淺析卵石持力層鋼便橋基礎設計驗算

史向群， 武少華

(中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361021)

1 工程概況

該鋼便橋橋位區跨越一處溪流,此處地勢較為平緩,河面寬約60 m,經查閱兩階段設計圖、《跨河橋梁設計流量及水位計算書》、現場村民走訪以及現場原始最高水位線勘察,該橋位跨越段最高洪水位350.3 m,河床平均標高為346.213 m,橋位與既有國道直接平順銜接,橋面頂標高353.3 m。勘察及施工期間最高水位321.645 m;平時水深0.2～0.6 m,枯水期斷流。橋位處地勢較為平坦,枯水期河面極窄,地質條件較好,適宜作為鋼便橋選址。

橋梁墩臺均為混凝土擴大基礎,以卵石層作為持力層,基礎埋置于河床1.5m以下,卵石土[fa0]=150～300 kPa。

2 鋼便橋結構要求

(1) 荷載:公路I級,驗算荷載:掛-80。

(2) 水流速度2.69 m/s,漂流物自重10 kN,考慮沖擊力,考慮風荷載。

(3) 棧橋的最大跨度為15 m。

(4) 棧橋上車的設計行走速度為5 km/h。

3 鋼便橋布置

鋼便橋結構自上而下依次為:滿鋪10 mm鋼板橋面;I12.6縱向分配梁,布置間距30 cm;I40b橫向分配梁,布置間距75 cm;縱梁選用3組“321”軍用貝雷梁,雙排單層;下橫梁采用2I40b工字鋼;Φ529×8 mm鋼管樁,樁間距為2.1 m,相鄰鋼管樁采用[16a型槽鋼設剪刀撐及水平連接;基礎采用C30鋼筋混凝土,基礎埋深不小于2 m。棧橋兩側設安全欄桿。

鋼便橋橋面標準寬度為4.5 m,與既有國道臨近的一跨15 m,橋面變為10 m寬,便于汽車拐彎與錯車。

鋼便橋橋面標準寬度為4.5 m，與既有國道臨近的一跨15 m，橋面變為10 m寬，便于汽車拐彎與錯車。

鋼便橋標準立面圖如圖1所示。

圖1 鋼便橋標準立面圖

4 設計荷載

4.1 上部結構恒荷載

(1)δ8 mm鋼板:0.327 kN/m；

(2) I12.6縱向分配梁:0.142 kN/m；

(3) I40b橫向分配梁:0.738 kN/m；

(4) 單層雙排貝雷梁:2 kN/m；

(5) 2I40b下橫梁:1.476 kN/m。

4.2 活荷載

(1) 80 t掛車,荷載標準值及平面尺寸如下:

總重:800 kN；

前后軸壓力:200 kN；

輪距:0.9 m；

軸距:1.2 m+4.0 m+1.2 m；

前后輪著地面積:0.50 m×0.20 m；

(2)施工荷載及人群荷載:4 kN/m2。

考慮棧橋實際情況,同方向車輛間距不小于12 m,即一跨內同方向最多只布置一輛重車,施工荷載及人群荷載與活荷載不參加組合。

5 鋼管樁承載力驗算

5.1 單根樁強度計算

經分析80t掛車吊在樁頂作業時,產生最大的單樁軸力。

荷載:N=540.3 kN,M=2.6 kN·m；

驗算處截面鋼管的面積:A=0.013 m2；

查《鋼結構設計規范》公式(5.2.1)得:

截面模量:

=48.90 MPa

式中:Υ為截面塑性發展系數,查《鋼結構設計規范》表5.2.1得Υ=1.15。

故強度滿足要求。

5.2 單根樁穩定性計算

鋼管樁R=0.265 m,r=0.257 m

查《鋼結構設計規范》表5.3.4得折減系數取0.7。

幾何長度l=9.36 ml0=l×0.7=9.36×0.7=6.55 m

查《鋼結構設計規范》附表C-1得:φ=0.950；

查《鋼結構設計規范》公式(5.2.2-1)得:

=45.12 MPa

故穩定性滿足要求。

5.3 流水壓力強度驗算

根據《公路橋涵設計通用規范》公式(4.3.8),作用在橋墩上的流水壓力標準值:

A=l×D=5.739×0.53=3.04 m2

式中:Fw為流水壓力標準值,kN;γ為水的重力密度,kN/m3;v為設計流速,m/s;A為橋墩阻水面積,m2,計算至一般沖刷線處;l為鋼管樁阻水樁長;D為鋼管樁直徑;g為重力加速度,g=9.81 m/s2;K為橋墩形狀系數,查《公路橋涵設計通用規范》表4.3.8得K=0.8。

查《公路橋涵設計通用規范》知流水壓力合力的著力點,假定在設計水位以下0.3倍水深。最高洪水位350.300 m,河床平均標高為346.213 m,埋置深度2 m。

M=Fw×l=8.97×5.28=47.39 kN·m

截面模量:

=1.69×10-3m3

故強度滿足要求。

5.4 漂浮物撞擊強度驗算

漂浮物自重Fp=10 kN,最高洪水位350.3 m,河床平均標高為346.213 m,埋置深度2 m。

l=350.3-346.213+2=6.09 m

M=Fp×l=10×6.09=60.9 kN·m

故強度滿足要求。

5.5 抗風強度驗算

根據《公路橋涵設計通用規范》公式(4.3.7-1)橫橋向風荷載假定水平的垂直作用在于橋梁各部分形心上,其標準值按下式計算

Fw h=k0k1k3WdAw h=0.75×0.5×1×0.671×15.18=3.82 kN

Vd=k2×k5×V10=1×1.38×24=33.12 m/s

Aw h=(l1+2×l2+2×l3+l4)×D=

(3.823+4.292×2+5.739×2+4.754)×0.53=15.18 m2

γ=0.012017-0.0001×Z=0.012017-0.0001×6=0.012 kN/m3

式中:Fw h為橫橋向風荷載標準值;Wo為基本風壓;Wd為設計基準風壓;Aw h為橫向迎風面積;V10為橋梁所在地區的設計基本風速,查《公路橋涵設計通用規范》附表A.0.1得V10=24 m/s;Vd為高度Z處的設計基準風速;Z為距地面或水面的高度;γ為空氣重力密度;l1為1-1#鋼管樁迎風面樁長;l2為2-1#、2-2#鋼管樁迎風面樁長;l3為3-1#、3-2#鋼管樁迎風面樁長;l4為4-1#鋼管樁迎風面樁長;D為鋼管樁直徑;k0為設計風速重現期換算系數,對于施工架設期橋梁,k0=0.75;k3為地形、地理條件系數,查《公路橋涵設計通用規范》表4.3.7-1得k3=1;k5為陣風風速系數,查《公路橋涵設計通用規范》表4.3.7-2得k5=1.38;k2為風速高度變化修正系數,查《公路橋涵設計通用規范》表4.3.7-3得k2=1;k1為風載阻力系數,查《公路橋涵設計通用規范》表4.3.7-6,得k2=0.5;

橫橋向風荷載作用于鋼管樁:

橫橋向風荷載產生最大彎矩:

滿足強度要求。

5.6 組合效應驗算

永久荷載:N1=76 kN;

可變荷載:N2=540.3 kN,M1=2.6 kN·m,M2=47.39 kN·m,M3=60.9 kN·m;

=157.06 MPa

式中:γ0為結構重要性系數,取值γ0=1.0;γG為永久荷載的分項系數,取值γG=1.2;γQ為可變荷載的分項系數,取值γQ=1.4。

滿足強度要求。

6 地基承載力驗算

6.1 作用于地基上的荷載

作用于地基上的荷載有：貝雷梁與分配梁自重、活載(掛-80控制)、鋼管墩自重等荷載，荷載內力值見表1。

表1 荷載內力值

由于1#-2、2#-1基礎底面軸向壓力較小,所以進行抗浮計算。

6.2 地基應力驗算

(3)

式中:N為作用于基礎底面的軸向合力,kN;A為基礎底面面積,m2,見表2。

表2 基礎底面面積

根據式(3)，各墩臺的基底應力結果見表3。

表3 基底應力

7 計算結論

通過對鋼橋橋墩、基礎等驗算,得到以下計算結論:

(1) 在便橋使用過程中,應經常性地檢查貝雷梁使用狀態,確保安全通行;

(2) 鋼管墩強度和穩定性均能滿足要求。

8 結束語

本文通過以卵石層作為鋼便橋持力層基礎,驗算了地基承載力及地應力,分析了基礎設計與構造。同時,以鋼管樁作為下部構造,詳細分析了單樁穩定性、流水壓力強度、漂浮物撞擊強度、抗風強度及組合效應,為類似工程施工提供借鑒。