某特大桥钢栈桥修复设计计算书.doc

*特大桥 钢栈桥修复设计计算书钢栈桥修复设计计算书一、概述受今年台风“纳沙”和“尼格”的影响，从2011年9月29日中午开始至10月7日，*等地出现了持续多天的强降雨天气，普降大到暴雨，局部特大暴雨，局部地区出现了特大暴雨恶劣天气，桥位处河段内的*河水突然急剧上涨，流速加快，洪水夹带着大量的各种漂流物，迅猛扑向钢栈桥，造成钢栈桥突然变形位移，使钢栈桥承受的洪水推力突然增大，导致钢栈桥被洪水冲毁；需在原位上重新修复。二、钢栈桥设计要求 修复钢栈桥的设计要点，通过加宽钢管桩基础尺寸，以增强其侧向的整体稳定性，以及减少横水流方向的构件，达到降低漂流物对钢栈桥的横向推力的目的。（一） 钢栈桥设计结构体系1、结构尺寸:钢栈桥仍采用梁柱式型钢梁简支结构设计，跨径设计5m，桥面宽8.0m；钢栈桥平行主桥中心线，布置在主桥的上游。2、钢栈桥基础：采用直径4268mm钢管桩基础，横向钢管间距为3.2m，每排4根，在钢管桩顶开设1536cm的槽口，焊接夹住横向帽梁型钢，并在钢管桩顶采用厚度为8mm的钢板作加强板；为保证其侧向和整体稳定性，钢管桩间采用12.6槽钢设置剪刀撑和平联，纵向设置纵向联杆，另外在横桥向下游侧每10m设置1根横向加强斜撑，加强斜撑采用4268mm钢管。3、桥面系结构组成：在钢管上横桥向布置1根长12m的i36a工字钢作为帽梁，纵桥向布置7根间距1.2m的i36a工字钢作纵向承重梁；纵向承重梁上铺设宽度为1.51m、长度为8m的定型面板，定型面板纵向采用16a槽钢作边框梁、横向采用间距50cm的16a槽钢作支撑梁，支撑梁上铺设6mm钢板做面板，面板上铺设2块宽度为1.51m、厚度为10mm的钢板作行车道板。钢栈桥栏杆采用直径32mm的钢管焊接成的定型栏杆，每片长度6.0m。 考虑整体稳定性，钢管桩与型钢帽梁、纵梁、桥面板之间全部焊接成整体结构。（二）栈桥设计依据1、公路桥涵设计通用规范 （jtgd60-2004）2、公路桥涵钢结构及木结构设计规范（jgj025-86）3、公路桥涵施工技术规范 （jtj041-2000）4、港口工程荷载规范 （jtj215-98）5、公路桥涵地基与基础设计规范（jtj025-85）（三）、栈桥结构设计 按汽车超20车辆荷载及履50进行验算，不考虑刹车力。栈桥设计主要技术参数如下：1、 设计流速暂按1m/s进行计算。2、 土层力学指标 桥位处覆盖层为卵石和细砂,厚度0.21.6m、下伏中风化灰岩层基岩，其详细指标见地质勘测资料。3、 钢材为a3钢，容许应力：=145mpa。容许剪应力：=85mpa。临时工程容许应力可提高1.4。二、工况说明按以下2种不利工况进行验算：工况一：履-50t，受水流力工况；工况二：汽20营运，受水流力工况三、荷载计算参数1、荷载计算:a、履带吊50荷载：不考虑刹车制动力；履带吊自重50t，起吊重量30t，考虑吊装作业时偏载的不均衡荷载，单侧履带最大起重量为60t(g1=600kn)，相对应另一侧重量为20t(g2=200kn)，履带宽0.76m，间距4.0m，长度4.5m；履带最大作用力：p1=600kn/4.5m*=133.3kn/m。b、汽-超20荷载：单轴重按140kn、轴距1.4m；轮胎接触面宽0.2m，轮距1.8m；按集中荷载：p2=140kn。c、定型面板和行车道钢板自重(平均)：g3=1.32kn/m2d、i36a工字钢自重：g4=60.04*1.0=0.6 kn/me、作用在每根纵向梁上的定型面板和行车道钢板自重：g5=1.32*1.2=1.58kn/m f、其它荷载:p3=2.5kn/m2g、上部构造每跨总自重：g7=g3*8m*5m+g4*12m*2+g4*5m*7=88.2knh、水流力计算：根据港口规范，设计按1m/s进行计算，水深范围全断面计算。fw=*a*v2/2*g=0.7310123.140.2130.213/29.8=0.05kn即流水压力为0.05kn/m2 式中：fw钢管桩所受的水流作用力，kn；挡水形状系数，圆形采用0.73； v水流流速；暂取v=1.0m/s； a钢管桩在与水流方向垂直平面上的投影面积(m2)； g重力加速度，g=9.8m/s2 水的容重,10kn/m3 3、截面特性参数查表得:i36a工字钢截面惯性矩:i=15800 cm4i36a工字钢截面抵抗矩:w=875cm3i36a工字钢有效截面积:a=76.48cm216a槽钢截面惯性矩:i=866cm416a槽钢截面抵抗矩:w=108cm316a槽钢有效截面积:a=21.96cm2426*8mm钢管桩截面惯性矩:i=（r4-r4）/4=22941 cm4426*8mm钢管桩截面抵抗矩:w=（r4-r4）/4r =1077cm3426*8mm钢管桩有效截面积:a=105cm2四、结构验算a、工况一：履-50t，受水流力工况；截取钢栈桥中跨32#为单元进行验算。1、 钢管桩强度验算：为简化计算，钢管桩按两端铰接的压弯杆进行验算，钢管桩承受轴心压力及水流压力产生的弯矩；钢管桩长l=21.9m，每计算单元由8根钢管桩支撑，履带吊单侧荷载作用于承重梁上对钢管桩最不利，则:轴心压力n1=(履-50t单侧荷载)/2+（桥面板系自重荷载+其它荷载)/8履带吊最大单侧荷载：g1=600kn每跨自重荷载：g7=88.2kn其它荷载：p=p38.05.0=100kn轴心压力：n1=g1/2+（g7+p)/8=323.5kn回转半径r=（i/a）=22941/105=14.8cm2190/14.8148150，(受压构件容许长细比) 查表：弯曲折减系数=0.312水流压力作用下最大弯矩：m1=0.1221.921.9/8=3.0kn.m= m1/w+n1/(a3*) =3.0106/1.077106+323.5103/(1050.312102)=101.6mpa =145 mpa(强度满足要求)。 2、横向帽梁i36a验算：履带吊单侧偏载履带位于帽梁上时，对钢管桩顶上的帽梁最不利；在这一工况下，履带吊荷载的均布荷载作用到相邻的两跨上计算；桥面系自重和其它荷载按均布计算，按简支梁验算；计算跨径为：l=3.2m：履带吊单侧均布荷载：q2 =p1/2=133.3/2=66.7kn/m 桥面系荷载、其它荷栽：q3=(g7+p3*8m*5m)/2*9.6m=(88.2+2.5*8*5)/(2*9.6)=9.8kn/m，跨中弯矩：m=(q2+q3)*l2/8=76.5*3.22/8=97.9kn.m强度验算:=m/w=97.9106/875103=112mpa =145 mpa (强度满足要求。)帽梁剪应力：q=(q2+q3)*l/2=(66.7+9.8)*3.2/2=122.4kn=q/a=122.4* 103/(76.48* 102) =16mpa=85mpa满足要求挠度计算:帽梁最大挠度： fmax=5*(q2+q3)*l4/(384ei1) =(5*76.5*32004)/(384*2.1*105*15.8*107)=3.0mmf=l/400=8.0mm(刚度满足规范要求)。3、纵向承重梁i36a验算：栈桥纵向承重梁(i36a)间距为1.2m，履带宽0.76m；履带吊单侧偏载时，其履带位于1根纵梁上时，由3根纵梁共同受力,对纵梁最不利；在这一工况下，履带吊荷载、桥面系自重、其它荷载等按均布计算，按简支梁验算；计算跨径为：l=5.0m：履带吊均布荷载：q1=p1=133.3kn/m (作用于跨中荷载长度为4.5m)桥面系、其它荷载作用到每根纵梁上的均布荷载：q2=g3*1.2+g4*2+p3*0.88=1.32*1.2+0.6*2+2.5*1.2=5.8kn/m跨中最大弯矩：m1=q1* 4.5*4.5(2-4.5/5)2/8=204.3kn.mm2=q2*l2/8=5.8*52/8=18.1kn.m最大弯矩：m=m1+m2=408.3+18.1=426.4kn.m强度验算:=m/w=426.4106/8753103=162mpa =1.4145 mpa=203mpa (按临时工程提高系数1.4,强度满足要求。)纵梁剪应力：q=q1*4.5/2+q*l/2=133.3*4.5/2+5.8*5.0/2=314.4kn=q/a1=314.4* 103/(76.48*3* 102)=13.7mpa=85mpa满足要求挠度计算:纵向承重梁最大挠度： fmax=5*q*l4/(384ei)+ q1* b2* l2（2- b2/ l2-2* 25252/ l2）*25 25/ l+(2525-500) 4/( l2* b2）/(24eil) =(5*5.8*50004)/(384*2.1*105*15.8*3*107)+133.3* 45002* 50002（2- 45002/ 50002-2* 25252/ 50002）*2525/ 5000+(2525-500) 4/( 50002* 45002）/(24*2.1*105*15.8*3*107*5000)=0.5mm+10.9mm=11.4mmf=l/400=12.5mm(刚度满足规范要求)。4、定型面板边框梁16a槽钢验算：定型面板边框梁16a间距138cm，履带宽0.76m；履带吊单侧偏载时，其荷载由2根边框梁16a承受；在这一工况下，履带吊荷载、钢板及16a槽钢自重、其它荷载等按均布计算，按三等跨连续梁为计算单元进行验算；计算跨径为：l=1.2m：履带吊均布荷载：q1=600kn/4.5m=133.3kn/m 钢板及16a槽钢自重,其它荷载作用到分配梁上的均布荷载：q2=g3*1.38*1.2+p3*1.38*1.2=1.32*1.38*1.2+2.5*1.38*1.2=6.3kn/m，作用到2根16a槽钢上的均布荷载:q=q1+q2=133.3+6.3=139.6kn/m跨内最大弯矩：m=0.1*q*l2=0.1*139.6*1.22=20.1kn.m强度验算:=m/w2=20.1106/1082103=93mpa =145 mpa(强度满足要求)。边框梁剪应力：q=0.6*q*0.88=0.6*139.6*1.2=101.4kn=q/a2=100.5* 103/(21.96*2* 102)=22.9mpa=85mpa满足要求b、工况二：汽超20营运工况。汽超20按集中荷载考虑；截取钢栈桥中跨32#为单元进行验算。1、钢管桩强度验算：为简化计算，钢管桩按两端铰接的压弯杆进行验算，钢管桩承受轴心压力及水流压力产生的弯矩；钢管桩l=21.9m，每计算单元由8根钢管桩支撑，汽超20两轮的集中荷载作用于承重梁上对钢管桩最不利，轮距为1.8m，轴重p2=140kn。则:轴心压力n=汽超20按集中荷载+（桥面板系自重荷载+其它荷载)/8汽超20按集中荷载：p1=140kn每跨自重荷载：g7=88.2kn其它荷载：p=p385=100kn轴心压力：n=p1+（g7+p)/8=163.5kn回转半径r=（i/a）=22941/105=14.8cm2190/14.8148150，(受压构件容许长细比) 查表：弯曲折减系数=0.312水流压力作用下最大弯矩：m=0.1221.921.9/8=3.0kn.m= m/w+n/(a*) =3.0106/1.077106+163.5103/(1050.312102)=52.7 mpa =145 mpa(强度满足要求)。 2、横向帽梁36a验算：汽超20集中荷载位于帽梁上时，对钢管桩顶的帽梁最不利；在这一工况下，汽超20按集中荷载荷载作用到相邻的两跨上计算、面板自重、其它荷载等按均布计算，按简支梁验算；计算跨径为：l=3.2m：汽超20按集中荷载：p1=140/2=70kn (两集中荷载距离为1.8m)面板,其它荷栽：q2=(g7+p3*8m*5m)/2*9.6m=(88.2+2.5*8*5)/(2*9.6)=9.8kn/m，跨中弯矩：m1=p1*(2*0.7+1.8)*1.6/3.2=112kn.mm2=q2*l2/8=9.8*3.22/8=12.5kn.m最大弯矩：m=m1+m2=112+12.5=124.5kn.m强度验算:=m/w=124.5106/875103=142mpa =145 mpa (强度满足要求)。帽梁剪应力：q=p1*(2*0.7+1.8)/3.2+q2*l/2=70*(1.4+1.8)/3.2+9.8*3.2/2=85.7kn=q/a=85.7* 103/(76.48* 102) =11.2mpa=85mpa满足要求挠度计算:帽梁最大挠度： fmax=5*q2*l4/(384ei1)+ p1*a*（2a+c）*l2-4* a2*l+2* a3- a2 b- c3/(6eil) =(5*9.8*32004)/(384*2.1*105*15.8*107)+70* 103*700(2*700+700)* 32002-4* 7002*3200+2* 7003- 7002*1800- 7003/(6*2.1*105*3200*15.8*107)=0.4mm+1.1mm=1.5mmf=l/400=8.0mm(刚度满足规范要求)。3、纵向承重梁36a验算：纵向承重梁36a间距为1.2m，轮胎接触面0.2m，轮胎宽0.6m，轴距1.4m；汽超20轴重的集中荷载作用于1根纵向承重梁上时，由相邻两跨3根纵梁共同受力；在这一工况下，汽超20按集中荷载、桥面系自重和其它荷载按均布计算，按简支梁验算；计算跨径为：l=5.0m：汽超20轴重按集中荷载：p1=140kn (两集中荷载距离为1.4m)面板、其它荷载作用到每根纵梁上的均布荷载：q=g3*1.2+g4*3+p3*1.2=1.32*1.2+0.6*3+2.5*1.2=6.4kn/m，跨中弯矩：m1=p1*(2*1.8+1.4)*1.8/5.0=252kn.mm2=q*l2/8=6.4*5.02/8=20kn.m最大弯矩：m=m1+m2=252+20=272kn.m强度验算:=m/w=272106/8753103=104mpa =145 mpa (强度满足要求。)纵梁剪应力：q=p1*(2*1.8+1.4)/5.0+q*l/2=140*(3.6+1.4)/5.0+6.4*5.0/2=156kn=q/a=156* 103/(76.48*3* 102)=6.8mpa=85mpa满足要求挠度计算:纵向承重梁最大挠度： fmax=5*q*l4/(384ei)+ p1*a*（2a+c）*l2-4* a2*l+2* a3- a2 b- c3/(6eil) =(5*6.4*50004)/(384*2.1*105*15.8*3*107)+140* 103*1800(2*1800+1800)* 50002-4* 18002*5000+2* 18003- 18002*1400- 18003/(6*2.1*105*5000*15.8*3*107)=0.5mm+6mm=6.5mmf=l/40