栈桥计算资料

湘江大桥

施工钢栈桥计算书

2010年10月

栈 桥 计 算 书

一、前言

本计算书根据栈桥的结构构造建立有限元模型，并根据其使用功能要求确定相应的荷载组合，计入荷载分项系数影响后，进行结构分析计算。主要计算项目和内容包括：

1.荷载计算，包括使用荷载(指履带吊机、吊车、砼运输罐车)、风荷载、流水压力荷载的取值计算。

2.栈桥型钢梁的内力计算、抗弯抗剪承载力验算；

3.栈桥下部构造(含横梁、平联、斜撑和钢管桩)的应力验算。并考虑了按规范公式进行稳定验算。

二、工程概况

大桥主墩Z1-Z5均位于湘江中，在河西岸采用钢栈桥连接至Z1主墩。Z1主墩与Z3主墩之间的水上施工通道采用浮桥联接，Z6主墩位于河东江边位置，采用筑岛施工，河东岸Z6主墩与Z5主墩之间的水上施工通道采用钢栈桥联接，Z5主墩与Z4主墩之间采用浮桥联接。

河西岸钢栈桥总长136m，标准宽度6m，加宽段为11m，栈桥顶标高为32.00m。

栈桥均采用钢管桩基础，桩顶设工字钢横梁，其上铺设工字钢纵梁，栈桥设计承重50t。

采用钢管桩桩基，每排钢管之间的横向间距均为5m，布置φ720×10mm钢管桩。钢管间设[20a槽钢横撑及斜撑。桩顶横梁为3I40b工字钢。为避免增大阻水面积影响栈桥的稳定，栈桥纵向除纵梁外不设联接。

型钢纵梁上部构造标准段为8I40b工字钢，加宽段为15I40b工字钢。

桥面系采用在纵梁工字钢上横向满铺[32b槽钢。

三、计算依据

●《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)

●《钢结构设计规范》 (GB50017-2003)

●《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》，TJ025-86 

●《港口工程荷载规范》 JTJ215-98

●《港口工程桩基规范》 JTJ254-98

四、计算条件

1.水文条件及高程

根据设计提供的水文资料，确定栈桥顶标高：32.00m。

根据设计资料，栈桥区最底河床标高为19.20m。

设计水流流速：1.702m/s

2.地质条件

根据设计文件显示，栈桥区漫滩上土层为砾砂，混有5%圆砾,饱和,稍密。层厚9.7m～15.7m，下层为全风化泥质粉砂岩。砂夹卵石(圆砾)厚1.00～4.80m。基岩为砂质泥岩，强风化带厚1.40～4.50m。在河床位置土层为圆砾，一般粒径0.5～1.0cm，5～10%卵石及中粗砂充填，饱和，松散。下层为全风化泥质粉砂岩。

3.栈桥使用荷载

栈桥承载力及通行力应满足：50t履带吊通行、9m3混凝土罐车满载通行要求。

4.河床冲刷计算

4.1计算所用的基本参数

●计算流速V=1.702m/s

●桥墩计算宽度b1=0.72m

●设计断面桥孔部分最大水深hmax=17.35m

●墩型系数Kξ=1

●河床圆砾平均粒径：dj=7.5mm

●钢管桩的直径φ=0.72m

4.2冲刷计算

① 一般冲刷:由于栈桥属于临时工程，使用年限为2年，一般冲刷不明显，故取。

② 局部冲刷:

查表：            

则总冲刷深度取h=1.61m。

根据XXX过江通道防洪评价报告资料显示，最大冲刷深度为2.86M。

由设计图所提供的桥位处的地质资料、防洪评价报告以及以上计算结果可知：要实现栈桥的安全渡洪，必须保证在冲刷后钢管桩埋深≥4.0m，因此总埋深应≥6.86m，对埋深不足的钢管桩应采用锚桩进行加固处理。

五、计算荷载

1.作用在钢管上的水流力

水流力标准值：Fw=Cw( /2)V2A

式中：Fw—水流力标准值，kN；

V—水流设计流速，m/s；取断面平均流速v=1.702m/s。

Cw—水流阻力系数；

ρ—水的密度，1.0t/m3；

A—投影面积，m2；

考虑前后墩之间的水流遮挡效应产生的折减，

  查《港口工程荷载规范》 JTJ215-98表13.0.3-2得后桩m1=0.78，前墩为1。

  查JTJ215-98表13.0.3-5得后桩m2=1.15。

墩柱相对水深影响系数：

考虑以上所有修正后，

迎水面管桩  

后排管桩    

前排Φ720×10：

Fw=   作用点高程：H=29.0m。

后排Φ720×10：

Fw=   作用点高程同样为：H=29.0m

2.作用在钢管顶上的水流力

  水流力标准值：Fw=Cw( /2)V2A

式中：Fw—水流力标准值，kN；

V—水流设计流速，m/s；取断面平均流速v=1.702m/s。

Cw—水流阻力系数；

ρ—水的密度，1.0t/m3；

A—投影面积，m2；

查表得：

Fw=Cw( /2)V2A=2.32х（1/2）х1.7022х3.92=13.17KN    作用点在钢管顶部

3.风荷载  

包含作用在钢管桩上的及作用在上部结构型钢梁上的风荷载。只考虑在高水位时的横桥向风荷载作用。根据设计说明，长沙地区历年来最大风力为9级，极端最大风速为24m/s所以考虑风载不利组合以9级风考虑,并作用于栈桥钢管顶面。

此时风速V10=24m/s，Vd= K2×K5×24m/s=1.08×1.38х24=35.77 m/s。

K2—高度修正系数，查规范取1.08(A类地表，离水面5米)；

K5—阵风风速系数，查规范取1.38(A类地表)；

设计基准风压为：

横桥向风压计算：

K0—设计风速重现期换算系数，取1.0； 

K1—风载阻力系数，近似取1.3； 

K3—地形，地理条件系数，取1.0

将风荷载转化成集中荷载加载到钢管的顶面。

4.栈桥上部荷载

※ 上部结构自重：包括横梁、纵梁、桥面横向分配梁的结构自重完全通过程序自动加载。

※ 使用荷载：根据施工需要，栈桥除通行人员、运输小型机具材料的一般车辆外，还需通行50t履带吊机和9m3砼罐车满载通行。

50T覆带吊荷载图式：

9M3砼运输车荷载图式：

六、栈桥结构验算

1.计算步骤

●选取5跨8m跨径栈桥做整体结构计算。

●布置砼灌车或履带-50并计入栈桥侧向水流荷载及风荷载对结构进行受力分析，求解得到栈桥各部位构件的最大受力及最大变形值。

●将汽车或履带吊的荷载做为可变荷载，对结构进行屈曲分析验算栈桥整体稳定

●验算栈桥在自重和最不利（风荷载+流水荷载）作用下钢管桩的横向抗倾覆稳定性。

2.结构分析计算

建立栈桥模型，栈桥各部位构件全部采用梁单元模拟。

栈桥计算模型

2.1荷载组合

LCB1：1.2×结构自重+1.4×履带吊荷载+1.4×风荷载+1.4×流水压力。

LCB2：1.2×结构自重+1.4×汽车荷载+1.4×风荷载+1.4×流水压力。

LCB3：1.2×结构自重+1.4×风荷载+1.4×流水压力（风荷载与流水压力同向）。

LCB1和LCB2验算整体强度及刚度，LCB3验算钢管桩横向抗倾覆稳定性

2.2强度计算结果

汽车荷载作用在跨中时的计算模型图

汽车荷载作用在跨中时的结构组合应力图

从应力图可以看出，结构最大组合应力为145.9(MPa)

汽车荷载作用在跨中时的结构剪应力图

从应力图可以看出，结构最大剪应力为28.5(MPa)

汽车荷载作用在墩位时的计算模型图

汽车荷载作用在墩位时的结构组合应力图

从应力图可以看出，结构最大组合应力为117.8(MPa)

汽车荷载作用在墩位时的结构剪应力图

从应力图可以看出，结构最大剪应力为28.6(MPa)

履带吊荷载作用在跨中时的计算模型图

履带吊荷载作用在跨中时的结构组合应力图

从应力图可以看出，结构最大组合应力为121.2(MPa)

履带吊荷载作用在跨中时的结构剪应力图

从应力图可以看出，结构最大剪应力为22.2(MPa)

履带吊荷载作用在墩位时的计算模型图

履带吊荷载作用在墩位时的结构组合应力图

从应力图可以看出，结构最大组合应力为105.7(MPa)

履带吊荷载作用在墩位时的结构剪应力图

从应力图可以看出，结构最大剪应力为31(MPa)

根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》,临时结构荷载组合容许应力提高系数1.3。[σW]=145×1.3=188.5Mpa，[τ]=85×1.3=110.5 Mpa。因此计算结果均满足强度要求。

2.3刚度计算结果

汽车荷载作用在跨中时的结构变形图

从结构变形图可以看出，结构最大位移为1.56(cm)

汽车荷载作用在墩位时的结构变形图

从结构变形图可以看出，结构最大位移为1.25(cm)

履带吊荷载作用在跨中时的结构变形图

从结构变形图可以看出，结构最大位移为2.19(cm)

履带吊荷载作用在墩位时的结构变形图

从结构变形图可以看出，结构最大位移为1.3(cm)

最大位移，刚度满足使用要求。

2.4整体稳定性计算

汽车荷载作用在跨中时的一阶失稳模态

从图中可以看出，一阶屈曲特征值为17.9

汽车荷载作用在墩位时的一阶失稳模态

从图中可以看出，一阶屈曲特征值为12.7

履带吊荷载作用在跨中时的一阶失稳模态

从图中可以看出，一阶屈曲特征值为11.5

履带吊荷载作用在墩位时的一阶失稳模态

从图中可以看出，一阶屈曲特征值为7.1

从以上四种荷载工况计算结果可看出，一阶屈曲特征值均大于4，满足稳定性的要求。

2.5横向抗倾覆稳定性计算

履带吊荷载作用在墩位时的一阶失稳模态

对于荷载组合LCB3，主要针对无车辆通行时栈桥横向倾覆稳定性验算，关心的是钢管桩支点反力。在充分考虑风荷载和流水压力等横向荷载的作用下，经计算，钢管桩上游支点处产生了负反力，所以,钢管桩最少必须打入最低冲刷线以下2.5M的位置，根据XXX过江通道防洪评价报告资料显示，最大冲刷深度为2.86M，并结合相关规范，栈桥钢管桩的最小埋入深度应在5.36M以上，除去冲刷深度之后，桩侧土还能给钢管桩提供22.6T的向下的桩侧摩阻力，另外，在上游侧还可依靠主墩钢平台布设八字抗风来抵抗钢栈桥的侧向抗倾覆能力，所以，只要采取相关措施后，栈桥的横向抗倾覆是完全能够保证的。                  

七、结语

通过对栈桥结构分析表明，栈桥的各部位构件内力均在容许范围之内。栈桥结构是安全可靠的。

八、钢管桩埋入深度计算

 根据公路桥涵设计规范，摩擦桩入土深度不得小于4M，最大冲刷深度按XXX过江通道防洪评价报告中提供的2.86M采用，则每根钢管桩的最小入土深度为6.86M。

    k0=1+1/b=1+1/0.72=2.39

    b=d=0.72M

    kφ=0.9

    b1=kφхk0хb=0.9х2.39х0.72=1.55

    m=120000KN/M4；E=2.1х108KN/M2；I=0.0011M4；EI=231000KN-M2

    根据前面的电算结果：作用在钢管底部的最大内力分别为：

    V=358KN；H=28KN；M=153.1KN-M

    将以上数据代入桥梁桥博士基础计算程序得到钢管桩对土体的侧向应力最大值：

    ，位置在距最大冲刷线下80cm处

根据以上计算数据表明，钢管桩的入土深度达到6.86M，已完全能满足桩基受力需要。