大金山岛验潮站灌注桩施工中的钢栈桥平台设计及稳定验算

张道军

（中工武大设计研究有限公司安徽分公司 合肥 230000）

大金山岛验潮站灌注桩施工中的钢栈桥平台设计及稳定验算

张道军

（中工武大设计研究有限公司安徽分公司 合肥 230000）

根据验潮站的具体地质情况、水文情况和气候情况，施工海域受季风及风浪影响较大，为满足施工总体进度要求以及安全生产和环保方面的需要，拟采用钢栈桥平台方案。本文主要阐述灌注桩施工中钢栈桥平台专项方案中的设计及内力计算，并且对荷载工况和稳定性计算做了重点介绍。

钢栈桥 荷载 平台设计 稳定验算

1 工程概述

1.1 设计说明

拟建栈桥长约63m，桥面宽9m，结构形式为4榀2道单层贝雷桁架，桁架间距 0.9m、1.7m、0.9m、0.9m、1.7m、0.9m，每双片桁架间使用花架连接；栈桥标准跨径为分为12m，栈桥基础采用三根Φ630mm×10mm钢管桩基础，为加强基础的整体稳定性，每排钢管桩间均采用I16号槽钢附加缀板连接成整体，桥面系由I22a工字钢横梁、U型卡栓、I12工字钢分配纵梁、1cm厚桥面板、防护栏杆组成。

1.2 设计依据

《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）、《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）、《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）、《公路桥涵施工技术规范》（JTJ041—2000）、《海港水文规范》（JTJ213-98）。

1.3 技术标准

设计顶标高与设计桥梁基本平行；设计控制荷载为履-50t（最大吊重按6t考虑）；水位取50年一遇最高水位+6.34m；海床高程取-3.50m，最大冲刷深度考虑3m，即冲刷后地面线高程为-6.5m；流速为v=1.5m/s；海床覆盖层为淤泥，厚度2.5m；基本风速为27.3m/s；最大风速为40m/s；浪高为3.0m；设计行车速度15km/h。

1.4 荷载工况

工况一：钓鱼法安装栈桥，履带吊在最前沿吊装振动锤加钢管桩；工况二：履带吊在平台外侧抬吊安装5tT梁，此时，运输船在栈桥一侧。

2 荷载工况验算

2.1 上部结构恒重（9m宽计算）

面层：间距为0.30m的I12工字钢分配纵梁，荷载为0.142kN/m；上部铺设1cm厚钢板荷载为0.785kN/m2。

面层横向分配梁：I22a，0.33kN/m，2.97kN/根，间距 0.5m。

纵向主梁：321型贝雷梁，6.66 kN/m。

桩顶分配主梁：2I40a，1.352kN/m ，12.168kN/根。

验算时加载自重部分，取用荷载系数为1.2。

2.2 车辆荷载

2.2.1 履带吊50t（计算中考虑最大吊重6t，见图1）

2.2.2 施工荷载及人群荷载4kN/m2（见表1）

3 荷载工况

3.1 钢面板计算

3.1.1 结构型式

该平台面板为10mm厚花纹A3钢板，焊接在中心间距300mm的I12工字钢纵梁上。

3.1.2 荷载

履带吊机履带宽度（760mm）均大于工字钢横梁间距，荷载直接作用在I12工字钢上，故10mm面板可不作检算，满足要求。

3.2 行车道I12计算

3.2.1 结构型式

该平台走道板结构形式为I12@30cm+I22@60cm+10mm钢板，I12顺桥向布置于间距0.9m的321贝雷片上，I10间断焊接于I12a空隙并使走道板成为整体。

3.2.2 50t履带吊荷载

图1 50t履带吊车荷载的纵向排列和横向布置图（重力单位：kN，尺寸单位m）

表1 履带吊与9m3罐车的主要技术指标表

50t履带吊吊装时线荷载为154kN/m，履带宽度76cm，I12工字钢纵梁中心间距300mm，最不利情况应为三根工字钢纵梁受力。

则0.9m跨径单根I12纵梁所受均布荷载为：q=154÷3÷2=25.67kN/m,再在此荷载基础上考虑1.2履带吊偏载系数，则q=25.67×1.2=30.8kN/m。

3.2.3 力学计算

履带吊：ML=0.125×30.9×0.92=3.12kN·m；QL=30.8kN（按连续梁）；此时履带吊车荷载为控制荷载。

弯应力及综合应力=31.6MPa＜203MPa，满足要求。

剪应力=17.02MPa＜119MPa，满足要求。

3.3 I22a工字梁横梁计算

3.3.1 结构型式

横梁采用I22a工字钢，工字钢横梁安装在净距3000mm的单层二排贝雷梁上，计算时可保守按照简支梁3000mm跨径。最大受力位置出现在履带吊转向区域。

3.3.2 50t履带吊荷载

50t履带吊装T梁时荷载最大，总重154kN，履带长度470cm，单条履带作用于4.7÷1.5=3根I22a工字钢跨中，集中荷载为154÷2÷3=25.67kN。因为I12满足要求，I22a工字钢无需计算。

3.4 贝雷主梁计算

3.4.1 结构型式

主梁由四组两排单层贝雷梁组成，组与组间距17000mm，安装在2根I40a横梁上。最大跨径为9m。根据栈桥布置以及其使用情况，中间一组二排单层贝雷梁受力最大，其荷载为单台履带吊（吊装T梁）的一半。

3.4.2 荷载

结构自重：

其他未计构件按1.2系数考虑，贝雷上恒载总重为27.1t×1.2=32.5t。

故单组贝雷（二片单层）每延米恒载为325÷9÷2=18.1kN/m。

活载：50t履带吊吊装T梁时，荷载通过2根I40a工字钢传递至贝雷，根据前面计算，单根I40a传递下来的集中荷载为540÷2÷2=135kN。

3.4.3 力学计算

自重引起的弯矩和剪力分别为：

则考虑自重后，弯矩及剪力如下：

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788.2kN·m，容许剪力为245kN。

3.5 2I40a墩顶横梁计算

根据以上计算可知，在最不利荷载作用下，单侧贝雷剪力为325.3kN，钢管桩顶分配梁采用2根I40a工字钢。

由于贝雷对2I40a工字钢的作用点位于桥墩顶支点位置，故主要验算I40a工字钢的抗剪性能。单侧贝雷剪力为495.7kN。

单片贝雷底反力：325.3÷2=162.7kN。剪应力=162.7kN÷（0.01m×0.3×2）=27.1MPa＜119MPa,满足要求。

3.6 Φ630钢管计算

钢管（Φ630）采用打桩振动锤击下，支承在中风化岩面上，按两端铰接进行钢管桩的承载力，钢管桩的长度按以下计算。

3.6.1 钢管桩的竖向荷载计算

有以上计算可知，居中行走时中部在单排钢管桩中心线时，单排钢管桩中间的钢管桩受力最大：

钢管桩等自重计算：钢管桩顶面标高为+4.18m，暂按入土8m计算，地质钻孔为准进行计算，由设计图纸中所附地质勘察资料可知，河床面为0.2m，钢管桩为直径630mm的标准螺旋焊接管，则钢管桩自重为：

钢管桩受力P=107.7+14.7=122.4kN

3.6.2 钢管桩的竖向承载力计算

该栈桥所有桩基均支撑在中砂、卵石层上，按摩擦桩计算其容许承载力。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）中的沉桩的承载力容许值公式，则桩的容许承载力为：

u—桩身周长（m）；

n—土的层数；

li—承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m）；

qik—与li对应的各土层与桩侧摩阻力标准值（kPa）,宜采用单桩摩阻力试验确定或通过静力触探试验测定，当无试验条件时按规范给定值选用；

qrk—桩端处土的承载力标准值（kPa），宜采用单桩试验确定或通过静力触探试验测定，当无试验条件时按规范给定值选用；

αi、αr—分别为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力和桩端承载力的影响系数对于锤击、静压沉桩其值均取为1.0。

a.按8m计算

则L=6.18m

则L=8.34m

即打桩时须根据地质情况入土深度必须大于5.98～8.14m才能满足设计要求。

施工过程中需行走履带吊按50t履带吊计算荷载。

b.按18m计算

则L=22.9m

即打桩时须根据地质情况入土深度必须大于22.7m才能满足设计要求。

所以入土深度符合要求。

4 稳定性计算

海床面高程为-3.5m，按3m冲刷深度考虑，则可假定钢管桩悬臂固结点在-15m处，桩顶标高取+9.0m，钢管悬臂长度为24m。

4.1 单根钢管桩流水压力计算

单根桩流水压力计算：

式中：Fw—流水压力标准值（kN）；

Cw—形状系数（钢管桩取0.8）；

A—阻水面积（m2），计算至一般冲刷线处；

ρ—海水的重力密度1.025（kN/m3）；

V—设计流速（1.53m/s）。

4.2 单根钢管桩横桥向风力计算

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ-02189）第2.3.8条计算横桥向风压：

式中：k0—设计风速重现期系数取1.0；

k1—风载阻力系数，取1.0；

k3—地形地理条件系数，1.0；

Wd—设计基准风压取为0.8kPa；Awh—迎风面积 11.39m2。

横桥向风载：

4.2.1 钢栈桥横桥向风力计算

4.2.2 单根钢管桩顺桥向风力计算

纵桥向风压按横桥向风压的70%计算。

横桥向风载：Fwh=k0k1k3WdAwh=1.0×1.0×1.0×0.8×0.7×14.95=8.372kN

4.3 波浪力

浪高按3.01m计算，根据盖拉德经验公式计算浪长：L=9～15H（H为浪高），取L=12H=12×3.01=36.12m。对于圆形柱桩当D/L≤0.2时为小尺寸桩柱（D为桩径）用下式计算波浪力：

式中：PDMax—水平波压速度分力的最大值，出现在波峰位置处ωt=0；

PIMax—水平波压惯性分力（由加速度引起）的最大值，出现在波峰和1/4波长之间ωt=270°；

kv—建筑物附近速度修正值，，所以 kv取 1.00；

D—桩径，取为0.63m；

d—静水水深，取7.36m；

H—浪高3.01m；

γ—水的容重10kN/m3。

4.4 结论

当水位取50年一遇最高水位+6.34m时，滑动力矩M=（F水流+F风+F波浪）×a=34.341kN×17.5m=583.47kN·m；摩擦力矩 M=F·a=122.4kN×6.5m=795.6kN·m

所以摩擦力矩M/滑动力矩M=1.36≥1.2，满足稳定性要求■

（专栏编辑：顾 梅）