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2.1.3栈桥设计方案比选
(一)单车道和双车道之间进行比较选择
栈桥长度小,单车道能满足常规交通运输要求。
通视良好,易于掌握栈桥路况,如有车辆双向行驶时,欲上桥的车辆可以在陆地停车场等候通行。
(二)混凝土桥面板和钢板桥面板进行比较选择
栈桥主梁进行贝雷梁及H型钢梁比较,拟采用贝雷梁组拼,它具有自重轻,跨越能力高,拼装方便,扰度小等优点,栈桥上部结构安装时采用70t履带吊逐孔“钓鱼法”架设。
2.2栈桥主要技术标准及设计说明
2.2.1主要技术标准及设计参数
(1)通行能力及承载能力:
栈桥设计荷载主要考虑结构自重和100t集中荷载以及公路—Ⅰ级汽车荷载。
栈桥两端与砼桥台连接,桥台后方为加宽的填筑路基,路基设置满足车辆的转向、变向及会车等需求。
栈桥上行走车辆主要为集中力100t荷载,根据计算,栈桥设计公路I级汽车荷载可满足需求。
(2)结构型式:
钢栈桥设计为2Φ720mm×
8mm钢管桩基础(中心距450cm)+2I32b工字钢横向托梁(跨中加I32a八字斜撑)+3组单层双排贝雷梁主纵梁+I25a工字钢横向分配梁(间距150cm)+I14工字钢纵向分配梁(间距24~48cm不等)+8mm厚花纹钢板桥面板(2组宽120cm的走道板)+2道宽150cm以及1道宽60cm的5cm厚木板结构。
3米跨度的钢管桩四周设置斜撑,使其成群桩桥墩,以抵抗钢管桩崁固深度不足的缺陷,同时,也是抵抗水流和洪水期漂浮物的阻力的措施。
因为考虑钢管桩崁固深度不足,其余跨之间,以I32a工字钢在贝雷梁下2.5m~3m处纵向连接,以增加安装时单排钢管桩桥墩排架的稳定性。
钢管桩排架墩由于崁固深度不足,横向设置2层I32a工字钢连接,以增加其横向刚度。
桥面板设计,考虑桥梁是单向行车,仅考虑在砼搅拌运输车的轮距,设置2组宽120cm的行车走道钢板。
其余空缺处,设置3组木板走道(木板厚5cm)。
考虑工字钢的后期适用性,横向连接的工字钢,均设计6m长。
(3)桥长:
桥跨布置4×
9m+3m+12m+3m+4×
9m=90m。
(4)桥宽:
栈桥桥面宽6米(钢管桩横向间距450cm),行车道宽4.5m。
(5)桥位:
栈桥修建在河床覆盖层(泥砂)厚度大于3米的府河(覆盖层下为稍密实的砂卵石)。
(5)调头平台:
在桥台两端路基处。
(6)高程:
考虑到最高潮水位为+447.66m,因此栈桥桥面标高定为+450.61m,在高潮时,海平面距桥面垂直距离在2m左右,普通风浪对栈桥上部结构不会产生较大影响。
(7)平纵线:
栈桥除了桥台设置桥头引道,其余不设纵坡。
(8)安全装置:
栈桥两侧设置60cm高的I28a工字钢行车防撞护栏,其顶部设置50cm高的人行钢管护栏,并用安全网满铺。
(9)航道:
栈桥范围不设置通航道。
(10)防腐蚀:
河床以下5米至贝雷梁底的钢管桩,涂刷乳化沥青防大气和水的腐蚀。
2.2.3平面位置
祥见设计图。
2.2.4结构设计
2.2.5基础
(1)桥台
海岸陆地设U型桥台,桥台基础底面尺寸为7740×
6500mm,采用片石混凝土基础。
桥台搭板为C25素混凝土,台背采用M10浆砌MU30块片石结构,台帽为C30Φ12钢筋的钢筋砼结构。
(2)钢管桩基础
基础采用Φ720×
8mm钢管桩,每排2根,中心间距4.5m。
钢管桩间采用I32a工字钢做联系梁,桩顶设250mm凹槽,2根I32a工字钢横梁嵌入钢管桩中。
钢管桩桩顶高程+448.392m,钢管桩长度9.0m,钢管桩伸入河床底以下应大于4m。
栈桥钢管桩布置示意图
2.2.6桩顶2I32b托梁
钢管桩顶部设置2根I32b工字钢托梁,2根I32a合扣成箱型,采用间断焊接。
托梁嵌入钢管桩内250mm,以保证托梁的横向稳定性,主梁与托梁通过限位器固定。
桥台支座处贝雷梁上下弦之间用2根【10槽钢进行竖杆加强。
钢管桩顶托梁布置示意图
2.2.7贝雷主纵梁
栈桥采用6片3组贝雷梁作为主梁,贝雷梁组之间间距为4.5m,一组贝雷梁片与片中心间距0.90m。
主梁与I32a托梁通过限位器固定。
2.2.8I25a工字钢横向分配梁(横梁)
贝雷梁顶面,设置纵向中心间距1500mm的I25a工字钢横梁,横桥向布置,I25a横梁通过U型卡与贝雷片连接。
2.2.9I14工字钢纵向分配梁(纵梁)
I28a顶面设置I14工字钢纵向分配梁,横向中心间距300mm,顺桥向布置。
I14纵梁与桥面板及横梁均焊接牢固。
2.2.10桥面板(δ=8mm防滑花纹钢板)
栈桥车行道桥面板,为防滑花纹A3钢板,钢板厚度为8mm,钢板焊接在中心间距240mm的I14工字钢纵梁上,其余走道为5cm厚木板
2.2.11附属结构
栈桥栏杆,由行车防撞栏杆和行人防坠栏杆组成。
行车栏杆立柱采用I28a工字钢,间距1500mm,水平栏杆采用I14工字钢;
行人栏杆立柱采用Φ60×
4mm钢管焊接在I28a立柱上,间距1500mm,立柱间采用Φ40×
4mm钢管连接。
栈桥两侧每隔12m设置一道警示灯,以便夜间起到警示作用,防止船舶撞击栈桥。
栈桥桥面板及栏杆布置示意图
2.3、防腐蚀设计
2.3.1钢管桩防腐蚀设计
因钢栈桥基础上部长期暴露在空气中,下部浸泡在河水中,河水和潮湿的空气对钢管的腐蚀性较大,且栈桥使用周期长,因此,钢管施打前,采取粉刷乳化沥青进行防腐处理,处理范围为海床底以下5米至钢管桩顶,约13米。
2.3.2托梁、贝雷梁、桥面系等防腐蚀设计
采取喷涂防锈油漆处理。
先喷二道红丹防锈漆,再喷一道外漆。
2.4栈桥防撞设施设置
为了保证栈桥施工及使用过程的安全,施工前应首先在流域上下游设置临时助航标志,以避免过往船只碰撞栈桥。
同时应在航道周边设置防撞设施,以减低船舶和栈桥的伤害程度,并避免灾害扩大的方法。
第三章钢栈桥受力计算
3.1概述
根据本栈桥施工荷载要求,参照《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)及《港口工程荷载规范》(JTJ254一98),将栈桥设计取3种状态:
“工作状态”、“非工作状态”和“灾难状态”。
“工作状态”是指在自然条件中不发生影响施工的风、雨、潮、浪等情况,栈桥可以正常使用时的状态。
此时栈桥上存在着大量的施工人员、施工车辆和机械。
栈桥承受的荷载为自重、施工荷载以及对应的风浪流荷载。
其中,风、浪、潮等自然荷载的重现期取5年。
“非工作状态”是指自然条件中发生较大的风、雨、潮、浪等,栈桥上不允许通行车辆的状态。
由于风荷载大时往往浪、潮也较大,且风对于施工安全的威胁最大,因而以风的强度为指标划分“工作状态”和“非工作状态”。
经研究,认为达到8级风时栈桥进入非工作状态。
此时,栈桥仅承担自重和风、浪、流荷载。
此时风、浪、潮等自然荷载的重现期取10年。
由于该区域所处环境恶劣,为了保证结构的安全,在设计时,对应加强设计,除了考虑“工作状态”与“非工作状态”以外,还考虑“灾难状态”。
所谓“灾难状态”,是指栈桥可能经受的最不利极端状态,为台风与天文大潮的组合。
此时风、浪、潮等自然荷载的重现期取20年。
以上3种状态具体化为6种工况。
表4.1、栈桥的设计状态与最不利工况
行履带吊施工荷载及履带吊在前端打桩时控制设计。
3.2计算范围
计算范围为栈桥的基础及上部结构承载能力,主要包括:
桥面板→I14→I25a→贝雷梁→横桥向I32a工字钢→钢管桩。
3.3主要计算荷载
恒载:
结构自重;
活载:
9立方混凝土罐车荷载;
水流压力、波浪荷载、风荷载。
冲击系数:
汽车(1.1)。
荷载组合:
1、恒载+汽车荷载+水流压力+波浪力+风力;
2、恒载+履带吊车+水流压力+波浪力+风力。
3.4栈桥主要控制计算工况
①跨径为12m钢栈桥在活载工况下的整体刚度、强度和稳定性;
②水流波浪风力作用下的栈桥的整体刚度、强度和稳定性;
3.5计算过程(手算)
本栈桥主要供混凝土罐车走行,因而本栈桥荷载按公路I级及9立方米混凝土罐车荷载分别检算;
本栈桥恒载主要为型钢桥面系、贝雷梁及墩顶横梁等结构自重。
并按以下安全系数进行荷载组合:
恒载1.2,活载1.3。
根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》规定:
临时结构容许应力可提高1.3(组合Ⅰ)、1.4(组合Ⅱ~Ⅴ)。
本栈桥弯曲容许应力取
1.4´
145=203MPa,容许剪应力取1.4´
85=119MPa。
3.5.1活载计算
活载控制设计为9m3砼运输车(按车与荷载总重35t计),参考国内混凝土运输车生产厂家资料及规范汽车-超20级车辆荷载布置,单辆砼运输车荷载为3个集中荷载70kN、140kN和140kN,轮距为4.0m、1.4m,计入冲击系数1.1后,其集中荷载为77kN、154kN和154kN。
3.5.2面板计算
(1)结构型式
本平台面板为8mm厚花纹A3钢板,焊接在中心间距240mm的I14工字钢横梁上。
(2)荷载
混凝土运输车轮胎宽度(前轮宽300mm,中后轮宽600mm),着地长度200mm,均大于工字钢纵梁间距,荷载直接作用在I14工字钢上,故桥面板可不作检算,满足要求。
3.5.3I14工字钢纵梁计算
I14工字钢纵梁直接放置于I25a横梁上,保守按简支梁检算。
按混凝土罐车荷载验算,I14工字钢横梁自重g=0.17kN/m,桥面板自重不计。
(1)混凝土运输车荷载
混凝土运输车前轮着地宽30cm,由一根纵梁承受,则单根纵梁在前轮作用下受集中
力为77KN/2=38.5KN。
(3)材料力学性能参数及指标I14工字钢横梁:
I=7.12´
106mm4W=1.017´
105mm3A=2150mm2
EI=2.1´
1011N/m2´
7.12´
10-6m4=1.49´
106Nm2
(4)力学计算
混凝土运输车荷载下前轮受力简化图示如下:
可得,在混凝土运输车下I14工字钢纵梁受最不利荷载(保守按简支梁计算):
在混凝土运输车荷载作用单根I14工字钢横梁:
Mmax=Qmax=
PL38.5KN´
1.5m
==14.43kNm44
P38.5kN==19.25kN22
a、强度检算
smaxtmax
Mmax14.43´
106Nmm===142MPa<
[s]=203MPa53
W1.017´
10mm,合格;
Qmax19.25´
103Nmm===8.95MPa<
[t]=119MPa
A2150mm2,合格;
b、刚度检算
8Pl38´
38.79´
1.531500
fmax===1.83mm<
=2.5mm
384EI384´
EI600,合格。
3.5.4I25a工字梁横梁计算
(1)结构型式
横梁采用I25a工字钢,工字钢横梁安装在净距1174mm的单层三排贝雷梁上,计算时保守按照简支梁1200mm跨径。
I25a工字钢荷载全部由上部I14传递而来,故验算I25a受力时,集中荷载偏保守全部按照I14最大剪力。
此时结构自重对受力影响不大,予以忽略。
(3)材料力学性能参数及指标I25a工字钢横梁:
I=5.02´
107mm4W=4.01´
105mm3A=4850mm2
5.02´
10-5m4=10.5´
轮胎作用于跨径1.2m简支梁,其力学图示如下:
弯矩图示如下:
剪力图示如下:
Mmax=27.72KNm
Qmax=77kN
W=401.4cm3
x
smax=
Mmax27.72KNm
==69.1MPa<
[s]=203MPaW401.4´
10-6m3,满足要求。
Qmax77KN==48MPa<
[t]=119MPaA0.008m´
0.2m,满足要求。
tmax=
3.5.5贝雷主梁计算
主梁由六片单排单层贝雷梁组成,两片成一组,间距900mm,组与组间距2250mm,安装在2根I32a横梁上。
主梁按单孔单车道混凝土运输车荷载和公路I级分别验算。
主梁以上恒载为桥面板、I14工字钢纵梁、、I25a工字钢横梁,其荷载大小为(以最大跨径12m控制计算):
g=1.2´
[12´
6´
0.008´
7850+23´
12´
16.88+8´
38.08]/100=95kN
则单跨贝雷梁上恒载自重为95/12=8KN/m。
混凝土运输车荷载
保守按单辆汽车-超20集中力(55t)作用于跨中。
(2)公路I级荷载公路I级车道荷载:
Pk=256KN;
qk=10.5KN/m;
(3)材料力学性能参数及指标
根据《装配式公路钢桥多用途使用手册》,查表3得,单排单层不加强贝雷片的容许弯矩788.2KNm,容许剪力为245.2KN。
车辆荷载作用下受力简化图示如下:
计算可得,在汽车-超20荷载作用下贝雷主梁:
计算采用清华大学的结构计算软件《结构力学求解器》2.0。
Mmax=1794kNm
Qmax=323´
2=646kN(按连续梁)
kNm<
[M]=788.2´
6=4729KNm,合格。
故:
Mmax=1794
Qmax=646kN<
[Q]=245.2´
6=1470KN,合格。
汽车荷载采用车道荷载,故按单车道进行加载计算。
简图如下:
剪力图
Mmax=1101kNmQmax=239´
2=478kN(按连续梁)kNm<
Mmax=1101
Qmax=478kN<
由上面计算可知,六组贝雷主梁受力完全能满足桥梁上混凝土运输车及公路I级荷载的要求。
3.5.62I32b桩顶横梁计算
钢管桩顶分配梁采用2根I32b工字钢。
恒载:
由前面计算可知,单跨贝雷梁上恒载自重为95/12=8KN/m;
贝雷恒载自重为270×
6×
4=6480Kg=64.8KN,线荷载=64.8/12=5.4KN/m;
则2I32b上部恒载线荷载为5.4+8=13.4KN/m。
由于采用6片贝雷,则贝雷单支点集中荷载=13.4×
12/6=26.8KN。
活载:
根据前面计算,贝雷单侧最大剪力为646KN,则贝雷单支点集中荷载=646KN/6=107.7KN。
则单片贝雷支点集中力=恒载+活载=26.8KN+107.7KN=134.5KN。
(1)材料力学性能参数及指标I32b工字钢:
I=1.16´
108mm4
W=7.27´
105mm3A=7352mm2
1011´
1.16´
10-4=2.43´
107Nm2
g=57.7Kg/m
(2)承载力验算
c、反力检算
下横梁应力最大为168Mpa
3.5.7钢管桩计算
(1)钢管桩竖向承载力计算
本栈桥拟采用直径为φ710mm壁厚8mm的钢管作为栈桥基础,钢管间用2I32a型钢连接形成排架。
由以上计算可知,单根钢管桩反力为410KN,故本次钢管桩承载力设计值按照45t控制。
桥址区域内的土层主要分布为淤泥、砂卵石,物理特性如下表所示。
栈桥位置地质
汇总表
本栈桥桩基摩擦桩设计。
根据《公路桥涵地基与基础设计规范》JTJD63-2007之
1æ
n
[Ra]=ç
uå
ailiqik+arApqrkö
÷
2è
i=1ø
,由于桩基为开口截面,因此不考虑公式5.3.3-3:
其桩端处土对桩基的承载力,保守仅考虑土体对桩基外侧壁的摩擦力。
根据设计文件,本项目所处位置成桥后总冲刷深度按2m计。
桩身周长u=3.14×
0.72=2.26m;
αi为振动沉桩各土层对桩侧摩阻力的影响系数;
桥墩位置:
[Ra]=450=1/2×
2.26×
[1.0×
(4-2)×
30+1.0×
h×
82],则h=4m;
根据以上计算,本栈桥施工时Φ720mm钢管桩的入土深度(从河床底计算):
栈桥钢管桩入土按4控制,下料长度9m;
(2)钢管桩弯曲应力复核
钢管桩入土后,其泥中部分作为固定端,水中部分为悬臂端,受潮流、风力、波浪等水平力的影响,在泥水交接面处钢管桩产生最大弯矩,因此需验算其应力是否符合要求。
a、水流作用:
根据《港口荷载规范》,采用如下公式计算潮流对钢管桩的作用力:
Fw=CW
r
2V
2
A
式中,Fw为水流力,Cw为水流力系数,p为密度,v为流速,A为遮流面积。
潮流对钢管桩的作用力大小如下表:
b、风力作用:
根据《公路桥涵设计通用规范》,取成都地区临时结构1/20一遇基本风压400pa采用如下公式计算风力对栈桥的作用力
:
k0为重现期换算系数,本栈桥按半永久桥梁取;
k1为风载阻力系数,由构件形状及间距决定,本栈桥中,贝雷梁按桁架取,考虑遮挡效应,桥面系按实腹梁取;
K3为地形、地理系数;
Awh为构件的遮风面积;
Wd为设计风压。
结合本栈桥的结构特性,取k0=0.8;
风载阻力系数k1分别取值0.8(钢管桩)、1.9(桁架)和1.3(桥面系);
地形、地理系数K3=1.08。
构件的遮风面积分钢管桩、桁架主梁和桥面系分别进行计算。
将以上参数代入公式进行计算(取12m单跨桥梁进行计算),可得:
Fwh,钢管桩=0.8×
0.8×
1.08×
0.4kpa×
0.63×
5=0.87KN;
(单排桩)Fwh,桁架=0.8×
11.67=3.23KN;
(单跨)Fwh,桥面系=0.8×
1.9=0.52KN;
(单跨)c、波浪作用:
桥址处位于内河,现场波浪较小,故本次不考虑波浪作用力。
d、桩基水平承载力
假定钢管桩打设按前述入土5m(已考虑2m冲刷深度),钢管桩受力简化图如下:
根据以上数据,计算冲刷后泥面处钢管桩的受力情况,可得桩的最大应力为92Mpa。
以上计算为单根钢管桩在打入土中后抵抗水流、风力的能力,在成桥之后,由于钢管桩间以及和上部结构之间形成框架,其抵抗水平力的能力会大大加强,故本次计算的工况为钢管桩的最不利状态能满足使用要求,则由此得出结论钢管桩承载力满足施工和使用要求。
3.6电算复核
由于桥梁上部构件多且杂,在整体桥梁的挠度计算时宜采用电算,故本次计算利用MidasCivil软件对整体桥梁构造进行复核(仅验算9+12+9m跨栈桥),活载采用公路I级汽车荷载,其整体模型如下:
整体桥梁模型
整体桥梁应力
整体桥梁位移
整体桥梁反力
根据以上计算可以看出,主梁最大应力及位移均出现在12m跨中位置,其中应力最大为146Mpa
综上所述,本贝雷栈桥能满足我标段施工和使用要求。
第四章主要施工机械设备、施工人员及栈桥工程数量表
4.1主要施工机械设备4.1.1设备配置
(1)起重设备的配置
考虑到栈桥的数量,以及工程所处海域的特点,栈桥施工拟配置1台75t履带吊,进行栈桥搭设。
(2)振动锤的配置
一般情况下,选择振动锤需满足两个条件:
一是振动锤的激振力FR应大于土的动摩阻力Fu;
二是振动锤的激振力FR应大于振动系统结构重量W的1.20~1.40倍;
选用DZ-90a振动液压打桩锤1台,可满足钢管桩及振动锤的施沉要求。
DZ系列液压桩锤性能一览表
(3)发电机配置
栈桥搭设时考虑9台焊机同时作业,每台焊机35KW,夜间照明考虑10盏碘钨灯,施工总功率220KW,DZ-120a振动液压打桩锤功率为120KW(瞬间启动功率约180KW),所以,配备2台200KW的发电机即可满足施工要求。
4.1.2需配备的主要施工机械设备
主要施工机械设备表
4.3主要工程数量表
工程数量是以4×
9=90m计算的,实际数量以最终设计为准。
第五章栈桥施工工法
5.1栈桥施工5.1.1栈桥施工安排
为加快施工进度,钢便桥分两个作业面施工,前场安装施工为第1个作业面,后场陆地加工制作为第2个作业面。
5.1.2栈桥施工工法
根据现场实际起吊试验,检验75t履带吊在伸前12米时的实际其中能力,可采取23米钢管桩整体安装或者分为2节12米以2次安装。
根据实际打入的情况,割除高出设计的多余桩,再将割除的部分在后场接长,用于前沿墩台的横向联系。
采用在栈桥上进行“钓鱼法”插打钢管桩,再在已安装桥跨上吊安桥梁上部结构。
75t履带吊机站位在桥台位置,向前悬臂拼装12m贝雷梁,在贝雷梁间设置定位桩导向框,然后插打定位桩。
先将定位桩安装在定位框内,再安装DZ120打桩锤,安装好后,用75t履带吊机竖向起吊钢管桩,然后,将定位桩下端略微插入土层内,测量并调整桩的垂直度,待符合要求后,缓慢将吊机吊钩力松开,钢管桩在自重及打锤自重下插入土体一定深度后,点动打桩锤,插打定位桩,待桩入土3m左右桩身自身达到稳定后,再逐渐增加打桩锤震动插打时间,待桩身入土5m左右后再摘除吊钩,继续插打定位桩。
定位桩插打完成后,焊接桩间连接,利用履带吊安装桩顶分配梁,继续插打第二排定位钢管桩。
当一跨两排钢管桩插打完成后,用75t履带吊机架设第一孔栈桥,铺设桥面板,然后,75t履带吊机在该跨栈桥前端,进行插打栈桥第二跨定位桩,架设第二孔,如此循环,进行插打定位桩、安装系梁、托梁、安装栈桥上部构造直至整座栈桥施工完成。
履带吊“钓
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