排生巴拉河大桥施工钢栈桥工程计算书.

排生巴拉河大桥施工钢栈桥工程 计算书
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湖南中大设计院有限公司 2011 年 2 月

排生巴拉河大桥施工钢栈桥工程计算书
目录
1 设计说明 ................................................................... 2 1.1 设计依据及设计范围 ..................................................... 2 1.2 采用设计规范 ........................................................... 2 1.3 主要技术标准 ........................................................... 3 1.4 主要设计原则及设计技术参数 ............................................. 3 1.4.1 主桥结构型式....................................................... 3 1.4.2 桥梁设计荷载....................................................... 4
2 计算模型................................................................... 4 3 主要计算结果............................................................... 5
3.1 纵向分配梁内力计算 ..................................................... 5 3.2 横向分配梁内力计算 ..................................................... 7 3.3 主桁架支反力计算 ....................................................... 9 3.4 主梁（贝雷梁）轴向应力验算 ............................................ 10
3.4.1 上弦杆轴向应力验算................................................ 10 3.4.2 下弦杆轴向应力验算................................................ 11 3.4.3 竖杆轴向应力验算.................................................. 11 3.5 主梁刚度验算 .......................................................... 12 3.6 主梁联结系验算 ........................................................ 13 3.7 12M 跨桩顶分配梁内力计算 .............................................. 14 3.7.1 分配梁抗弯验算.................................................... 14 3.7.2 分配梁抗剪验算.................................................... 14 3.8 钢栈桥伸缩缝长度计算 .................................................. 15 4 下部结构计算.............................................................. 15 4.1 钢管桩入土深度的确定 .................................................. 15 4.2 单桩承载力验算 ........................................................ 15 4.3 钢管桩的压杆稳定计算 .................................................. 17
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排生巴拉河大桥施工钢栈桥工程计算书
1 设计说明
1.1 设计依据及设计范围 本设计用于排生巴拉河钢栈桥的施工，为跨越巴拉河而设。由于栈桥是为建
造长沙至昆明客运专线玉屏至昆明段排生巴拉河大桥而架设，故地质情况套用排 生巴拉河大桥工程地质资料。新建栈桥位于排生巴拉河大桥上游侧，栈桥设计荷 载为 800KN，设计时速为 5km/h，按照双线布置；栈桥主梁用贝雷梁,主梁下弦标 高为 613.00m。
栈桥共两联，全长 204.05m，标准跨跨度为 12m,桥面宽 7m，中间设两处会 车道，桥面标高 615.00m；栈桥桩基础采用直径 1000mm，壁厚 12mm 的钢管桩。 3#-17#墩单个桥墩由 4 根钢管桩组成，桩顶设分配梁，分配梁下设桩间联结系以 抵御横向水平力。在 17#钢管桩顶端需设置挡块防止梁的纵向位移。栈桥桩单桩 设计竖向承载力 1000KN,栈桥桩施工过程中，应采取桩尖高程和贯入度双控的措 施，以保证栈桥的承载力。桩基贯入强风化板岩层深度不小于 3m，并且施工时 应根据承载力计算公式进行承载力检算。各榀桁架下的墩顶分配梁两侧设置挡 块，防止桁架横向滑移。贝雷梁桁架在墩顶支座处应对腹杆加强以抵抗支座反力。 栈桥成桥后应定期检测各墩顶处的沉降量，墩顶沉降量不应大于 8mm。应定期对 栈桥各构件的工作状况进行检查，发现问题及时处治。
1.2 采用设计规范 1、《钢结构设计规范》GB 50017-2003 2、《软土地区工程地质勘察规范》JGJ 83-91 3、《铁路桥涵地基与基础设计规范》TB10002.5-2005 4、《公路桥涵钢结构木结构设计规范》JTJ 025-86 5、《港口工程桩基规范》JTJ 254-98 6、《铁路桥梁钢结构设计规范》TB10002.2-2005 7、《铁路钢桥制造规范》TB10212-2009
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1.3 主要技术标准 1、设计行车速度：5km/h； 2. 设计荷载标准：800KN； 3. 车道宽度：宽度按 3.5m 计； 4. 地震基本烈度：地震动峰值加速度小于或等于 0.05g。 1.4 主要设计原则及设计技术参数 1.4.1 主桥结构型式
栈桥主梁采用贝雷梁,具体断面布置图如下所示，在分配梁上布置六片贝雷 梁，间距为0.9m。会车道分配梁上布置8片贝雷梁，间距0.9m。为了防止贝雷梁 发生侧移，各榀桁架下的墩顶分配梁两侧需设置挡块，同时在贝雷梁下需架设 20x20x8cm橡胶支座，使受力更加均匀，以免贝雷梁和分配量之间发生点接触。 栈桥断面布置图如下所示：
图 1 栈桥断面布置图
横向上各贝雷梁之间由联结系联结，联结系结构图如下所示：
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图 2 主梁联结系结构图
1.4.2 桥梁设计荷载 1．恒载
（1）结构自重；按《钢结构设计规范》GB 50017-2003 采用。 （2）二期恒载；包括桥面板、纵向分配梁、横向分配梁、栏杆、各种管线等 附属设施重量。 2．活载 （1）10m3 的砼罐车空载 15t 重，满载 40t 重； （2）三一重工履带吊 80t 重，最大单件重 20t； （3）人群荷载： 3KN / m2 ； （4）动载系数取 1.2。 考虑栈桥实际情况，同方向车辆间距不小于 15 米，即一跨内同方向最多只 布置一辆重车，并考虑满载砼罐车和空载砼罐车错车。
2 计算模型
主桥整体计算按空间模型进行结构分析，采用 midas civil 建立空间梁单元 模型，结构离散见下图所示。整个模型共建立 4842 个单元，，节点 2103 个。
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3 主要计算结果
图 3 全桥计算模型
3.1 纵向分配梁内力计算 纵向分配梁的计算按如下两个工况进行计算：
（1）工况一：10m3 的砼罐车满载 40t 重，单边车轮作用在跨中时，纵向分 配梁的弯矩最大，简化为跨度为 L=1.5m 的简支梁集中荷载验算，集中荷载如图 4 所示：
图 4 满载砼罐车作用下纵向分配梁受力图
考虑动载系数 1.2，P 取值为 48KN；
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满载砼罐车作用下纵向分配梁弯矩图如下图所示：
图 5 满载砼罐车作用下纵向分配梁弯矩图
从图中得出弯矩的最大值在跨中位置， M max ? 18.1KN ? m 。
（2）工况二：履带吊 80t 重，最大单件吊 20t 重，合计 100t。按单边履带 均布荷载计算,履带压地长度为 6m，宽度为 76cm，因此分配到两片纵梁上。如图 6 所示：
图 6 履带吊车作用下纵向分配梁受力图
计算得： q ? 1 ?100?10? 1 ?1/ 6 ?1.2 ? 50KN / m ；
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2
履带吊车作用下纵向分配梁弯矩图如下图所示：
6

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图 7 履带吊车作用下纵向分配梁弯矩图
从图中得出弯矩的最大值在跨中位置， M max ? 16.9KN ? m 。
（3）抗弯验算：
由上述两种工况计算得知： M max ? 18.1KN ? m ,查《路桥施工计算手册》附 表 3-31 得知：I16 的Wx ? 140 .9cm3
? ? M max ? 18.1KN ? m ? 128 .5MPa ? ?? ? ? 215 MPa ，因此满足抗弯要求。
Wx
140 .9cm3
（4）抗剪验算：
由上述两种工况计算得知： Qmax
?
1 2
ql
?
37.5KN
,查《路桥施工计算手册》
附表 3-31 得知：I16 的 A ? 26.11cm2
?
?
Qm a x A
?
37.5KN 26.11cm2
? 14.36MPa ? ?? ? ? 125MPa，因此满足抗剪要求。
3.2 横向分配梁内力计算 （1）恒载计算: 恒载包括 10mm 厚防滑钢板、I16 纵向分配梁的重量和 I25a 横向分配梁的重
量，间距 L=1.5m。计算过程如下： q ? (1.5m ?1.0m ? 78.6kg / m2 ? 4 ?1.0 ? 20.50kg / m ? 1.5 ? 38.08kg / m) /1.5m ? 1.714KN / m
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M 跨中
?
1?q? 8
L2
?
1 ?1.714?1.52 8
?
0.49KN
?m
如图 8 所示：
图 8 自重作用下横向分配梁弯矩图
（2）工况一：恒载+活载（40t 砼罐车）
按罐车轴重分布得知后轮最大荷载为：
P ? 2? 40KN ?1.2 ? 96KN
M max
?
M 跨中
?
1 4
?
P?
L
?
0.49KN
?
m
?
36.49KN
?
m
（3）工况二：恒载+活载（80t 履带吊+20t 吊重）
80t 履带吊轮压，加上 20t 吊重（按集中荷载简支梁计算）：
P ? 1 ?100t ?10? 1 ?1.2 ? 100KN
2
6
M max
?
M 跨中
?
1 4
?
P?
L
?
0.49KN
?
m
?
37.99KN
?
m
（4）抗弯验算：
由上述两种工况计算得知： M max ? 37.99 KN ? m ,
查《路桥施工计算手册》附表 3-31 得知：I25a 的Wx ? 401 .4cm3
?
?
M max Wx
?
37.99 KN ? m 401 .4cm3
?
94 .64 MPa
?
?? ? ?
215 MPa
，因此满足抗弯要求。
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（5）抗剪验算： 由上述两种工况计算得知：Qmax ? 50 KN ,查《路桥施工计算手册》附表 3-31 得知：I25a 的 A ? 48.51cm2
? ? Qmax ? 50KN ? 10.31MPa ? ?? ? ? 125MPa，因此满足抗剪要求。
A 48.51cm2
3.3 主桁架支反力计算 下表中列出了各单项及组合下各支座支承反力值：
墩号
0# 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 合计
表 1 支座内力表（半桥） 车道荷载 车道荷载 车辆荷载 车辆荷载 自重（KN） （最大） （最小） （最大） （最小） （KN） （KN） （KN） （KN） 30.36 691.88 -46.88 588.41 -37.74 78.35 914.49 -69.98 926.45 -68.73 68.69 888.38 -94.05 889.64 -73.21 70.55 890.92 -83.54 888.31 -68.22 70.13 890.23 -83.93 888.26 -68.06 70.55 890.92 -83.54 888.31 -68.22 68.69 888.38 -94.05 889.64 -73.21 78.35 914.50 -69.99 926.47 -68.74 30.36 691.21 -46.78 588.57 -37.82 566.04 7660.91 -672.75 7474.07 -563.95
履带车 履带车 （最大） （最小） （KN） （KN） 759.41 -75.78 1021.74 -109.23 989.67 -141.09 992.05 -128.79 991.25 -129.22 992.05 -128.79 989.68 -141.09 1021.75 -109.24 758.78 -75.47 8516.37 -1038.68
组合值 （KN）
789.77 1100.10 1058.36 1062.60 1061.37 1062.60 1058.37 1100.10 789.15 9082.41
说明： (1) 表中反力均按支座单元的局部坐标系输出。 (2) 内力方向正负号规定见《梁单元局部坐标系中内力或应力正负号的约 定》（即：单元 i 端内力与单元局部坐标系同向为正）
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图 9 支座单元局部坐标系中内力正负号的约定
3.4 主梁（贝雷梁）轴向应力验算
根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》，对于受压或受拉并在一个主平
面内受弯曲的钢梁，应满足公式
N A
?M W
? ?? ?，其中?? ? 为钢材的容许应力。Q345
钢材的轴向受压基本容许应力取值为 200 MPa，在主力组合下容许应力的提高系
数为 1.0。
3.4.1 上弦杆轴向应力验算 选取最不利的上弦杆进行分析，由计算结果知道，最不利的位置为第一跨跨
中附近和 1#支点位置。上弦杆内力图如下所示：
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图 10 上弦杆轴向应力图（半桥）
由上图得到，第一跨跨中处上弦杆的最大压应力为 97.3MPa，1#支点处的最 大拉应力为 51.6MPa。 3.4.2 下弦杆轴向应力验算
选取最不利的下弦杆进行分析，由计算结果知道，最不利的位置为第一跨跨 中附近和 1#支点位置。下弦杆内力图如下所示：
图 11 下弦杆轴向应力图（半桥）
由上图得到，第一跨跨中处下弦杆的最大拉应力为 98.6MPa，1#支点处的最 大压应力为 53.7MPa。 3.4.3 竖杆轴向应力验算
选取最不利的竖杆进行分析，由计算结果知道，最不利的位置为 1#支点位 置。竖杆内力图如下所示：
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图 12 竖杆轴向应力图
由上图得到，在 1#支座上方的斜竖杆最大压应力为 249.8MPa，斜竖杆的最 大拉应力也达到了 158.9MPa。
由计算数据可以得到，上弦杆最大压应力为 97.3 MPa＜?? ? ＝200 MPa，出 现在第一跨跨中附近，最大拉应力为 53.7MPa＜?? ? ＝200 MPa，出现在 1#支座 的上方；下弦杆最大拉应力为 98.6 MPa＜?? ? ＝200 MPa，出现在第一跨跨中附 近，最大压应力为 53.7MPa＜?? ? ＝200 MPa，出现在 1#支座的上方；竖杆最大 压应力为 249.8 MPa >?? ? ＝200 MPa，出现在 1#支点上方竖杆旁边，最大拉应力 为 53.7MPa＜?? ? ＝200 MPa，出现在 1#支座的上方竖杆的旁边。
由于支座上方斜向竖杆的应力不满足《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》 中 16Mn 钢材最大轴向应力为 200MPa 的规定，因此需要加强。 3.5 主梁刚度验算
(1) 结构重力挠度如下图所示：
图 13 主桁架结构重力挠度图
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(2) 静活载挠度如下图所示：
图 14 主桁架活载挠度图
主梁竖向挠度值如下表所示：
表 2 主梁竖向位移表
静活载竖向位移 挠跨比
第一跨 11.063 1/1085
第二跨 9.728 1/1234
第三跨 9.760 1/1230
第四跨 9.748 1/1231
第五跨 9.748 1/1231
第六跨 9.762 1/1230
第七跨 9.730 1/1234
由表 2 可见，本桥主跨在静活载作用下产生的最大竖向位移为 11.063mm， 挠跨比为 1/1085，满足《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》第 1.1.5 条小于 L/800 的规定要求（L 为计算跨度）。
3.6 主梁联结系验算 选取最不利的主梁联结系进行分析，由计算结果知道，最不利的位置为 1#
支点位置。主梁联结系内力图如下所示：
图 15 主梁联结系应力图
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由上图得到，主梁联结系的最大压应力为 114.7MPa＜?? ? ＝200 MPa，最大 拉应力为 25.7MPa＜?? ? ＝200 MPa，均满足规范要求。
3.7 12M 跨桩顶分配梁内力计算 3.7.1 分配梁抗弯验算
荷载作用下桩顶分配梁的弯矩图如下所示：
图 16 桩顶分配梁弯矩图
由上图可知： M max ? 46.7KN ? m ，通过 midas 的截面特性计算器算的截面 抵抗矩Wx ? 964 .6cm3
? ? M max ? 46.7KN ? m ? 48.5MPa ? ?? ? ? 215 MPa ，因此满足抗弯要求。
Wx
964 .6cm3
3.7.2 分配梁抗剪验算 荷载作用下桩顶分配梁的剪力图如下所示：
图 17 桩顶分配梁剪力图
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由上述两种工况计算得知： Qmax ? 48.4KN ,计算分配梁的横截面积如下： A ? 60? 0.12? 2 ? 40? 0.12? 2 ? 24.00cm2
? ? Qmax ? 48.4KN ? 20.17MPa ? ?? ? ? 125MPa，因此满足抗剪要求。
A 24.00cm2
3.8 钢栈桥伸缩缝长度计算 钢栈桥全长 204m，分两联，分别为：102m+102m。 根据《路桥施工计算手册》附表 3-19 钢材的物理性能 P413 页查出：钢材
的线膨胀系数? ? 1.2 ?10?5 。 ?L ? ?T ? L ?? ? 40? C ?102m ?1.2 ?10?5 ? 0.04896m
因此钢栈桥伸缩缝长度设置为 5cm，桥台处伸缩缝设置为 6cm。
4 下部结构计算
4.1 钢管桩入土深度的确定 本设计中要求每根钢管桩的竖向承载力不小于 1000KN，现场地质覆盖层为
卵石土，卵石土厚度为 2～6m,卵石土下为强风化板岩，卵石土的平均侧摩阻力 值取 90KPa，端阻力值取 500KPa,钢管桩所需最小入土深度 X 值为：
? ?1.0m?90? X ? ? ?1.0m? 0.012?500 ? 1000KN 计算得出：X>3.48m，即最小入土深度为 3.48m。在本设计中要求钢管桩透 过卵石土层，贯入强风化板岩深度不小于 3m，满足设计要求。 4.2 单桩承载力验算 桩顶荷载一般包括轴向力、横向力和力矩。其中，轴向力一般为压力，但有 时也可能出现轴向拉力（即受拔）。相应地，单桩承载力包括轴向受压、轴向受 拉和横向承载力。对竖向桩，轴向和横向分别为竖向和水平向，故上述三种承载 力又称为竖向受压、竖向受拉和水平承载力，本项目计算桩顶荷载包括轴向力、 横向力和力矩，所以要验算单桩的承载力。
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在轴向荷载作用下，无论受压还是受拉，桩丧失承载能力一般表现为两种形 式：其一，桩周土的阻力不足，发生急剧而量大的轴向位移（沉降或拔升），或 者位移虽不急剧增加，但因位移量过大而不适于继续承载；其二，桩自身的强度 不够，被压坏或拉坏。所以，桩的轴向承载力应分别根据桩周土的阻力和桩身强 度确定，采用其中较小者。一般来讲，轴向受压时摩擦桩的承载力决定与桩周土 的阻力，支承于岩层上的端承桩承载力则往往是桩身强度起控制作用。在横向作 用下，桩的破坏同样可表现为桩周土的抗力或桩身强度不足。此外，当长期或经 常承受横向力或拔力时，对建筑桩基还需限制桩身的裂缝开展宽度，甚至不允许 出现裂缝，视坏境条件而定。在这种情况下除桩身强度外，还应进行抗裂计算。
图 18 钢管桩示意图
如果卵石土覆盖层厚度≤2m 时，由上述结果得知钢管桩贯入强风化板岩 3m 满足要求。由于钢管桩被河床岩石、砂封实，钢管桩桩顶加载后钢管桩壁与填 充物不会发生相对错动，钢管桩容许承载力按实心桩体计算。在《路桥施工计 算手册》的 P392 查的公式如下：
? ? ? [P] ? 0.5 U ?ili?i ??A?R
式中： [P] --单桩轴向受压承载力容许值，桩身自重与置换土重的差值作为荷载考虑； u—桩身周长，对于本桩U ? ?D ? 3.14m ； li —桩尖入各强风化板岩层厚度，对于本桩 li =4m； ? i —各土层与桩壁的极限摩阻力，对于本桩? i ? 170 KPa ； ? R —桩尖处强板岩的地基承载力，对于本桩? R ? 350 KPa ；
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? i —振动沉桩对各土层的影响系数，查表知本桩? i ＝1.0； ? —振动沉桩对桩底承载力的影响系数，查表知本桩? ＝1.0；
A --桩端截面面积，对于扩底桩，取扩底桩截面面积，对于本桩：
A ? ?D2 ? ? ?12 ? 0.785 m2 ；
4
4
计算过程如下：
? ? ? [P] ? 0.5 U ?ili?i ??A?R
? 0.5?? ? ?1.0 ? 4 ?170? ?1.0 ? 0.785? 350?
? 1205KN ? 121t 根据激振力 P＞容许承载力[P]减去钢管桩和振动锤自重 G=20T 进行选择
振动锤型号。
激振力公式：P＞[P]－G =121T-20T=101T；
因此，根据 DZ150A 型振动锤的激振力最大为 1025KN，满足插打要求。
4.3 钢管桩的压杆稳定计算 钢管桩按一端固定、一端铰接计算： 钢管桩的自由长度： L ? 612.65 ? 571.8m ? 40.85m 计算长度： L0 ? 0.8L ? 32.68m
回转半径： i ?
(D2 ? d 2) ?
(10002 ?122 ) ? 250mm
4
4
长细比： ? ? L0 ? 32.68 ? 130.7 i 0.25
经查《路桥施工计算手册》P790 页得出：竖向弯曲系数φ 为：0.38。
φ 1000*10mm 钢管桩截面积： A ? ? (500 2 ? 488 2 ) ? 37247 mm 2
根据《路桥施工计算手册》表 12-2 结构构件总稳定计算公式 P413 页中的轴 心受压公式：σ =N/A≤φ [σ ]得出：
? ? N ? 1000KN ? 26.9MPa ? ??? ? ? 0.38? 215MPa ? 81.7MPa
A 37247mm2 满足受压构件压杆稳定的要求。
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