施工临时结构设计及计算.docx
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施工临时结构设计及计算
施工临时结构设计与计算
（项目总工定向培养课程讲义李乐平）
各位领导、各位同事、各位朋友：
大家好。
所谓施工临时结构的设计与计算，顾名思义它是属于一项设计的工作。
我们公司是一家专门从事工程施工的企业，从国家的管理层面上来看，所认定的企业资质是施工级别（如一级、二级，或特级等），都是从事的工程建造，即按图施工，按照专门的设计单位设计好了的施工图来进行建造。
所要求的从事施工人员如项目经理等个人的资质要求也是讲究的持一级或二级建造师，安全方面的要求是持A、B或C等安全证，从未要求具有设计方面的要求。
但是作为一名项目总工，在工程实践中，或多或少必然会遇到设计方面的工作，比如施工便桥、模板、临时围堰等等，总不能一遇到设计工作就委托别人做，那是行不通的，况且有些施工方面的工具。
配件及工艺等，设计单位也不一定懂。
也就是说作为一名合格的项目总工，必须具有一定的设计与计算能力或叫技能。
下面本人结合扬中三桥工程建设的实际，向各位介绍一下工程中遇到的施工临时结构的设计与计算方面的内容。
一、临时钢栈桥钢平台设计与计算
扬中三桥是镇江新区金港大道至扬中快速通道工程中的一座特大桥。
扬中是长江下游的一个江心洲，长江在此被扬中分为左右两个汊道，一个大江，一个夹江。
扬中三桥是跨越长江扬中夹江的一座桥梁。
跨江主桥采用75+4×125+75m变截面预应力混凝土连续箱梁，主桥长650m。
为了进行水中墩施工，沟通陆上与水上的通道，分别从扬中、大港长江大堤向江中搭设钢栈桥，其中，扬中一侧栈桥长310m，大港一侧栈桥长150m。
水中墩台设置钻机平台和工作平台，南、北岸钢栈桥下游侧各设一个临时码头。
为保证施工期间的临时通航，拟预留两个单向通航孔，通航孔分别设在19#~20#桥墩以及21#~22#桥墩之间，江中20#、21#桥墩为孤岛施工。
图1-1主桥施工期临时钢栈桥及平台布置图
1.1设计条件
自然条件
选用规范
使用荷载
施工工艺
施工机械
使用年限
1.2编制依据
（1）现场踏勘所获得的工程地质、水文地质、当地资源、交通状况及施工环境等调查资料；
（2）国家及地方关于安全生产及环境保护等方面的法律法规；
（3）《钢结构设计规范》；
（4）《装配式公路钢桥使用手册》；
（5）为完成本工程拟投入的施工管理、专业技术人员、机械设备等资源；
（6）江苏省交通规划设计院有限公司提供的地质资料。
（7）《中华人民共和国内河交通安全管理条例》（国务院【2002】第355号令）；
（8）《中华人民共和国内河避碰规则》（交通部令【1991】30号）；
（9）《中华人民共和国水上水下施工作业通航安全管理规定》（交通部令【1999】第4号；
（10）《中华人民共和国海事行政许可条件规定》（交通部令2006年第1号）；
（12）《中华人民共和国防止船舶污染内河水域环境管理规定》（交通部令【2005】11号）；
1.3河道与水文
桥位处水下泥面高程-7.0~-11.0m，流量、流速随季节变化明显。
区内水深11-17m，由于长江潮差较大，且变化频繁，因此江水与地下水关系较为复杂，其总趋势是江水补给地下水。
长江流域以雨洪径流为主，流域平均降水量1100mm，每年5～10月为汛期，11月～翌年4月为枯季。
下游河段受海洋潮汐影响，水位每日两涨两落。
扬中河段的水流既受长江河川径流的控制，又受海洋潮汐影响，河川径流较大时，受潮汐影响较小，径流小时，受潮汐影响大，并会出现往复流。
日变化：
扬中河段的潮水水位变化位为非正规半日潮混合型，半潮过程似余弦波，半潮周期为12小时25分，每日两涨两落，平均涨潮历时约3.7小时，落潮历时约8.8小时。
月变化：
每个夏历月的朔（初一）、望（十五）后的2~3天内出现大潮汛，上弦（初七）、下弦（二十一）后的2~3天内出现小潮汛，其它时间为平常潮。
年变化：
年内最低潮位在12月到来年4月间均可发生，最早发生在12月2日，最迟发生在4月5日，大部分出现在12月下旬到2月上旬。
枯季最低潮位在江阴以下由潮汐控制，加上冬季风的综合作用，其最低潮位在时间上的出现就比较平均，变幅也小。
年内最高潮位最早出现在6月至9月间，大部分发生在7、8、9三个月中。
流量：
位于安徽省池州市的大通水文站是长江下游的控制站，大通至拟建桥位河段之间基本上没有大的区间来流，因此，大通水文站的流量、泥砂特征基本代表桥位河段来水、来沙特征。
从来水、来沙的年内分配看，大通水文站年内来水来沙主要集中在汛期，5~10月来水量约占全年的70.5%，沙量占全年的87.2%，沙峰一般略滞后于洪峰。
图1-2临时钢栈桥结构示意图
1.4设计水位
历年最高水位：
+6.47m；历年最低水位：
-0.34m；
设计通航水位表（表1-1）
设计最高通航水位
设计最低通航水位
水位（m）
频率（%）
水位（m）
保证率（%）
+6.07
0.3
-0.34
98
1.5地质资料
场区地层共分为9个工程地质层，其中又细分出2个工程地地质亚层。
①-④层为第四系全新统地层，⑤-⑧层为第四系上更新统地层，⑨层为新近系盐城群泥岩。
夹江大桥桥址内浅部为①②③层粉质黏土，稍密，fao=80~900kPa，工程性质一般；其下分布的④层粉砂、细砂，稍密-中密状态为主，fao=100~180kPa，工程性质较好；④1层粉质黏土夹砂，为④层夹层，流塑状态，fao=100kPa，工程地质条件较差；中部地层较稳定，主要分布⑤层中砂，密实，fao=350kPa，工程性质较好；⑥层粉、细砂，密实，fao=260kPa，工程性质较好；⑦层中、粗砂，密实，fao=380kPa，工程性质较好；下部⑧层中砂，密实状态为主，fao=450kPa，工程地质条件较好；⑨层砂质泥岩，坚硬，岩芯呈黏土状，胶结大量砂，fao=380kPa，工程地质条件较好。
1.6结构形式初步确定
钢栈桥纵轴线与主桥中心线平行，钢栈桥中心线距主桥中心线26.05m，桥面为平坡，钢栈桥、钢平台及临时码头桥面标高均为+7.0m。
钢栈桥采用贝雷型钢组合结构形式，标准跨径12m。
采用φ800×10mm钢管桩作为基础；钢管桩之间连系梁采用直径500mm，壁厚8mm的钢管；主横梁采用双拼H600型钢；主纵梁采用321型贝雷组合。
纵向设8片，每两片间距90cm并联，贝雷片端部设支撑架；横向分配梁采用25工字钢，纵向间距1.5m；纵向分配梁采用14#工字钢，间距30cm布置；桥面板采用厚度10mm厚钢板，钢板宽度7.4m。
护栏采用φ48×3.5mm钢管，护栏高度90cm。
竖杆间距1.5m设置，焊接在横向分配梁上，焊缝应满焊，横杆设2排，每排间距0.4m。
护栏的竖杆、横杆连续刷上红白相间的警示反光油漆。
过渡墩（18#墩）工作平台尺寸为39×12m，主墩（19#~23墩）工作平台尺寸为45×12m，结构形式与钢栈桥相同。
过渡墩（18#、24#墩）钻机平台尺寸为33×12m，主墩钻机平台（19#~23#墩）钻机平台尺寸为39×17m，次横梁采用I32工字钢，其他结构形式与钢栈桥相同。
临时码头尺寸为45×14.6m，结构形式与钢栈桥相同。
钢管桩采用沥青防腐，其他钢结构采用油漆防腐。
贝雷片与主横梁、次横梁的连接，均采用镀锌螺栓连接，贝雷片上无焊接。
1.7结构计算
1）结构的强度验算
2）结构的刚度验算
3）结构的稳定性验算
详见附件“临时钢栈桥平台计算书”。
1.8施工条件设计
主要施工设备配备表
序号
机械名称
规格
单位
数量
1
起重船
150t
艘
1
2
履带吊
50t
台
4
3
拖轮
400P
艘
2
4
抛锚挺
艘
1
5
汽车吊
25t
台
2
6
振动锤
DZ90
台
1
7
切割割具
乙炔氧气割枪
套
3
8
电焊机
DC直流
台
6
二、深水钢吊箱的计算与应用
扬中三桥19#~23#主墩均为高桩承台，根据实际河床标高，结合现场施工实际情况，选择当年11月-翠年4月长江低水位季节的有利时间进行施工。
主要工艺为采用有底钢吊箱围堰法施工。
2.1总体施工方案设计
根据2009-2011年的有关资料统计，在当年11月-翠年4月长江最高水位约为4.0m左右，最低水位约为±0.0m。
19#~23#墩承台采用单壁钢吊箱围堰，围堰高度7m，平面尺寸与承台尺寸吻合，施工时除作为挡水结构，同时直接作为承台模板，整个钢吊箱围堰重约230t。
主要由底板、侧板、内支撑、吊挂系统等部分组成。
施工时，钢吊箱底板在现场制作，侧板在钢结构车间分片制作，并经试拼验收合格后运至工地。
在钻孔桩施工完毕，钻孔平台拆除后，在钢护筒上焊接牛腿，在牛腿上依次安装底板（包括底板龙骨）、侧板、围堰内支撑，安装挑梁、拉杆和穿心千斤顶，利用穿心千斤顶沉放套箱至设计标高，紧固所有拉杆螺栓。
潜水员水下安装钢吊箱底部桩基抱箍，封堵底部缝隙，清理钢吊箱内部泥垢。
设置集料斗和导管，浇筑第一次封底混凝土，浇筑标高-2.5~-1.4m，待第一次封堵混凝土达到设计强度后抽出套箱内江水，同时进行内支撑体系转换。
割除钢护筒，凿除桩头，设置剪力键及钢筋网，浇筑第二次封底砼，浇筑标高-1.4~-1.0m。
待第二次封底混凝土达到设计强度后，绑扎承台钢筋，分两次浇筑承台混凝土，每次浇筑2m厚。
施工结束后，拆除套箱侧板及辅助支撑梁。
主桥19~23#墩施工步骤见下图。
主墩承台钢吊箱施工工艺框图
2.2钢吊箱结构总体设计
主墩承台施工采用有底钢吊箱围堰。
底板主梁为双拼I32工字钢，纵横向等高连接层框架结构，次梁为I14工字钢，顺桥向布置，铺设1cm厚钢板。
侧板分块制作，高度7m，①号侧板宽度4m，共16块，②号侧板4块，③侧板2块。
侧板面板采用6mm钢板，桁架竖梁、横梁采用角钢制作。
侧板与底板采用限位角钢连接。
钢吊箱挑梁采用双拼600×200H型钢制作，挑梁顺桥向安装在护筒顶。
吊杆采用φ32精轧螺纹钢筋，吊杆从挑梁和底板主梁间穿过，将上下承重结构联系在一起，共44根吊杆。
钢管桩支撑采用φ500×8钢管，围囹采用双拼I32a工字钢。
支撑设在+4.5m处。
图2-1钢吊箱总装示意图
2.3钢吊箱结构计算
2.3.1桁架结构
桁架在面板外侧，竖向设置，横向间距1.1m。
竖梁、斜撑与竖梁之间连接为铰接。
水压力折算成集中力，作用在结点上。
L75×6双拼
L75×6
L75×6
2.3.2工况一计算
第一次封底混凝土浇筑完成，达到设计强度后抽水，此时套箱外水压力作用在套箱面板上，并由套箱竖向桁架承担。
q=γhb=10KN/m³×h×b
F1=（0+10KN/m³×1m×1.1m）/2×1m=5.5KN
F2=（10KN/m³×1m×1.1m+10KN/m³×2m×1.1m）/2×1m=16.5KN
F3=（10KN/m³×2m×1.1m+10KN/m³×3m×1.1m）/2×1m=27.5KN
F4=（10KN/m³×3m×1.1m+10KN/m³×3m×1.1m）/2×1m=38.5KN
F5=（10KN/m³×4m×1.1m+10KN/m³×4m×1.1m）/2×1m=49.5KN
F6=（10KN/m³×5m×1.1m+10KN/m³×5m×1.1m）/2×1m=60.5KN
F6
F5
F4
F3
F2
F1
内力计算图如下：
竖杆计算：
11#杆件压力最大，偏心受压，压力N=173.46KN，M=173.46KN×（2.75-0.4）cm=
外竖杆采用双拼L100×8角钢，A=30.84cm2，W=2Ix/y=2×145/2.75=105.5cm3，ix=3.07
λ=μl/i=1×100cm/3.07cm=32.6。
ξ=MA/NW=4.1KN.m×30.84cm2/（173.46KN×105.5cm3）=0.69
查表ψ=0.6
σ=N/ψA=173.46/（30.84×0.6）=93.7MPa<140MPa，满足要求。
短杆计算：
26#杆件轴力最大为104.8KN，M=104.8KN×（2.06-0.3）cm=1.8KN.m，该杆件为两端铰接。
短杆采用双拼L75×6角钢，短杆长度0.82m，A=17.454cm2，ix=2.3，W=2Ix/y=2×46.1/2.06=44.6cm3
λ=μl/i=82/2.3=35.65。
ξ=MA/NW=1.8KN.m×17.454cm2/（104.8KN×44.6cm3）=0.67
查表ψ=0.67
σ=N/ψA=104.8/（17.454×0.67）=89.6MPa<140MPa，满足要求。
向左下方倾斜的斜杆，口朝上布置。
变形计算图如下：
最大变形为0.7cm＜L/500=1.2cm，变形满足要求。
2.3.3工况二计算
工况二为套箱外水位最低、浇筑水下封底混凝土，计算模型见下图
受力计算见下图
3#杆受压轴力最大为61.38KN，采用单根L75×6角钢。
M=61.38KN×（2.06-0.3）cm=
内竖杆采用L75×6角钢，桁架内杆与6mm厚面板共同受力。
A=8.727+0.6×7.5=13.227cm2，W=9.37cm3，ix=2.646
λ=μl/i=1×100cm/2.646cm=37.8。
ξ=MA/NW=1.08KN.m×13.227cm2/（61.38KN×9.37cm3）=2.5
查表ψ=0.399
σ=N/ψA=61.38/（13.227×0.399）=117MPa<140MPa，满足要求。
短杆计算：
31#短杆受压轴力最大为91.64KN，短杆采用双拼L75×6角钢，短杆长度0.82m。
M=91.64KN×（2.06-0.3）cm=1.6KN.m，
短杆采用双拼L75×6角钢，短杆长度0.82m，A=17.454cm2，ix=2.3，W=2Ix/y=2×46.1/2.06=44.6cm3
λ=μl/i=82/2.3=35.65。
ξ=MA/NW=1.6KN.m×17.454cm2/（91.64KN×44.6cm3）=0.68
查表ψ=0.67
σ=N/ψA=91.64/（17.454×0.67）=78.4MPa<140MPa，满足要求。
向右下方倾斜的斜杆，口朝下布置。
变形计算见下图
最大变形位于12#、13#杆节点处，为0.3cm，变形满足要求。
三、结束语
设计工作是一项复杂的、艰苦的，具有创造性的、细致的脑力与体力综合性的劳动。
工程施工设计工作是一项强调从工程实践中来又回到工程实践中去，特别重视工程实践过程，在工程实践中逐步摸索逐渐积累，并注意经常学习和借鉴成功经验以提高自己水平。
一个好的、称职的工程师应该对自己提高要求，练好自己的基本功。
作为一名工程师而言，应该在掌握良好的、全面的基础知识的基础上，不断地在工程实践中得到提升。
设计工作说到底，主要就是要在技术与经济两个方面进行平衡，也就是要用最合理的方案，、最经济的工程成本，达到最佳的工程效果。
这是工程师的最高境界，也是每一个工程师所努力追求的。
同时，这种精神也应该是崇高的、伟大的，是最最受人尊重的品格之一。
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