跨海大桥栈桥平台设计及施工方案

1跨海大桥栈桥平台设计及施工方案一、工程概况1、工程简介七都大桥是跨越瓯江南汊连接温州和七都岛的主要通道。温州方向跨越江滨路与学院东路相接，七都方向与纬二路相接。中铁十局集团承建第2合同段，起点K4+016（20号墩），终点桩号为K5+137，与纬二路相接，本合同段主桥长1.121km。其主要工程分布情况为：主桥68+3×120+68m五跨预应力变截面连续箱梁桥，4×45m+5×45m移动模架造桥，4×20m+4×20m+3×20m现浇等高度连续箱梁；以及A匝道16×20米，B匝道9×20米现浇箱梁。下部构造为桩接承台，主桥部分基础为Ф200cm钻孔桩，引桥为Ф180cm钻孔桩，匝道桥为Ф150cm钻孔桩。2、地形、地貌根据钻探揭露，结合原位测试与室内土试成果，七都大桥桥址区地基土在勘察深度范围内可划分为10个工程地层。依次为填土、粘土、淤泥、含淤泥中细砂、中粗砂、粘土、卵石、圆砾混粘性土、卵石。3、气候、水文场区属亚热带海洋型季风气候，温暖湿润，雨量充沛，四季分明，全年无严寒酷暑，多年平均气温19.7℃，多年平均降水量为1700mm，降雨主要集中在5～6月的梅雨和7～9月的台风季节。温州为我国东南沿海台风的主要登陆点之一，多年台风统计频率2.4次/年，瞬时最大风力达12级以上，瞬时风速可达40m/s，定时最大风速达25m/s。七都大桥跨越瓯江南汊，两岸陆域地貌单元属河口冲海积平原区，地形相对平坦，地面高程2.0～4.5m；桥位处江面宽约1300m。瓯江口属强感潮双向河口，潮流属不规则半日型潮，平均高潮位2.712m，平均低潮位2-1.798m。4、栈桥里程桩号根据主桥跨瓯江的里程桩号，本栈桥设计里程桩号为K4+006-K4+597，设计总长为591米。二、总体设计方案1、设计通行能力根据本栈桥的使用特点和设计意图，结合主桥施工需要，确定设计最大荷载为40吨的砼罐车，轴距2.5米，其主要荷载形式为：单位KN，cm2、设计思路本栈桥设计思路是先根据栈桥荷载计算出栈桥各部位材料型号，再通过对各种材料所受到的设计荷载和恒载进行验算，如发现不满足，则重新布设并验算，直至满足设计要求。3、基本桥型布置栈桥全长591米，设计为每跨15米（五节贝雷），共计40跨，桥面宽4米，全桥分为五联，分布情况为每联八跨。浅水位置栈桥基础采用Ф630*8mm钢管桩，24#-25#为深水位置，基础采用Ф800*10mm钢管桩,桩距为3.7m；钢管桩横担为双拼I36b工字钢，长6.0m;贝雷上桥面系采用正交异性板，尺寸为3.78米*4米，桥面钢板为8mm。贝雷梁截面尺寸为3.0m×1.5m，其分布尺寸分别为45cm+112.5cm+112.5cm+45cm,共计五排。贝雷内剪刀撑用［10槽钢，外剪刀撑采用［10槽钢，钢管桩连接系采用［20槽钢。护栏采用Ф50×5钢管。在深水区的钢管桩作哑铃式连接套筒。3本栈桥所在区域地质结构复杂，风、浪、潮、流等荷载具有较强的随机性且难以确定，水流对桩周土体的冲刷严重，台风、潮汛等灾害性气候时有发生，栈桥处于恶劣的自然环境之中。三、设计资料1、基本资料表1：瓯江水中墩江底标高墩位20#21#22#23#24#25#26#27#标高-2.522-2.002-2.402-6.882-10.782-11.602-1.334+3.4钢管桩桩顶标高设计为+5米，考虑水流冲刷线为5米。表2：钢管桩的桩长为：（经过试算确定）墩位20#21#22#23#24#25#26#27#桩长24.52224.50224.40228.88232.78233.60223.33418.6计算长度2020222633352319数量6141812141642设计栈桥顶面高程+7米，高于正常潮水位。2、设计图纸设计图纸见后附图。四、材料数量表（见后附表）五、设计验算5.1贝雷梁稳定验算本栈桥为多跨连续超静定结构，为简化计算，采取一跨静定结构为计算依据，这样对于整个结构是安全的。4考虑1.29的动载系数，其最大弯矩为1664KNM,最大剪力为480KN。由《公路施工手册—桥涵》中可查得，对贝雷梁这种连续结构由外荷载产生的最大弯矩：单排单层为788.2KNM,最大剪力：单排单层为245.2KN。本栈桥设计为五排单层，五排单层结构承受的最大弯矩为788.2×5=3941KNM，最大剪力245.2×5=1226KN。Mmax=1664KNM3941KNMQmax=480KN1226KN故贝雷梁满足强度要求。5.2桩基竖向承载力计算本栈桥设计桩长见第2页表二基本设计原则为入土深度17米，考虑5米的局部冲刷深度，钢管桩设计计算长度均为12米，各钻孔资料如下：SZK6钻孔资料：（Ф630*8）层次层厚（m）岩性描述στ111.6中砂10030212.4含中砂淤泥481236淤泥质粘土6016SZK7钻孔资料：（Ф630*8）5层次层厚（m）岩性描述στ19.8中砂10030214.2含中砂淤泥501236.3淤泥质粘土6016SZK9钻孔资料：（Ф800*10）层次层厚（m）岩性描述στ111.0中细砂10030210.5淤泥501238.7淤泥质粘土6016ZK2钻孔资料：（Ф800*10）层次层厚（m）岩性描述στ15.3中细砂1003524.2淤泥5012310淤泥质粘土601645.1含砂淤泥质粘土8020SZK10钻孔资料：（Ф630*8）层次层厚（m）岩性描述στ110.9含淤泥中细砂10030211.9含细砂淤泥501234.2淤泥质粘土6016每跨栈桥上部结构自重为15吨，合150KN。桥墩为双桩结构，每墩受最大外荷载为372KN，故每墩所受合力为372+150=522KN,分配到单桩所受外力为PO=261KN。打入桩采用开口桩形式,按照建筑桩基重要性系数取1.5，即计算得出的单桩承载力：QUK≥1.5P0=1.5×261=392KN。由开口桩承载力公式：QUK=QSK+QPK=λSUΣqskLi+λPqPKAPλS开口桩侧阻挤土效应系数Ф630*8取1.0，Ф800*10取0.87λP=0.8λS（因桩入土深度/钢管桩外径≥5）SZK6钻孔资料：（Ф630*8）6QUK=QSK+QPK=λSUΣqskLi+λPqPKAP=1.0×3.1416×0.63×（6.6×30+5.4×12）+0.8×48×3.1416×0.63×0.008=521KN392KNSZK7钻孔资料：（Ф630*8）QUK=QSK+QPK=λSUΣqskLi+λPqPKAP=1.0×3.1416×0.63×（4.8×30+7.2×12）+0.8×48×3.1416×0.63×0.008=456KN392KNSZK9钻孔资料：（Ф800*10）QUK=QSK+QPK=λSUΣqskLi+λPqPKAP=0.87×3.1416×0.8×（6×30+6×12）+0.8×0.87×48×3.1416×0.8×0.012=552KN392KNZK2钻孔资料：（Ф800*10）QUK=QSK+QPK=λSUΣqskLi+λPqPKAP=0.87×3.1416×0.8×（3.5×12+8.5×16）+0.8×0.87×48×3.1416×0.8×0.012=390KN392KNSZK10钻孔资料：（Ф630*8）QUK=QSK+QPK=λSUΣqskLi+λPqPKAP=1.0×3.1416×0.63×（5.9×30+6.1×12）+0.8×48×3.1416×0.63×0.008=496KN392KN通过上述计算，单桩承载力满足设计要求。5.3钢管桩桩身稳定性计算钢管桩是受压构件，先验算其局部稳定性对于Ф630*8，D/t=630/8=78.75≤100=[D/t],无局部失稳问题对于Ф800*10，D/t=800/10=80≤100=[D/t],无局部失稳问题按桩身强度验算钢管桩的承载力钢管桩按一端嵌固，一端自由方式计算，局部冲刷线以上均为自由端Pcr=π2EI/4L2其中E-钢材的弹性模量；I-桩截面的惯性矩π（D4-t4）/64；L-桩长7图图局部冲刷线局部冲刷线对于A图，L=22米，Pcr1=π2EI/4L2=[3.14162×210×109×3.1416×（0.84-0.784）]/[4×64×222]=2073KN对于B图，L=17米Pcr2=π2EI/4L2=[3.14162×210×109×3.1416×（0.634-0.6144）]/[4×64×172]=1356KN取安全系数为nst=4Pcr1=2073KNnstP0=1044KN；Pcr2=1356KNnstP0=1044KN故结构是安全的，为保证深水区Ф800*10的压曲稳定，我们采取在两桩上焊接倒牛腿，并下沉哑铃式套筒联系梁见下图85.4土中钢管桩水平承载力计算水平承载力应满足：（1）桩体发生的弯曲应力不应超过桩材的容许弯曲应力；（2）桩头的水平变位量不应超过上部结构确定的容许变位量。便桥承受的水平荷载包括车辆制动力、风力、流水压力。1、车辆制动力按照《公路桥涵施工技术规范》JTJ041—2000规定，不得小于一辆重车重量的30%，我们取30%作为车辆制动力400×0.3=120KN。2、风力FWh=K0K1K3WdAWh；各参数取值V10=40m/s，Z-形心距水面距离取4米，K0=0.9,K1=1.36,K2=1.08,K3=1,K5=1.38,AWh=1.16m2，Wd=rVd2/2g，Vd=K2K5V10,r=0.012017e-0.0001×z，由此计算可得FWh=3KN。3、流水压力FW=KAγV2/2g=0.8×25.13×1×3.62/（2×9.8）=13KN桩顶按以上三力合力计算为H0=136KN。计算按照弹性地基梁理论进行，力学简图见下图9图图因无确切的资料，参照《实用桩基础》中的有关规定利用张氏法计算桩顶自由，已知P0=315KN,H0=136KN,E=210Gpa,L=15m,取k=22MN/m3对于800圆形桩I=π（D4-d4）/64=1.94×10-3m4,EI=407400KNm2W=0.0982（D4-d4）/D=4.8424×10-3m3；A=0.025m2α=(4/3)×(D2+Dd+d2)/(D2+d2)=2桩的特征值β=(Dk/4EI)0.25=（0.8×22000/4×407400）0.25=0.3224m-1桩的换算入土深度βL=0.3224×15=4.836πy0=H0/2EIβ3=136/2×407400×0.32243=5mmθ0=H0/2EIβ2=136/2×407400×0.32242=1.606×10-3radMmax=-0.3224H0/β=-0.3224×136/0.3224=136KNMQmax=H0e-π/2=0.2079H0=0.2079×136=28.3KN10lm=π/4β=3.1416/4×0.3224=2.436ml0=π/2β=3.1416/2×0.3224=4.872mσ1=P0/A+Mmax/W=315000/0.025+136000/4.8424×10-3=40.7Mpa[σw]=145Mpaτ1=αQ/A=2×28300/0.025=2.3Mpa[τ]=85Mpa对于630圆形桩I=π（D4-d4）/64=7.56×10-4m4,EI=158760KNm2W=0.0982（D4-d4）/D=2.401×10-3m3；A=0.016m2α=(4/3)×(D2+Dd+d2)/(D2+d2)=2桩的特征值β=(Dk/4EI)0.25=（0.63×22000/4×158760）0.25=0.3844m-1桩的换算入土深度βL=0.3844×12=4.612πy0=H0/2EIβ3=136/2×158760×0.38443=7.54mmθ0=H0/2EIβ2=136/2×158760×0.38442=2.899×10-3radMmax=-0.3224H0/β=-0.3224×136/0.3844=114