钢便桥和水上平台施工方案设计Word文档格式.docx
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本桥位于融江中,水面宽约520米,主跨3#墩和4#墩水深约12米,边跨水深约8米。
建成后的钢桥桥面标高按水面以上6米控制。
水下地质情况普遍为卵石、粘土。
钢便桥钢管桩基础布置形式:
单墩布置3根钢管(桩径Φ53cm,壁厚8mm),横向间距2.5米,桩顶布置2根28cm工字钢横梁,钢管桩与钢管桩横向之间用[20槽钢水平向和剪刀向焊接连接。
为了增强便桥纵向稳定性,每间隔2个墩位设置1处加强排架墩基础(即单墩布置6根钢管桩,纵横向间距2.5米)。
两岸桥台采用U型桥台。
钢便桥施工钢管桩技术要求:
(1)严格按设计位置和标高打桩;
(2)钢管桩中轴线斜率<
1%L;
(3)钢管桩入土深度必须大于5米,实际施工过程由于各墩地质情况不同,钢管桩终孔高程应以DZ60桩锤击振5分钟仍无进尺为准;
(4)个别钢管桩入土深度小于5米锤击不下,且用DZ60桩锤击振5分钟仍无进尺,应当现场分析地质状况,采取措施加强受力;
(5)钢管桩的清除按照当地河道管理要求,便桥折除时必须拔除钢管桩。
2、上部结构设计
桥梁纵向跨径均为6.0米,横向宽6米。
根据行车荷载和桥面宽度要求,6.0米跨纵梁布置单层6片3组150cm×
300cm国产贝雷片,横向布置为(90+120+90+120+90)cm=510cm,贝雷片纵向用贝雷销连接,横向用剪刀撑连接以保证其整体稳定性,贝雷片与工字钢横梁间用U型卡连接以防滑动。
3、桥面结构设计
桥面采用装配式钢桥定型桥面板,单块规格为6m×
1.5m,桥面板结构组成8㎜厚印花钢板、底横肋用I25a工字钢,肋间距30㎝,制作好的桥面板安放在贝雷片横梁上并用螺栓连接。
4、防护结构设计
桥面采用小钢管(直径Φ4.8cm)做成的栏杆进行防护,栏杆高度1.2m,栏杆纵向3.0m一根立柱(与桥面槽钢焊接),高度方向设置2道横杆。
六、桩基钻孔平台布置
1、桩基钻孔平台的受力要求
考虑到施工的安全,施工前必须要全面考虑施工荷载。
施工平台所受的荷载主要为材料、施工机械荷载即:
钻机200KN、吊车350KN、混凝土及导管400KN、钢筋笼400KN。
考虑实际施工作业可能出现的情况,必须按照最大荷载组合布载,最大跨进行计算。
2、桩基钻孔平台的结构形式
根据以上受力要求,考虑施工中各种不利因素,钻孔平台采用钢桩基础,工字钢横梁、工字钢分布梁、槽形面板。
为保证下部桥梁施工合理利用平台,每个钻孔平台布置入下:
主墩(3#、4#)施工时至少要上2台钻机,冲击荷载大,施工平台采用直径30厘米的钢管布置:
横向跨径3米(3×
6=18米),纵向跨径(3.8+2.4+3.8=10米),以避开桩基护筒为原则,横梁采用4根I25a工字钢、工字钢分布梁采用6根I25a型工字钢,面板采用20cm槽钢。
5#过渡墩考虑到施工时至少要上2台钻机,冲击荷载大,施工平台采用直径30厘米的钢管布置:
6=18米),纵向跨径(4+4=8米),以避开桩基护筒为原则,横梁采用3根双拼I25a工字钢、工字钢分布梁采用6根I25型工字钢,面板采用20cm槽钢。
边墩(6、7、8、9、10)施工平台采用直径30厘米的钢管布置:
6=18米),以避开桩基护筒为原则,纵向跨径(4米),工字钢横梁采用2根I25a型、工字钢分布梁采用6根I25型工字钢钢,面板20cm槽钢。
实际施工中,钻孔平台工字钢分布位置可作适当调整。
具体构造见“钢便桥及钻孔平台设计图”。
七、钢便桥钢管桩承载力及稳定性计算
1、钢管桩竖向荷载计算
钢管桩承受的竖向荷载有便桥上部结构自重、人群荷载及车辆荷载,分别计算如下:
单跨结构自重P1=mg=12380kg×
9.8N/kg=121.3KN
人群荷载:
3.5KN/㎡
车辆荷载:
拟按一台75吨吊行走计算
P2=(750KN÷
3)+(3.5KN/㎡×
6×
6÷
3)=292.0KN
每根桩承受的竖向荷载为P=1.25×
(P1÷
3+P2)=1.25×
(121.3÷
3+292.0)=415.5KN
钢管桩最重按15KN考虑
则每根桩承受的竖向荷载为P=415.5+15=430.5KN
式中安全系数取1.25,不考虑浮力对结构受力影响。
2、钢管桩沉入深度计算
钢管桩入土深度L=2[P]/auγ,式中P为桩基容许承载力,钢管桩采用振动沉桩,a为振动桩对周围土层摩阻力影响系数,取a=1,u为桩周长u=πD,γ为桩周围土的极限摩阻力。
根据地质情况,河床为密实砂砾层,取γ=50KN/m2(γ取值见建设筑地基基础设计手册)
故L=2×
430.5÷
(1.0×
3.14×
0.529×
50)=10.3m
实际沉入深度为不小于10.3米或者座入基岩上。
单桩竖向承载力验算:
Ra=(uqsL+aAσr)/2=(πDqsL+aAσr)/2=(3.14×
0.530×
50×
10.3+1×
3500×
(0.532-0.5142)×
3.14)/2=520.3KN>
430.5KN
根据地质情况,a取值按3500KN/m2考虑,(a取值见建设筑地基基础设计手册)
满足承载力要求。
式中:
Ra----单桩竖向承载力特征值U-----桩周长
qs-----桩侧土的侧阻力特征值L-----土层厚度
a-----桩底抵抗力影响系数A-----桩顶面积
σr-----极限承载力
3、钢管桩在水平力作用下弯曲应力验算
钢管外径D=53.0㎝,管壁厚8㎜;
最大水深12m,施工时钢管上水平撑和斜撑焊接到水面以下4.0m,则计算时只对8.0m水深范围内钢管桩的弯曲应力进行验算。
考虑到风对钢管桩的冲击力远远小于水流的冲击力,所以只按水流冲击力对钢管桩进行验算。
冲击力q=0.8A×
ρυ2/2g
式中A为钢管桩阻水面积,A=2rh=0.53×
8.0=4.2㎡其中r为桩的半径,h为计算水深,取8.0米。
ρ为水的容重,ρ=10KN/m3,q为流水对桩身的荷载,按均布荷载计算。
υ为水流速度,水流平缓,试验推测υ=2.0m/s,有
q=0.8A×
ρυ2/2g=0.8×
4.2㎡×
10KN/m3×
2.02m/s÷
(2×
9.81m/s2)=6.85KN
Φ53㎝钢管桩的惯性矩I、截面抵抗矩W分别为:
I=π×
(D4-d4)/64=3.14×
(534-51.44)/64=44672.8cm4
W=π×
(D4-d4)/32D=3.14×
(534-51.44)/(32×
53)=1685.8cm3
钢管桩入土后相当于一端固定,一端自由的简支梁,其承受的最大弯矩和挠度变形为:
Mmax=9qL2/128=(9×
6.85KN/m×
8.02m)/128=30.83KN.m
σ=Mmax/W=30.83KN.m×
103÷
1685.8×
10-6m3=18.3MPa
[σ]=145MPa
∵σ<
[σ]∴满足要求。
fmax=0.00542×
qL4/EI=(0.00542×
8004cm)/(2.1×
105×
44672.8cm4)=1.6cm<
[f]=(L/400)=L=2cm满足要求。
式中E为钢材的弹性模量取E=2.1×
105MPa。
4、钢管桩稳定性验算
(1)长细比计算:
λ=μL/i其中L为钢管桩的计算长度;
μ根据一端固定,一端简支取μ=1;
i为钢管桩的回转半径。
I为钢管桩截面惯性矩,A为钢管桩截面面积。
A=π(D2-d2)/4=3.14×
(0.532-0.5142)/4=131.1cm2
i=√(I/A)=18.5cm
λ=μL/i=1.0×
800/18.5=43.0
查《建筑力学》钢管稳定系数ф=0.914
(2)计算稳定性
σ=P/¢A=430500N/(0.914×
13110mm2)=35.93MPa<
[σ]=145MPa
满足要求。
注:
上式中P为竖向荷载,A为钢管截面面积。
便桥从桥台起中间每隔两墩设一个加强墩(即2排3根,纵向间距2.5m),由于单排钢管桩布置已满足受力要求,双排加强墩钢管桩布置一定满足受力要求,这里不再验算。
5、纵、横梁承载力验算
(1)纵梁承载力验算
恒载:
每米纵梁上承载q1=124.6/36=3.46KN/m
荷载:
960KN
查施工手册静力计算公式
M1max=1/4PL=0.250×
960×
6=1440KN.m
M2max=1/8qL2=0.125×
3.46×
62=15.57KN.m
Q1max=(0.5+0.5)P=1×
960=960KN.m
Q2max=0.5qL=0.5×
6=10.38KN
Mmax=1440+15.57=1455.57KN.m
Qmax=960+10.38=970.38KN.m
允许弯矩MO=6片×
0.8(不均衡系数)×
788.2KN.m=3783KN.m
贝雷片单片允许弯矩:
788.2KN.m
贝雷片截面模量WO=3578.5×
6片=21471cm3
强度验算
σ=Mmax/WO=(1455.57×
106)/(21471×
103)=67.79MPa<
[σ]=210MPa
贝雷片单片容许最大剪力[R]=245.2KN
允许剪力Q=6片×
245KN=1176KN
即有Qmax=970.83KN<
[Q]=1176KN由此可知:
Mmax<
MO、σ<
[σ]、Q<
[Q],6米跨钢便桥纵梁用单层6片贝雷架架设安全。
挠度验算
贝雷片几何系数E=2.05×
105MPa,IO=250497cm4WO=3578.5cm3
(按贝雷片几何特征表)
fmax=PL3/(48EI)=(960KN×
63)/(48×
2.05×
105MPa×
250497cm4×
6)=14mm<
[f]=(12000/400)=30mm满足使用要求。
由上可知:
钢桥抗弯能力、强度、抗剪能力、挠度均满足使用要求。
[Q],6米跨钢便桥纵梁用单层6片贝雷架架设安全。
(2)工字钢横梁计算
模式分析:
钢管立柱单排3根横向间距为2.5m,因此按二等跨连续梁验算,计算跨径L=2.5m,横梁承担6片贝雷片传递来的荷载。
6个集中力按路桥施工计算手册进行验算,按照750KN车辆位于墩位时验算(考虑25%安全系数)+贝雷片自重34KN+桥面横、纵梁自重98.5KN
P1=P/6=1103/6=183.83KN
Mmax=0.333P1L=0.333×
183.83×
2.5=153.04KN.m
Q=(1.333+1.333)P1=490.09KN
横梁采用2根28a工字钢
Ix=7114.14cm4,Wx=503.15cm3,Ix:
Sx=24.62cm3,Sx=288.96cm3,t=8.5mm
横梁强度验算
σ=Mmax/WO=153.04×
106/(1006.3×
103)=152.08MPa<
1.3[σ]=188MPa
剪应力τ=QSx/(Ixt)=490.09×
103×
288.96×
103/(14228.28×
104×
17.0)=58.55MPa<
[τ]=110MPa符合要求。
挠度f=1.466P13/(100EI)=1.466×
2.53/(100×
2.0×
2×
7114.14)=1.4㎜
f=1.4mm<
2500/400=6㎜符合要求。
八、钻孔平台受力计算
(一)3#、4#主墩平台
1、为了满足水中墩台施工,在桥墩处搭设施工平台,平台高于水面2m,净宽10.0米,长18米,用4排¢30㎝钢管桩排架,最大间距为3.8米,打入土中。
横梁采用4根I25a工字钢,纵梁采用6根I25a工字钢,桥面板结构采用槽钢20㎝槽钢(净距5㎝)。
2、平台钢管桩承受竖向荷载及桩长计算
(1)钢管桩承受竖向荷载计算
每个钢管桩承受竖向荷载有自重、人群、材料荷载及施工机械荷载,分别计算如下:
结构自重P1=mg=30000㎏×
10N/㎏=300KN
3.5KN/m
材料、施工机械荷载:
钻机200KN、混凝土及导管300KN,钢筋笼400KN。
考虑实际施工作业,按照最大荷载组合布载,对最大跨进行计算。
P2=(200+300+400)KN÷
4+3.5KN/m2×
3.8÷
4=228.3KN
每根桩承受的竖向荷载为:
P=1.25×
(P1/28+P2)=1.25×
(300/28+228.3)=298.76KN
上式中安全系数1.25,浮力对结构受力影响不大,不予考虑。
(2)钢管桩沉入深度计算
桩入土深度L=2[P]/auτ
式中[P]桩容许承载力,钢管桩采用振动沉桩,a为振动桩对周围土层摩阻力影响系数,取a=1,u为桩周长,τ为桩周围土的极限摩阻力,根据地质情况取τ=50kPa.
故L=(2×
298.76)/(1.0×
0.30×
50)=12.7m
实际沉入深度为不小于12.7米或座于基岩上。
3、平台钢管桩承载力稳定性检算
钢管外径D=30㎝,管壁厚8㎜;
在该平台处最大水深12米,施工时钢管上斜撑和平撑焊到从台面以下8.0米,则计算时只对6.0米水深范围内钢管桩的弯曲应力进行计算。
风对钢管桩的冲击力远远小于水流的冲击力,不做验算,只按水流冲击力对钢管桩进行验算。
式中A为钢管桩阻水面积,A=2rh=0.30×
6.0=1.8㎡其中r为桩的半径,h为计算水深,取6.0米。
ρ为水的容重,ρ=10KN/m3,q为流水对桩身的荷载,均按布荷载计算。
υ为水流速度,试验推测得,υ=2.0m/s,则有
1.8㎡×
9.81m/s2)=5.28KN
¢30㎝钢管桩的惯性矩I、截面抵抗矩W分别为:
(304-28.44)/64=7823.6cm4
(304-28.44)/(32×
30)=521.6cm3
5.28KN/m×
6.02m)/128=13.37KN.m
σ=Mmax/W=13.37KN.m×
521.6×
10-6m3=25.6MPa
[σ]=145MPa∵σ<
[σ],∴满足要求
6004cm)/(2.1×
7823.6cm4)=2.0cm<
[f]=(L/400)=3.0cm满足要求。
上式中E为钢材的弹性模量取E=2.1×
i=式中I为钢管桩截面惯性矩,A为钢管桩截面面积。
(302-28.42)/4=73.4cm2
i=√(I/A)=10.3cm
600/10.3=58.3
查《建筑力学》钢管稳定系数¢=0.849
σ=P/¢A=298760N/(0.849×
7340mm2)=47.94MPa<
式中P:
竖向荷载A:
钢管截面面积。
5、纵横梁承载力验算
(1)纵梁承载力验算
钢筋笼、灌车、钻机分别为四点受力,单个支点P=250KN。
前支腿加强为6根I25型钢,取钻机前支腿进行受力验算。
由于自重相对于荷载较小,忽略不计,跨径取最大跨径3.8米计算。
在集中荷载作用下:
Mmax=0.278PL=0.278×
250×
3.8=264.1KN.m
Qlmax=(1.167+0.167)P=(1.167+0.167)×
250=333.5KN
I25力学特征:
Ix=5023.54㎝4,Wx=401.88㎝3,Sx=232.79㎝3,t=13.0㎜
纵梁强度验算:
σ=Mmax/Wo=264.1×
106/(2411.28×
103)=109.5Mpa<
1.3[σ]=188Mpa
剪应力r=QSx/(Ixt)=333.5×
1396.74×
103/(30141×
78)=19.81Mpa<
[r]=110Mpa
钻孔平台前支腿采用6根I25型钢受力满足要求。
(2)桩顶横梁受力验算
桩顶由4根I25a工字钢支撑最大跨径为3.8米,承受钻机、混凝土铁斗及钢筋笼叠加的力,钻机、钢筋笼和混凝土受力为:
200KN+300KN+400KN=900KN(由左右侧桩顶横梁支撑),简化为相同支座承担的均布荷载,q=900/8=112.5KN/m,
Mmax=0.125qL2=0.125×
112.5×
14.4=202.5KN.m
Qlmax=(0.5+0.5)qL=1×
3.8=427.5KN
I25a力学特征:
Ix=5023.54㎝4,Wx=401.88㎝3,Sx=232.79㎝3,
t=13.0㎜
横梁强度验算:
σ=Mmax/Wo=202.5×
106/(1607.5×
103)=125.9Mpa<
1.3[σ]=188.5Mpa
剪应力r=QSx/(Ixt)=427.5×
931.16×
103/(20094×
52)=38.1Mpa<
桩顶横梁采用4根I25a工字钢受力满足要求。
(二)5#过渡墩平台
1、为便于水中墩施工,在桥墩处搭设施工平台,平台净宽8.0米,长18.0米,用3排¢30㎝钢管桩排架,最大间距为4米,打入土中。
横梁采用3根双拼I25a工字钢,纵梁采用每6根I25a工字钢,桥面板结构采用槽钢20㎝槽钢(净距5㎝)。
结构自重P1=mg=25000㎏×
10N/㎏=250KN
3.5KN/m2
4÷
4=228.5KN
(P1/21+P2)=1.25×
(250/21+228.5)=300.5KN
安全系数1.25,浮力不影响结构受力,不予考虑。
300.5)/(1.0×
0.3×
50)=12.8m
实际沉入深度为不小于12.8米或座于基岩上。
平台钢管桩承载力稳定性验算同3、4#平台,只以水深、水流、惯性矩有关,不再赘述。
4、纵横梁承载力验算
钢筋笼、灌车、钻机分别为四点受力,单个支点P=275KN。
由于自重相对于荷载较小,忽略不计,跨径取最大跨径4.0米计算。
275×
4=305.8KN.m
275=366.85KN
σ=Mmax/Wo=305.8×
106/(2411.3×
103)=126.8Mpa<
剪应力r=QSx/(Ixt)=366.85×
1396.7×
78)=21.79Mpa<
钻孔桩位处支腿采用6根I25工字钢满足受力要求。
桩顶由3根双拼I25a工字钢支撑最大跨径为4.0米,承受钻机、混凝土铁斗及钢筋笼叠加的力,钢筋笼和混凝土受力叠加为200KN+300KN+400KN=900KN(由左右侧桩顶横梁支撑),简化为相同支座承担的均布荷载,q=900/8=112.5KN/m,
16=225.0KN.m
4=450KN
I25a力学特征:
σ=Mmax/Wo=225.0×
103)=93.31Mpa<
剪应力r=QSx/(Ixt)=450×
78)=26.73Mpa<
故桩顶横梁采用3根双拼I25a工字钢受力较为安全。
(三)边墩平台(6、7、8、9、10)
1、为了满足水中墩施工,在桥墩处搭设施工平台,平台净宽4米,长18米,用2排Φ30㎝钢管桩排架,最大间距为4米,打入土中。
横梁采用2跟双拼I25a工字钢,纵梁采用6根I25a工钢,桥面板结构采用20㎝槽钢(净距5㎝)。
为保证钢筋笼下放的安全,采用在平台上设置龙门吊进行钢筋笼安装。
结构自重P1=mg=18000㎏×
10N/㎏=180KN
钻机100KN、混凝土及导管300KN,钢筋笼400KN。
考虑实际施工作业,按照
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