12m跨6m宽栈桥设计

1、珠海市金港路横琴北段（横琴二桥）工程二标跨中心沟及横琴互通水域栈桥设计计 算 书设 计 : 复 核 : 审 批 : 中交四公局珠海横琴二桥二标总项目经理部 二0一三年八月目 录一、工程概况1二、设计依据1三、支架结构设计1四、栈桥边界条件4五、栈桥荷载5六、结果分析7七、贝雷支架钢管桩设计16八、吊装偏载计算18九、钢管柱间剪刀撑及平联焊缝验算18跨中心沟及横琴互通水域栈桥设计一、工程概况南引桥K6+565K7+757段跨越中心沟水道，其中92#97#墩位于该水道中，该段桥梁设计为大挑臂展翅现浇连续箱梁，桥幅全宽33.5m，跨径50m。横琴互通B匝道桥BK0+353.173BK0+434.17

2、3段、C匝道桥CK0+330.408CK0+519.408段跨越横琴互通西侧围海造塘水域，其B匝道桥第B9#B11#墩、C匝道桥第C7#C14#墩位于该水域内，该段桥梁设计为现浇连续箱梁，桥幅全宽10.5m，跨径27m。为完成跨中心沟水道南引桥及横琴互通水中桥梁施工，需在中心沟水道南引桥左侧、横琴互通水域B匝道桥右侧、C匝道桥左侧搭设栈桥作为设备物资运输及人员通道，栈桥设计跨度12m，宽6m，跨中心沟水道栈桥中线距离新桥设计中心线23m，栈桥长204m，共计17跨，跨横琴互通西侧水域栈桥中线距离新桥设计中心线10.5m，栈桥长231m，共计18跨。桥位区域属围海预留水道及围海造塘地貌，地层岩性

3、为淤泥、黏土、淤泥质粘土、粗砂、砾质黏土，下伏基岩为燕山期花岗岩，淤泥层厚2040m，主要为海相沉积和海陆交互相沉积淤泥、淤泥质土，厚度分布不均匀，土质软，饱和，呈软塑至流塑状，灵敏度高、强度低、触变性高，为完成桥梁施工，需在中心沟水道主线左侧及横琴互通主线右侧水域搭设栈桥作为设备物资运输及人员通道，栈桥采用桩柱式贝雷梁支承体系。二、设计依据1、珠海横琴二桥南引桥及互通匝道桥施工图、工程地质勘察报告2、公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)3、公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）4、钢结构设计规范（GB50017-2003）5、公路工程技术标准(JTG B01-200

4、3)6、路桥涵施工技术规范（JTGT F50-2011）7、路桥涵地基与基础设计规范（JTGD63-2007）三、支架结构设计1、栈桥结构总体设计栈桥设计跨度12m，宽6m，采用桩柱式贝雷梁支承体系，该栈桥结构采用MIDAS/CIVIL 建立空间杆系有限元分析模型，跨中心沟栈桥长204m，共计17跨，按连续梁设计，取3跨建立栈桥模型如图1“三跨12m跨栈桥计算模型整体图”，横琴互通水域栈桥231m，共计18跨，其中C匝道桥栈桥4×12m+2×12m+2×12m+2×12m+2×12m,共计12跨，B匝道桥栈桥21×12m+2×

5、;12m+2×12m,共计6跨，因互通匝道桥曲线半径较小，栈桥分联按折线布置,各折线段按连续梁设计，转折处设置钢管格构墩，取2跨建立栈桥模型如图2“两跨12m跨栈桥计算模型整体图”。2、栈桥钢管桩基础栈桥钢管桩基础选用A3钢P630×8mm钢管，钢管桩纵向间距12m，横向间距为4.5m，钢管桩根据计算模型分析所得钢管柱支承反力确定钢管桩单桩承载力，再结合地质情况计算钢管桩沉入土层深度，详见“七、栈桥钢管桩设计”。为使桩能承受巨大的锤击应力，在钢管接口外圈贴焊加强钢板，钢管桩与钢管柱设置连接钢板及加劲肋。图1 三跨12m跨栈桥计算模型整体图图2 两跨12m跨栈桥计算模型整体图

6、3、栈桥临时墩栈桥临时墩（钢管立柱）均采用A3钢P630×8mm钢管 ，钢管柱间设置横向平联及剪刀撑，平联及剪刀撑均采用A3钢C160x63x6.5/10，柱顶支承梁采用A3钢双I45b型钢，中心沟栈桥每56跨设置一制动墩，详见图3“跨中沟栈桥制动墩模型图”，横琴互通匝道桥转折处设置格构临时墩，即在转折处的两排临时墩间设置平联及斜撑，如图4 “横琴互通钢管格构墩模型图”，转折处格构临时墩柱顶支承梁采用A3钢双I45b型钢，结构计算时取最不利状况（单排墩受力状况）进行强度刚度及稳定性分析。图3 跨中沟栈桥制动墩模型图 图4 钢管格构墩模型图4、栈桥支承纵梁桩柱式贝雷支架采用国产定型贝雷

7、片、支撑架及其附件拼装成纵向承重梁，贝雷片采用16Mn钢制作，支撑架采用A3钢制作，贝雷梁单层设置，6排、间距90+135+90+135+90cm，贝雷梁顶布置横桥向A3钢I25b工字钢做分配梁，间距约1.5m，横向分配梁顶布置纵桥向A3钢I12工字钢做纵向分配梁，间距约0.3m，因格构临时墩转折处横向分配梁间距过大（最大间距达2.7），该位置采用A3钢I20a工字钢做纵向分配梁，纵向分配梁顶均布置厚8mm压花钢板做桥面板。5、 3跨（36m）栈桥材料用量（见表1）表1 3跨（36m）栈桥材料用量表 截面号 截面名 料名 规格 容重（KN/m3） 长度（mm） 重量（KN） - - - - -

8、 - - - - - - -1 弦杆 16Mn 国标 7.698e-008 4.320e+005 8.353e+001 2 腹杆 16Mn 国标 7.698e-008 8.747e+005 6.137e+001 3 支撑架 A3 国标 7.698e-008 3.443e+005 1.320e+001 4 横向分配梁 A3 I250x118x10/13 7.698e-008 1.500e+005 6.179e+001 5 纵向分配梁 A3 I12 7.698e-008 7.182e+005 8.127e+0016 支承梁 A3 I45b 7.698e-008 2.400e+004 4.087e+

9、001 7 钢管柱 A3 P630×8mm 7.698e-008 6.400e+004 7.702e+0018 剪刀撑及平联 A3 C160x63x6.5/10 7.698e-008 5.740e+004 9.698e+0009 贝雷梁联系剪刀撑 A3 C 8.0 7.698e-008 1.362e+005 1.074e+001 10 桥面板 A3 8mm厚钢板 7.698e-008 1.261e+002- 合计: 5.656e+002备注：不含钢管桩材料用量，贝雷片72片，90cm支撑架45片。四、栈桥边界条件栈桥设计模拟支架实际边界情况及不同梁单元、桁架单元之间荷载传递情况，分部

10、位做出不同的边界约束条件、单元之间的释放梁端约束、接刚性连接、弹性连接，栈桥边界条件设置如图5“三跨栈桥支架边界条件及连接设置图”，两跨连续梁模型边界条件及连接设置同三跨连续梁。图5 栈桥支架边界条件及连接设置图五、栈桥荷载1、恒荷载添加自重荷载MIDAS/CIVIL软件可以根构件的实际重量自动添加，自重按照恒荷载工况添加后和其他施工荷载组合计算。2、移动荷载添加工况一：履带吊荷载作用在跨中，按照50t 履带吊，吊重20t，考虑1.1 的冲击系数，总荷载为77t，履带吊履带中心距为3.6m（边到边为4.3m）的均布荷载，荷载宽度为0.7m,单条履带横向由三条纵向分配梁承受，长度为5m，每条工字

11、钢承受的均布荷载大小为770÷2÷3÷5=25.67KN/m；汽车等级为公路-I级，按一个车道布置，公路-I级车辆荷载主要技术指标如下表2“车辆荷载主要技术指标”，车辆荷载按后轴荷载作用在跨中位置开始依次加载后轴、中轴及前轴重力标准值，详见图6“工况一三跨连续梁栈桥移动荷载加载图”，工况一主要用于验算栈桥梁部在最不利结构受力状况下结构的安全性及适应性。工况二：履带吊荷载作用在钢管排架墩位置，按照50t 履带吊，吊重20t，考虑1.1 的冲击系数，总荷载为77t，履带吊履带中心距为3.6m（边到边为4.3m）的均布荷载，荷载宽度为0.7m,单条履带横向由三条纵向分配

12、梁承受，长度为5m，每条工字钢钢承受的均布荷载大小为770÷2÷3÷5=25.67KN/m；汽车等级为公路-I级，按一个车道布置，车辆荷载按后轴荷载作用在跨中位置开始依次加载后轴、中轴及前轴重力标准值，详见图7“工况二三跨连续梁栈桥移动荷载加载图”，工况一主要用于验算栈桥钢管排架墩在最不利结构受力状况下结构的安全性及适应性，确定钢管排架墩墩单桩承载力要求。工况三：同工况一的第一、二跨荷载布置。工况四：同工况二的第一、二跨荷载布置。图6 工况一：三跨连续梁栈桥移动荷载加载图 图7 工况二：三跨连续梁栈桥移动荷载加载图表2 车辆荷载主要技术指标5、荷载组合NUM NA

13、ME ACTIVE TYPELOADCASE(FACTOR) + LOADCASE(FACTOR) + LOADCASE(FACTOR)1 sLCB1 承载能力 相加 自重( 1.000) + 移动工况( 1.000)2 sLCB2 使用性能 相加 自重( 1.000) + 移动工况( 1.000)六、结果分析1、钢管桩柱式贝雷栈桥强度分析1）纵向分配梁强度图8 工况一：纵向分配梁组合应力图图9 工况一：纵向分配梁剪应力图纵向分配梁采用A3钢、I12工字钢制作，间距约0.3m，顶铺厚8mm压花钢板，建模加移动荷载时，未考虑压花钢板对荷载的分配作用（偏安全），移动荷载直接加在纵向分配梁上，最大拉

14、应力出现在汽车后轮作位置，纵向分配梁最组合应力156MPa，略大于规范规定允许应力145 MPa，最大剪应力55.9MPa，小于规范规定允许应力85 MPa，可以接受。2）贝雷梁强度图10 工况一：三跨连续梁栈桥贝雷梁弦杆组合应力图图11 工况三：两跨连续梁栈桥贝雷梁弦杆组合应力图图12 工况三：两跨连续梁栈桥贝雷梁弦杆剪应力图弦杆采用16mMn钢制作，工况三弦杆最大组合应力144.3MPa于规范规定允许应力210 MPa，最大剪应力83.0MPa，小于规范规定允许应力120MPa。图13 工况一：三跨连续梁栈桥贝雷梁腹杆组合应力图图14 工况四：两跨连续梁栈桥贝雷梁腹杆组合应力图腹杆采用16

15、mMn钢制作，工况四腹杆最大组合应力214.7MPa，略大于规范规定允许应力210 MPa，但为超过5%，可以接受。3）横向分配梁强度图15 工况一：横向分配梁组合应力图横向分配梁采用A3钢制作，最大压组合力57.1MPa小于规范规定允许应力145 MPa。4）柱顶支承梁强度图16 工况二：顶支承梁组合应力图图17 工况四：顶支承梁组合应力图柱顶支承梁采用A3钢制作，最大组合应力64.5 MPa，小于规范规定允许应力145 MPa。 5）钢管柱强度图18 工况二：钢管柱组合应力图图19 工况四：钢管柱组合应力图钢管柱采用A3钢制作，工况四钢管柱最大压组合应力77.6 MPa，小于规范规定允许应

16、力145 MPa。6)跨中心沟栈桥制动墩支承梁强度图20 工况二：制动墩支承梁组合应力图制动墩支承梁采用A3钢制作，工况四制动墩支承梁最大压组合应力112.2 MPa，小于规范规定允许应力145 MPa。7）横琴互通栈桥转折处纵向分配梁强度图21 履带吊荷载作用转折处纵向分配梁组合应力图图22 汽车荷载作用转折处纵向分配梁组合应力图横琴互通栈桥转折处（钢管格构墩位处）桥面板纵向分配梁强度验算取计算跨径取3m，分履带吊荷载及汽车荷载两种荷载在作用情况，荷载计算同工况一、工况二情况，分别算得每条纵向分配梁（I20a工字钢）承受的均布荷载大小为770÷2÷3÷5=25.

17、67KN/m；汽车后轴作用在工字钢上的节点荷载为140/4=35KN。横琴互通栈桥转折处纵向分配梁采用A3钢制作，纵向分配梁最大压组合应力122.7MPa，小于规范规定允许应力145 MPa。2、钢管桩柱式贝雷栈桥刚度分析1）贝雷梁刚度图23 工况一：三跨连续梁栈桥贝雷梁竖向位移图贝雷梁最大位移12.3mm，小于规范规定的30mm（L/400，对应L=12m），刚度满足要求。图24 工况三：两跨简支栈桥贝雷梁竖向位移图工况一、贝雷梁最大位移12.3mm，小于规范规定的30mm（L/400，对应L=12m），刚度满足要求。2）横琴互通栈桥转折处纵向分配梁刚度图25 汽车荷载作用转折处纵向分配梁竖

18、向位移图汽车荷载作用转折处纵向分配梁竖向最大位移6.0mm，小于规范规定的7.5mm（L/400，对应L=3m），刚度满足要求。3、 钢管桩柱式贝雷支架稳定性分析由于贝雷梁结构之间采用制式构件连接，保证稳定性满足要求可以不进行稳定性计算，栈桥稳定性分析主要在于钢管排架柱。工况二、中间钢管立柱支承梁节点反力从左至右依次为131.1KN、207.0KN、164.1KN、149.5KN、207.3KN、174.4KN；工况四、中间钢管立柱支承梁节点反力从左至右依次为142.3KN、213.8KN、175.3KN、161.3KN、219.2KN、185.8KN，如图26所示。 图26 工况二、工况四：

19、钢管排架柱支承梁节点反力图图27 工况二：钢管排架柱一阶失稳模态图图28 工况四：钢管排架柱一阶失稳模态图工况四、一阶失稳临界荷载系数为10.9，说明结构整体稳定性符合要求，构件稳定性及连接件强度验算，可以通过提取对应内力，结合规范进行计算。表3 工况二、钢管排架柱屈曲分析临界荷载系数表4 工况四、钢管排架柱屈曲分析临界荷载系数七、贝雷支架钢管桩设计1、钢管桩单桩承载力计算钢管桩单桩承载力要求根据栈桥柱底反力乘相应的提高系数确定，工况二、最大桩端反力为550.4KN，工况四最大桩端反力为580.3KN，如按1.1的提高系数，则要求单桩最大承载力为1.1×580.3KN=638.3KN。图29 工况二：桩柱式贝雷栈桥柱底反力图图30 工况四：桩柱式贝雷栈桥柱底反力图2、钢管桩长度计算钢管桩理论长度按公路桥涵地基与基础设计规范JTGD63-2007第-3条结合地质资料计算确定，淤泥层qik=15KPa,qrk=60KPa, 黏土层qik=60KPa,qrk=180KPa,实际桩长按锤击荷载现场确定。理论计算桩长（不含立柱长度），桩埋入淤泥段长25m，黏土段长4m，Ra=0.5*（*0.63*25*15+*0.63*4*60+*0.3152*180）=636.66KN。理论计算桩长29m，不含河床面以上立柱长度。八