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1、新建青島至連云港鐵路青島北（不含）至洋河口（不含）段ZQ-5標段跨膠州灣特大橋鋼便橋計算書 中鐵十四局集團有限公司青連鐵路項目經理部二一六年五月目錄 1.編制依據12.工程概況22.1橋位及橋梁結構簡述22.2 便橋設計概述33.依照規范受力分析43.1計算基礎43.2 荷載組合及取值43.3結構驗算63.3.1荷載組合及分析情況63.3.2受力分析74.便橋典型施工荷載單獨驗算134.1典型施工荷載134.2履帶吊計算154.3 9m砼罐車計算214.4旋挖鉆計算245.鋼管樁立柱驗算285.1鋼管立柱穩定驗算285.2鋼管樁單樁承載力計算286.鋼便橋通航孔設計與驗算296.1工程概況292、6.2結構受力分析306.3結構驗算306.3.1通航孔跨主梁分析306.3.2吊塔分析346.3.3鋼管樁單樁承載力計算356.3.4卷揚機提升計算35跨膠州灣特大橋鋼便橋計算書1.編制依據1.1公路橋涵設計通用規范（JTG D60-2004）1.2鋼結構設計規范（GB50017-2003）1.3建筑樁基技術規范(JTJ94-2008)1.4鐵路橋涵地基和基礎設計規范（TB10002.5-2005）1.5裝配式公路鋼橋多用途使用手冊（人民交通出版社出版）1.6路橋施工計算手冊（周水興 何兆益 等編著）1.7 Madis civil 2012有限元結構計算軟件2.工程概況2.1橋位及橋梁結構簡3、述鋼便橋橋面寬度6.0m，采用鉆孔樁平臺作為會車道，橋面標高為5.758m，跨度組合為14（412+3+412+3+412）m，總長度2100m，鋼便橋設在橋梁線路左側。橋臺、鋼管樁的中心坐標可以通過此基本線路設計原則進行計算，通過全站儀進行其精確極坐標放樣定位。鋼便橋作為施工臨時便橋，遵循公路橋涵設計通用規范規范進行設計，施加相應公路等級荷載，將結構自重荷載、汽車荷載、風荷載、水流荷載進行荷載組合分析；同時根據臨時便橋的施工特點，對9m砼運輸車及50t履帶吊（考慮20t吊重）荷載進行單獨驗算。便橋結構設計如下：以單排3根6308mm鋼管樁作支撐，2I45a工字鋼作主橫梁，6排單層貝雷梁組拼作4、承重主縱梁，I25a（間距0.3m）作為橫向分配梁，上鋪設8mm厚的花紋鋼板。欄桿采用483.5mm鋼管，立桿（高度1.2m）按間距2m布置，對稱安裝；橫桿設置三排，間距0.4m，間隔涂刷紅白油漆，外掛安全網。便橋溫度伸縮縫布置：為適應便橋鋼構件溫度變化，以及防止車行過程便橋晃動過大，便橋縱向每隔150m設一道伸縮縫，縫寬4cm，伸縮處便橋所有梁部鋼構件均斷開。鋼管樁上用門形10#槽鋼架和主橫梁焊接形成固定支座。每隔51m設置一組制動墩，由6根鋼管樁組成。鋼管樁下沉采用DZ90振動錘振動下放，沉入鋼管樁時用全站儀跟蹤測量，隨時指導沉樁的位置。鋼管樁按摩擦樁設計，樁長擬定為24m，伸入水底地層中5、擬定長度約為20m，單樁承載力由DZ90振動錘最大激振力57T進行控制。鋼便橋限載70T，同向車輛間距不得小于12m，限速15Km/h，嚴禁在便橋范圍內急剎車，采用水上鉆孔鋼平臺作為會車平臺。2.2 便橋設計概述橋面寬度：6.0m。鋼便橋長度：2100m，孔跨布置為：14（412+3+412+3+412）m=2100m。橋面標高：鋼便橋橋面標高為5.758m。設計通行荷載：公路II級荷載9m3混凝土砼罐車 50T履帶吊考慮20T吊重（履帶式液壓振動錘相較于履帶吊荷載較小，僅對履帶吊荷載進行分析）XR360旋挖鉆機設計行車速度：15Km/h。便橋自上而下為8mm花紋鋼板、縱向間距0.3m的I256、a工字鋼、貝雷梁、雙拼I45a工字鋼墊梁、10#槽鋼限位卡、6308mm的鋼管樁（間距2.3m）、20a#槽鋼橫聯。其結構形式如下：圖2-1 鋼便橋立面圖3.依照規范受力分析3.1計算基礎鋼便橋結構設計按照持久狀況下承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行設計，便橋為臨時結構且單孔跨度較小結構設計安全等級為三級0=0.9，單車道且行車速度較小按照四級公路荷載（公路II級）進行加載。便橋（除貝雷片外）所用鋼材均采用Q235材質，抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為 f=215MPa，抗剪強度設計值fv=125 MPa；貝雷片采用不加強型，材質為16錳鋼，抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為 f=273MPa，抗剪7、強度設計值fv=208MPa。3.2 荷載組合及取值(1)永久作用a結構自重：便橋自重(2)可變作用可變作用：b汽車荷載：公路II級9m3混凝土砼罐車；50T履帶吊考慮20T吊重；c風荷載；d流水壓力；(3)荷載組合a承載力極限狀態下（強度）：基本組合，永久作用的設計值效應與可變作用設計值效應相組合，0Sud=0（i=1mGiSGik+Q1SQ1K+cj=2nQjSQjk）b正常使用極限狀態下（剛度）：短期效應組合，永久作用標準值效應與可變作用頻遇值效應組合，Ssd=i=1mSGik+j=1n1jSQjk）(4)荷載計算a結構自重：結構自重為便橋結構，根據模型在系統內自動加載，G=1.2。b汽8、車荷載：公路II級，Q1=1.4，單孔跨度12m，車道荷載Pk取156kN，qk取7.875kN/m,車輛荷載按照規范取值。c風荷載：Fwh=k0k1k3WdAwh根據規范相關參數選定：k0=0.9，k1=1.3,k3=1，Wd=1kN/m2，根據受力面積即可確定風荷載大小，組合系數按照規范取值。d流水壓力：Fw=KAV22g根據規范相關參數選定：K=0.8，A為阻水面積,V為設計水流速，根據受力面積即可確定流水壓力大小，組合系數按照規范取值。加載點在水位線壓力以下0.3倍水深處。3.3結構驗算3.3.1荷載組合及分析情況（1）承載力極限狀態下（強度）：基本組合，永久作用的設計值效應與可變作用9、設計值效應相組合，0Sud=0（i=1mGiSGik+Q1SQ1K+cj=2nQjSQjk）表3-1荷載情況一覽表編號荷載類型名稱結構重要系數分項系數組合系數荷載系數荷載1永久荷載結構自重0.91.2/1.08荷載2可變荷載汽車荷載1.4/1.26荷載3可變荷載風荷載1.10.70.693荷載4可變荷載流水荷載1.40.882（2）正常使用極限狀態下（剛度）：短期效應組合，永久作用標準值效應與可變作用頻遇值效應組合，Ssd=i=1mSGik+j=1n1jSQjk）表3-2荷載情況一覽表編號荷載類型名稱結構重要系數分項系數組合系數荷載1永久荷載結構自重/1/荷載2可變荷載汽車荷載0.7荷載3可變10、荷載風荷載0.75荷載4可變荷載流水荷載13.3.2受力分析通過midas civil 2013建立跨徑組合為（124+3）m的便橋施工典型單元有限元整體模型，對便橋進行整體受力分析，結構尺寸、材料、布置方式均按照便橋施工圖紙建立，鋼管樁底部在鉸接固定。圖3-1（124+3）m跨徑組合整體模型 施工荷載考慮結構自重、汽車荷載、風荷載、流水荷載四種荷載組合，其中汽車荷載又包含車道荷載和車輛荷載，綜合考慮分為以下3種工況，強度和剛度分析選用2組系數組合。表3-3分析工況一覽表編號分析類型荷載組合荷載值計算說明工況1強度1.08結構自重+1.26車道荷載+0.693風荷載+0.882流水荷載（1）結11、構自重：軟件自動加載（2）車道荷載：Pk取156kN，qk取7.875kN/m（3）車輛荷載：單側前軸15 kN，中軸60 kN，后軸70 kN（4）風荷載：單片貝雷梁受力為5.265 kN（5）流水荷載：單根鋼管樁9.072 kN剛度1結構自重+0.7車道荷載+0.75風荷載+1流水荷載工況2強度1.08結構自重+1.26車輛荷載跨中處+0.693風荷載+0.882流水荷載剛度1結構自重+0.7車輛荷載跨中處+0.75風荷載+1流水荷載工況3強度1.08結構自重+1.26車輛荷載支點處+0.693風荷載+0.882流水荷載剛度1結構自重+0.7車輛荷載支點處+0.75風荷載+1流水荷載（1）12、工況1模型加載車道荷載進行荷載組合圖3-2 工況1受力情況圖3-3 工況1強度分析結果圖3-4 工況1剛度分析結果圖3-5 工況1鋼管樁結構反力車道荷載及荷載組合加載后，便橋結構最大組合應力為120.3Mpa，出現在車道荷載集中力加載位置I25分配梁處，最大應力小于抗彎強度設計值215 Mpa，滿足要求；便橋最大位移同樣出現在車道荷載集中力加載位置跨中貝雷片下側，最大位移13.2mm小于L/400=30mm的限值；鋼管樁最大反力為259kN。（2）工況2模型加載車輛荷載位于跨中進行荷載組合圖3-6 工況2受力情況圖3-7 工況2強度分析結果圖3-8 工況2剛度分析結果圖3-9 工況2鋼管樁反力13、車輛荷載跨中及荷載組合加載后，便橋結構最大組合應力為136.0Mpa，出現在車輛荷載中軸和后軸之間的支點位置貝雷片立桿處，最大應力小于貝雷片抗彎強度設計值273 Mpa，滿足要求；便橋最大位移出現在跨中貝雷片下側，最大位移12.6mm小于L/400=30mm的限值；鋼管樁最大反力為289kN。（2）工況3模型加載車輛荷載位于支點進行荷載組合圖3-10 工況3受力情況圖3-11 工況3強度分析結果 圖3-12 工況3剛度分析結果圖3-13 工況3鋼管樁反力車輛荷載位于支點，進行荷載組合加載后，便橋結構最大組合應力為143.9Mpa，出現在車輛荷載后軸下部支點位置貝雷片立桿處，最大應力小于貝雷片抗14、彎強度設計值273 Mpa，滿足要求；便橋最大位移出現在跨中貝雷片下側，最大位移12.6mm小于L/400=30mm的限值；鋼管樁最大反力為251.8kN。4.便橋典型施工荷載單獨驗算4.1典型施工荷載荷載一、履帶吊自重50t，吊重按20t考慮，合計70t。技術參數及荷載分布如下:履帶吊型號SCC500E整備質量50000kg履帶尺寸5720700mm2履帶著地面積4500700mm2工作時履帶間隙3000mm本項目滿載總質量70000 kg 70t均布荷載 35t均布荷載 35t均布荷載荷載二、9m3的混凝土運輸車（參考車型：三一重工生產的SY5250GJB4（9m3歐）, 技術參數及荷載分15、布如下:底盤型號SYM1250T4整備質量14000kg整車外形尺寸(長寬高)920024903880mm滿載總質量40000 kg軸距3575 mm+1350mm P1 P2 P3 Pn/2 Pn/2P1=6t，P2=P3=17t，合計：40t。荷載三、旋挖鉆機（參考車型：徐工集團生產的XR360旋挖鉆機）, 技術參數及荷載分布如下:履帶吊型號XR360裸機質量76400kg履帶尺寸6535800mm2履帶著地面積5484800mm2工作時履帶間隙3200mm本項目滿載總質量92000 kg4.2履帶吊計算(1)I25a工字鋼分配梁計算I25a工字鋼分配梁間距為0.3m，單根I25a工字鋼加16、載線荷載計算如下：荷載：a 橋面8mm鋼板取0.0080.37850/100=0.19KN/m b I25a工字鋼取38.1/100=0.38KN/m活載：單側履帶吊取7010/（24.50.7）0.3=33.3 KN/m考慮兩種最不利工況分別進行計算：工況一：履帶吊在便橋線路中部，荷載分布如下. 單根I25a組合應力如下圖所示：最大組合應力為4.49MPf=215MPa單根I25a剪應力如下圖所示：最大剪應力為8.98MPaf=125MPa工況二：履帶吊從便橋行走到作業鋼平臺，單側履帶位于I25a工字鋼最大跨中。單根I25a組合應力如下圖所示：最大組合應力為13.0MPf=215MPa單根I17、25a剪應力如下圖所示：最大剪應力為9.58MPaf=125MPa如下位移圖所示最大豎向位移為0.1mm，滿足要求。(2)貝雷梁計算貝雷梁兩片為一組，計算跨徑為12.0m，按簡支梁計算?？紤]一種工況，即一側履帶吊全部位于一組兩片貝雷梁上方，單片貝雷計算荷載如下：恒載：a橋面8mm鋼板取 0.0082.37850/（1002）=0.72 KN/m b I25工字鋼取38.12.3/（0.31002）=1.46 KN/m c貝雷片取1.0KN/m活載：履帶吊荷載取700/（224.5）=38.8 KN/m計算簡圖如下：貝雷梁組合應力如下圖所示：最大組合應力為242.8MPf=273MPa貝雷梁剪應18、力如下圖所示：最大剪應力為75.94MPafv=208MPa貝雷片最大豎向位移如下圖所示,最大豎向位移為17.6mmL/400=30mm。(3)鋼管樁計算考慮鋼管樁最不利受力工況，履帶吊一側履帶位于鋼管樁的上方，按兩跨連續梁計算鋼管樁反力。恒載：a橋面8mm鋼板取 0.0082.37850/100=1.45KN/m b I25工字鋼取38.12.3/（0.3100）=2.92KN/m c貝雷片取2.0KN/m活載：履帶吊荷載取700/（24.5）=77.6 KN/m計算圖如下：鋼管樁樁頂支點反力圖如下：最大支點反力54.3t，小于DZ90震動錘激振力所控制的單樁承載力，滿足要求。4.3 9m砼19、罐車計算(1)I25a工字鋼分配梁計算I25a工字鋼分配梁間距為0.3m，考慮砼罐車后軸位于分配梁最大跨徑處，此位置為最不利工況，單根I25a工字鋼加載線荷載計算如下：恒載：a橋面8mm鋼板取 0.0080.37850/100=0.19KN/mb I25工字鋼取38.1/100=0.38KN/m 活載：罐車后輪寬60cm，長30cm，荷載取170/（20.6）=141.67 KN/m計算簡圖如下： I25a工字鋼分配梁組合應力圖如下所示，最大組合應力為52.25MPaf=215MPaI25a工字鋼分配剪應力圖如下所示，最大組剪應力為38.46MPaf=125MPaI25工字鋼分配梁位移圖如下,20、最大豎向位移為0.3mm，滿足要求。(2)貝雷梁計算貝雷梁兩片為一組，計算跨徑為12m，考慮砼罐車位于便橋跨中位置且單側輪胎位于一組貝雷片上，此時為最不利工況，按簡支梁計算。恒載：a橋面8mm鋼板取 0.0082.37850/（1002）=0.72 KN/m b I25工字鋼取38.12.3/（0.31002）=1.46 KN/m c貝雷片取1.0KN/m活載：前軸荷載60/（22）=15KN 中軸、后軸荷載170/（22）=42.5KN計算簡圖如下：貝雷梁組合應力如下圖所示：最大組合應力為208MPaf=273MPa貝雷梁剪應力如下圖所示：最大剪應力為52.94MPafv=208MPa貝雷片21、最大豎向位移如下圖所示,最大豎向位移為15.4mmL/400=30mm。(3)鋼管樁計算考慮鋼管樁最不利受力工況，砼罐車一側中軸后軸中部位于鋼管樁的上方，按兩跨連續梁計算鋼管樁反力。恒載：a橋面8mm鋼板取 0.0082.37850/100=1.45KN/m b I25工字鋼取38.12.3/（0.3100）=2.92KN/m c貝雷片取2.0KN/m活載：前軸荷載60/2=30KN 中軸、后軸荷載170/2=85KN計算圖如下：鋼管樁樁頂支點反力圖如下：最大支點反力38.7t，小于DZ90震動錘激振力所控制的單樁承載力，滿足要求。4.4旋挖鉆計算旋挖鉆計算時考慮兩種施工情況。工況1：旋挖鉆處22、于跨中位置；工況2：旋挖鉆處于支點位置；考慮結構自重與旋挖鉆荷載組合。旋挖鉆整備質量92T，履帶輪壓104.85kpa。強度分析：結構自重為恒載系數為1.2，旋挖鉆荷載為活載系數為1.4。剛度分析：結構自重及旋挖荷載系數均為1.0。（1）旋挖鉆荷載位于跨中處圖4-1 工況1受力情況圖4-2 工況1強度分析結果圖4-3 工況1剛度分析結果圖4-4 工況1鋼管樁反力結果旋挖鉆荷載位于便橋跨中時，便橋結構最大組合應力為236.9Mpa，出現在支點處貝雷片豎向立桿，最大應力小于抗彎強度設計值273 Mpa，滿足要求；便橋最大位移出現在便橋跨中位置貝雷片下側，最大位移11.4mm小于L/400=30mm23、的限值；鋼管樁最大反力為354kN，小于單根鋼管樁承載力，滿足要求。（2）旋挖鉆荷載位于支點處圖4-5 工況2受力情況圖4-6 工況2強度分析結果圖4-7 工況2剛度分析結果圖4-8 工況2鋼管樁反力情況旋挖鉆荷載位于便橋支點處時，便橋結構最大組合應力為254.1Mpa，出現在支點處貝雷片豎向立桿，最大應力小于抗彎強度設計值273 Mpa，滿足要求；便橋最大位移出現在便橋跨中位置貝雷片下側，最大位移3.2mm小于L/400=30mm的限值；鋼管樁最大反力為523.8kN，小于單根鋼管樁承載力，滿足要求。5.鋼管樁立柱驗算5.1鋼管立柱穩定驗算通過對模型計算分析，單根鋼管立柱最大支點反力F=5424、3KN。鋼管立柱計算長度L0=10m。鋼管立柱截面為6308mm，截面特性： 5.2鋼管樁單樁承載力計算鋼管樁截面為6308mm，單樁承載力計算公式為：便橋里程位于DK9+630-DK11+730,按照168#墩典型地段分析地質構造及力學特性查閱施工圖設計及鐵路橋涵地基和基礎設計規范（TB10002.5-2005）為：地質結構地質情況厚度（m）底深（m）(KPa)j(KPa)淤泥質粉質黏土5.05.06015粉質黏土1.06.012025粉砂1.07.012025粉質黏土1.08.012025細砂2.510.520030粉質黏土2.012.516025中砂2.014.530060中砂6.02025、.540065現場采用DZ90振動錘最大激振力為57T以此作為單樁承載力控制指標，忽略鋼管樁樁端承載力，按照570KN單樁承載力反算入土深度為17.3m，計算如下：Ra=0.53.140.63（515+1.025+1.025+1.025+2.530+2.025+2.060+2.865）=570.71KNF=543KN根據施工地質的差異，施工過程中控制鋼管樁打入深度為20m左右，以最大激振力57T作為承載力控制指標進行控制。6.鋼便橋通航孔設計與驗算6.1工程概況跨膠州灣特大橋跨海部分施工便橋有通航需求，便橋設計時既要滿足貫通兩岸的施工需求，同時要保證膠州灣航道的暢通，因此便橋在航道處設計了可提26、升式的吊橋?？商嵘ê娇滓缘鯓蛐问綄崿F，在通航孔道兩側設置四個吊塔，吊塔上部安裝卷揚機，通過橫梁將通航孔跨整體吊起，實現便橋的提升為通航提供凈空高度。設計有效通航寬度為12m，根據最高水位和通航需求選定最大提升高度為6m，最小航道凈空為6.7m。提升系統由四組3t卷揚機和滑輪組吊鉤組成，每個吊塔由2根63010mm鋼管樁通過橫縱連組成，需要提升時，四組提升系統同步啟動，根據當日的水位標高提升到滿足通航凈空要求。提升孔跨考慮沖擊系數為1.3，孔跨內只考慮一輛重車，限速15Km/h，嚴禁在孔跨范圍內急剎車。圖6-1 提升孔跨立面圖6.2結構受力分析通航孔跨（除貝雷片外）所用鋼材均采用Q235材質，27、抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為 f=215MPa，抗剪強度設計值fv=125 MPa；貝雷片采用不加強型，材質為16錳鋼，抗拉、抗壓和抗彎強度設計值為 f=273MPa，抗剪強度設計值fv=208MPa。6.3結構驗算6.3.1通航孔跨主梁分析通航孔道主梁相較于12m便橋主梁變為15m，I25工字梁受力情況與主跨相同，在此不做分析；貝雷梁下部鋼管樁數量增加單根鋼管樁承載力減小，在此不做分析；只對貝雷主梁進行計算，施工時通航孔道考慮通行砼罐車及履帶吊,對貝雷主梁加載計算如下：（1）砼罐車荷載分析貝雷梁兩片為一組，計算跨徑為15m，考慮砼罐車位于便橋跨中位置且單側輪胎位于一組貝雷片上，此時為最不利工28、況，按簡支梁計算。恒載：a橋面8mm鋼板取 0.0082.37850/（1002）=0.72 KN/m b I25工字鋼取38.12.3/（0.31002）=1.46 KN/m c貝雷片取1.0KN/m活載：前軸荷載60/（22）=15KN 中軸、后軸荷載170/（22）=42.5KN強度計算時，恒載考慮1.2倍系數，活載考慮1.4倍系數；剛度計算時均恒載活載均考慮1.0倍系數。計算簡圖如下：貝雷梁組合應力如下圖所示：最大組合應力為236MPaf=273MPa貝雷梁剪應力如下圖所示：最大剪應力為53.6MPafv=208MPa貝雷片最大豎向位移如下圖所示,最大豎向位移為20.3mmL/400=29、30mm。（2）履帶吊荷載分析恒載：結構自重活載：履帶吊對孔跨壓力，履帶吊履帶壓力為70*10*1000/(4.5*0.7*2)=111.11kpa強度計算時，恒載考慮1.2倍系數，活載考慮1.4倍系數；剛度計算時均恒載活載均考慮1.0倍系數。圖6-2 通航孔跨履帶吊加載圖圖6-3 強度分析結果圖6-4 剛度分析結果履帶吊荷載加載后，通航孔結構最大組合應力為232.8Mpa，出現在跨中位置處貝雷片下弦桿，最大應力小于貝雷片抗彎強度設計值273 Mpa，滿足要求；便橋最大位移出現在跨中貝雷片下側，最大位移24.6mm小于L/400=37.5mm的限值，滿足要求。6.3.2吊塔分析圖6-5 提升孔30、跨吊塔結構圖(1)強度計算吊塔在卷揚機提升孔跨時，主要施工荷載即為孔跨自重（貝雷梁，分配梁、橋面板、橫向連接梁）。G1=(300(15/3)6+15/0.3638.1+6150.0087850+(6+4)680.4)10/1000=309KN考慮孔跨提升時1.3倍的沖擊系數，則總提升力為：G2=G11.3=402KN考慮結構自重，模型加載荷載后，受力情況如下：圖6-6 鋼管樁支點反力情況圖6-7 鋼管樁應力情況最大支反力為58KN，出現在內側鋼管樁位置處；結構最大應力為6.65MPa，出現在剪刀撐位置處。 (2)穩定性計算單根鋼管立柱最大支點反力58KN，鋼管立柱計算長度L=10m。鋼管立柱截面為6308mm，截面特性： 6.3.3鋼管樁單樁承載力計算單樁最大承載力為74KN100.5KN 滿足要求。鋼絲繩考慮安全系數K=6，則提升力為：F2=846=603KN 現場擬采用鋼絲繩破斷力應大于此數值。35