大金山島驗(yàn)潮站灌注樁施工中的鋼棧橋平臺(tái)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定驗(yàn)算

張道軍

（中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司安徽分公司 合肥 230000）

大金山島驗(yàn)潮站灌注樁施工中的鋼棧橋平臺(tái)設(shè)計(jì)及穩(wěn)定驗(yàn)算

張道軍

（中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司安徽分公司 合肥 230000）

根據(jù)驗(yàn)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(fēng)及風(fēng)浪影響較大，為滿足施工總體進(jìn)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(tái)方案。本文主要闡述灌注樁施工中鋼棧橋平臺(tái)專項(xiàng)方案中的設(shè)計(jì)及內(nèi)力計(jì)算，并且對(duì)荷載工況和穩(wěn)定性計(jì)算做了重點(diǎn)介紹。

鋼棧橋 荷載 平臺(tái)設(shè)計(jì) 穩(wěn)定驗(yàn)算

1 工程概述

1.1 設(shè)計(jì)說明

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(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性，每排鋼管樁間均采用I16號(hào)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(hù)欄桿組成。

1.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD60-2004）、《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ024-85）、《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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）。

1.3 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)頂標(biāo)高與設(shè)計(jì)橋梁基本平行；設(shè)計(jì)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(fēng)速為27.3m/s；最大風(fēng)速為40m/s；浪高為3.0m；設(shè)計(jì)行車速度15km/h。

1.4 荷載工況

工況一：釣魚法安裝棧橋，履帶吊在最前沿吊裝振動(dòng)錘加鋼管樁；工況二：履帶吊在平臺(tái)外側(cè)抬吊安裝5tT梁，此時(shí)，運(yùn)輸船在棧橋一側(cè)。

2 荷載工況驗(yàn)算

2.1 上部結(jié)構(gòu)恒重（9m寬計(jì)算）

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(yàn)算時(shí)加載自重部分，取用荷載系數(shù)為1.2。

2.2 車輛荷載

2.2.1 履帶吊50t（計(jì)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 荷載工況

3.1 鋼面板計(jì)算

3.1.1 結(jié)構(gòu)型式

該平臺(tái)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(jī)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 行車道I12計(jì)算

3.2.1 結(jié)構(gòu)型式

該平臺(tái)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(biāo)表

50t履帶吊吊裝時(shí)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(jì)算

履帶吊：ML=0.125×30.9×0.92=3.12kN·m；QL=30.8kN（按連續(xù)梁）；此時(shí)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 I22a工字梁橫梁計(jì)算

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(jì)算時(shí)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(shí)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?yàn)镮12滿足要求，I22a工字鋼無需計(jì)算。

3.4 貝雷主梁計(jì)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(tái)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(jì)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(shí)，荷載通過2根I40a工字鋼傳遞至貝雷，根據(jù)前面計(jì)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(jì)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(cè)》，查表3得，單排單層不加強(qiáng)貝雷片的容許彎矩788.2kN·m，容許剪力為245kN。

3.5 2I40a墩頂橫梁計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)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(duì)2I40a工字鋼的作用點(diǎn)位于橋墩頂支點(diǎn)位置，故主要驗(yàn)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。

3.6 Φ630鋼管計(jì)算

鋼管（Φ630）采用打樁振動(dòng)錘擊下，支承在中風(fēng)化巖面上，按兩端鉸接進(jìn)行鋼管樁的承載力，鋼管樁的長度按以下計(jì)算。

3.6.1 鋼管樁的豎向荷載計(jì)算

有以上計(jì)算可知，居中行走時(shí)中部在單排鋼管樁中心線時(shí)，單排鋼管樁中間的鋼管樁受力最大：

鋼管樁等自重計(jì)算：鋼管樁頂面標(biāo)高為+4.18m，暫按入土8m計(jì)算，地質(zhì)鉆孔為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，由設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)算

該棧橋所有樁基均支撐在中砂、卵石層上，按摩擦樁計(jì)算其容許承載力。根據(jù)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(tái)底面或局部沖刷線以下各土層的厚度（m）；

qik—與li對(duì)應(yīng)的各土層與樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）,宜采用單樁摩阻力試驗(yàn)確定或通過靜力觸探試驗(yàn)測定，當(dāng)無試驗(yàn)條件時(shí)按規(guī)范給定值選用；

qrk—樁端處土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），宜采用單樁試驗(yàn)確定或通過靜力觸探試驗(yàn)測定，當(dāng)無試驗(yàn)條件時(shí)按規(guī)范給定值選用；

αi、αr—分別為振動(dòng)沉樁對(duì)各土層樁側(cè)摩阻力和樁端承載力的影響系數(shù)對(duì)于錘擊、靜壓沉樁其值均取為1.0。

a.按8m計(jì)算

則L=6.18m

則L=8.34m

即打樁時(shí)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(jì)要求。

施工過程中需行走履帶吊按50t履帶吊計(jì)算荷載。

b.按18m計(jì)算

則L=22.9m

即打樁時(shí)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(jì)要求。

所以入土深度符合要求。

4 穩(wěn)定性計(jì)算

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(diǎn)在-15m處，樁頂標(biāo)高取+9.0m，鋼管懸臂長度為24m。

4.1 單根鋼管樁流水壓力計(jì)算

單根樁流水壓力計(jì)算：

式中：Fw—流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；

Cw—形狀系數(shù)（鋼管樁取0.8）；

A—阻水面積（m2），計(jì)算至一般沖刷線處；

ρ—海水的重力密度1.025（kN/m3）；

V—設(shè)計(jì)流速（1.53m/s）。

4.2 單根鋼管樁橫橋向風(fēng)力計(jì)算

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ-02189）第2.3.8條計(jì)算橫橋向風(fēng)壓：

式中：k0—設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)取1.0；

k1—風(fēng)載阻力系數(shù)，取1.0；

k3—地形地理?xiàng)l件系數(shù)，1.0；

Wd—設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓取為0.8kPa；Awh—迎風(fēng)面積 11.39m2。

橫橋向風(fēng)載：

4.2.1 鋼棧橋橫橋向風(fēng)力計(jì)算

4.2.2 單根鋼管樁順橋向風(fēng)力計(jì)算

縱橋向風(fēng)壓按橫橋向風(fēng)壓的70%計(jì)算。

橫橋向風(fēng)載：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計(jì)算，根據(jù)蓋拉德經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算浪長：L=9～15H（H為浪高），取L=12H=12×3.01=36.12m。對(duì)于圓形柱樁當(dāng)D/L≤0.2時(shí)為小尺寸樁柱（D為樁徑）用下式計(jì)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。

4.4 結(jié)論

當(dāng)水位取50年一遇最高水位+6.34m時(shí)，滑動(dòng)力矩M=（F水流+F風(fēng)+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(dòng)力矩M=1.36≥1.2，滿足穩(wěn)定性要求■

（專欄編輯：顧 梅）