贝雷片潮白新河钢栈桥及钢平台计算说明书doc.docx
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贝雷片潮白新河钢栈桥及钢平台计算说明书doc
津汉高速公路工程1标段
潮白新河钢栈桥（贝雷架）计算说明书
工程名称：
津汉高速公路工程1标段
编制单位：
津汉高速公路工程1标段项目经理部
编制人：
技术负责人：
审批单位：
审批人：
中交一航局津汉高速公路工程1标段项目经理部
2011年12月27日
1、设计方案
潮白新河为一级河道，主要功能为排洪、泄涝、供两岸工农业用水。
据天津市宁车沽闸管理所工作人员介绍，当潮白新河水位达到2.9m时即开闸泄洪，以防止周围农田鱼塘等受灾害。
综合考虑河道内现有水文地质情况及实际排洪、施工需要，根据现场地形，在潮白新河特大桥主河道范围内修筑钢栈桥便道。
在15#～16#墩之间预留航道，设计栈桥长180m，顶宽6m，钢管桩顶高程2.5m，栈桥顶面高程3.77m。
河滩部分采用山皮土便道连接钢栈桥与堤岸，便道宽6m。
施工期间做好汛期施工工作，并注意加强对便道、栈桥的维修及保养。
全桥分为17跨，共设16个墩。
桥梁跨度为第一跨和最后一跨为8m，从第二跨到第十六跨均为9m。
桥宽6米，平台宽8米。
主栈桥两侧基础采用混凝土扩大基础，中间均采用钢管桩，钢管桩规格为直径600毫米、壁厚8毫米、长21米的钢管。
每个墩设三根钢管桩作为基础。
钢管桩顶采用三根45工字钢作为横梁。
副栈桥两侧基础采用混凝土扩大基，中间均采用钢管桩，钢管桩规格为直径600毫米、壁厚8毫米、长21米的钢管。
每个墩设四根钢管桩作为基础。
钢管桩顶采用三根45工字钢作为横梁。
栈桥上部结构采用10排贝雷片作为纵梁，分为5组，用45厘米连接片进行连接，两侧纵梁之间采用90厘米连接片进行连接，以增强栈桥的整体稳定性。
钢平台上部结构采用10排贝雷片作为纵梁，分为5组，用45厘米连接片进行连接，两侧纵梁之间采用90厘米连接片进行连接，以增强平台的整体稳定性。
桥面系满铺20cm的方木，桥面两侧设防护栏杆。
2施工方案
（1）施工准备
使用50吨汽车吊装器材，同时在岸上拼装贝雷片，精确计算测量桥台及钢管桩的位置。
（2）基础施工
陆地部分采用50吨吊车和10吨震动锤打设，水中墩部分通过测量定位安装导向架，使用50吨吊车和10吨震动锤打入基础钢管桩，在施工中要保证钢管装的中心位置和垂直度，随时观察钢管桩的中心位置和惯入度，保证钢管桩基础的承载力。
便桥两边基础采用混凝土扩大基。
（3）横梁
把钢管桩割成槽口，在槽口上焊接钢板然后架设三根45工字钢作为横梁，以用作贝雷片的垫梁，为了保证工字钢的稳定性，把工字钢和钢管桩进行焊接。
（4）梁部结构
便桥共分为19跨，下部与横梁用U形螺栓进行连接，贝雷片之间采用连接片连接。
贝雷片上每隔3米采用20的槽钢进行横向加固，以增强纵梁的稳定性。
（5）桥面结构
在纵梁上铺满方木作为桥面，通过螺栓与下面20槽钢进行连接。
桥面两侧设防护栏杆，栏杆钢管直接焊接在20槽钢上。
3注意事项
（1）在便桥两端头设置限速牌，安全行驶标志，夜间警示标志。
便桥上每隔一定间距设置限速设施及照明灯、荧光标志等。
（2）各构件焊接要焊透，长度满足要求。
螺栓连接应将螺栓拧紧，使用一段时间后安排专人检查加固。
（3）临时便桥在使用期间，要安排专人负责管理、检查、维护、保养。
4栈桥检算
4.1面板核算
面板由200mm×200mm方木满铺组成，单根方木的线荷载为：
根据选用的材料为贝雷架。
故面板的计算跨度为
面板跨中弯矩为：
搅拌车共有三排轮胎，其中后两排有八个轮胎，按最不利荷载情况计算，则可认为由搅拌车产生的荷载全部由后两排轮胎承受。
荷载最大时为满载混凝土搅拌车的后两排轮胎中的两个轮胎在面板的跨中，轮胎尺寸示意图如下：
单个轮胎与地面的接触宽度为0.23m，轮胎外侧间距为0.6m。
在承受荷载后，轮胎将荷载向外传递，认为木方传递荷载的方式如下图所示：
则传递宽度为0.23+0.2+0.2=0.63m
两侧并列轮胎传递长度为0.6+0.2+0.2=1m。
作用在桥面方木两跨范围内。
搅拌车的荷载按分布荷载进行传递分布，则单侧轮胎的均布荷载为：
按最不利荷载的跨段长度为0.75m计算，计算长度为0.737m，受力如下图：
0.737m
最不利荷载情况下受力示意图
而根据面板选用的材料，根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）查得其容许应力值为9.5MPa,满足设计要求。
其弹性模量E=10GPa，故面板产生的挠度值根据公式为：
根据钢栈桥所选取的结构形式，容许挠度值为
，
，满足挠度要求。
4.2贝雷片纵梁检算
4.2.1荷载计算
由于该桥在施工便道上，考虑施工中要过50t履带吊和30t满载的混凝土罐车，以及材料车等，考虑动荷载系数，所以活荷载按80吨计算，贝雷片每一片的重量为0.27吨，由于桥面自重转换为线性荷载后较小，计算过程中可以忽略不计。
贝雷桁架的有关数据
从《公路施工手册》上查得:
高×长=
桁片惯性矩
桁架抵抗矩
弹性模量
4.2.2抗弯计算
由于便桥跨径都是9米，按其中一跨进行检算，贝雷片梁跨度按9m计算，则集中荷载所产生的弯矩：
贝雷片自身所产生的弯矩：
则：
每排贝雷梁所能承受的最大弯矩为
，
所以贝雷片梁抗弯满足要求。
4.2.3抗剪计算
每排贝雷梁支点处最大剪力，故
贝雷片最大抗剪为245.2KN，
所以贝雷片梁抗剪满足要求。
4.2.4挠度计算
集中荷载所产生的挠度：
贝雷片自身所产生的挠度：
则：
所以贝雷片梁挠度满足要求。
4.3工字钢横梁检算
4.3.1抗弯计算
三根40b工字钢梁跨度按2.7m计算，荷载按集中力考虑：
则：
当采用两根工字钢布置时，
所以工字钢梁抗弯满足要求。
4.3.2抗剪计算
每根工字钢所承受的最大剪力
，
按照最大荷载全部由车辆后轴承受，则所受剪力为
，由横梁双拼工字钢或三拼工字钢承受，则每根最大承受剪力为200kN或者133.3kN，均小于容许应力值，所以工字钢梁抗剪满足要求。
4.3.3挠度计算
所以工字钢梁挠度满足要求。
4.4钢管桩检算
4.4.1钢管桩承载能力
钢管桩直径60cm、壁厚8mm，钢管桩长21m，钢管桩计算按打入河床下15m，河床上外露6m考虑。
方木面板自重：
（6×9×0.2×0.5×10）/3=18kN
贝雷片自重：
30×0.27×10/3=27kN
横梁自重：
（0.073878×10×7×3）/3=5.17kN
钢管桩自重：
7850×21×（3.14×0.6×0.6/4-3.14×0.584×0.584/4）×10/1000=24.5KN
分析各桩的最不利荷载情况为：
将80t的荷载平均分给三根桩考虑起作用，在作用过程中，若履带中心与钢管桩中心重合时，其所受力将达到最不利荷载，此时分析其受力则将有一半的力作用在此桩上，一根桩可能承受的最大荷载为：
18+27+5.17+24.5+400=476kN
钢管桩壁厚8mm，外径D=600mm，内径d=584mm。
4.4.2钢管桩摩擦力检算
根据《港口工程桩基规范》，桩基宜选择在中密或密实砂层，硬粘性土层，碎石类土或分化岩等良好土层作为桩基持力层。
单桩垂直极限承载力设计值为：
式中U为桩身截面周长，U=3.14×0.6=1.884m
为桩在地基中穿过的各土层桩侧单位面积摩阻力（kPa）
为桩各层土的厚度
R单位桩端阻力（kPa）
A为桩身的截面面积
K为桩端闭塞系数，一般为0.8～0.85
在最大深度处的地质情况如下：
（15）
土层名称
深度范围
桩长
土层厚度
淤泥质土
0
-3.5～-9.7
5.9
5.9
粉质粘土
27
-9.7～-19.7
9.1
10
根据桩长为21m则在粉细砂、粉土层的桩端承载力为
P=1.884×（0×5.9+27×9.1）+800×（3.14×0.36÷4×0.8）=643.8kN
在淤泥质土深度最大处：
（17.61）
土层名称
深度范围
桩长
土层厚度
淤泥质土
0
-0.89～-8.79
7.9
7.9
粉质粘土
27
-8.79～-21.29
9.71
12.5
根据桩长为21m则在粉细砂、粉土层的桩端承载力为
P=1.884×（0×7.9+27×9.71）+800×（3.14×0.36÷4×0.8）=674.8kN
上述计算所得的桩端承载力均大于可能承受的最大荷载476kN。
其安全系数分别为：
1.35和1.42。
4.4.3钢管桩检算
①．考虑海水的流动对桩产生的影响，由《公路桥涵设计规范》可以得到：
P=KAγV2/2g
其中P—水流压力；
K—形状系数，圆形取0.8；
V—水流速度，在此取1m/s；
γ—水的容重,取海水的容重为10KN/m3；
A—阻水面积，按照入水6.4m计算，则A=0.6×6.4=3.84m2；
可以算出
P=0.8×3.84×10×12/（2×9.8）=1.57KN；
②.考虑栈桥上车辆制动力产生的水平荷载对桩的影响：
由《公路桥涵设计规范》对汽车制动力计算的规定为：
当桥涵为一车道时，为布置在荷载长度内的一行汽车车队总重量的10%，但公路Ⅰ级汽车荷载的制动力不得小于165KN，公路Ⅱ级汽车荷载的制动力不得小于90KN，。
根据现场的实际情况，由于栈桥上不会出现车队的情况，因此仅考虑单辆重车（满载的混凝土搅拌车，总重为50T）的情况，此时的水平制动力为：
80T×9.8×0.1=78.4KN
即车辆的制动荷载78.4KN作用在栈桥上，方向于车辆的制动切线方向一致。
③.考虑风产生的水平荷载对桩的影响：
由《公路桥涵设计规范》对风荷载的计算式为：
ωk=K1K2K3K4ω0
式中ωk为风荷载的标准值；
K1为对设计风速频率换算系数，取0.85；
K2为风压体型系数，取0.5；
K3为风压高度变化系数，取1.0；
K4为地形、地理条件系数，取1.4；
ω0为基本风压值（kN/m2）；
ω0=v02/1600，取多年各月最大风速为24m/s，求得基本风压的值为0.36kN/m2。
得出风荷载的标准值为：
ωk=0.214kN/m2。
可以计算栈桥的单跨横向挡风面积为4.98m2单跨受风荷载产生力的大小为1.07KN；纵桥向挡风面积为7.63m2，栈桥纵向受风荷载产生力的大小为1.63KN。
由以上计算可以得出水流的冲击力、车辆制动力以及风荷载作用力的值都小于栈桥桩基的单桩水平承载力。
（1）．单桩压杆稳定计算：
钢管桩的长细比为：
λ=l/i=μl0/i
其中l为计算长度；l0为钢管长度，取8.2m进行计算；
i为惯性半径，i=（I/S）1/2，φ600内壁8mm的钢管桩i=0.2081；
μ为长度系数，在计算中取0.7。
可以求得钢管桩的长细比为λ=27.6＜40，因此可以认为钢管桩为短杆构件，不需要再进行稳定校核计算。
此时最不利的情况在钢管桩，为最大水深6.4m左右，桩顶距海底面高度为6.4m。
①．计算单桩桩顶的水平位移：
在进行单桩桩顶水平位移的验算过程中，考虑单桩在风荷载、水流荷载、车辆动荷载等外部荷载同时作用在单桩且相互夹角为零的最不利情况。
对于前面计算多种外部荷载考虑情况如下：
车辆制动荷载为78.4KN，考虑由6根钢管桩受力，则单根桩受力为13.07KN，作用点为作用在桩顶上；
纵桥向的风荷载作用力为1.63KN，考虑由3根桩进行承担，则单桩受力为0.54KN，作用点考虑作用在桩顶上。
水流荷载为1.57KN（由公式P=KAγV2/2g求得），作用点为水深的H/3m处（H=6.4m），即桩与海床分界点上2.13m处。
单桩的受力情况如下图，其中Ha为车辆动荷载、Hb为风荷载、Hc为水流荷载，
桩的受弯嵌固点可根据以下公式利用m法确定。
6.4m
2.13m
4.4m
同时可以求得等效水平力H=15.18KN；弯矩M=90.5KN.m；
t＝ηT
t——受弯嵌固点距泥面深度（m）；
η——系数，取1.8～2.2。
T——桩的相对刚度系数（m）
T＝（EPIP/mb0）0.2＝（2.0×108×11.3×10-4/2000×1.26）0.2＝2.2m
t=2×2.2=4.4m
由《港口工程桩基设计规范》可以查到计算水平位移公式为：
Y=H0T3/（EPIP）Ay+M0T2/（EPIP）By
M=H0TAm+M0Bm
Zm=hT
Mmax=M0C2
或Mmax=H0TD2
式中Y——桩身在泥面或泥面以下的变形（m）；
H0——作用在泥面处的水平荷载（kN）；
T——桩的相对刚度系数（m）；
EP——桩材料的弹性模量（kN/m2）；
IP——桩截面的惯性矩（m4）；
Ay、By、Am、Bm——分别为变形和弯矩的无量纲系数；
M0——作用在泥面处的弯矩（kN·m）；
m——桩侧地基土的水平抗力系数随深度增长的比例系（kN/m4）；
b0——桩的换算宽度（m）；
Zm——桩身最大弯矩距泥面深度（m）；
h——换算深度（m），根据C1=M0/H0T或D1=H0T/M0按表查得；
Mmax——桩身最大弯矩（kN·m）；
C2、D2——无量纲系数。
查得m=2000KN/m4
b0=1.262m，I=π（D4-d4）/64=π×（0.64-0.5844）÷64=6.52×10-4
a=（mb0/EI）1/5=[2000×1.26/（2.0×108×6.52×10-4）]1/5=0.454（1/m）
C1＝M0/H0T＝90.5/（15.18×2.2）＝2.71
D1＝H0T/M0＝15.18×2.2/90.5＝0.3646
查表得h＝0.687m
查表得Ay＝1.37859、By＝0.65343、C2=1.16016、D2=3.147
Zm＝hT＝0.68×2.2＝1.496m
Mmax＝M0C2＝90.5×1.16016＝105kN·m
或Mmax＝H0TD2＝15.18×2.2×3.147＝105.1kN·m
取Mmax为105.1kN·m
Y＝H0T3/（EPIP）Ay+M0T2/（EPIP）By
＝15.18×2.23/（2.0×108×6.52×10-4）×1.37859＋
90.5×2.22/（2.0×108×6.52×10-4）×0.65343
＝0.0039m
当采用假想嵌固点法计算时，弹性长桩的受弯嵌固点深度可用m法确定。
OA＝t＝ηT＝2×2.2＝4.8m
桩顶的水平位移量为：
ΔL=（OB/OA）×δ
=10.8/4.4×0.0039
=0.00957m
即钢管桩桩顶的位移量为0.957cm。
②．计算桩的应力
σmax、min＝N/A±M/W
＝476/0.015±（105.1+476×0.0115）/1.087×10-3
＝3.17×104±5.126×104（kN/m2）
σmax=3.17×104＋5.14×104=83.1MPa＜[σ]＝170MPa，满足要求。
σmin=3.17×104－5.14×104=19.7MPa（拉应力）＜[σ]＝170MPa，满足要求。
在实际使用过程中，对桩基承载力和变形情况进行定期（每周）和不定期（大海潮、冰冻等）检查，做好记录。
由于栈桥结构处于海水之中，海浪、水的流动以及风荷载、车动荷载等均会对桩产生一定的水平荷载，但是由于栈桥的设计顶标高为+3.77m。
根据地质资料可以知道栈桥地处浅海，水深不大，并且从当地海浪的资料显示出现2.0m以上浪高的情况就比较少见。
因此，在本计算书中不考虑海浪对栈桥桥面的冲击作用，只考虑水流及制动力、风载等的水平荷载作用。
由《建筑桩基技术规范》可以查得计算水平荷载的公式为：
Rh=a3EIxoa/Vx
其中E—弹性模量；
I—桩截面惯性距；
xoa—桩顶容许水平位移值；
Vx—桩顶水平位移系数；
a—桩的水平变形系数；
a=（mb0/EI）1/5
其中
m—桩侧土水平抗力系数的比例系数；
b0—桩身的计算宽度，圆形桩（D=600）取值为b0=0.9（1.5d+0.5）；
因为桩的换算埋深ah=0.454×15=6.81＞4，由此可以知道桩身的变形及内力较小，可以忽略不计，土中应力区和塑性区的主要范围也在上部的浅土层中。
并通过ah值可以查表得出Vx=2.441（按照ah=4进行计算），假定桩顶的容许偏移值为xoa=0.957cm（详见桩的水平位移计算）进行计算：
Rh=a3EIxoa/Vx=0.4543×2.0×108×6.52×10-4×0.00957/2.441=47.84KN
副栈桥采用与主栈桥相同的结构形式，且由四根钢管桩同时受力，故比主栈桥更加稳定，不进行额外的计算。
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