钻孔平台计算书概论.docx

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钻孔平台计算书概论

一、工程概况

八里湖跨湖大桥主桥采用戒指型三塔斜拉桥，桥跨组成为：

（80.55+2×132+80.55）m，主梁为预应力混凝土梁。

主墩承台尺寸为45×10×4m，边墩承台尺寸为12×5.6×2.5m，水中引桥墩承台尺寸为5.6×5.4×2.2m，钻孔平台顶面标高为+19.500m，施工期间设计水位为+16.620m，主、边墩平台为贝雷梁+钢管桩，引桥墩为型钢+钢管桩的结构形式。

二、计算依据

2.1《八里湖跨湖大桥施工设计图》

2.2《八里湖跨湖大桥钻孔平台布置图》

2.3《公路桥涵设计通用规范》JTGD60-2004

2.4《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000

2.5《钢结构设计规范》GB50017-2003

2.6《装配式公路钢桥多用途手册》（人民交通出版社）ISBN7-114-03984-0

2.7《路桥施工计算手册》（人民交通出版社）ISBN7-114-03855-0

三、贝雷梁几何尺寸及桁架容许内力

3.1贝雷梁结构尺寸

3.2贝雷梁截面特性

杆件名

材质

截面形式

截面面积（cm2）

理论容许承载力（kN）

弦杆

16Mn

双[10，背靠背

2×12.74

560

竖杆

16Mn

单根I8

9.52

210

斜杆

16Mn

单根I8

9.52

171.5

3.3贝雷梁几何特性

结构构造

W（cm3）

I（cm4）

单排单层

不加强

3578.5

250497.2

加强

7699.1

577434.4

双排单层

不加强

7157.1

500994.4

加强

15398.3

1154868.8

三排单层

不加强

10735.6

751491.6

加强

23097.4

1732303.2

3.4桁架容许内力表

桥型

不加强

加强

容许内力

单排

双排

单排

双排

单层

单层

单层

单层

弯矩（kN.m）

788.2

1576.4

1687.5

3375

剪力（kN）

245.2

490.5

245.2

490.5

四、钻孔平台计算

4.1设计参数

4.1.1设计荷载：

主墩、边墩、水上引桥墩钻孔平台均摆放4台CJF20型冲击钻机：

220kN（自重180kN+钻头40kN），允许一辆8m3砼搅拌运输车（满载）在平台上走行。

4.1.2正常使用最大风力：

6级

4.1.3最大抵抗风力：

12级

4.2计算荷载

4.2.1钻机荷载

一台钻机总重量G=220kN（包含钻头等）

4.2.28m3砼搅拌运输车（参数见下表）

汽车总重力（kN）

前轴重力（kN）

中轴重力（kN）

后轴重力（kN）

轴距（m）

300

60

120

120

4.0+1.4

轮距（m）

前轮着地-宽×长（m）

后轮着地-宽×长（m）

车辆外型尺寸-长×宽×高（m）

1.8

0.3×0.2

0.6×0.2

8.0×2.5×3.8

4.2.3钢桥面板自重

每延米桥面板自重G=13kN/m

4.2.4制动力

汽车：

30kN

4.2.5汽车荷载冲击系数

μ＝15/（37.5+L）=15/（37.5+15）=0.29

4.2.6施工均布荷载《路桥施工计算手册》

g=2.5kN/m2计算桥面板

1.5kN/m2计算分配梁

1.0kN/m2计算桩顶分配梁、钢桩

4.2.7风荷载

风压计算：

W=K1K2K3K4W0

其中

W0=V2/1600基本风压

V=14m/s（6级风速）V=40m/s（12级风速）

W0=142/1600=0.12kN/m2（6级风）

W0=402/1600=1.00kN/m2（12级风）

K1=1.00设计风速频率换算系数

K2=0.80风载体形系数（钢管桩）

1.3风载体形系数（桁架）

K3=1.00风压高度系数

K4=1.30地形、地理条件系数

钢管桩风压：

W=K1K2K3K4W0=1*0.8*1*1.3*0.12kN/m2=0.12kN/m2（6级风）

W=K1K2K3K4W0=1*0.8*1*1.3*1.00kN/m2=1.04kN/m2（12级风）

作用在一根钢管桩上的风荷载：

钢管桩直径为0.6m

迎风面积S=1.8m2（单根钢管桩，按最低水位计算）

F=W*S=0.12kN/m2*1.8m2=0.216kN（6级风）

F=W*S=1.04kN/m2*1.8m2=1.872kN（12级风）

贝雷梁风压：

W=K1K2K3K4W0=1*1.3*1*1.3*0.12kN/m2=0.20kN/m2（6级风）

W=K1K2K3K4W0=1*1.3*1*1.3*1.00kN/m2=1.69kN/m2（12级风）

作用在贝雷梁上的风荷载：

贝雷梁的迎风面积S=51m*1.5m*0.4=30.6m2（0.4为受风面积系数）

F=W*S=0.20kN/m2*30.6m2=6.12kN（6级风）

F=W*S=1.69kN/m2*30.6m2=51.71kN（12级风）

转化为线荷载：

q=6.12kN/51m=0.12kN/m（6级风）

q=51.71kN/51m=1.01kN/m（12级风）

作用点位于桁架中心

4.2.8其他荷载

泥浆分离器重：

50kN

储渣槽容积按2m3考虑，钻渣容重18kN/m3，储渣槽自重按14kN考虑。

储渣槽重：

18kN/m3*2m3+14kN=50kN

4.2.9流水压力

考虑到湖水流速很慢，湖水流动产生的流水压力对钻孔平台的钢管桩影响很小，故流水压力忽略不计。

4.3钢桥面板、小肋和分配梁计算（8m3砼搅拌运输车计算工况）

4.3.1钢桥面板计算

钢桥面板采用8mm厚Q235花纹钢板，1辆8m3砼搅拌运输车满载作用于钢桥面板上，取1cm宽度钢桥面板按连续梁进行计算，支撑钢桥面板的小肋I10间距为152mm。

4.3.1-1荷载计算

汽车荷载：

q=120/（0.6*0.2）/2*（1+0.29）=645kN/m2

4.3.1-2面板截面特性

弹性模量E=206000Mpa宽b=10mm高h=8mm

惯性矩I=bh3/12=10*83/12=10*83/12=427mm4

弯曲截面系数w=bh2/6=10*82/6=107mm3

面积矩S=10mm*8mm/2*（8mm/2）=80mm3

4.3.1-3内力计算

在汽车荷载作用下，面板上的线荷载：

q=645kN/m2*0.01m=6.45kN/m

最大弯矩：

M=ql2/8=6.45kN/m*（152/1000）m2/10=0.015kN.m

最大剪力：

Q=ql/2=6.45kN/m*（152/1000）m/2=0.49kN

弯曲应力：

σ=M/W=0.015kN.m/107mm3*10^6=140.18MPa<170MPa

剪应力：

τ=QS/Ib=0.49kN*80mm3/（427mm3*10mm）*10^3=9.18MPa<100MPa

挠度：

f=0.677ql4/100EI=0.677*6.45kN/m*（152/1000）m4/（100*

206000MPa*427mm3=0.264mm<0.55mm

计算结果满足要求

4.3.2小肋I10计算

桥面板加劲小肋采用I10，中心间距为220mm，最不利工况为1辆8m3砼搅拌运输车满载汽车车轮作用在跨中，考虑2根I10同时受力，支撑小肋的分配梁I25a最大跨度为1500mm。

4.3.2-1荷载计算

汽车荷载：

q=60/2/2*（1+0.29）=19.4kN

4.3.2-2I10截面特性

I10截面特性：

型号

A（cm2）

Ix（cm4）

Wx（cm3）

Ix：

Sx（cm）

d（cm）

I10

14.345

245

49

8.6

0.45

4.3.2-3内力计算

最大弯矩：

M=pl/4=19.4kN*1.5m/4=7.27kN.m

最大剪力：

Q=p=19.4kN

弯曲应力：

σ=M/W=7.27kN.m/49cm3*10^3=148.36MPa<170MPa

剪应力：

τ=QS/Ib=19.4kN/（8.6cm*4.5mm）*100=50.12MPa<100MPa

计算结果满足要求。

4.3.3分配梁I25a计算

分配梁采用I25a，最大跨度为2900mm，最不利工况为1辆8m3砼搅拌运输车满载汽车车轮作用在跨中。

4.3.3-1荷载计算

汽车集中荷载：

P=（120kN/2）*（1+0.29）=77.4kN

4.3.3-2I25a截面特性：

型号

A（cm2）

Ix（cm4）

Wx（cm3）

Ix：

Sx（cm）

d（cm）

I25

48.500

5023

401

21.58

0.8

4.3.3-3内力计算

最大弯矩：

M=PL/4=77.4kN*2.9m/4=56.12kN.m

最大剪力：

Q=P=77.4kN

弯曲应力：

σ=M/W=56.12kN.m/401cm3*10^3=140.0MPa<170MPa

剪应力：

τ=QS/Ib=77.4kN/（21.58cm*8mm）*100=44.83MPa<100MPa

计算结果满足要求。

4.4主墩钻孔平台贝雷梁、桩顶分配梁和钢管桩计算

4.4.1有限元程序建模计算

采用有限元结构分析程序midas对钻孔平台整体建模。

贝雷梁、分配梁、钢管桩采用梁单元模拟，支撑架采用桁架单元模拟，桩底约束dx、dy、dz，荷载值按实际计算值添加。

荷载工况及组合:

组合一：

结构自重+4台冲击钻机（纵向）+泥浆分离器+汽车荷载（纵向12m跨中）+风荷载（6级）

组合二：

结构自重+4台冲击钻机（纵向）+泥浆分离器+汽车荷载（12m跨桩顶）

+风荷载（6级）

组合三：

结构自重+4台冲击钻机（纵向）+风荷载（12级）

组合一计算模型

组合二计算模型

4.4.2贝雷梁计算

在组合一的工况下，贝雷梁弦杆轴力最大

贝雷梁[10弦杆Fx=219.4kN<560kN满足要求

组合一贝雷梁[10弦杆轴力图（kN）

在组合二的工况下，贝雷梁竖杆和斜杆轴力最大

贝雷梁I8竖杆Fx=109.7kN<210kN满足要求

贝雷梁I8斜杆Fx=126.9kN<171.5kN满足要求

组合二贝雷梁I8竖杆轴力图（kN）

组合二贝雷梁I8斜杆轴力图（kN）

4.4.3桩顶分配梁2HN500×200计算

2HN500×200截面特性如下：

型号

A（cm2）

Ix（cm4）

Wx（cm3）

b（cm）

S（cm3）

2HN500×200

228.4

95600

3820

2

2175.2

在组合二的工况下，桩顶分配梁的弯矩和剪力最大

M=276.3kN.m

Q=232.8kN

σ=M/W=276.3kN.m/3820cm3*10^3=72.3MPa<170MPa满足规范要求

τ=QS/Ib=232.8kN*2175.2cm3/（95600cm4*2cm）*10=26.4MPa<100MPa

满足规范要求

最大弯矩图（kN.m）

最大剪力图（kN）

4.4.4钢管桩承载力计算

规格

每米重量

截面积

惯性矩

回转半径

截面矩

弹性模量

（mm）

（kg/m）

A（cm2）

I（cm4）

i（cm）

W（cm3）

E（MPa）

φ600×8

116.8

148.79

65192

20.9

2173

206000

在工况二荷载作用下，钢管桩反力最大

单桩最大承载力P=601.7kN

立柱换算长细比λ=L/i=47.80

稳定系数φ=0.865

σ=N/φA=601.7kN/（0.865*148.79cm2）*10=46.75MPa<170MPa

满足规范要求

钢管桩反力图（kN）

4.5主墩钻孔平台稳定屈曲计算

采用midas有限元程序建模计算

屈曲稳定系数λ=6.77>5满足要求

4.6边墩钻孔平台贝雷梁、桩顶分配梁和钢管桩计算

4.6.1有限元程序建模计算

采用有限元结构分析程序midas对钻孔平台整体建模。

贝雷梁、分配梁、钢管桩

采用梁单元模拟，支撑架采用桁架单元模拟，桩底约束dx、dy、dz，荷载值按实际计算值添加。

荷载工况及组合:

组合一：

结构自重+4台冲击钻机（纵向）+汽车荷载（纵向15m跨中）+风荷载（6级）

组合二：

结构自重+4台冲击钻机（纵向）+汽车荷载（15m跨桩顶）+风荷载（6级）

组合三：

结构自重+4台冲击钻机（纵向）+汽车荷载（横向9m跨中）+风荷载（6级）

组合四：

结构自重+4台冲击钻机（纵向）+风荷载（12级）

组合一计算模型

组合二计算模型

组合三计算模型

4.6.2贝雷梁计算

在组合一的工况下，贝雷梁弦杆和斜杆的轴力最大

贝雷梁[10弦杆Fx=325.7kN<560kN满足要求

贝雷梁I8斜杆Fx=112.2kN<171.5kN满足要求

组合一贝雷梁[10弦杆轴力图（kN）

组合一贝雷梁I8斜杆轴力图（kN）

在组合二的工况下，贝雷梁竖杆的轴力最大

贝雷梁I8竖杆Fx=180.65kN<210kN满足要求

组合二贝雷梁I8竖杆轴力图（kN）

4.6.3桩顶分配梁2HN500×200计算

2HN500×200截面特性如下：

型号

A（cm2）

Ix（cm4）

Wx（cm3）

b（cm）

S（cm3）

2HN500×200

228.4

95600

3820

2

2175.2

在组合三的工况下，桩顶分配梁的弯矩最大

M=354.74kN.m

σ=M/W=311.2kN.m/3820cm3*10^3=92.9MPa<170MPa满足规范要求

在组合二的工况下，桩顶分配梁的剪力最大

Q=304.5kN

τ=QS/Ib=304.5kN*2175.2cm3/（95600cm4*2cm）*10=34.6MPa<100MP

满足规范要求

最大弯矩图（kN.m）

最大剪力图（kN）

4.6.4钢管桩承载力计算

规格

每米重量

截面积

惯性矩

回转半径

截面矩

弹性模量

（mm）

（kg/m）

A（cm2）

I（cm4）

i（cm）

W（cm3）

E（MPa）

φ600×8

116.8

148.79

65192

20.9

2173

210000

在组合二荷载作用下，钢管桩反力最大

单桩最大承载力P=547.1kN

立柱换算长细比λ=L/i=47.80

稳定系数φ=0.865

σ=N/φA=547.1kN/（0.865*148.79cm2）*10=42.51MPa<170MPa

满足规范要求

钢管桩反力图（kN）

4.7边墩钻孔平台稳定屈曲计算

采用midas有限元程序建模计算

屈曲稳定系数λ=7.18>5满足要求

4.8引桥墩钻孔平台分配梁、桩顶分配梁和钢管桩计算

4.8.1有限元程序建模计算

采用有限元结构分析程序midas对钻孔平台整体建模。

贝雷梁、分配梁、钢管桩

采用梁单元模拟，支撑架采用桁架单元模拟，桩底约束dx、dy、dz，荷载值按实际计算值添加。

荷载工况及组合:

组合一：

结构自重+2台冲击钻机（纵向）+汽车荷载（横向7m跨中）+风荷载（6级）

组合二：

结构自重+2台冲击钻机（纵向）+汽车荷载（纵向9m跨中）+风荷载（6级）

组合三：

结构自重+2台冲击钻机（纵向）+风荷载（12级）

组合一计算模型

组合二计算模型

4.8.2分配梁计算

HN500×200截面特性如下：

型号

A（cm2）

Ix（cm4）

Wx（cm3）

b（cm）

S（cm3）

HN500×200

114.2

47800

1910

1

1087

在组合一的工况下，分配梁弯矩最大

M=224.1kN.m

σ=M/W=224.1kN.m/1910cm3*10^3=117.3MPa<170MPa满足规范要求

在组合二的工况下，分配梁剪力最大

Q=135.5kN

τ=SQ/Ib=135.5kN*1087cm3/（47800cm4*1cm）*10=30.8MPa<100MPa

满足规范要求

最大弯矩图（kN.m）

最大剪力图（kN）

4.8.3桩顶分配梁2HN500×200计算

2HN500×200截面特性如下：

型号

A（cm2）

Ix（cm4）

Wx（cm3）

b（cm）

S（cm3）

2HN500×200

228.4

95600

3820

2

2175.2

在组合二的工况下，桩顶分配梁的弯矩和剪力最大

M=483.7kN.m

σ=M/W=483.7kN.m/3820cm3*10^3=126.6MPa<170MPa满足规范要求

Q=461.3kN

τ=SQ/Ib=461.3kN*2175.2cm3/（95600cm4*2cm）=52.5MPa<100MPa

满足规范要求

最大弯矩图（kN.m）

最大剪力图（kN）

4.8.4钢管桩承载力计算

规格

每米重量

截面积

惯性矩

回转半径

截面矩

弹性模量

（mm）

（kg/m）

A（cm2）

I（cm4）

i（cm）

W（cm3）

E（MPa）

φ600×8

116.8

148.79

65192

20.9

2173

210000

在组合二荷载作用下，钢管桩反力最大

单桩最大承载力P=536.35kN

立柱换算长细比λ=L/i=47.80

稳定系数φ=0.865

σ=N/φA=41.67MPa<170MPa满足规范要求

钢桩反力图（kN）

4.9引桥墩钻孔平台稳定屈曲计算

采用midas有限元程序建模计算

屈曲稳定系数λ=12.5>5满足要求