钢管桩栈桥及钢管桩施工平台受力计算书.docx
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钢管桩栈桥及钢管桩施工平台受力计算书
钢管桩栈桥
及钢管桩平台
受力计算书
200年月
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。