计算书.docx

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计算书

四、大型临时工程设计与施工

（一）下海码头设计与施工

1、设计依据

《青岛海湾大桥工程标书图纸文件》

2、设计主要参考规范

（1）波浪力按行业标准《海港水文规范》（JTJ213-87）确定；

（2）《港口工程荷载规范》（JTJ215-98）；

（3）《钢管混凝土结构设计与施工规程》（CECS28）；

（4）《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）；

（5）《钢结构设计规范》（GBJ17）执行；

（6）《青岛湾跨航道大桥标书文件》

（7）《新编N型万能杆件图册》

3、设计标准及基础资料

（1）、抗风设计标准

工作状态最大风速按20m/s计算，非工作状态最大风速按50年一遇的37.0m/s计算。

（2）、水文地质资料

①、栈桥码头处地面标高：

5～6m。

②、河床地质：

覆盖层大部分为砂层，有部分粉土层；覆盖层下为风化白云岩。

③、栈桥码头考虑渡洪，水流速按中洪水期流速1.45m/s计。

4、荷载计算

（1）、风荷载：

栈桥结构设计风速按V=30.0m/s计算，W0=V2/1.6=667Pa；

吊机设计风速按V=20m/s计算，ω0=250Pa（风力超过6级吊机停止作业）。

（2）、吊机桁架所受风力为：

工作状态：

取K1=1.0，K2=0.4，K3=1.0，K4=1.2，

W=K1·K2·K3·K4·W0=100Pa；

非工作状态：

W=380Pa。

（3）、栈桥H型钢所受风力计算：

取K1=1.0，K2=1.3，K3=1.0，K4=1.2，

W=K1·K2·K3·K4·W0=865.84Pa。

（4）、栈桥钢管桩基础所受风力计算：

取K1=1.0，K2=0.9，K3=1.0，K4=1.2，

W=K1·K2·K3·K4·W0=599.42Pa。

（5）、水流力：

根据计算水位仅计入钢管桩水流力及制动墩连接系水流力

①、　钢管桩水流力：

取地面上桩长最大排管桩进行计算，前端管桩所受水流力：

F1＝Krv2A/2g

＝0.73×10×2.52×9×0.8/（2×10）=10.51KN

后排管桩每排所受水流力为：

F2＝0.78×0.73×10×2.52×9×0.8/（2×9.8）=8.2KN

②、　制动墩连接系水流力：

F1=1.99×10×2.52×（0.4×2×4）/（2×10）=12.74KN

5、CWQ-50吊机荷载

（1）、万能杆件加新制件重50t（包括连接螺栓），卷扬机及分配梁10t；

（2）、吊机最大吊重12t

6、结构布置

为便于设备及材料上下河特设计此栈桥码头。

栈桥中心线位于主桥中线下游25米处，栈桥宽10.9米，上设30t汽车运输走道；栈桥端头旁在水中设一台CWQ-50起重机负责货物的起吊装卸。

水流流速按1。

45m/s进行计算。

栈桥主梁采用H型钢HN600×200，并在桥面铺设工字钢横梁，并在其顶面铺设δ=10mm桥面钢板。

栈桥基础为φ0.8m钢管桩及φ1.2m钢管桩基础，在桩顶布置桩顶分配梁，桩间焊接横向连系。

栈桥详细布置见“下海码头总体布置图”。

下海码头总体布置图

7.结构检算

（1）计算程序

栈桥码头各构件的检算采用大型通用有限元程序Algor16。

（2）CWQ-50吊机构架计算

用ALGOR16建立三维有限元模型，各万能杆件和轮箱均按梁单元处理。

在轮箱底部采用铰接约束。

①施工工况及荷载组合：

工况一：

自重荷载＋工作状态风荷载+吊重120KN、扒杆位于正前方时吊机反力荷载

工况二：

自重荷载＋工作状态风荷载+吊重120KN、扒杆与正前方水平夹角90°时吊机反力荷载

各工况计算结果

工况一计算结果见“表4-4-1工况一各构件轴力表”；

工况二计算结果见“表4-4-2工况二各构件轴力表”；

表4-4-1工况一各构件轴力表

杆件编号

最大轴力（KN）

部位

2N1（2N2）

512

立柱

2N3

312

横梁斜杆

2N4

218

横梁竖杆

构架最大变形5.9mm

横梁

表4-4-2工况二各构件轴力表

杆件编号

最大轴力（KN）

部位

2N1（2N2）

318

立柱

2N3

235

横梁斜杆

2N4

256

吊重侧支点下

2N5

146

吊重侧支点下

构架最大变形7.3mm

吊重侧支点下

②整体倾覆稳定计算

工况一：

正前方吊重120KN，幅度14m稳定计算

倾覆力矩（以前端立柱为转角）

120×13＝1560KN·m

稳定力矩（计入构架自重和压重600KN）

600×6＋50×10＝4100KN·m

倾覆安全系数为3500/1560＝2.62>2

工况二：

吊重120KN，幅度14m扒杆与正前方水平夹角90°时稳定计算

倾覆力矩（以轮箱为转角）

120×10＝1200KN·m

稳定力矩（计入构架自重和压重600KN）

650×4+50×6＝2700KN·m

倾覆安全系数为2700/1200＝2.25>2

③结论

通过整体模型计算分析，各杆件轴力均在万能杆件手册各杆件容许轴力范围内，构架变形满足规范要求。

整体稳定性满足规范要求。

8.栈桥结构计算

栈桥桥跨布置如“栈桥桥跨布置示意图”所示。

栈桥桥跨布置示意图

（1）栈桥主梁检算：

按栈桥主梁处于最不利工况时计算，计算结果为：

主梁最大应力为：

σ=126.4Mpa＜145MPa

结构计算模型及结果见“主梁应力计算结果示意图”。

主梁应力图

最大挠度为：

Δ=21mm挠跨比21/12000=1/571＜1/500，计算模型结果见“主梁挠度计算结果示意图”。

主梁挠度计算结果示意图

（2）栈桥钢管桩及桩间连接系横向计算：

按梁受力为最不利工况，对此工况进行检算，建立计算模型，钢管桩地面以下4m处铰接。

桩顶分配梁最大应力：

σ=108.5Mpa＜145MPa

钢管桩最大应力：

σ=127Mpa＜145MPa

桩间连接系最大应力为：

σ=77.2Mpa＜145MPa

桩顶横向最大位移1cm。

计算模型及应力结果见“主梁应力计算结果示意”。

主梁应力计算结果示意

工况二：

水流力作用在钢管桩及防撞墩连接系上时，栈桥此处横向位移最大，对此工况进行检算，建立计算模型，钢管桩地面以下4m处铰接。

桩顶横向最大位移2.4cm。

计算模型及应力结果见“横向位移计算结果示意”。

（3）钢管桩承载力计算

桩顶设计竖向力：

根据安装工况和运营工况计算，钢管桩桩顶最大反力为800KN。

按打入桩计算钢管桩入土深度：

公式：

[P]＝1/1.5·U∑fili

U——桩身截面周长；

fi——各土层的极限侧摩阻力（kpa）

li——各土层厚度；

根据桩位处地质条件与冲刷情况分别代入各参数，计算出各个桩位处的桩长，钢管桩一般入土深度为20m～22m之间，且钢管桩需入风化岩0.5m。

横向位移计算结果示意

9.结论

综合以上栈桥各部件的计算结果可知：

各部件强度、刚度均能满足规范和施工要求，经济性较好。

（二）、钻孔施工平台

1．设计依据

《青岛海湾大桥土建工程设计图纸（自身文件专用）》及相关招标文件、补遗文件。

2．设计主要参考规范

（1）《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）

（2）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）

（3）《公路桥涵抗风设计规范》

（4）《海港水文规范》（JTJ213-98）

（5）《港口工程荷载规范》（JTJ215-98）

（6）《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）

3．设计标准及基础资料

（1）抗风设计标准

按30年一遇最大风速设计，桥位区距海面10m高度30年一遇最大瞬时风速为33.5m/s。

（2）水文地质资料

①主塔处地面标高：

-3.2m。

②主塔基础为群桩基础，采用24根Φ2.5m钻孔灌注桩，桩长72m，桩中心距为

6.25m。

承台为八边形承台，顺桥向宽23.25m，横桥向长42m，厚6m。

基础周边设置防撞设施。

③河床地质：

覆盖层依次为厚约4m的淤泥；厚约8m淤泥质亚粘土层；厚约1.5m亚砂土层；厚约12.5m粗砂层；覆盖层下基岩为角砾岩。

4．结构布置

施工平台拟采用钢管桩基础，普通型和加强型贝雷片为主要构件拼接而成。

施工首先采用打桩船插打平台辅助桩，将普通型贝雷片支撑在平台辅助桩上，然后拼装加强型贝雷片，形成平台。

然后在平台上拼装走行龙门吊机，拼装完成后安装钻孔桩护筒导向架，插打钢护筒，焊接护筒牛腿，与辅助桩共同受力。

平台顶面设置钻机走道梁，以备钻机钻孔及走行；其它位置铺设型钢分配梁，便于施工人员操作及部分施工材料摆放。

平台具体布置见“图QDHW-07-08大沽河航道桥主塔墩钻孔施工平台方案图”。

大沽河航道桥主塔墩钻孔施工平台方案立面图

大沽河航道桥主塔墩钻孔施工平台方案平面图

5．结构检算

（1）荷载计算

①风荷载

设计风速V=33.5m/s计算，

W0=V2/1.6=701.41Pa。

对贝雷片桁架而言：

取K1=1.0，K2=0.5，K3=1.0，K4=1.3，

W=K1·K2·K3·K4·W0=456Pa。

单榀贝雷片支架最大风载：

N=W0·S=456×48=21.9KN

②钻机荷载：

钻机自重按1200KN/台计（包括钻杆、钻头）。

③施工材料及人员

按2.5KPa均布荷载计。

④水流力：

计算时按平台辅助桩被水（浪）位淹没的最不利状态，水深9.2m考虑。

流速取1%一遇，v=1.44m/s。

<1>钢管桩水流力：

第一排管桩所受水流力：

F1＝Krv2A/2g

＝0.73×10×1.442×9.2×0.8/（2×10）=5.57KN

后排管桩每排所受水流力为：

F2＝0.88×0.73×10×1.442×9×0.8/（2×10）=4.9KN

<2>、连接系水流力前排连接系每片所受水流力：

F1＝Krv2A/2g

＝2.15×10×1.442×1.376/（2×10）=3.07KN

后排连接系每片所受水流力为：

F2＝2.15×1.99×10×1.442×1.376/（2×10）=3.07KN

⑤平台总重

平台构架总重：

G=400t。

⑥龙门吊机

龙门吊机自重60t，最大吊重40t。

（2）平台基础整体检算：

钻孔平台整体稳定计算位移图

计算可得：

最大变形：

f=14.8mm；

最大应力：

σ=37.9MPa<[σ]=140MPa

（3）加强型贝雷片（横梁）检算

根据钻孔过程中最不利工况建模：

计算可得：

最大变形：

f=19.6mm

最大应力：

σ=128MPa<[σ]=140MPa。

（4）钢管桩承载力计算

桩顶设计竖向力：

根据安装工况和运营工况计算，钢管桩桩顶最大反力为750KN。

按打入桩计算钢管桩入土深度：

公式：

[P]＝1/1.5·U∑fili

U——桩身截面周长；

fi——各土层的极限侧摩阻力（kpa）

li——各土层厚度；

根据桩位处地质条件与冲刷情况分别代入各参数，综合考虑冲刷问题，计算出各个桩位处的桩长，钢管桩一般入土深度为22m～24m之间。

6．计算说明

本计算单只对钻孔施工中的最不利工况既主塔墩钻孔施工的施工平台进行了结构计算和验算，设计标准及设计资料亦为该工况的资料。

（三）主塔墩围堰计算

1.总说明

大沽河航道桥索塔所处位置河床面高程-3.200m，表层为淤泥质亚粘土，厚约20m。

承台顶标高+2.500m，承台四周设计有环形箱式削能缓冲防撞钢结构装置，可在其上甲板上增加挡水板，下甲板上增设钢刃脚作为钢套箱围堰。

2.设计依据

《建筑结构静力计算手册》；

《钢结构设计手册》；

《钢结构设计规范》（GB17-88）；

《土力学和基础工程》；

青岛海湾大桥招标设计图。

3.基本资料

（1）原始资料：

钻孔桩直径φ2.5米，钻孔桩钢护筒外径φ2.8米。

承台平面尺寸见大沽河航道桥主塔承台套箱围堰施工方案图，承台厚6.0m。

围堰封底混凝土厚度为4.0米。

设计潮位+3.040m。

（2）围堰总体结构：

围堰净空尺寸为42.0m×23.25m，外轮廓尺寸47.0m×26.65m；围堰到位后堰顶标高+5.500米，围堰底标高-9.600米，围堰高度设计为14.1米。

在围堰内部设有圈梁和内支撑（万能杆件），内支撑通过圈梁与围堰连在一起，内支撑底面标高+3.000米。

围堰下沉采用注水、吸泥下沉。

4.计算工况及内容

（1）围堰内支撑检算

工况一：

围堰下沉到位，水封前内支撑检算。

在围堰下沉过程中，在水平方向始终承受着四周的水压力和土压力，最不利情况是：

围堰已沉至设计标高，此时刃脚下的土已挖空，在封底砼施工前围堰承受最大水平力。

围堰土面开挖至高程-9.600米,水头差以2米计（外部比内部高2米），取围堰1.0米宽、14.1米高计算：

水压力计算：

Q1＝2.0t/m2

土压力计算:

取容重γ=2.1t/m3，内摩擦角φ=35○,土压高度6.4米。

浮容重γb＝2.1－1.0＝1.1t/m3

Q2＝γbhwtan2（45○－φ/2）

＝1.1×6.4×0.27

＝1.90t/m2

围堰受力见下图:

利用algor12有限元通用程序建立围堰立体有限元模型，模型中包括杆单元、梁单元、面单元、实体单元。

计算立体模型见下图：

通过algor12有限元通用程序对围堰立体模型的计算，各单元的计算结果如下：

①围堰双壁内支撑杆为杆单元（型钢为[8，最长杆为1350mm）

最大轴力为:

拉力7.89t，压力8.02t

A=1020mm2

Iy=12.7mm

刚度计算:

λx=L/ix=1350/12.7=106.3＜[λ]=150

稳定计算:

λx=106.3查表得φ=0.545

N/ΦA=80200/（0.545×1020）=144.3N/mm2

②围堰双壁板为5mm厚钢板，计算模块为面单元。

计算后可知面板最大应力为：

σmax=67.6N/mm2

③围堰横竖肋为槽钢，主竖肋为[14b，副竖肋为[6.3，横肋为[12.6b,计算模块为梁单元。

计算后最大应力为：

σmax=130.7N/mm2　

④围堰双壁内水封砼为C30,计算模块为实体单元，在围堰内形成砼圈梁，厚1.0米，高5.0米。

计算后最大压应力为：

σmax=6.54N/mm2

⑵工况二：

围堰封底抽水后围堰内支撑检算。

围堰封底抽水后产生水压力，水压力作用在围堰四周外壁板上，作用力形式为正三角。

围堰内外最大水头差以12.64米计，取围堰1.0米宽、14.1米高计算：

水压力计算：

F1＝γhcbh1

＝1.0×1/2×12.64×1.0×14.1

＝89.1t

土压力计算:

土压高度取6.4米

F2＝γbhwtan2（45○－φ/2）bhw/2

＝1.1×6.4×0.27×1.0×6.4/2＝6.1t

围堰受力见下图:

围堰内支撑由万能杆件拼装，具体结构见XX图；计算时内支撑按三维杆单元处理；内支撑承受圈梁传来的水压力和土压力，其受力如下图：

各种杆件内力：

3N1：

最大轴力55.7t

2N1：

最大轴力46.5t

3N2：

最大轴力55.7t

2N3：

最大轴力29.4t

4N4：

最大轴力35.7t

4N16：

最大轴力42.5t

2N5：

最大轴力9.9t

综合以上计算结果，参考万能杆件手册，可知内支撑满足强度、刚度的要求。

因围堰内加内支撑，且围堰底与水封砼形成半刚性约束，不是最不利状态,不再进行结构检算。

（2）围堰自浮计算

围堰底节自重118t，围堰周长（中心线处）122.79m。

首节围堰（5.0m高）自浮状态（刃脚未浇混凝土时）吃水深度h可按下式求算：

G=F浮

F浮=[1.0×（2.5×（h-2.5）+2.5×2.5/2）×60.14]+[1.0×（1.7×（h-1.7）+1.7×1.7/2）×62.65]

G=118t

求得吃水深度h=1.54m

底节围堰自浮状态下，围堰浇筑刃脚C15混凝土（1.0m高）计61.4m3，素砼容重按24KN/m3计算，此时求得吃水深度h=2.11m。

（3）围堰下沉计算

①　首节围堰下沉计算

围堰下沉时水位取平潮位0.000m，河床面标高-3.20m，对应水深3.2m。

下沉时淤泥质亚粘土层单位面积摩擦力f＝1.2t/m2，素混凝土容重24KN/m3。

首节围堰隔仓内注水下沉，当仓内注水至标高-0.850m时，刃脚开始着河床，见“第一节围堰着床状态示意图”。

当仓内注水至标高-0.500m左右时，需对围堰进行纠偏、精确定位。

并利用吸泥、填碎石等措施整平河床，围堰着床之后继续注水并吸泥下沉。

吸泥时围堰舱壁按由高到低的顺序均匀对称进行，以确保围堰均匀下沉。

第一节围堰着床状态示意图（单位：

m）

②　当接高第二节围堰时

当下放第二节围堰时（缓冲防撞钢结构装置加挡水板10.1m高）：

第二节围堰接高后，隔仓内注水，继续吸泥下沉围堰。

吸泥下沉时，须满足条件：

围堰自重（含注水重）＞水浮力+围堰与土层之间的侧摩阻力，即ΣG＞F浮+F摩，假设堰底到达设计标高并为稳定状态时，隔仓内注水高度为（h-1.0），则有：

ΣG=[118+250+150+147.36+（256.86h-339.87）]t

F浮=1.0×（1.7×3.2×62.65+2.5×3.2×60.14）=821.94t

F摩=1.2×6.4×122.79=943.03t

求得h=5.60m，隔仓内注水高度为（h-1.0）=4.60m，仓内注水标高-4.000m。

第二节围堰接高后，当吸泥下沉并处于稳定状态时。

接高第二节围堰后下沉稳定状态示意图

综合考虑水位、地质等各种因素，施工设计中暂按下沉二节围堰安排，第三节围堰作为备用。

围堰最终下沉到位后，须保证整体偏移不大于设计要求（20cm）。

围堰下放时水位，暂按+0.000m考虑，实际施工时水位若有变化，还需作进一步施工检算，围堰各节下沉稳定状态及相应入土深度需作相应调整。

（4）围堰封底抽水受力检算

①水浮力计算

围堰内封底抽水后产生向上水浮力，水浮力作用在围堰底部。

水头差以12.64米计算，此时水浮力为:

P＝12.64t/m2

F1＝P×A

＝12.64×（901.90－24×3.14×2.82/4）

＝9533.1t。

②粘结力计算

围堰封底混凝土厚度计算：

根据弯曲应力计算：

x-----封底混凝土厚度，取4.0m；

H-----水面以下围堰高度，取12.64m；

L-----围堰宽度（有效），取桩间距6.25m；

[σ]-----水下混凝土弯曲拉应力容许值，取[σ]＝53t/m2；

代入各值，σ＝6.3t/m2<[σ]；满足要求。

抽水后的粘结力F2（钢管桩与C30封底混凝土的粘结力按14t/m2考虑）：

F2＝π×2.8×4×14×24＝11816.4t

③　围堰整体检算

摩擦力T＝f×A＝943.03t

T＋F2＋G围堰＋G砼＝943.03+11816.4+1764.97+2.4*（901.90－24×3.14×2.82/4）＝16334.5t＞F1＝9533.1t

5.结论

通过上述计算，可知围堰符合刚度和强度的要求。

（四）主塔墩围堰计算

1.总说明

青岛海湾大桥Ⅶ标K25+130～K28+200段非通航孔桥墩身所处位置河床面高程-3.700m～-3.000m，表层为淤泥质亚粘土，厚约15m～20m。

承台底标高-5.500m～-5.000m，经方案比选，承台采用钢套箱围堰施工。

2.设计依据

《建筑结构静力计算手册》

《钢结构设计手册》

《钢结构设计规范》（GB17-88）

《土力学和基础工程》

青岛海湾大桥招标设计图

3.基本资料

（1）原始资料：

钻孔桩直径φ2.2米，钻孔桩钢护筒外径φ2.5米。

承台平面尺寸为9.8m×9.8m，承台厚3.5m，承台顶标高-2.000m，承台底标高-5.500m。

围堰封底混凝土厚度为2.0米。

设计最高潮位+3.040m。

海床高程暂取-3.700m。

（2）围堰总体结构：

围堰平面尺寸外轮廓尺寸9.80m×9.80m，围堰到位后堰顶标高+4.000m，围堰底标高-7.500m，围堰高度设计为11.5m。

在围堰内部设有2道内支撑，内支撑顶面标高分别为+3.500m、-1.500m。

围堰的具体结构见非通航孔桥墩承台套箱围堰施工方案图。

4.计算工况及内容

（1）工况一：

围堰下沉到位，水封前。

在围堰下沉过程中，在水平方向始终承受着四周的水压力和土压力，最不利情况是：

围堰已沉至设计标高，此时刃脚下的土已挖空，在封底砼施工前围堰承受最大水平力。

围堰下沉到位，围堰内外土柱高差3.8m，水头差以2m计（外部比内部高2米），围堰受力见右图，取围堰1.0米宽、11.5米高计算：

水压力计算：

Q1＝2.0t/m2

土压力计算:

取容重γ=2.1t/m3，内摩擦角φ=35○,土压高度3.3米。

浮容重γb＝2.1－1.0＝1.1t/m3

Q2＝γbhwtan2（45○－φ/2）

＝1.1×3.8×0.27

＝1.13t/m2

利用algor12有限元通用程序建立围堰立体有限元模型，模型中包括杆单元、梁单元、面单元、实体单元。

（2）工况二：

围堰封底抽水后围堰内支撑检算

围堰封底抽水后产生水压力，水压力作用在围堰四周外壁板上，作用力形式为正三角。

围堰内外最大水头差以10.54米计，取围堰1.0米宽、11.5米高计算：

水压力计算：

F1＝γhcbh1

＝（1/2）×1.0×10.54×1.0×11.5

＝60.6t

土压力计算:

土压高度3.8米。

F2＝1/2γbhwtan2（45○－φ/2）bhw

＝0.5×1.1×3.8×0.27×1.0×3.8

＝2.14t

围堰受力见左图。

（3）围堰下沉

围堰整节下沉，吸泥配合自重下沉。

围堰周长37.48m，围堰下沉时水位取平潮位0.000m，河床面标高-3.70m，对应水深3.7m。

下沉时淤泥质亚粘土层单位面积摩擦力f＝1.2t/m2。

围堰最终下沉到位后，须保证整体偏移不大于设计要求（20cm）。

围堰下放时水位，暂按+0.000m考虑，实际施工时水位若有变化，还需作进一步施工检算，围堰下沉稳定状态及相应入土深度需作相应调整。

（4）围堰封底抽水受力检算

①围堰封底混凝土厚度计算：

根据弯曲应力计算：

x-----封底混凝土厚度，取2.0m；

H-----水面以下围堰高度，取10.54m；

L-----围堰宽度（有效），取桩间距6.0m；

[σ]-----水下混凝土弯曲拉应力容许值，取[σ]＝53t/m2；

代入各值，σ＝40.1t/m2<[σ]；满足要求。

②抽水后的粘结力F2计算：

钢管桩与C30封底混凝土的粘结力按14t/m2考虑：

F2＝4×14×（2.0×π×2.5）＝879.2t

③水浮力计算：

F1＝10.54×（9.8×9.8-18.84）＝813.7t

⑷围堰整体检算

摩擦力T＝f×A＝1.2×37.48×3.8=170.9t

T＋F2＋G围堰＋G砼＝170.9+879.2+120+2.4×（9.8×9.8-18.84）

＝1355.5t＞F1＝813.7t

5.结论

通过上述计算，可知围堰符合刚度和强度的要求。

（五）钢箱梁支架的设计

1.设计依据

（