为0.3m，竹胶板所受到的作用力为q=1×31.6=31.6kN/m。

跨中最大弯矩:

M max=0.08ql2=0.08×31.6×0.32=0.288kN.m

σ

=

=

Mpa

W

288

/=

/

M68

5.

.7

37

最大剪力: Q max=0.6ql= kN

6.0=

?满足

?

6.31

66.5

3.0

剪应力τ=Q max/A=5.66kN/（1.5×10-2m2)=0.37MPa

挠度验算： f=0.677×ql4/(100×E×I))

=0.677×31.6×106×3004/(100×10×109×28.13×106)

=0.006mm<300/400=0.13mm

2.方木计算

方木承担着竹胶板传递下的荷载，方木横向间距为0.3m，在方木上传递的荷载为:31.6kN/m2×0.3m=9.48kN/m

15cm×15cm方木的截面特性为：

A=225cm2；I=4218.8cm4；W=562.5cm3；E=9×103MPa；[σ]=12MPa

计算简图如下：

跨中最大弯矩:

M max=0.08ql2= 785

08.02=

48.9

.0

1

?kN.m

?

最大剪力: Q max=0.6ql= 7.5

?

?kN

6.0=

48.9

1

弯曲应力: σ=M/W

=0.785×103/（562×10-6）

1.4MPa<[σ]=12MPa 满足要求（木结构设计规范）

剪应力τ=Q max/A=5.7kN/（0.025m2)

=0.228MPa< [τ]=2.0MPa 满足要求（木结构设计规范）

挠度验算： f=0.677×ql4/(100×E×I))

=0.677×9.48×106×10004/(100×9×109×4218.8×104)

=0.00139mm<1000/400=2.5mm 满足要求最大支点反力：

R A =1.1ql=43.10

?kN

?

1

48.9

1.1=

3.工10型钢计算

工10型钢承担着方木传递下来的集中荷载，根据上面计算，型钢承担每个集中荷载值为10.43kN，计算简图为：

工10型钢的几何特性：

A=14.345cm 2；Wx=49.cm 3

贝雷梁

F=10.43kNl

根据多跨连续梁，使用Midas 软件进行计算分析：

计算结果可知，M max =3.66kN.m

F max =19.94kN

==w m /σ 3.66kN/43.6×10-6=74Mpa

Mpa 4.8110345.14/94.19/6=?==-kN A F τ

五．分配梁计算

神杨路方向第二、三、五、六跨

采用长度为22m 的4根I63c 作为分配梁，分配梁放置在沙桶上，将沙桶和钢管桩顶端固结在一起。

工63c 型钢的几何特性为：

h=630mm

b=180mm

W=3298cm 3

分配梁上面的荷载布置情况如下图所示：

计算采用偏安全计算方案，采用单跨简支计算方案。

每组贝雷梁传递给分配梁的荷载为：

37.6×17/2=319.5kN

考虑不确定因素，计算中取330kN

M max =1831kN.M

F max =1155kN

分配梁的最大应力为：

MPa W m kN 8.1383298

418310004.1831=?=?=

σ<145Mpa MPa 8.1640180.01155000=?=τ<90Mpa

第四跨

采用长度为22m 的3根I63c 作为分配梁，分配梁放置在沙桶上，将沙桶

和钢管桩顶端固结在一起。（为施工方便，实际施工中等同其他跨径采用4根工63c 型钢）

计算采用偏安全计算方案，采用单跨简支计算方案。

每组贝雷梁传递给分配梁的荷载为：

37.6×23/2=432.4kN

考虑不确定因素，计算中取450kN

工63c 型钢的几何特性为：

h=630mm

b=180mm

W=3298cm 3

M max =1350kN.M

F max 2475kN

分配梁的最大应力为：

MPa W m kN 5.1363298

313500003.1350=?=?=

σ<145Mpa MPa 8.4530180.02475000=?=τ<90Mpa

六.钢管桩承载力验算

神杨路方向第二、三、五、六跨

钢管桩用于支撑贝雷梁，上部荷载经过钢管桩传递给临时基础，按照箱梁肋部的荷载最大原理，在箱梁每条肋部底布置一根Φ800mm ×8mm-Q235钢无缝焊接钢管，每根间距6.6m ，每排布置4根，高度按照设计图纸取用。 回转半径查钢结构设计规范得 i=214

α+D m D d /=α i=m 281.08.0792..0148.02

=??? ??+ 刚度验算： λ=L/i=30/0.281=106.8＜[λ]=150满足要求

根据查表，整体稳定系数为：585.0=?

每根钢管桩可以承担的荷载为： N=kN fy A 24402104

)784.08.0(14.3585.022=?-??=??? 每根钢管桩实际承担的荷载为：

kN 11592

45.14176.37=???<2440kN 第四跨

钢管桩用于支撑贝雷梁，上部荷载经过钢管桩传递给临时基础，按照箱梁肋部的荷载最大原理，在箱梁底部布置一根Φ800mm ×8mm-Q235钢无缝焊接钢管，每根间距5m ，每排布置5根，高度按照设计图纸取用。

每根钢管桩实际承担的荷载为：

kN 12542

5235.146.37=???<2440kN

七．基础验算

由于工程所在地主要为风化类土层，承载力较小，需要砌筑混凝土临时基础用于支撑钢管桩。混凝土临时基础采用C20混凝土，抗压强度为fc=9.6MPa. 矩形基础形式。具体验算如下：

单根钢管桩上部传递荷载最大值为：1254kN

考虑钢管的自身荷载： 800kg/m 3×3.14×(0.82-0.7922)×30/4=6kN 钢管传递的荷载总重为： 1254+6=1260kN

根据竖向荷载作用下混凝土按45度冲切传递规律，为达到地基的承载力需要设置混凝土高度为1.2m 。单根钢管桩下设置混凝土临时基础为3m ×3m ×

1.2m 。

每根钢管桩的传递荷载为： 1260kN;

混凝土临时基础自重为： 3×3×1.2×26.5= 286.2kN

临时地基荷载计算： kPa 250kPa 171m

3m 3kN 2.2861260<=?+ 满足要求 结合上边计算结果，每根钢管桩下的混凝土临时基础设计尺寸为3m （宽），×3m （长）×1.2m （高），采用C20混凝土浇注。施工时，先挖一个深度为1.2m,长为3m ，宽为3m 的坑，然后浇注混凝土，浇注至地表。临时基础表面预先布置一块2.5m ×2.5m 的钢板，布置方式参考施工详图。在用厚度为2cm 的钢板将钢管桩和预埋连接，采用焊接方式连接。

八．钢管桩和基础连接部分验算

钢管桩下部和混凝土基础上的预埋件相连接，采用焊接方式连接。围绕着钢管桩用8块厚度为2cm 的三角钢板将钢管桩和预埋钢板连接。并且假设钢管桩传递的荷载全部由8块钢板传递给混凝土临时基础。钢板的具体尺寸如下：

钢管桩底部和预埋件焊接侧面图

钢板为Q235钢，采用E43型焊条：2/125mm N f w f = 最小焊脚尺寸：mm t h f 2.485.15.1max min ,=?==

最大焊角尺寸：mm mm t h f 7~6)2~1(8)2~1(max ,=-=-=

采用mm h f 6=满足上述要求

36060293125

67.0241260=<=????=f xl h mm kN l 保证安全期间，钢管桩底部的焊接长度为：800mm>293mm

九．钢管桩初始挠度最大值计算

在偏心荷载作用下，钢管桩和混凝土临时基础连接处的最大压应力和拉应力值不能超过设计值。根据计算，当钢管桩顶部初始偏离距离为0.2m 时，钢管桩底部将会产生拉应力，在计算过程中，将偏心荷载简化成轴向荷载和由于偏心而产生的弯矩，具体计算如下：

轴向荷载为： 1260kN

由于偏心产生的弯矩为：m kN 2522.01012603?=??

弯矩产生的拉应力为：

MPa D d D I M 53.898.064)1(8.014.325200024441=?-

??=?=σ

轴心产生的压应力为：

MPa A P 22.334

/)784.08.0(14.3661000222=-?==σ MPa 33.1223353.8921=+=+=σσσ<215Mpa

在钢管桩顶部0.1m 偏心的影响下，钢管桩底部的最大压应力为122.33MPa,接近焊缝设计允许值。考虑到施工偏差等因素的影响，在吊装钢管

桩时，设置钢管桩顶部的最大偏差为0.1m 。超过此允许偏差，可能会导致钢管桩底部焊接处发生破坏。

取用钢管桩顶部的最大偏差为0.01m 。

十．预拱度设计

1.钢管支柱弹性变形

由前面计算可知，每根钢管桩的承担的荷载为1260kN ，钢管桩的截面面积是A=0.02m 2

210MPa MPa 6302

.01012603

<=?=σ 钢管桩弹性模量按规范取为：

2.06×10e11N/m 2

应变为： 3.01006.21063116

=??==E σ

ε 计算中按照钢管桩设计高度计算弹性变形L ×0.3mm

2.非弹性变形

根据《混凝土工程模板与支架基础》，接触面之间存在非弹性变形，这种变形在桥梁施工设计中需要考虑，通常设计预拱度用来抵消这种非弹性变形。下面为A 匝道2号桥梁中不同接触面需要考虑的非弹性变形：

①竹胶板与15cm ×15cm 的方木 2mm

②15cm × 15cm 的方木与工10型钢 2mm

在支架标高的设计中，根据具体情况考虑选择使用非弹性变形。

3.地基弹性变形

采用20cm厚的C20混凝土作为临时基础，由于上部荷载比较重，以及工程所在地多以沙土为主，沉降值取15mm。在支架设计中设置预拱度以抵消地基沉降高度。

十一．支架预压

支架搭设完毕，装完底模后装内模前，用砂袋或水袋对支架进行梁体荷载的100%进行等载预压，消除支架的非弹性变形。压前需在每跨布设观测点，在压前及压后每日测同一点下沉量并进行记录，同时检查钢管桩支架有无偏移，混凝土临时基础有无破坏，方木有无压裂等几项指标。在72小时地基累计沉降量稳定后，取下砂袋卸载，分析数据，确定弹性下沉量及非弹性下沉量，以其为依据调整支架上的方木设计标高，使施工后保持其设计位置准确。