張道軍
(中工武大設(shè)計研究有限公司安徽分公司 合肥 230000)
大金山島驗潮站灌注樁施工中的鋼棧橋平臺設(shè)計及穩(wěn)定驗算
張道軍
(中工武大設(shè)計研究有限公司安徽分公司 合肥 230000)
根據(jù)驗潮站的具體地質(zhì)情況、水文情況和氣候情況,施工海域受季風及風浪影響較大,為滿足施工總體進度要求以及安全生產(chǎn)和環(huán)保方面的需要,擬采用鋼棧橋平臺方案。本文主要闡述灌注樁施工中鋼棧橋平臺專項方案中的設(shè)計及內(nèi)力計算,并且對荷載工況和穩(wěn)定性計算做了重點介紹。
鋼棧橋 荷載 平臺設(shè)計 穩(wěn)定驗算
擬建棧橋長約63m,橋面寬9m,結(jié)構(gòu)形式為4榀2道單層貝雷桁架,桁架間距 0.9m、1.7m、0.9m、0.9m、1.7m、0.9m,每雙片桁架間使用花架連接;棧橋標準跨徑為分為12m,棧橋基礎(chǔ)采用三根Φ630mm×10mm鋼管樁基礎(chǔ),為加強基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性,每排鋼管樁間均采用I16號槽鋼附加綴板連接成整體,橋面系由I22a工字鋼橫梁、U型卡栓、I12工字鋼分配縱梁、1cm厚橋面板、防護欄桿組成。
《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTJ024-85)、《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTJ025-86)、《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ041—2000)、《海港水文規(guī)范》(JTJ213-98)。
設(shè)計頂標高與設(shè)計橋梁基本平行;設(shè)計控制荷載為履-50t(最大吊重按6t考慮);水位取50年一遇最高水位+6.34m;海床高程取-3.50m,最大沖刷深度考慮3m,即沖刷后地面線高程為-6.5m;流速為v=1.5m/s;海床覆蓋層為淤泥,厚度2.5m;基本風速為27.3m/s;最大風速為40m/s;浪高為3.0m;設(shè)計行車速度15km/h。
工況一:釣魚法安裝棧橋,履帶吊在最前沿吊裝振動錘加鋼管樁;工況二:履帶吊在平臺外側(cè)抬吊安裝5tT梁,此時,運輸船在棧橋一側(cè)。
面層:間距為0.30m的I12工字鋼分配縱梁,荷載為0.142kN/m;上部鋪設(shè)1cm厚鋼板荷載為0.785kN/m2。
面層橫向分配梁:I22a,0.33kN/m,2.97kN/根,間距 0.5m。
縱向主梁:321型貝雷梁,6.66 kN/m。
樁頂分配主梁:2I40a,1.352kN/m ,12.168kN/根。
驗算時加載自重部分,取用荷載系數(shù)為1.2。
2.2.1 履帶吊50t(計算中考慮最大吊重6t,見圖1)
2.2.2 施工荷載及人群荷載4kN/m2(見表1)
3.1.1 結(jié)構(gòu)型式
該平臺面板為10mm厚花紋A3鋼板,焊接在中心間距300mm的I12工字鋼縱梁上。
3.1.2 荷載
履帶吊機履帶寬度(760mm)均大于工字鋼橫梁間距,荷載直接作用在I12工字鋼上,故10mm面板可不作檢算,滿足要求。
3.2.1 結(jié)構(gòu)型式
該平臺走道板結(jié)構(gòu)形式為I12@30cm+I22@60cm+10mm鋼板,I12順橋向布置于間距0.9m的321貝雷片上,I10間斷焊接于I12a空隙并使走道板成為整體。
3.2.2 50t履帶吊荷載
圖1 50t履帶吊車荷載的縱向排列和橫向布置圖(重力單位:kN,尺寸單位m)
表1 履帶吊與9m3罐車的主要技術(shù)指標表
50t履帶吊吊裝時線荷載為154kN/m,履帶寬度76cm,I12工字鋼縱梁中心間距300mm,最不利情況應(yīng)為三根工字鋼縱梁受力。
則0.9m跨徑單根I12縱梁所受均布荷載為:q=154÷3÷2=25.67kN/m,再在此荷載基礎(chǔ)上考慮1.2履帶吊偏載系數(shù),則q=25.67×1.2=30.8kN/m。
3.2.3 力學(xué)計算
履帶吊:ML=0.125×30.9×0.92=3.12kN·m;QL=30.8kN(按連續(xù)梁);此時履帶吊車荷載為控制荷載。
彎應(yīng)力及綜合應(yīng)力=31.6MPa<203MPa,滿足要求。
剪應(yīng)力=17.02MPa<119MPa,滿足要求。
3.3.1 結(jié)構(gòu)型式
橫梁采用I22a工字鋼,工字鋼橫梁安裝在凈距3000mm的單層二排貝雷梁上,計算時可保守按照簡支梁3000mm跨徑。最大受力位置出現(xiàn)在履帶吊轉(zhuǎn)向區(qū)域。
3.3.2 50t履帶吊荷載
50t履帶吊裝T梁時荷載最大,總重154kN,履帶長度470cm,單條履帶作用于4.7÷1.5=3根I22a工字鋼跨中,集中荷載為154÷2÷3=25.67kN。因為I12滿足要求,I22a工字鋼無需計算。
3.4.1 結(jié)構(gòu)型式
主梁由四組兩排單層貝雷梁組成,組與組間距17000mm,安裝在2根I40a橫梁上。最大跨徑為9m。根據(jù)棧橋布置以及其使用情況,中間一組二排單層貝雷梁受力最大,其荷載為單臺履帶吊(吊裝T梁)的一半。
3.4.2 荷載
結(jié)構(gòu)自重:
其他未計構(gòu)件按1.2系數(shù)考慮,貝雷上恒載總重為27.1t×1.2=32.5t。
故單組貝雷(二片單層)每延米恒載為325÷9÷2=18.1kN/m。
活載:50t履帶吊吊裝T梁時,荷載通過2根I40a工字鋼傳遞至貝雷,根據(jù)前面計算,單根I40a傳遞下來的集中荷載為540÷2÷2=135kN。
3.4.3 力學(xué)計算
自重引起的彎矩和剪力分別為:
則考慮自重后,彎矩及剪力如下:
根據(jù)《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》,查表3得,單排單層不加強貝雷片的容許彎矩788.2kN·m,容許剪力為245kN。
根據(jù)以上計算可知,在最不利荷載作用下,單側(cè)貝雷剪力為325.3kN,鋼管樁頂分配梁采用2根I40a工字鋼。
由于貝雷對2I40a工字鋼的作用點位于橋墩頂支點位置,故主要驗算I40a工字鋼的抗剪性能。單側(cè)貝雷剪力為495.7kN。
單片貝雷底反力:325.3÷2=162.7kN。剪應(yīng)力=162.7kN÷(0.01m×0.3×2)=27.1MPa<119MPa,滿足要求。
鋼管(Φ630)采用打樁振動錘擊下,支承在中風化巖面上,按兩端鉸接進行鋼管樁的承載力,鋼管樁的長度按以下計算。
3.6.1 鋼管樁的豎向荷載計算
有以上計算可知,居中行走時中部在單排鋼管樁中心線時,單排鋼管樁中間的鋼管樁受力最大:
鋼管樁等自重計算:鋼管樁頂面標高為+4.18m,暫按入土8m計算,地質(zhì)鉆孔為準進行計算,由設(shè)計圖紙中所附地質(zhì)勘察資料可知,河床面為0.2m,鋼管樁為直徑630mm的標準螺旋焊接管,則鋼管樁自重為:
鋼管樁受力P=107.7+14.7=122.4kN
3.6.2 鋼管樁的豎向承載力計算
該棧橋所有樁基均支撐在中砂、卵石層上,按摩擦樁計算其容許承載力。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JTGD63-2007)中的沉樁的承載力容許值公式,則樁的容許承載力為:
u—樁身周長(m);
n—土的層數(shù);
li—承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度(m);
qik—與li對應(yīng)的各土層與樁側(cè)摩阻力標準值(kPa),宜采用單樁摩阻力試驗確定或通過靜力觸探試驗測定,當無試驗條件時按規(guī)范給定值選用;
qrk—樁端處土的承載力標準值(kPa),宜采用單樁試驗確定或通過靜力觸探試驗測定,當無試驗條件時按規(guī)范給定值選用;
αi、αr—分別為振動沉樁對各土層樁側(cè)摩阻力和樁端承載力的影響系數(shù)對于錘擊、靜壓沉樁其值均取為1.0。
a.按8m計算
則L=6.18m
則L=8.34m
即打樁時須根據(jù)地質(zhì)情況入土深度必須大于5.98~8.14m才能滿足設(shè)計要求。
施工過程中需行走履帶吊按50t履帶吊計算荷載。
b.按18m計算
則L=22.9m
即打樁時須根據(jù)地質(zhì)情況入土深度必須大于22.7m才能滿足設(shè)計要求。
所以入土深度符合要求。
海床面高程為-3.5m,按3m沖刷深度考慮,則可假定鋼管樁懸臂固結(jié)點在-15m處,樁頂標高取+9.0m,鋼管懸臂長度為24m。
單根樁流水壓力計算:
式中:Fw—流水壓力標準值(kN);
Cw—形狀系數(shù)(鋼管樁取0.8);
A—阻水面積(m2),計算至一般沖刷線處;
ρ—海水的重力密度1.025(kN/m3);
V—設(shè)計流速(1.53m/s)。
根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTJ-02189)第2.3.8條計算橫橋向風壓:
式中:k0—設(shè)計風速重現(xiàn)期系數(shù)取1.0;
k1—風載阻力系數(shù),取1.0;
k3—地形地理條件系數(shù),1.0;
Wd—設(shè)計基準風壓取為0.8kPa;Awh—迎風面積 11.39m2。
橫橋向風載:
4.2.1 鋼棧橋橫橋向風力計算
4.2.2 單根鋼管樁順橋向風力計算
縱橋向風壓按橫橋向風壓的70%計算。
橫橋向風載:Fwh=k0k1k3WdAwh=1.0×1.0×1.0×0.8×0.7×14.95=8.372kN
浪高按3.01m計算,根據(jù)蓋拉德經(jīng)驗公式計算浪長:L=9~15H(H為浪高),取L=12H=12×3.01=36.12m。對于圓形柱樁當D/L≤0.2時為小尺寸樁柱(D為樁徑)用下式計算波浪力:
式中:PDMax—水平波壓速度分力的最大值,出現(xiàn)在波峰位置處ωt=0;
PIMax—水平波壓慣性分力(由加速度引起)的最大值,出現(xiàn)在波峰和1/4波長之間ωt=270°;
kv—建筑物附近速度修正值,,所以 kv取 1.00;
D—樁徑,取為0.63m;
d—靜水水深,取7.36m;
H—浪高3.01m;
γ—水的容重10kN/m3。
當水位取50年一遇最高水位+6.34m時,滑動力矩M=(F水流+F風+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/滑動力矩M=1.36≥1.2,滿足穩(wěn)定性要求■
(專欄編輯:顧 梅)