钢管桩栈桥计算书.docx
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钢管桩栈桥计算书
鉴江钢管桩栈桥
及钢管桩平台
受力计算书
2009年11月10日
钢管桩栈桥及钢管桩施工平台受力计算书
一、栈桥及钢管桩平添结构简介
栈桥及钢管桩平台结构见附图，栈桥与钢管桩平台的结构形式类似，均采用钢管桩基础，每排采用3根直径为529mm的三根钢管组成，2Ⅰ30工字钢嵌入钢管桩顶作为横梁，横梁上纵桥向布置两组150cm高公路装配式贝雷桁架主梁，每组两片贝雷桁架采用45cm宽花架连接。
贝雷桁架上横铺Ⅰ20b工字钢分布梁，分布梁间距为75cm，分布梁顶沿纵向铺设[16槽钢作为桥面板。
栈桥横向宽6m，每个墩两侧的钢平台平面尺寸均为15×6m。
二、栈桥及钢管桩平台各主要部件的应力计算
1、贝雷桁架纵梁受力计算
根据下面对横向分布Ⅰ20b工字钢梁的受力计算可以得知，两组贝雷桁架中的外侧贝雷片总有一片承受上拔力，贝雷片的受力极不均匀，取受竖直向下的最大荷载计算，单片贝雷架承受的最大荷载为9008×2=18016Kg（重车有两个后轴），按简支梁计算。
贝雷架的跨中弯矩最大值Mmax=18.0×12/4=54t.m，单片贝雷片容许弯矩为78.8t.m，所以贝雷桁架纵梁的受力能满足需要。
单片贝雷片的抗剪能力为24.5t，通过下面对横向分布I20b工字钢的受力计算知其最大支座反力为9008Kg，两个重轴，此时贝雷片相当于在跨中作用9008×2=18016Kg的集中力，显然贝雷片的剪力等于9008Kg，小于24.5t，贝雷片抗剪能够满足要求。
2、钢管桩上横梁受力计算
横梁支撑在钢管桩上，其支点距离为250cm，按两跨连续梁计算，取其最不利荷载，其计算简图如下：
先计算P的值：
P=6m贝雷桁架重量及桥面系总重的1/8+后轴总重的1/4
=约2000Kg+7000=9000Kg
采用清华大学结构力学求解器求得该梁的弯矩图如下：
最大弯矩Mmax数值为490583Kg.cm
σmax=
=
=519.8Kg/cm2=52.0MPa＜f=215Mpa
其抗剪能力不需计算，能够满足要求。
3、Ⅰ20b分布梁受力计算
1）、抗弯应力计算
查《公路桥涵设计通用规范》，按高速公路汽-20荷载，重车采用两个后轴，每个后轴重14t，每侧分布宽度取为60cm，一侧按作用在分布梁跨中时为分布梁跨中的最不利受力。
分布线荷载q=7000/60=116.7Kg/cm。
其计算简图如下：
采用清华大学结构力学求解器求得该梁的弯矩图如下：
跨中弯矩最大Mmax=245324Kg·cm
分布梁为Ⅰ20b工字钢，其截面抵抗矩W=250cm3
所以横梁的最大应力σmax=
=
=981.2Kg/cm2
=98.1Mpa＜f=215Mpa
Ⅰ20b分布梁抗弯应力能满足规范要求。
以上计算均为静载受力时的应力，考虑汽车荷载为动载，查荷载规范知动力系数为1.1，显然，考虑动载作用的最大应力值近似等于上述计算的弯应力乘以1.1，仍然小于规范要求的抗弯强度设计值。
215Mpa。
2）、抗剪能力计算
采用清华大学结构力学求解器求得该梁的剪力图如下：
最大剪力为5438Kg，采用《钢结构设计规范》4.1.2式计算工字钢剪应力：
=
，式中:
V-----计算截面沿腹板截面作用的剪力
S-----计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积矩
I-----毛截面惯性矩
tw-----腹板厚度
V=5438Kg S=19.78×7.39=146.2cm3 I=2500cm4 tw=0.9cm
=
=
=353.3Kg/cm2=35.3MPa＜fv=125Mpa（钢结构设计规范表3.4.1-1查得），所以Ⅰ20b工字钢抗剪能力满足要求。
3）、支座反力计算
横向分布I20b工字钢的支点约束反力采用清华大学结构力学求解器计算如下：
（其中结点编号参照上述计算简图）
结点约束反力 合力 ---------------------------------------- ----------------------------------------
支座
结点 水平 竖直 力矩 大小 角度 力矩
--------------------------------------------------------------------------------------------
2 0.00000000 -5438.54234 0.00000000 5438.54234 -90.0000000 0.00000000
3 0.00000000 9007.97310 0.00000000 9007.97310 90.0000000 0.00000000
4 0.00000000 8501.52215 0.00000000 8501.52215 90.0000000 0.00000000
5 0.00000000 2078.92208 0.00000000 2078.92208 90.0000000 0.00000000
--------------------------------------------------------------------------------------------
由上述计算可知，外侧贝雷片处的上拔力较大，为5438Kg，需做好横向分布梁与贝雷片上覆盖槽钢的焊接工作，经计算采用双面焊缝，焊脚高8mm以上，每侧焊缝长5cm可以满足要求。
4）、挠度计算
采用清华大学结构力学求解器计算的最大挠度为0.06cm，0.06/305=1/5083＜[f]=1/400，挠度计算能满足要求。
4、桥面铺装层计算
（1）、当桥面采用δ1cm钢板时
桥面钢板宽度为150cm，长度为600cm，顺桥向铺设。
查《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004），表4.1.1-2车辆荷载主要技术指标，后轴重力标准值为2×140KN，由于有两个后轴,每个后轴轴载为140KN，后轴每侧车轮荷载为140/2=70KN；后轮着地宽度及长度为60×20cm，则可计算其面荷载为
70/（60×20）=0.058KN/cm2=5.8Kg/cm2。
A:
如果I20b工字钢间距为60cm，采用ansys建模计算的结果如下：
其最大应力为3258Kg/cm2=325.8MPa＞215MPa，最大相对变形为0.9cm，显然其受力无法满足要求。
B:
如果I20b工字钢间距为50cm，采用ansys建模计算的结果如下：
其最大应力为2152Kg/cm2=215.2MPa，略大于215MPa，最大相对变形为0.6cm，此时钢板受力能够满足要求，但显然材料的消耗量太大。
（2）、当桥面采用[16槽钢时
1）、[16槽钢抗弯能力计算
重车采用两个后轴，每个后轴重14t，由于每侧分布宽度为60cm，可以考虑作用在3片[16槽钢上面，在槽钢上的分布宽度（即轮压顺桥向长度）取为20cm，其分布线荷载q=7000/3/20=166.7Kg/cm。
其计算简图如下：
采用清华大学结构力学求解器求得该梁的弯矩图如下：
跨中弯矩最大Mmax=25102Kg·cm
[16槽钢开口朝下，由于其对Y轴的界面抵抗矩上下不一样，开口侧的抵抗矩比腹板端要小很多，图中弯矩也是下口的数值大，所以只计算开口侧的应力即可。
其开口侧截面抵抗矩W=17.55cm3
所以横梁的最大应力σmax=
=
=1430Kg/cm2
=143Mpa＜f=215Mpa
所以桥面[16槽钢受力能满足要求。
[16槽钢考虑动载作用时的最大应力值近似等于上述计算的弯应力乘以1.1，σmax=143×1.1=157.3，完全能满足要求。
2）、[16槽钢抗剪能力计算
采用清华大学结构力学求解器求得该梁的剪力图如下：
最大剪力为2105Kg，采用《钢结构设计规范》4.1.2式计算槽钢剪应力：
=
，V=2105Kg
腹板侧对中和轴的面积矩S1=15.45×1.05=16.22cm3
开口侧对中和轴的面积矩S2=7.52×2.17=16.3cm3
取S=16.3cm3 I=83.4cm4 tw=1cm
=
=
=411Kg/cm2=41.1MPa， fv=125Mpa
所以[16槽钢抗剪能力满足要求。
3）、[16槽钢支座反力计算
[16槽钢间距为75cm，[16槽钢的支点约束反力采用清华大学结构力学求解器计算如下：
（其中结点编号参照上述计算简图）
结点约束反力 合力
支座 --------------------------------------- -------------------------------------
结点 水平 竖直 力矩 大小 角度 力矩
--------------------------------------------------------------------------------------------
1 0.00000000 -175.815274 0.00000000 175.815274 -90.0000000 0.00000000
2 0.00000000 1366.50372 0.00000000 1366.50372 90.0000000 0.00000000
3 0.00000000 1206.86800 0.00000000 1206.86800 90.0000000 0.00000000
4 0.00000000 2035.36542 0.00000000 2035.36542 90.0000000 0.00000000
5 0.00000000 232.160621 0.00000000 232.160621 90.0000000 0.00000000
--------------------------------------------------------------------------------------------
由上述计算可知，[16槽钢上拔力只有175Kg，槽钢与I20b工字钢之间只需点焊即满足要求。
综合以上计算，栈桥桥面采用[16槽钢受力能够满足要求，且用材经济，确定采用[16槽钢作为栈桥桥面。
三、栈桥整体稳定性计算
经过调查，施工时桥位处的最大水流速度2m/s，钢管桩顶离水面高度约为3m，水深约为9m，钢管桩振打入土深度约7m。
施工过程中假设钢管桩离以上2m范围的钢管桩处于嵌固状态。
则可建立如下的力学模型：
1、计算水流压力
查《公路桥涵设计规范》（1989）《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021－89）（2.3.10）公式：
P=KA
（kN）
式中
——水的容重（kN/m3）
V——设计流速（m/s）
A——桥墩阻水面积（m2），一般算至一般冲刷线处，A=0.529×9=4.8m2
g——重力加速度9.81（m/s2）
K——桥墩形状系数，对圆形钢管桩取0.8。
P=KA
=0.8×4.8
=7.8KN
根据规范，流水压力作用点位于水位线以下1/3水深处，流水压力荷载为一倒三角形，见上图，设流水面处的水流压力线荷载为q，则有
P=q×9/2,则q=7.8/4.5=1.7KN/m=1.7Kg/cm。
2、计算钢管桩最大弯矩及轴力
根据前面的计算结果可知，最不利荷载作用时，N1=-5438Kg，N2=9008Kg，N3=8502Kg，N4=2079Kg
φ529mm壁厚8mm的钢管的惯性矩
I钢管=
=44438cm4，
其截面面积=
=130.9cm2，
2I30惯性矩=I2I30=2×7080=14160cm4
其截面面积=2×46.5=93cm2，
根据以上计算模型将上述参数输入采用清华大学结构力学求解器，可求得该结构的弯矩图如下：
可查得其最大弯矩的代数值为564335Kg.cm。
可查得其最大轴力（压力）值为7389Kg，可以确定右侧的钢管桩的稳定性是最差的，只需对其进行稳定性复核即可。
3、计算钢管桩的稳定系数
先计算其计算长度l0，由于右侧钢管桩的,
K1=
=14160=
=2.2，由于钢管底端固结，所以K2=10，查《钢结构设计规范》，按有侧移框架查表D-2内插，计算长度系数=1.1+
=1.094，所以其计算长度l0=1.094×1700=1859.8cm。
钢管的回转半径i=
=
=18.4cm
钢管的长细比λ=l0/i==1859.8/18.4=101
查B类截面轴心受压构件稳定系数表得其稳定系数
=0.549。
4、利用《钢结构设计规范》中的公式计算钢管的稳定性
本方案中钢管属于压弯构件，需要计算其在弯矩作用平面内的整体稳定
查《钢结构设计规范》公式5.2.2－1，
弯矩作用平面内的稳定性：
式中N－所计算构件段范围内的轴心压力；
－参数，
＝
=
=241536.5Kg
－弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数；
=0.549
Mx－所计算构件段范围内最大的弯矩；Mx=564335Kg.cm
W１x－在弯矩作用平面内对较大受压纤维的毛截面模量；
W１x=I/（D/2）=44438/（52.9/2）=1680cm3
－等效弯矩系数，本方案中无端弯矩但有横向荷载作用，
=1.0
=
=430.8Kg/cm2=43.1MPa＜215MPa
所以该钢管桩栈桥的整体稳定性完全能够满足规范要求。
（注：
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