钢栈桥修复设计计算书.docx
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钢栈桥修复设计计算书
钢栈桥修复设计计算书
一、概述
受今年台风“纳沙”和“尼格”的影响,从2011年9月29日中午开始至10月7日,*****等地出现了持续多天的强降雨天气,普降大到暴雨,局部特大暴雨,局部地区出现了特大暴雨恶劣天气,桥位处河段内的***河水突然急剧上涨,流速加快,洪水夹带着大量的各种漂流物,迅猛扑向钢栈桥,造成钢栈桥突然变形位移,使钢栈桥承受的洪水推力突然增大,导致钢栈桥被洪水冲毁;需在原位上重新修复。
二、钢栈桥设计要求
修复钢栈桥的设计要点,通过加宽钢管桩基础尺寸,以增强其侧向的整体稳定性,以及减少横水流方向的构件,达到降低漂流物对钢栈桥的横向推力的目的。
(一)钢栈桥设计结构体系
1、结构尺寸:
钢栈桥仍采用梁柱式型钢梁简支结构设计,跨径设计5m,桥面宽8.0m;钢栈桥平行主桥中心线,布置在主桥的上游。
2、钢栈桥基础:
采用直径Φ426×8mm钢管桩基础,横向钢管间距为3.2m,每排4根,在钢管桩顶开设15×36cm的槽口,焊接夹住横向帽梁型钢,并在钢管桩顶采用厚度为8mm的钢板作加强板;为保证其侧向和整体稳定性,钢管桩间采用[12.6槽钢设置剪刀撑和平联,纵向设置纵向联杆,另外在横桥向下游侧每10m设置1根横向加强斜撑,加强斜撑采用Φ426×8mm钢管。
3、桥面系结构组成:
在钢管上横桥向布置1根长12m的I36a工字钢作为帽梁,纵桥向布置7根间距1.2m的I36a工字钢作纵向承重梁;纵向承重梁上铺设宽度为1.51m、长度为8m的定型面板,定型面板纵向采用[16a槽钢作边框梁、横向采用间距50cm的[16a槽钢作支撑梁,支撑梁上铺设6mm钢板做面板,面板上铺设2块宽度为1.51m、厚度为10mm的钢板作行车道板。
钢栈桥栏杆采用直径32mm的钢管焊接成的定型栏杆,每片长度6.0m。
考虑整体稳定性,钢管桩与型钢帽梁、纵梁、桥面板之间全部焊接成整体结构。
(二)栈桥设计依据
1、《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)
2、《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JGJ025-86)
3、《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000)
4、《港口工程荷载规范》(JTJ215-98)
5、《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTJ025-85)
(三)、栈桥结构设计
按汽车—超20车辆荷载及履—50进行验算,不考虑刹车力。
栈桥设计主要技术参数如下:
1、设计流速
暂按1m/s进行计算。
2、土层力学指标
桥位处覆盖层为卵石和细砂,厚度0.2~1.6m、下伏中风化灰岩层基岩,其详细指标见地质勘测资料。
3、钢材为A3钢,容许应力:
[σ]=145Mpa。
容许剪应力:
[τ]=85Mpa。
临时工程容许应力可提高1.4。
二、工况说明
按以下2种不利工况进行验算:
工况一:
履-50T,受水流力工况;
工况二:
汽—20营运,受水流力工况
三、荷载计算参数
1、荷载计算:
A、履带吊50荷载:
不考虑刹车制动力;履带吊自重50T,起吊重量30T,考虑吊装作业时偏载的不均衡荷载,单侧履带最大起重量为60T(G1=600KN),相对应另一侧重量为20T(G2=200KN),履带宽0.76m,间距4.0m,长度4.5m;履带最大作用力:
P1=600KN/4.5m*=133.3KN/m。
B、汽-超20荷载:
单轴重按140KN、轴距1.4m;轮胎接触面宽0.2m,轮距1.8m;按集中荷载:
P2=140KN。
C、定型面板和行车道钢板自重(平均):
G3=1.32KN/m2
D、I36a工字钢自重:
G4=60.04*1.0=0.6KN/m
E、作用在每根纵向梁上的定型面板和行车道钢板自重:
G5=1.32*1.2=1.58KN/m
F、其它荷载:
P3=2.5KN/m2
G、上部构造每跨总自重:
G7=G3*8m*5m+G4*12m*2+G4*5m*7=88.2KN
H、水流力计算:
根据港口规范,设计按1m/s进行计算,水深范围全断面计算。
Fw=ξ*γ*A*V2/2*g
=0.73×10×12×3.14×0.213×0.213/2×9.8=0.05KN
即流水压力为0.05KN/m2
式中:
Fw——钢管桩所受的水流作用力,KN;
ξ——挡水形状系数,圆形采用0.73;
V——水流流速;暂取V=1.0m/s;
A——钢管桩在与水流方向垂直平面上的投影面积(m2);
g——重力加速度,g=9.8m/s2
γ——水的容重,10KN/m3
3、截面特性参数
查表得:
I36a工字钢截面惯性矩:
I=15800cm4
I36a工字钢截面抵抗矩:
W=875cm3
I36a工字钢有效截面积:
A=76.48cm2
[16a槽钢截面惯性矩:
I=866cm4
[16a槽钢截面抵抗矩:
W=108cm3
[16a槽钢有效截面积:
A=21.96cm2
426*8mm钢管桩截面惯性矩:
I=π(R4-r4)/4=22941cm4
426*8mm钢管桩截面抵抗矩:
W=π(R4-r4)/4R=1077cm3
426*8mm钢管桩有效截面积:
A=105cm2
四、结构验算
A、工况一:
履-50T,受水流力工况;
截取钢栈桥中跨32#为单元进行验算。
1、钢管桩强度验算:
为简化计算,钢管桩按两端铰接的压弯杆进行验算,钢管桩承受轴心压力及水流压力产生的弯矩;钢管桩长L=21.9m,每计算单元由8根钢管桩支撑,履带吊单侧荷载作用于承重梁上对钢管桩最不利,则:
轴心压力N1=(履-50T单侧荷载)/2+(桥面板系自重荷载+其它荷载)/8
履带吊最大单侧荷载:
G1=600KN
每跨自重荷载:
G7=88.2KN
其它荷载:
P=P3×8.0×5.0=100KN
轴心压力:
N1=G1/2+(G7+P)/8=323.5KN
回转半径r=√(I/A)=√22941/105=14.8cm
λ=2190/14.8=148<150,(受压构件容许长细比)
查表:
弯曲折减系数φ=0.312
水流压力作用下最大弯矩:
M1=0.12×21.9×21.9/8=3.0KN.m
σ=M1/W+N1/(A3*φ)=3.0×106/1.077×106+323.5×103/(105×0.312×102)=101.6Mpa≤[σ]=145Mpa(强度满足要求)。
2、横向帽梁I36a验算:
履带吊单侧偏载履带位于帽梁上时,对钢管桩顶上的帽梁最不利;在这一工况下,履带吊荷载的均布荷载作用到相邻的两跨上计算;桥面系自重和其它荷载按均布计算,按简支梁验算;计算跨径为:
L=3.2m:
履带吊单侧均布荷载:
q2=P1/2=133.3/2=66.7KN/m
桥面系荷载、其它荷栽:
q3=(G7+P3*8m*5m)/2*9.6m
=(88.2+2.5*8*5)/(2*9.6)=9.8KN/m,
跨中弯矩:
M=(q2+q3)*L2/8=76.5*3.22/8=97.9KN.m
强度验算:
σ=M/W=97.9×106/875×103
=112Mpa≤[σ]=145Mpa(强度满足要求。
)
帽梁剪应力:
Q=(q2+q3)*L/2=(66.7+9.8)*3.2/2=122.4KN
τ=Q/A=122.4*103/(76.48*102)
=16Mpa<[τ]=85Mpa满足要求
挠度计算:
帽梁最大挠度:
fmax=5*(q2+q3)*L4/(384EI1)
=(5*76.5*32004)/(384*2.1*105*15.8*107)
=3.0mm<[f]=L/400=8.0mm(刚度满足规范要求)。
3、纵向承重梁I36a验算:
栈桥纵向承重梁(I36a)间距为1.2m,履带宽0.76m;履带吊单侧偏载时,其履带位于1根纵梁上时,由3根纵梁共同受力,对纵梁最不利;在这一工况下,履带吊荷载、桥面系自重、其它荷载等按均布计算,按简支梁验算;计算跨径为:
L=5.0m:
履带吊均布荷载:
q1=P1=133.3KN/m(作用于跨中荷载长度为4.5m)
桥面系、其它荷载作用到每根纵梁上的均布荷载:
q2=G3*1.2+G4*2+P3*0.88
=1.32*1.2+0.6*2+2.5*1.2=5.8KN/m
跨中最大弯矩:
M1=q1*4.5*4.5(2-4.5/5)2/8=204.3KN.m
M2=q2*L2/8=5.8*52/8=18.1KN.m
最大弯矩:
M=M1+M2=408.3+18.1=426.4KN.m
强度验算:
σ=M/W=426.4×106/875×3×103
=162Mpa≤[σ]=1.4×145Mpa=203Mpa(按临时工程提高系数1.4,强度满足要求。
)
纵梁剪应力:
Q=q1*4.5/2+q*L/2
=133.3*4.5/2+5.8*5.0/2=314.4KN
τ=Q/A1=314.4*103/(76.48*3*102)
=13.7Mpa<[τ]=85Mpa满足要求
挠度计算:
纵向承重梁最大挠度:
fmax=5*q*L4/(384EI)+
q1*b2*L2[(2-b2/L2-2*25252/L2)*2525/L+(2525-500)4/(L2*b2)]/(24EIL)
=(5*5.8*50004)/(384*2.1*105*15.8*3*107)+
133.3*45002*50002[(2-45002/50002-2*25252/50002)*2525/5000+(2525-500)4/(50002*45002)]/(24*2.1*105*15.8*3*107*5000)
=0.5mm+10.9mm=11.4mm<[f]=L/400=12.5mm(刚度满足规范要求)。
4、定型面板边框梁[16a槽钢验算:
定型面板边框梁[16a间距138cm,履带宽0.76m;履带吊单侧偏载时,其荷载由2根边框梁[16a承受;在这一工况下,履带吊荷载、钢板及[16a槽钢自重、其它荷载等按均布计算,按三等跨连续梁为计算单元进行验算;计算跨径为:
L=1.2m:
履带吊均布荷载:
q1=600KN/4.5m=133.3KN/m
钢板及[16a槽钢自重,其它荷载作用到分配梁上的均布荷载:
q2=G3*1.38*1.2+P3*1.38*1.2
=1.32*1.38*1.2+2.5*1.38*1.2
=6.3KN/m,
作用到2根[16a槽钢上的均布荷载:
q=q1+q2=133.3+6.3=139.6KN/m
跨内最大弯矩:
M=0.1*q*L2=0.1*139.6*1.22=20.1KN.m
强度验算:
σ=M/W2=20.1×106/108×2×103
=93Mpa≤[σ]=145Mpa(强度满足要求)。
边框梁剪应力:
Q=0.6*q*0.88=0.6*139.6*1.2=101.4KN
τ=Q/A2=100.5*103/(21.96*2*102)
=22.9Mpa<[τ]=85Mpa满足要求
B、工况二:
汽—超20营运工况。
汽—超20按集中荷载考虑;截取钢栈桥中跨32#为单元进行验算。
1、钢管桩强度验算:
为简化计算,钢管桩按两端铰接的压弯杆进行验算,钢管桩承受轴心压力及水流压力产生的弯矩;钢管桩L=21.9m,每计算单元由8根钢管桩支撑,汽—超20两轮的集中荷载作用于承重梁上对钢管桩最不利,轮距为1.8m,轴重P2=140KN。
则:
轴心压力N=汽—超20按集中荷载+(桥面板系自重荷载+其它荷载)/8
汽—超20按集中荷载:
P1=140KN
每跨自重荷载:
G7=88.2KN
其它荷载:
P=P3×8×5=100KN
轴心压力:
N=P1+(G7+P)/8=163.5KN
回转半径r=√(I/A)=√22941/105
=14.8cm
λ=2190/14.8=148<150,(受压构件容许长细比)
查表:
弯曲折减系数φ=0.312
水流压力作用下最大弯矩:
M=0.12×21.9×21.9/8=3.0KN.m
σ=M/W+N/(A*φ)=3.0×106/1.077×106+163.5×103/(105×0.312×102)=52.7Mpa≤[σ]=145Mpa(强度满足要求)。
2、横向帽梁[36a验算:
汽—超20集中荷载位于帽梁上时,对钢管桩顶的帽梁最不利;在这一工况下,汽—超20按集中荷载荷载作用到相邻的两跨上计算、面板自重、其它荷载等按均布计算,按简支梁验算;计算跨径为:
L=3.2m:
汽—超20按集中荷载:
P1=140/2=70KN(两集中荷载距离为1.8m)
面板,其它荷栽:
q2=(G7+P3*8m*5m)/2*9.6m=(88.2+2.5*8*5)/(2*9.6)=9.8KN/m,
跨中弯矩:
M1=P1*(2*0.7+1.8)*1.6/3.2=112KN.m
M2=q2*L2/8=9.8*3.22/8=12.5KN.m
最大弯矩:
M=M1+M2=112+12.5=124.5KN.m
强度验算:
σ=M/W=124.5×106/875×103
=142Mpa≤[σ]=145Mpa(强度满足要求)。
帽梁剪应力:
Q=P1*(2*0.7+1.8)/3.2+q2*L/2
=70*(1.4+1.8)/3.2+9.8*3.2/2
=85.7KN
τ=Q/A=85.7*103/(76.48*102)
=11.2Mpa<[τ]=85Mpa满足要求
挠度计算:
帽梁最大挠度:
fmax=5*q2*L4/(384EI1)+
P1*a*[(2a+c)*L2-4*a2*L+2*a3-a2b-c3]/(6EIL)
=(5*9.8*32004)/(384*2.1*105*15.8*107)+
70*103*700[(2*700+700)*32002-4*7002*3200+2*7003-7002*1800-7003]/(6*2.1*105*3200*15.8*107)
=0.4mm+1.1mm=1.5mm<[f]=L/400=8.0mm(刚度满足规范要求)。
3、纵向承重梁[36a验算:
纵向承重梁[36a间距为1.2m,轮胎接触面0.2m,轮胎宽0.6m,轴距1.4m;汽—超20轴重的集中荷载作用于1根纵向承重梁上时,由相邻两跨3根纵梁共同受力;在这一工况下,汽—超20按集中荷载、桥面系自重和其它荷载按均布计算,按简支梁验算;计算跨径为:
L=5.0m:
汽—超20轴重按集中荷载:
P1=140KN(两集中荷载距离为1.4m)
面板、其它荷载作用到每根纵梁上的均布荷载:
q=G3*1.2+G4*3+P3*1.2
=1.32*1.2+0.6*3+2.5*1.2=6.4KN/m,
跨中弯矩:
M1=P1*(2*1.8+1.4)*1.8/5.0=252KN.m
M2=q*L2/8=6.4*5.02/8=20KN.m
最大弯矩:
M=M1+M2=252+20=272KN.m
强度验算:
σ=M/W=272×106/875×3×103
=104Mpa≤[σ]=145Mpa(强度满足要求。
)
纵梁剪应力:
Q=P1*(2*1.8+1.4)/5.0+q*L/2
=140*(3.6+1.4)/5.0+6.4*5.0/2=156KN
τ=Q/A=156*103/(76.48*3*102)
=6.8Mpa<[τ]=85Mpa满足要求
挠度计算:
纵向承重梁最大挠度:
fmax=5*q*L4/(384EI)+
P1*a*[(2a+c)*L2-4*a2*L+2*a3-a2b-c3]/(6EIL)
=(5*6.4*50004)/(384*2.1*105*15.8*3*107)+
140*103*1800[(2*1800+1800)*50002-4*18002*5000+2*18003-18002*1400-18003]/(6*2.1*105*5000*15.8*3*107)
=0.5mm+6mm=6.5mm<[f]=L/400=12.5mm(刚度满足规范要求)。
4、定型面板边框梁[16a槽钢验算:
定型面板边框梁[16a间距138cm,轮胎接触面0.2m,轮胎宽0.6m,轴距1.4m;汽—超20轴重的集中荷载作用于2根边框梁上;在这一工况下,汽—超20轴重按集中荷载考虑、定型板自重、其它荷载等按均布计算,按三等跨连续梁为计算单元进行验算;计算跨径为:
L=1.2m,集中荷载距离为1.8m,其距离边支点为0.9m:
汽—超20轴重按集中荷载:
P1=140KN(两集中荷载距离为1.8m)
定型面板自重,其它荷载:
q=G3*1.38*1.2+P3*1.38*1.2
=1.32*1.38*1.2+2.5*1.38*1.2
=6.3KN/m,
跨内最大弯矩:
M1=0.213*P1*L=0.213*140*1.2=35.8KN.m
M2=0.08*q*L2=0.08*6.3*1.22=0.73KN.m
最大弯矩:
M=M1+M2=35.8+0.73=36.53KN.m
强度验算:
σ=M/W=36.53×106/108×2×103
=169Mpa≤[σ]=1.4×145Mpa=203Mpa(按临时工程提高系数1.4,强度满足要求)。
边框梁剪应力:
Q=0.6*q*1.2+0.575*P1=0.6*6.3*1.2+0.575*140=85.04KN
τ=Q/A=85.04*103/(21.96*2*102)
=19.4Mpa<[τ]=85Mpa满足要求
五、结论
钢栈桥结构体系,在各种荷载组合工况下受力能满足要求,结构应力在容许范围内。
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