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钢栈桥施工方案

(1)、成都二绕城高速西段B2合同工程施工合同及招标文件

(2)、成都二绕城高速西段B2合同工程二阶段施工图设计文件

(3)、公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004);

(4)、公路桥涵地基与基础设计规范(JTJ D63-2007);

(5)、公路桥涵钢结构设计规范(GB50017-2003);

(6)、公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2002);

(7)、港口荷载规范(JTJ215-98);

(8)、装配式公路钢桥多用途使用手册 (广州军区工程科研所);

(9)、公路桥涵施工技术规范(JTJ041-2000);

(10)、公路工程质量评定标准(JTG F80/1-2004);

(11)、港口工程设计手册。

(12)、本公司在大海、长江、黄河项目施工中的栈桥设计与制安经验

工程概况

1.2.1项目环境基本情况

成都二绕城高速西段B2合同工程府河特大桥工程,主桥为三跨连续箱梁桥,跨越府河。府河为季节性河流,河水较浅,常规深度约4~5米;水流湍急,估计2m/s左右;河中丁坝和溢流坝较多,多横跨府河;河滩较宽较平缓;河床淤积层估计约2~3米,其下为较厚的稍密实砂卵石层,卵石粒径2~40cm。

工程所在地外围交通较发达,需建设顺路线方向施工便道进入各个施工点。

1.2.2项目总体构造

府河特大桥主桥采用72+120+72m变截面连续箱梁。本栈桥为主桥施工和对岸引桥施工服务。

本栈桥考虑河床覆盖层浅、砂卵石层厚的特点,将栈桥桥跨布置为4×9+3+12+3+4×9m=90m布置。中间2个3米跨的钢管桩,各自4根连接成单元整体桥墩,以抵抗栈桥受水流冲击、河流漂浮物阻力、钢管桩埋置河床深度不足的影响。

1.2.3工程地质

2.1.1栈桥功能

栈桥的主要作用和功能为:

⑴施工两岸的砼运输;

⑵施工机械设备与材料进场或转场;

⑶水电通道、人员交通。

2.1.2栈桥设计遵循原则

本栈桥主要遵循的是“安全”和“经济”的原则。

“安全”原则,要求栈桥具有足够的承载能力,因此,设计标准不可偏小,结构的强度、延性都应留有足够的富余度。

“经济”原则,要求栈桥的设计应该通过各方面的优化尽量降低造价。

从“经济”原则出发,栈桥的使用期为2年,作为临建工程,取重现期5年一遇的自然灾害和环境条件进行设计,因此,栈桥设计标准的确定,在本质上是在“安全”与“经济”之间寻求最优平衡。

2.1.3栈桥设计方案比选

(一)单车道和双车道之间进行比较选择

栈桥长度小,单车道能满足常规交通运输要求。通视良好,易于掌握栈桥路况,如有车辆双向行驶时,欲上桥的车辆可以在陆地停车场等候通行。

(二)混凝土桥面板和钢板桥面板进行比较选择

栈桥主梁进行贝雷梁及H型钢梁比较,拟采用贝雷梁组拼,它具有自重轻,跨越能力高,拼装方便,扰度小等优点,栈桥上部结构安装时采用70t履带吊逐孔“钓鱼法”架设。

栈桥主要技术标准及设计说明

2.2.1主要技术标准及设计参数

(1)通行能力及承载能力:

栈桥设计荷载主要考虑结构自重和100t集中荷载以及公路—Ⅰ级汽车荷载。栈桥两端与砼桥台连接,桥台后方为加宽的填筑路基,路基设置满足车辆的转向、变向及会车等需求。栈桥上行走车辆主要为集中力100t荷载,根据计算,栈桥设计公路I级汽车荷载可满足需求。

(2)结构型式:

钢栈桥设计为2Φ720mm×8mm钢管桩基础(中心距450cm)+2I32b工字钢横向托梁(跨中加I32a八字斜撑)+3组单层双排贝雷梁主纵梁+I25a工字钢横向分配梁(间距150cm)+I14工字钢纵向分配梁(间距24~48cm不等)+8mm厚花纹钢板桥面板(2组宽120cm的走道板)+2道宽150cm以及1道宽60cm的5cm厚木板结构。

3米跨度的钢管桩四周设置斜撑,使其成群桩桥墩,以抵抗钢管桩崁固深度不足的缺陷,同时,也是抵抗水流和洪水期漂浮物的阻力的措施。

因为考虑钢管桩崁固深度不足,其余跨之间,以I32a工字钢在贝雷梁下2.5m~3m 处纵向连接,以增加安装时单排钢管桩桥墩排架的稳定性。

钢管桩排架墩由于崁固深度不足,横向设置2层I32a工字钢连接,以增加其横向刚度。

桥面板设计,考虑桥梁是单向行车,仅考虑在砼搅拌运输车的轮距,设置2组宽120cm 的行车走道钢板。其余空缺处,设置3组木板走道(木板厚5cm )。

考虑工字钢的后期适用性,横向连接的工字钢,均设计6m 长。 (3)桥长:桥跨布置4×9m+3m+12m+3m+4×9m =90m 。

(4)桥宽:栈桥桥面宽6米(钢管桩横向间距450cm ),行车道宽。 (5)桥位:

栈桥修建在河床覆盖层(泥砂)厚度大于3米的府河(覆盖层下为稍密实的砂卵石)。 (5)调头平台:在桥台两端路基处。 (6)高程:

考虑到最高潮水位为+447.66m ,因此栈桥桥面标高定为+450.61m ,在高潮时,海平面距桥面垂直距离在2m 左右,普通风浪对栈桥上部结构不会产生较大影响。

(7)平纵线:栈桥除了桥台设置桥头引道,其余不设纵坡。 (8)安全装置:

栈桥两侧设置60cm 高的I28a 工字钢行车防撞护栏,其顶部设置50cm 高的人行钢管护栏,并用安全网满铺。

(9)航道:栈桥范围不设置通航道。 (10)防腐蚀:

河床以下5米至贝雷梁底的钢管桩,涂刷乳化沥青防大气和水的腐蚀。 2.2.3平面位置 祥见设计图。

2.2.4结构设计

2.2.5基础

(1)桥台

海岸陆地设U型桥台,桥台基础底面尺寸为7740×6500mm,采用片石混凝土基础。

桥台搭板为C25素混凝土,台背采用M10浆砌MU30块片石结构,台帽为C30Φ12钢筋的钢筋砼结构。

(2)钢管桩基础

基础采用Φ720×8mm钢管桩,每排2根,中心间距4.5m。钢管桩间采用I32a工字钢做联系梁,桩顶设250mm凹槽,2根I32a工字钢横梁嵌入钢管桩中。

钢管桩桩顶高程+448.392m,钢管桩长度,钢管桩伸入河床底以下应大于4m。

栈桥钢管桩布置示意图

2.2.6 桩顶2I32b托梁

钢管桩顶部设置2根I32b工字钢托梁,2根I32a合扣成箱型,采用间断焊接。托梁嵌入钢管桩内250mm,以保证托梁的横向稳定性,主梁与托梁通过限位器固定。桥台支座处贝雷梁上下弦之间用2根【10槽钢进行竖杆加强。

钢管桩顶托梁布置示意图

2.2.7 贝雷主纵梁

栈桥采用6片3组贝雷梁作为主梁,贝雷梁组之间间距为4.5m,一组贝雷梁片与片中心间距0.90m。主梁与I32a托梁通过限位器固定。

2.2.8 I25a工字钢横向分配梁(横梁)

贝雷梁顶面,设置纵向中心间距1500mm的I25a工字钢横梁,横桥向布置,I25a 横梁通过U型卡与贝雷片连接。

2.2.9 I14工字钢纵向分配梁(纵梁)

I28a顶面设置I14工字钢纵向分配梁,横向中心间距300mm,顺桥向布置。I14纵梁与桥面板及横梁均焊接牢固。

2.2.10 桥面板(δ=8mm防滑花纹钢板)

栈桥车行道桥面板,为防滑花纹A3钢板,钢板厚度为8mm,钢板焊接在中心间距240mm的I14工字钢纵梁上,其余走道为5cm厚木板

2.2.11 附属结构

栈桥栏杆,由行车防撞栏杆和行人防坠栏杆组成。

行车栏杆立柱采用I28a工字钢,间距1500mm,水平栏杆采用I14工字钢;

行人栏杆立柱采用Φ60×4mm钢管焊接在I28a立柱上,间距1500mm,立柱间采用Φ40×4mm钢管连接。

栈桥两侧每隔12m设置一道警示灯,以便夜间起到警示作用,防止船舶撞击栈桥。

栈桥桥面板及栏杆布置示意图

、防腐蚀设计

2.3.1 钢管桩防腐蚀设计

因钢栈桥基础上部长期暴露在空气中,下部浸泡在河水中,河水和潮湿的空气对钢管的腐蚀性较大,且栈桥使用周期长,因此,钢管施打前,采取粉刷乳化沥青进行防腐处理,处理范围为海床底以下5米至钢管桩顶,约13米。

2.3.2 托梁、贝雷梁、桥面系等防腐蚀设计

采取喷涂防锈油漆处理。先喷二道红丹防锈漆,再喷一道外漆。

栈桥防撞设施设置

为了保证栈桥施工及使用过程的安全,施工前应首先在流域上下游设置临时助航标志,以避免过往船只碰撞栈桥。同时应在航道周边设置防撞设施,以减低船舶和栈桥的伤害程度,并避免灾害扩大的方法。

第三章钢栈桥受力计算

概述

根据本栈桥施工荷载要求,参照《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)及《港口工程荷载规范》(JTJ254一98),将栈桥设计取3种状态:“工作状态”、“非工作状态”和“灾难状态”。“工作状态”是指在自然条件中不发生影响施工的风、雨、潮、浪等情况,栈桥可以正常使用时的状态。此时栈桥上存在着大量的施工人员、施工车辆和机械。栈桥承受的荷载为自重、施工荷载以及对应的风浪流荷载。其中,风、浪、潮等自然荷载的重现期取5年。

“非工作状态”是指自然条件中发生较大的风、雨、潮、浪等,栈桥上不允许通行车辆的状态。由于风荷载大时往往浪、潮也较大,且风对于施工安全的威胁最大,因而以风的强度为指标划分“工作状态”和“非工作状态”。经研究,认为达到8级风时栈桥进入非工作状态。此时,栈桥仅承担自重和风、浪、流荷载。此时风、浪、潮等自然荷载的重现期取10年。

由于该区域所处环境恶劣,为了保证结构的安全,在设计时,对应加强设计,除了考虑“工作状态”与“非工作状态”以外,还考虑“灾难状态”。

所谓“灾难状态”,是指栈桥可能经受的最不利极端状态,为台风与天文大潮的组合。此时风、浪、潮等自然荷载的重现期取20年。

以上3种状态具体化为6种工况。

表、栈桥的设计状态与最不利工况

注:工况Ⅱ为栈桥在自身施工期间可能出现的最不利施工荷载组合,经反复计算,以单跨栈桥通行履带吊施工荷载及履带吊在前端打桩时控制设计。

计算范围

计算范围为栈桥的基础及上部结构承载能力,主要包括:桥面板→I14→I25a→贝雷梁→横桥向I32a工字钢→钢管桩。

主要计算荷载

恒载:结构自重;

活载:9立方混凝土罐车荷载; 水流压力、波浪荷载、风荷载。 冲击系数:汽车()。

荷载组合:1、恒载+汽车荷载+水流压力+波浪力+风力; 2、恒载+履带吊车+水流压力+波浪力+风力。 栈桥主要控制计算工况

①跨径为12m 钢栈桥在活载工况下的整体刚度、强度和稳定性; ②水流波浪风力作用下的栈桥的整体刚度、强度和稳定性; 计算过程(手算)

本栈桥主要供混凝土罐车走行,因而本栈桥荷载按公路I 级及9立方米混凝土罐车荷载分别检算;

本栈桥恒载主要为型钢桥面系、贝雷梁及墩顶横梁等结构自重。并按以下安全系数进行荷载组合:恒载,活载。根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》规定:临时结构容许应力可提高(组合Ⅰ)、(组合Ⅱ~Ⅴ)。本栈桥弯曲容许应力取MPa 2031454.1=?,容许剪应力取MPa 119854.1=?。

3.5.1活载计算

活载控制设计为9m 3砼运输车(按车与荷载总重35t 计),参考国内混凝土运输车生产厂家资料及规范汽车-超20级车辆荷载布置,单辆砼运输车荷载为3个集中荷载70kN 、140kN 和140kN ,轮距为4.0m 、1.4m ,计入冲击系数后,其集中荷载为77kN 、154kN 和154kN 。

面板计算 (1)结构型式

本平台面板为8mm 厚花纹A3钢板,焊接在中心间距240mm 的I14工字钢横梁上。 (2)荷载

混凝土运输车轮胎宽度(前轮宽300mm ,中后轮宽600mm ),着地长度200mm ,均大于工字钢纵梁间距,荷载直接作用在I14工字钢上,故桥面板可不作检算,满足要求。

I14工字钢纵梁计算

I14工字钢纵梁直接放置于I25a 横梁上,保守按简支梁检算。

按混凝土罐车荷载验算,I14工字钢横梁自重m kN g /17.0=,桥面板自重不计。 (1)混凝土运输车荷载

混凝土运输车前轮着地宽30cm ,由一根纵梁承受,则单根纵梁在前轮作用下受集中力为77KN/2=。

(3)材料力学性能参数及指标 I14工字钢横梁:

461012.7mm I ?= 3510017.1mm W ?= 22150mm A =

26462111049.11012.7/101.2Nm m m N EI ?=???=-

(4)力学计算

混凝土运输车荷载下前轮受力简化图示如下:

可得,在混凝土运输车下I14工字钢纵梁受最不利荷载(保守按简支梁计算): 在混凝土运输车荷载作用单根I14工字钢横梁:

kNm m

KN PL M 43.144

5.15.384max =?==

kN kN P Q 25.1925.382max ===

a 、强度检算

[]MPa MPa mm Nmm W M 20314210017.11043.143

56max max =<=??==σσ,合格; []MPa

MPa mm Nmm

A Q 11995.821501025.1923max max =<=?==ττ,合格;

b 、刚度检算

mm

mm EI EI Pl f 5.26001500

83.13845.179.388384833max =<=???==,合格。

I25a 工字梁横梁计算 (1)结构型式

横梁采用I25a 工字钢,工字钢横梁安装在净距1174mm 的单层三排贝雷梁上,计算时保守按照简支梁1200mm 跨径。

(2)荷载

I25a工字钢荷载全部由上部I14传递而来,故验算I25a受力时,集中荷载偏保守全部按照I14最大剪力。此时结构自重对受力影响不大,予以忽略。

(3)材料力学性能参数及指标

I25a工字钢横梁:

4

7

10

02

.5mm

I?

=

3

5

10

01

.4mm

W?

=

2

4850mm

A=

2

6

4

5

2

1110

5.

10

10

02

.5

/

10

1.2Nm

m

m

N

EI?

=

?

?

?

=-

(4)力学计算

轮胎作用于跨径1.2m简支梁,其力学图示如下:

弯矩图示如下:

剪力图示如下:

x KNm

M72

.

27

max

=

kN Q77

max

=

3

4.

401cm W=

[]MPa MPa m KNm

W M 2031.69104.40172.2736max max =<=?==

-σσ,满足要求。 []MPa MPa m m KN A Q 119482.0008.077max max =<=?==

ττ,满足要求。

贝雷主梁计算

主梁由六片单排单层贝雷梁组成,两片成一组,间距900mm ,组与组间距2250mm ,安装在2根I32a 横梁上。主梁按单孔单车道混凝土运输车荷载和公路I 级分别验算。

主梁以上恒载为桥面板、I14工字钢纵梁、、I25a 工字钢横梁,其荷载大小为(以最大跨径12m 控制计算):

kN g 95100/]08.38888.1612237850008.0612[2.1=?+??+????=

则单跨贝雷梁上恒载自重为95/12=8KN/m 。 混凝土运输车荷载

保守按单辆汽车-超20集中力(55t )作用于跨中。 (2)公路I 级荷载 公路I 级车道荷载: Pk=256KN; qk= KN/m;

(3)材料力学性能参数及指标

根据《装配式公路钢桥多用途使用手册》,查表3得,单排单层不加强贝雷片的容许弯矩,容许剪力为。

(4)力学计算

车辆荷载作用下受力简化图示如下:

计算可得,在汽车-超20荷载作用下贝雷主梁: 计算采用清华大学的结构计算软件《结构力学求解器》。

弯 矩 图

剪 力 图

x

kNm

M 1794max =

kN

Q 6462323max =?=(按连续梁)

故:

[]m

472962.7881794max KN M kNm M =?=<=,合格。

[]KN

Q kN Q 147062.245646max =?=<=,合格。

汽车荷载采用车道荷载,故按单车道进行加载计算。简图如下:

弯 矩 图

x

剪 力 图

x

kNm

M 1101max =

kN

Q 4782239max =?=(按连续梁)

故:

[]m

472962.7881101max KN M kNm M =?=<=,合格。

[]KN

Q kN Q 147062.245478max =?=<=,合格。

由上面计算可知,六组贝雷主梁受力完全能满足桥梁上混凝土运输车及公路I 级荷载的要求。

2I32b 桩顶横梁计算

钢管桩顶分配梁采用2根I32b 工字钢。 恒载:

由前面计算可知,单跨贝雷梁上恒载自重为95/12=8KN/m; 贝雷恒载自重为270×6×4=6480Kg=,线荷载=12= KN/m; 则2I32b 上部恒载线荷载为+8=m 。

由于采用6片贝雷,则贝雷单支点集中荷载=×12/6=。 活载:

根据前面计算,贝雷单侧最大剪力为646KN ,则贝雷单支点集中荷载=646KN /6=。 则单片贝雷支点集中力=恒载+活载=+=。 (1)材料力学性能参数及指标 I32b 工字钢:

481016.1mm I ?= 351027.7mm W ?= 27352mm A =

27411102.431016.1101.2Nm EI ?=???=-

m Kg g /7.57=

(2)承载力验算

a、强度检算

b、刚度检算

c、反力检算

下横梁应力最大为168Mpa<203 Mpa ,位移为10 mm<4500/400=11mm ,均满足要求,此时单根钢管桩反力为410KN 。

钢管桩计算

(1)钢管桩竖向承载力计算

本栈桥拟采用直径为φ710mm 壁厚8mm 的钢管作为栈桥基础,钢管间用2I32a 型钢连接形成排架。

由以上计算可知,单根钢管桩反力为410KN ,故本次钢管桩承载力设计值按照45t 控制。

桥址区域内的土层主要分布为淤泥、砂卵石,物理特性如下表所示。栈桥位置地质

汇总表

墩台(参考钻孔)

土层地质描述 分层高度(m ) 桩侧摩阻力标准值τi (Kpa )

桥墩

粉质粘土 3 30 砂卵石

20

82

本栈桥桩基摩擦桩设计。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》 JTJ D63-2007之

公式5.3.3-3:

[]?

?? ??+=∑=q A q l rk p r ik i n

i i u R αα121a ,由于桩基为开口截面,因此不考虑其桩端处土对桩基的承载力,保守仅考虑土体对桩基外侧壁的摩擦力。根据设计文件,本项目所处位置成桥后总冲刷深度按2m 计。

[]?

?? ??+=∑=q A q l rk p r ik i n

i i u R αα121a 桩身周长u=×=2.26m ;

αi 为振动沉桩各土层对桩侧摩阻力的影响系数;

桥墩位置:[Ra] =450=1/2××[×(4-2)×30+×h ×82],则h =4m ;

根据以上计算,本栈桥施工时Φ720mm 钢管桩的入土深度(从河床底计算):栈桥钢管桩入土按4控制,下料长度9m ;

(2)钢管桩弯曲应力复核

钢管桩入土后,其泥中部分作为固定端,水中部分为悬臂端,受潮流、风力、波浪等水平力的影响,在泥水交接面处钢管桩产生最大弯矩,因此需验算其应力是否符合要求。

a 、水流作用:

根据《港口荷载规范》,采用如下公式计算潮流对钢管桩的作用力:

A

F V

C W

2

2w ρ

=

式中, Fw 为水流力,Cw 为水流力系数,p 为密度,v 为流速,A 为遮流面积。 潮流对钢管桩的作用力大小如下表:

b、风力作用:

根据《公路桥涵设计通用规范》,取成都地区临时结构1/20一遇基本风压400pa采用如下公式计算风力对栈桥的作用力:

k0为重现期换算系数,本栈桥按半永久桥梁取;k1为风载阻力系数,由构件形状及间距决定,本栈桥中,贝雷梁按桁架取,考虑遮挡效应,桥面系按实腹梁取;K3为地形、地理系数;Awh为构件的遮风面积;Wd为设计风压。

结合本栈桥的结构特性,取k0=;风载阻力系数k1分别取值(钢管桩)、(桁架)和(桥面系);地形、地理系数K3=。构件的遮风面积分钢管桩、桁架主梁和桥面系分别进行计算。将以上参数代入公式进行计算(取12m单跨桥梁进行计算),可得:Fwh,钢管桩=×××××5=;(单排桩)

Fwh,桁架=××××=;(单跨)

Fwh,桥面系=××××= KN;(单跨)

c、波浪作用:

桥址处位于内河,现场波浪较小,故本次不考虑波浪作用力。

d 、桩基水平承载力

假定钢管桩打设按前述入土5m(已考虑2m冲刷深度),钢管桩受力简化图如下:

根据以上数据,计算冲刷后泥面处钢管桩的受力情况,可得桩的最大应力为92Mpa。以上计算为单根钢管桩在打入土中后抵抗水流、风力的能力,在成桥之后,由于钢管桩间以及和上部结构之间形成框架,其抵抗水平力的能力会大大加强,故本次计算的工况为钢管桩的最不利状态能满足使用要求,则由此得出结论钢管桩承载力满足施工和使用要求。

电算复核

由于桥梁上部构件多且杂,在整体桥梁的挠度计算时宜采用电算,故本次计算利用Midas Civil软件对整体桥梁构造进行复核(仅验算9+12+9m跨栈桥),活载采用公路I 级汽车荷载,其整体模型如下:

整体桥梁模型

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