1、新建青岛至连云港铁路青岛北（不含）至洋河口（不含）段ZQ-5标段跨胶州湾特大桥钢便桥计算书 中铁十四局集团有限公司青连铁路项目经理部二一六年五月目录 1.编制依据12.工程概况22.1桥位及桥梁结构简述22.2 便桥设计概述33.依照规范受力分析43.1计算基础43.2 荷载组合及取值43.3结构验算63.3.1荷载组合及分析情况63.3.2受力分析74.便桥典型施工荷载单独验算134.1典型施工荷载134.2履带吊计算154.3 9m砼罐车计算214.4旋挖钻计算245.钢管桩立柱验算285.1钢管立柱稳定验算285.2钢管桩单桩承载力计算286.钢便桥通航孔设计与验算296.1工程概况292、6.2结构受力分析306.3结构验算306.3.1通航孔跨主梁分析306.3.2吊塔分析346.3.3钢管桩单桩承载力计算356.3.4卷扬机提升计算35跨胶州湾特大桥钢便桥计算书1.编制依据1.1公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）1.2钢结构设计规范（GB50017-2003）1.3建筑桩基技术规范(JTJ94-2008)1.4铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10002.5-2005）1.5装配式公路钢桥多用途使用手册（人民交通出版社出版）1.6路桥施工计算手册（周水兴 何兆益 等编著）1.7 Madis civil 2012有限元结构计算软件2.工程概况2.1桥位及桥梁结构简3、述钢便桥桥面宽度6.0m，采用钻孔桩平台作为会车道，桥面标高为5.758m，跨度组合为14（412+3+412+3+412）m，总长度2100m，钢便桥设在桥梁线路左侧。桥台、钢管桩的中心坐标可以通过此基本线路设计原则进行计算，通过全站仪进行其精确极坐标放样定位。钢便桥作为施工临时便桥，遵循公路桥涵设计通用规范规范进行设计，施加相应公路等级荷载，将结构自重荷载、汽车荷载、风荷载、水流荷载进行荷载组合分析；同时根据临时便桥的施工特点，对9m砼运输车及50t履带吊（考虑20t吊重）荷载进行单独验算。便桥结构设计如下：以单排3根6308mm钢管桩作支撑，2I45a工字钢作主横梁，6排单层贝雷梁组拼作4、承重主纵梁，I25a（间距0.3m）作为横向分配梁，上铺设8mm厚的花纹钢板。栏杆采用483.5mm钢管，立杆（高度1.2m）按间距2m布置，对称安装；横杆设置三排，间距0.4m，间隔涂刷红白油漆，外挂安全网。便桥温度伸缩缝布置：为适应便桥钢构件温度变化，以及防止车行过程便桥晃动过大，便桥纵向每隔150m设一道伸缩缝，缝宽4cm，伸缩处便桥所有梁部钢构件均断开。钢管桩上用门形10#槽钢架和主横梁焊接形成固定支座。每隔51m设置一组制动墩，由6根钢管桩组成。钢管桩下沉采用DZ90振动锤振动下放，沉入钢管桩时用全站仪跟踪测量，随时指导沉桩的位置。钢管桩按摩擦桩设计，桩长拟定为24m，伸入水底地层中5、拟定长度约为20m，单桩承载力由DZ90振动锤最大激振力57T进行控制。钢便桥限载70T，同向车辆间距不得小于12m，限速15Km/h，严禁在便桥范围内急刹车，采用水上钻孔钢平台作为会车平台。2.2 便桥设计概述桥面宽度：6.0m。钢便桥长度：2100m，孔跨布置为：14（412+3+412+3+412）m=2100m。桥面标高：钢便桥桥面标高为5.758m。设计通行荷载：公路II级荷载9m3混凝土砼罐车 50T履带吊考虑20T吊重（履带式液压振动锤相较于履带吊荷载较小，仅对履带吊荷载进行分析）XR360旋挖钻机设计行车速度：15Km/h。便桥自上而下为8mm花纹钢板、纵向间距0.3m的I256、a工字钢、贝雷梁、双拼I45a工字钢垫梁、10#槽钢限位卡、6308mm的钢管桩（间距2.3m）、20a#槽钢横联。其结构形式如下：图2-1 钢便桥立面图3.依照规范受力分析3.1计算基础钢便桥结构设计按照持久状况下承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计，便桥为临时结构且单孔跨度较小结构设计安全等级为三级0=0.9，单车道且行车速度较小按照四级公路荷载（公路II级）进行加载。便桥（除贝雷片外）所用钢材均采用Q235材质，抗拉、抗压和抗弯强度设计值为 f=215MPa，抗剪强度设计值fv=125 MPa；贝雷片采用不加强型，材质为16锰钢，抗拉、抗压和抗弯强度设计值为 f=273MPa，抗剪7、强度设计值fv=208MPa。3.2 荷载组合及取值(1)永久作用a结构自重：便桥自重(2)可变作用可变作用：b汽车荷载：公路II级9m3混凝土砼罐车；50T履带吊考虑20T吊重；c风荷载；d流水压力；(3)荷载组合a承载力极限状态下（强度）：基本组合，永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，0Sud=0（i=1mGiSGik+Q1SQ1K+cj=2nQjSQjk）b正常使用极限状态下（刚度）：短期效应组合，永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应组合，Ssd=i=1mSGik+j=1n1jSQjk）(4)荷载计算a结构自重：结构自重为便桥结构，根据模型在系统内自动加载，G=1.2。b汽8、车荷载：公路II级，Q1=1.4，单孔跨度12m，车道荷载Pk取156kN，qk取7.875kN/m,车辆荷载按照规范取值。c风荷载：Fwh=k0k1k3WdAwh根据规范相关参数选定：k0=0.9，k1=1.3,k3=1，Wd=1kN/m2，根据受力面积即可确定风荷载大小，组合系数按照规范取值。d流水压力：Fw=KAV22g根据规范相关参数选定：K=0.8，A为阻水面积,V为设计水流速，根据受力面积即可确定流水压力大小，组合系数按照规范取值。加载点在水位线压力以下0.3倍水深处。3.3结构验算3.3.1荷载组合及分析情况（1）承载力极限状态下（强度）：基本组合，永久作用的设计值效应与可变作用9、设计值效应相组合，0Sud=0（i=1mGiSGik+Q1SQ1K+cj=2nQjSQjk）表3-1荷载情况一览表编号荷载类型名称结构重要系数分项系数组合系数荷载系数荷载1永久荷载结构自重0.91.2/1.08荷载2可变荷载汽车荷载1.4/1.26荷载3可变荷载风荷载1.10.70.693荷载4可变荷载流水荷载1.40.882（2）正常使用极限状态下（刚度）：短期效应组合，永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应组合，Ssd=i=1mSGik+j=1n1jSQjk）表3-2荷载情况一览表编号荷载类型名称结构重要系数分项系数组合系数荷载1永久荷载结构自重/1/荷载2可变荷载汽车荷载0.7荷载3可变10、荷载风荷载0.75荷载4可变荷载流水荷载13.3.2受力分析通过midas civil 2013建立跨径组合为（124+3）m的便桥施工典型单元有限元整体模型，对便桥进行整体受力分析，结构尺寸、材料、布置方式均按照便桥施工图纸建立，钢管桩底部在铰接固定。图3-1（124+3）m跨径组合整体模型 施工荷载考虑结构自重、汽车荷载、风荷载、流水荷载四种荷载组合，其中汽车荷载又包含车道荷载和车辆荷载，综合考虑分为以下3种工况，强度和刚度分析选用2组系数组合。表3-3分析工况一览表编号分析类型荷载组合荷载值计算说明工况1强度1.08结构自重+1.26车道荷载+0.693风荷载+0.882流水荷载（1）结11、构自重：软件自动加载（2）车道荷载：Pk取156kN，qk取7.875kN/m（3）车辆荷载：单侧前轴15 kN，中轴60 kN，后轴70 kN（4）风荷载：单片贝雷梁受力为5.265 kN（5）流水荷载：单根钢管桩9.072 kN刚度1结构自重+0.7车道荷载+0.75风荷载+1流水荷载工况2强度1.08结构自重+1.26车辆荷载跨中处+0.693风荷载+0.882流水荷载刚度1结构自重+0.7车辆荷载跨中处+0.75风荷载+1流水荷载工况3强度1.08结构自重+1.26车辆荷载支点处+0.693风荷载+0.882流水荷载刚度1结构自重+0.7车辆荷载支点处+0.75风荷载+1流水荷载（1）12、工况1模型加载车道荷载进行荷载组合图3-2 工况1受力情况图3-3 工况1强度分析结果图3-4 工况1刚度分析结果图3-5 工况1钢管桩结构反力车道荷载及荷载组合加载后，便桥结构最大组合应力为120.3Mpa，出现在车道荷载集中力加载位置I25分配梁处，最大应力小于抗弯强度设计值215 Mpa，满足要求；便桥最大位移同样出现在车道荷载集中力加载位置跨中贝雷片下侧，最大位移13.2mm小于L/400=30mm的限值；钢管桩最大反力为259kN。（2）工况2模型加载车辆荷载位于跨中进行荷载组合图3-6 工况2受力情况图3-7 工况2强度分析结果图3-8 工况2刚度分析结果图3-9 工况2钢管桩反力13、车辆荷载跨中及荷载组合加载后，便桥结构最大组合应力为136.0Mpa，出现在车辆荷载中轴和后轴之间的支点位置贝雷片立杆处，最大应力小于贝雷片抗弯强度设计值273 Mpa，满足要求；便桥最大位移出现在跨中贝雷片下侧，最大位移12.6mm小于L/400=30mm的限值；钢管桩最大反力为289kN。（2）工况3模型加载车辆荷载位于支点进行荷载组合图3-10 工况3受力情况图3-11 工况3强度分析结果 图3-12 工况3刚度分析结果图3-13 工况3钢管桩反力车辆荷载位于支点，进行荷载组合加载后，便桥结构最大组合应力为143.9Mpa，出现在车辆荷载后轴下部支点位置贝雷片立杆处，最大应力小于贝雷片抗14、弯强度设计值273 Mpa，满足要求；便桥最大位移出现在跨中贝雷片下侧，最大位移12.6mm小于L/400=30mm的限值；钢管桩最大反力为251.8kN。4.便桥典型施工荷载单独验算4.1典型施工荷载荷载一、履带吊自重50t，吊重按20t考虑，合计70t。技术参数及荷载分布如下:履带吊型号SCC500E整备质量50000kg履带尺寸5720700mm2履带着地面积4500700mm2工作时履带间隙3000mm本项目满载总质量70000 kg 70t均布荷载 35t均布荷载 35t均布荷载荷载二、9m3的混凝土运输车（参考车型：三一重工生产的SY5250GJB4（9m3欧）, 技术参数及荷载分15、布如下:底盘型号SYM1250T4整备质量14000kg整车外形尺寸(长宽高)920024903880mm满载总质量40000 kg轴距3575 mm+1350mm P1 P2 P3 Pn/2 Pn/2P1=6t，P2=P3=17t，合计：40t。荷载三、旋挖钻机（参考车型：徐工集团生产的XR360旋挖钻机）, 技术参数及荷载分布如下:履带吊型号XR360裸机质量76400kg履带尺寸6535800mm2履带着地面积5484800mm2工作时履带间隙3200mm本项目满载总质量92000 kg4.2履带吊计算(1)I25a工字钢分配梁计算I25a工字钢分配梁间距为0.3m，单根I25a工字钢加16、载线荷载计算如下：荷载：a 桥面8mm钢板取0.0080.37850/100=0.19KN/m b I25a工字钢取38.1/100=0.38KN/m活载：单侧履带吊取7010/（24.50.7）0.3=33.3 KN/m考虑两种最不利工况分别进行计算：工况一：履带吊在便桥线路中部，荷载分布如下. 单根I25a组合应力如下图所示：最大组合应力为4.49MPf=215MPa单根I25a剪应力如下图所示：最大剪应力为8.98MPaf=125MPa工况二：履带吊从便桥行走到作业钢平台，单侧履带位于I25a工字钢最大跨中。单根I25a组合应力如下图所示：最大组合应力为13.0MPf=215MPa单根I17、25a剪应力如下图所示：最大剪应力为9.58MPaf=125MPa如下位移图所示最大竖向位移为0.1mm，满足要求。(2)贝雷梁计算贝雷梁两片为一组，计算跨径为12.0m，按简支梁计算。考虑一种工况，即一侧履带吊全部位于一组两片贝雷梁上方，单片贝雷计算荷载如下：恒载：a桥面8mm钢板取 0.0082.37850/（1002）=0.72 KN/m b I25工字钢取38.12.3/（0.31002）=1.46 KN/m c贝雷片取1.0KN/m活载：履带吊荷载取700/（224.5）=38.8 KN/m计算简图如下：贝雷梁组合应力如下图所示：最大组合应力为242.8MPf=273MPa贝雷梁剪应18、力如下图所示：最大剪应力为75.94MPafv=208MPa贝雷片最大竖向位移如下图所示,最大竖向位移为17.6mmL/400=30mm。(3)钢管桩计算考虑钢管桩最不利受力工况，履带吊一侧履带位于钢管桩的上方，按两跨连续梁计算钢管桩反力。恒载：a桥面8mm钢板取 0.0082.37850/100=1.45KN/m b I25工字钢取38.12.3/（0.3100）=2.92KN/m c贝雷片取2.0KN/m活载：履带吊荷载取700/（24.5）=77.6 KN/m计算图如下：钢管桩桩顶支点反力图如下：最大支点反力54.3t，小于DZ90震动锤激振力所控制的单桩承载力，满足要求。4.3 9m砼19、罐车计算(1)I25a工字钢分配梁计算I25a工字钢分配梁间距为0.3m，考虑砼罐车后轴位于分配梁最大跨径处，此位置为最不利工况，单根I25a工字钢加载线荷载计算如下：恒载：a桥面8mm钢板取 0.0080.37850/100=0.19KN/mb I25工字钢取38.1/100=0.38KN/m 活载：罐车后轮宽60cm，长30cm，荷载取170/（20.6）=141.67 KN/m计算简图如下： I25a工字钢分配梁组合应力图如下所示，最大组合应力为52.25MPaf=215MPaI25a工字钢分配剪应力图如下所示，最大组剪应力为38.46MPaf=125MPaI25工字钢分配梁位移图如下,20、最大竖向位移为0.3mm，满足要求。(2)贝雷梁计算贝雷梁两片为一组，计算跨径为12m，考虑砼罐车位于便桥跨中位置且单侧轮胎位于一组贝雷片上，此时为最不利工况，按简支梁计算。恒载：a桥面8mm钢板取 0.0082.37850/（1002）=0.72 KN/m b I25工字钢取38.12.3/（0.31002）=1.46 KN/m c贝雷片取1.0KN/m活载：前轴荷载60/（22）=15KN 中轴、后轴荷载170/（22）=42.5KN计算简图如下：贝雷梁组合应力如下图所示：最大组合应力为208MPaf=273MPa贝雷梁剪应力如下图所示：最大剪应力为52.94MPafv=208MPa贝雷片21、最大竖向位移如下图所示,最大竖向位移为15.4mmL/400=30mm。(3)钢管桩计算考虑钢管桩最不利受力工况，砼罐车一侧中轴后轴中部位于钢管桩的上方，按两跨连续梁计算钢管桩反力。恒载：a桥面8mm钢板取 0.0082.37850/100=1.45KN/m b I25工字钢取38.12.3/（0.3100）=2.92KN/m c贝雷片取2.0KN/m活载：前轴荷载60/2=30KN 中轴、后轴荷载170/2=85KN计算图如下：钢管桩桩顶支点反力图如下：最大支点反力38.7t，小于DZ90震动锤激振力所控制的单桩承载力，满足要求。4.4旋挖钻计算旋挖钻计算时考虑两种施工情况。工况1：旋挖钻处22、于跨中位置；工况2：旋挖钻处于支点位置；考虑结构自重与旋挖钻荷载组合。旋挖钻整备质量92T，履带轮压104.85kpa。强度分析：结构自重为恒载系数为1.2，旋挖钻荷载为活载系数为1.4。刚度分析：结构自重及旋挖荷载系数均为1.0。（1）旋挖钻荷载位于跨中处图4-1 工况1受力情况图4-2 工况1强度分析结果图4-3 工况1刚度分析结果图4-4 工况1钢管桩反力结果旋挖钻荷载位于便桥跨中时，便桥结构最大组合应力为236.9Mpa，出现在支点处贝雷片竖向立杆，最大应力小于抗弯强度设计值273 Mpa，满足要求；便桥最大位移出现在便桥跨中位置贝雷片下侧，最大位移11.4mm小于L/400=30mm23、的限值；钢管桩最大反力为354kN，小于单根钢管桩承载力，满足要求。（2）旋挖钻荷载位于支点处图4-5 工况2受力情况图4-6 工况2强度分析结果图4-7 工况2刚度分析结果图4-8 工况2钢管桩反力情况旋挖钻荷载位于便桥支点处时，便桥结构最大组合应力为254.1Mpa，出现在支点处贝雷片竖向立杆，最大应力小于抗弯强度设计值273 Mpa，满足要求；便桥最大位移出现在便桥跨中位置贝雷片下侧，最大位移3.2mm小于L/400=30mm的限值；钢管桩最大反力为523.8kN，小于单根钢管桩承载力，满足要求。5.钢管桩立柱验算5.1钢管立柱稳定验算通过对模型计算分析，单根钢管立柱最大支点反力F=5424、3KN。钢管立柱计算长度L0=10m。钢管立柱截面为6308mm，截面特性： 5.2钢管桩单桩承载力计算钢管桩截面为6308mm，单桩承载力计算公式为：便桥里程位于DK9+630-DK11+730,按照168#墩典型地段分析地质构造及力学特性查阅施工图设计及铁路桥涵地基和基础设计规范（TB10002.5-2005）为：地质结构地质情况厚度（m）底深（m）(KPa)j(KPa)淤泥质粉质黏土5.05.06015粉质黏土1.06.012025粉砂1.07.012025粉质黏土1.08.012025细砂2.510.520030粉质黏土2.012.516025中砂2.014.530060中砂6.02025、.540065现场采用DZ90振动锤最大激振力为57T以此作为单桩承载力控制指标，忽略钢管桩桩端承载力，按照570KN单桩承载力反算入土深度为17.3m，计算如下：Ra=0.53.140.63（515+1.025+1.025+1.025+2.530+2.025+2.060+2.865）=570.71KNF=543KN根据施工地质的差异，施工过程中控制钢管桩打入深度为20m左右，以最大激振力57T作为承载力控制指标进行控制。6.钢便桥通航孔设计与验算6.1工程概况跨胶州湾特大桥跨海部分施工便桥有通航需求，便桥设计时既要满足贯通两岸的施工需求，同时要保证胶州湾航道的畅通，因此便桥在航道处设计了可提26、升式的吊桥。可提升通航孔以吊桥形式实现，在通航孔道两侧设置四个吊塔，吊塔上部安装卷扬机，通过横梁将通航孔跨整体吊起，实现便桥的提升为通航提供净空高度。设计有效通航宽度为12m，根据最高水位和通航需求选定最大提升高度为6m，最小航道净空为6.7m。提升系统由四组3t卷扬机和滑轮组吊钩组成，每个吊塔由2根63010mm钢管桩通过横纵连组成，需要提升时，四组提升系统同步启动，根据当日的水位标高提升到满足通航净空要求。提升孔跨考虑冲击系数为1.3，孔跨内只考虑一辆重车，限速15Km/h，严禁在孔跨范围内急刹车。图6-1 提升孔跨立面图6.2结构受力分析通航孔跨（除贝雷片外）所用钢材均采用Q235材质，27、抗拉、抗压和抗弯强度设计值为 f=215MPa，抗剪强度设计值fv=125 MPa；贝雷片采用不加强型，材质为16锰钢，抗拉、抗压和抗弯强度设计值为 f=273MPa，抗剪强度设计值fv=208MPa。6.3结构验算6.3.1通航孔跨主梁分析通航孔道主梁相较于12m便桥主梁变为15m，I25工字梁受力情况与主跨相同，在此不做分析；贝雷梁下部钢管桩数量增加单根钢管桩承载力减小，在此不做分析；只对贝雷主梁进行计算，施工时通航孔道考虑通行砼罐车及履带吊,对贝雷主梁加载计算如下：（1）砼罐车荷载分析贝雷梁两片为一组，计算跨径为15m，考虑砼罐车位于便桥跨中位置且单侧轮胎位于一组贝雷片上，此时为最不利工28、况，按简支梁计算。恒载：a桥面8mm钢板取 0.0082.37850/（1002）=0.72 KN/m b I25工字钢取38.12.3/（0.31002）=1.46 KN/m c贝雷片取1.0KN/m活载：前轴荷载60/（22）=15KN 中轴、后轴荷载170/（22）=42.5KN强度计算时，恒载考虑1.2倍系数，活载考虑1.4倍系数；刚度计算时均恒载活载均考虑1.0倍系数。计算简图如下：贝雷梁组合应力如下图所示：最大组合应力为236MPaf=273MPa贝雷梁剪应力如下图所示：最大剪应力为53.6MPafv=208MPa贝雷片最大竖向位移如下图所示,最大竖向位移为20.3mmL/400=29、30mm。（2）履带吊荷载分析恒载：结构自重活载：履带吊对孔跨压力，履带吊履带压力为70*10*1000/(4.5*0.7*2)=111.11kpa强度计算时，恒载考虑1.2倍系数，活载考虑1.4倍系数；刚度计算时均恒载活载均考虑1.0倍系数。图6-2 通航孔跨履带吊加载图图6-3 强度分析结果图6-4 刚度分析结果履带吊荷载加载后，通航孔结构最大组合应力为232.8Mpa，出现在跨中位置处贝雷片下弦杆，最大应力小于贝雷片抗弯强度设计值273 Mpa，满足要求；便桥最大位移出现在跨中贝雷片下侧，最大位移24.6mm小于L/400=37.5mm的限值，满足要求。6.3.2吊塔分析图6-5 提升孔30、跨吊塔结构图(1)强度计算吊塔在卷扬机提升孔跨时，主要施工荷载即为孔跨自重（贝雷梁，分配梁、桥面板、横向连接梁）。G1=(300(15/3)6+15/0.3638.1+6150.0087850+(6+4)680.4)10/1000=309KN考虑孔跨提升时1.3倍的冲击系数，则总提升力为：G2=G11.3=402KN考虑结构自重，模型加载荷载后，受力情况如下：图6-6 钢管桩支点反力情况图6-7 钢管桩应力情况最大支反力为58KN，出现在内侧钢管桩位置处；结构最大应力为6.65MPa，出现在剪刀撑位置处。 (2)稳定性计算单根钢管立柱最大支点反力58KN，钢管立柱计算长度L=10m。钢管立柱截面为6308mm，截面特性： 6.3.3钢管桩单桩承载力计算单桩最大承载力为74KN100.5KN 满足要求。钢丝绳考虑安全系数K=6，则提升力为：F2=846=603KN 现场拟采用钢丝绳破断力应大于此数值。35