临时结构设计(设计部).pptx

栈桥/钢板桩围堰/支架/地基梁相关设计与探讨,中铁大桥局集团第四工程有限公司设计事业部2013-04,目录,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,2,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,3,第一部分栈桥,一、概述栈桥作为跨越水域施工的常见辅助施工结构，通常和码头结合使用，有着交通、起重、转运等功能。,第一部分栈桥,二、主要设计依据1、钢结构设计规范（GB50017-2003）；2、混凝土结构设计规范（GB50010-2002）；3、公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004）；4、碳素结构钢（GB700-2006）；5、铁路大型临时工程和过渡工程设计暂行规定（铁建设2008189号）；6、港口工程荷载规范（JTS144-1-2010）；7、港口工程桩基规范（JTS167-4-2012）；8、公路工程技术标准（JTJB01-2003）；9、装配式公路钢桥多用途使用手册、六四军用梁手册等。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,4,第一部分栈桥,三、设计过程简介,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,5,1、研究比较，明确功能,设计图纸、施工调查,地质、气象、水文资料,栈桥的功能,通过栈桥的各种机械设备,通过栈桥的最大和最重构件,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,6,2、设计要素,跨度、标高（水位选择）的确定，应从安全、经济、施工方便、满足通航和泄洪要求等方面综合考虑。,第一部分栈桥,栈桥平面位置确定结合主体工程施工方法进行全面分析，考虑的主要因素有以下几点：,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,7,（1）施工机械靠近现场，方便作业；（4）栈桥布置不得影响水上通航，如需船舶配合作业，栈桥优先布置在下游侧。,（2）尽量保证栈桥轴线与主桥轴线平行；,（3）尽量与钻孔平台相结合；,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,8,通航因素,主梁材料,施工方式,受履带吊机起吊能力制约，采用钓鱼法施工时一般912m。,注：、如地基较差、基础投入大，一般应尽量加大跨径；、一般按连续梁设计，68孔一联；、设计时，可对数种跨径经济性进行比较。,打桩船打桩，整跨或整片安装上部结构的施工，跨度可大些。,第一部分栈桥,栈桥标高先保证桥下净空，根据计算水位或最高流冰水位加安全高度确定，并保证不会形成流冰、漂浮物阻塞。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,9,0.51.5m,同时要考虑大堤、施工便道及施工平台标高，并尽量与其保持一致，尽量避免设计纵坡。,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,10,3、栈桥结构确定,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,11,4、设计荷载,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,12,5、基础设计,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,13,6、上部结构设计主梁：一般采用贝雷梁、军用梁（目前局里已有以贝雷梁为主梁的栈桥标准化设计）桥面板：混凝土桥面板（自重大，造价低）钢桥面板（自重轻，造价高）,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,14,四、设计中的关键点和注意事项1、桩承载力、桩的分类：桩按承载性状分为摩擦桩和端承桩。,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,15,、桩的布置和中距群桩的平面布置可采用行列式形、梅花式或环式。桩中距应符合以下要求：,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,16,、负摩阻力正摩阻力：桩相对于周围土向下运动，土对桩施加向上的摩擦力。这种摩擦力构成了桩承载力的一部分。负摩阻力：桩相对于周围土向上运动，土对桩施加向下的摩擦力。这种摩擦力构成了桩荷载的一部分，减少了桩的承载力，还可能引起较大的沉降。,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,17,产生负摩阻力的原因a、桩周有较大的堆载，引起桩周土的固结；b、桩穿过欠固结的软粘土或新填土进入硬持力层，土层产生自重固结下沉；c、软粘土地区，地下水下降或深基坑开挖降水等引起桩周土下沉；d、湿陷性黄土引起桩周土下沉；e、砂土液化和冻土融化。,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,18,、混凝土桩施工时内力验算a、起吊、运输内力在计算吊运内力时应考虑桩长、截面尺寸、吊点位置、桩架高度、下吊索长度、桩的实心段长度、桩的浸水长度以及吊立过程中桩轴线与水平面的夹角等。所选用的吊点位置及施工工艺宜使桩受力合理。b、锤击沉桩应力拉应力的标准值：预应力混凝土桩拉应力标准值分为5.0、5.5、6.0和6.5MPa四级；压应力的标准值：预应力混凝土桩和钢筋混凝土桩压应力标准值可取12.0MPa20.0MPa；,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,19,、一般桩基承载力（永久结构，临时结构系数有区别）港口工程桩基规范公式（极限承载力）（分项系数1.45,1.55)铁路桥涵地基和基础设计规范公式（容许承载力）公路桥涵地基和基础设计规范公式（容许承载力）常用开口钢管桩一般不考虑桩端承载力，打入全风化或强风化岩也仅做安全储备（闭、半开时考虑）；设计时根据桩径（有无闭塞效应，港口0.6m）和间距、倾斜度、施工平面偏差等因素，应考虑折减效应。,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,20,2、桩在水平力作用下的计算对于一般栈桥，可以不予以考虑水平力作用的影响；对于海上栈桥设计，需考虑波浪力以及强涌潮影响。考虑水平力或力矩作用时，采用假想嵌固点法计算m法。,第一部分栈桥,3、钢管桩振动沉桩控制振动沉桩共振理论：当桩的强迫振动频率与土壤颗粒的振频率一致时，土壤颗粒产生共振液化，足够的振动速度和加速度能迅速破坏桩和土壤间的粘合力，使桩身与土壤从压紧状态过渡到瞬间分离状态，沉桩阻力尤其侧面阻力迅速减小，桩在竖向力作用下下沉。激振力是反映振动桩锤综合能力的参数，桩在土中沉入时，激振力F必须大于桩与土之间的静摩擦阻力。如用f表示桩与土间的静摩擦力，fv表示有振动作用时桩与土间的摩擦力，则f与fv之间的关系可表示为Ffv=f。（振动作用下摩擦力的降低系数）,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,21,第一部分栈桥,振动沉桩除了要有必要的振幅和加速度，还必须有一定的参振重量以克服沉桩时的阻力，桩在土中的静阻力R与土层的标准贯入值N和桩的截面积S之间的关系为R=4NS。因此，在桩受到振动而使摩擦力显著降低时，桩就可以沉入到与“参振重量大约等于桩端阻力”的某一标高。简单来说，有时候我们的桩不能继续贯入，并不一定代表桩的承载力达到激振力所对应的力，也有可能是桩端阻力过大。使用液压振动锤时，贯入度不能作为沉桩到位的控制指标。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,22,第一部分栈桥,4、桩帽样式下图所示为工程中常用的桩帽形式，桩帽一钢材150kg，桩帽二钢材30kg。桩帽的作用是为荷载能够均匀的往下传递，受力性能上来说，桩帽一要优于桩帽二。但一般设计时，钢管桩应力并不作为主控指标，而是为达到一定的侧阻力选取的桩身截面。所以，从经济性来讲，对于不是桩身应力控制的钢管桩应优先选择第二种桩帽，这种桩帽还有一个优势就是拔桩时，不需要割除盖板。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,23,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,24,5、靠船桩的设计作用在固定式系船、靠船结构上的船舶荷载包括下列内容：、由风和水流产生的系缆力；、由风和水流产生的挤靠力；、船舶靠岸时产生的撞击力；、系泊船舶在波浪作用下产生的撞击力等。相关计算公式可参照港口工程荷载规范。,第一部分栈桥,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,25,6、设计者应注意的事项、施工期将受到洪水、台风、风暴潮等不良气候因素的影响，设计应该有一定的安全储备。、材料用量较大，尽量选择较为通用的型材，应尽量减少对型材的焊接、切割和破坏，做好防腐，控制变形量，方便周转使用。、对施工人员进行交底并对施工质量进行检验，做好管养工作。、对冲刷和桥上荷载的确定要尽量与实际吻合。,目录,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,26,第二部分钢板桩围堰,一、概述钢板桩围堰适用于水不太深、有覆盖层且可下沉钢板桩的土质(如砂类土、粘性砂土等）。其防水性能好，整体刚度较强，打拔较容易，可多次重复使用，回收利用率高，广泛用于基础施工中。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,27,第二部分钢板桩围堰,1、常见钢板桩类型：（国产U型钢板桩亦属于拉森式钢板桩。）,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,28,国产常用钢板桩为：拉森型400170）、拉森型（600210）钢板桩正应力容许值：,第二部分钢板桩围堰,二、主要设计依据1、基础结构设计图；2、钢结构设计规范、建筑基坑支护技术规程；3、简明施工计算手册、支挡结构设计手册；4、土力学、基础工程；5、热轧U型钢板桩GB/T209332007。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,29,第二部分钢板桩围堰,三、设计过程简介（常用简化法计算，有限元法不常用）1、设计资料、参数,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,30,第二部分钢板桩围堰,2、设计荷载、土压力（朗肯）；主动土压力：被动土压力：、水压力；有水头差时作用在钢板桩上水压力：水位以下透水层中水土分算，土体重度取浮重度；水位以上土层及水位以下不透水层中水土合算，土体重度取饱和重度。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,31,第二部分钢板桩围堰,、围堰周围施工荷载；、承台自重荷载G。围堰设计荷载组合：(1)+(2)+(3)封底混凝土设计荷载组合：(2)+(4)水下封底混凝土粘结力取值可参照铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范表5.2.1第7项的相关规定，并考虑部分折减（例如C20可取150kPa）。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,32,第二部分钢板桩围堰,3、设计流程,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,33,第二部分钢板桩围堰,四、设计中的关键点和注意事项1、设计原理钢板桩的稳定标准为不发生倾覆，分析时可假定桩底为充分嵌固不可自由转动(深埋)和可以自由转动（浅埋）两种模式进行分析。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,34,嵌固支承(深埋),自由支承(浅埋）,第二部分钢板桩围堰,2、常规几种钢板桩计算方法：土压力分布土压力叠加,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,35,第二部分钢板桩围堰,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,36,第二部分钢板桩围堰,(a)等值梁法(b)土压力分布(c)弯矩(d)等值梁,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,37,(a)土压力分布(b)叠加土压力(c)弯矩(d)变形,单层支撑浅埋板桩计算简图,单层支撑深埋板桩计算简图,第二部分钢板桩围堰,等值梁法：图(a)中ab梁中c点弯矩为0，在c点将梁切开并将c点视为左端梁的简支点（铰接），简支伸臂梁ac称为ab梁中的等值梁。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,38,深埋钢板桩采用等值梁法计算：假定净土压力为0点(图(b)中c点，距基坑底y)即为反弯点，按等值梁计算A点反力和C点剪力；CD段荷载对C点取矩为0可求出有效嵌固深度x，桩入土深度为y+x；求解等值梁AC剪力为0点位置，求得钢板桩最大弯矩。,第二部分钢板桩围堰,(a)土压力分布(b)等值梁盾恩近似法等值梁法,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,39,第二部分钢板桩围堰,3、土压力计算理论钢板桩围堰计算一般采用朗肯土压力理论，简化为平面结构计算。（即使采用空间结构，影响因素也很多）4、多层土的土压力计算方法相关内容见支挡结构设计手册5、设计注意事项钢板桩截面选用要满足自身材料强度、刚度要求，同时考虑经济性要求。注意开挖过程中围堰土层实际情况，与设计不符时应进行必要检算。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,40,采用换算高度法把上一层土换算成下一层的超载,采用加权平均值法把多层性质相近的土层换算成一层土,第二部分钢板桩围堰,五、计算示例1、工程概况地面标高：+4.35m，承台顶标高：+0.27m，底标高：-1.73m，承台高2.0m，承台尺寸10.35m8.1m，钻孔桩直径0.9m，钻孔桩4排5列，桩间距2.25m。承台施工期间设防水位：+4.0m。土层参数如下表：2、设计参数初拟：围堰顶标高+4.5，基坑底标高-2.53m（初拟水下封底0.8m），基坑深度7.03m；初选12m长国产拉森型钢板桩，围堰底标高-7.5m；初拟于+3.0m设一道支撑，初拟围堰尺寸11.95m9.7m（承台放宽0.8m）。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,41,第二部分钢板桩围堰,3、封底混凝土厚度初步检算封底混凝土厚0.8m，钻孔桩直径0.9m，共20根，钻孔桩与C30封底混凝土之间的粘结力取。封底混凝土验算：封底混凝土自重+粘结力(向下)浮力封底混凝土自重+承台自重1.2，满足要求。计算封底厚度应适当增加，封底施工中考虑浮浆等影响。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,42,第二部分钢板桩围堰,4、钢板桩围堰计算、设计工况工况一：钢板桩插打完毕，基坑内抽水开挖至+2.0m，准备安装内支撑（+3.0m）。工况二：内支撑安装完毕，基坑水下开挖至-2.53m，准备水下封底施工前。工况三：封底砼达到一定强度后，围堰内抽水至封底顶面-1.73m，准备进行承台施工前。工况一受力简图工况二受力简图工况三受力简图,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,43,第二部分钢板桩围堰,、围堰内支撑围堰内支撑由圈梁、角撑组成。圈梁采用3根I56a型钢焊接成箱型截面。角撑采用6008钢管，材质均采用Q235B。内支撑计算模型：圈梁四周承受线荷载，由工况分析结果得钢板桩对内支撑的反力为。内支撑自重乘1.1倍的安全系数。模型中释放角撑与圈梁节点处的梁端部约束，计算模型如下图：,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,44,第二部分钢板桩围堰,、封底混凝土强度工况三时封底混凝土底面承受静水压力，侧面承受钢板桩水平反力。封底混凝土计算模型如下（与钻孔桩粘结处为支承边界）、各工况计算结果,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,45,第二部分钢板桩围堰,、基坑底抗隆起验算围堰开挖至-2.35m标高时，验算坑底土体抗隆起，取板桩底为验算的基准弧面，参照普朗特尔(Prandtle)地基极限承载力公式进行计算。抗隆起系数：，满足要求(不小于1.72.5)Nq、Nc地基承载力系数,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,46,第二部分钢板桩围堰,、透水基坑底涌砂验算在围堰内施工过程中，当抽水开挖至+2.0m标高时，围堰内外水头差为2m，检算此工况下有无可能发生涌砂现象。围堰内不发生涌砂的条件为：K=1.52.0相应在该工况下计算K=18，满足要求。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,47,目录,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,48,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,49,第三部分现浇梁支架,一、概述混凝土梁现浇施工，是指在桥跨的两墩之间，采用固定式或移动式承重结构，在梁部的设计位置上安装模板和钢筋就地浇筑梁体混凝土的施工方法。常用的混凝土梁现浇施工方法为支架法。,第三部分现浇梁支架,二、主要设计依据1、相关设计图纸2、钢结构设计规范50017-20033、建筑施工模板安全技术规范JGJ162-20084、建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范JGJ166-20085、建筑施工扣件式脚手架安全技术规范JGJ130-20016、钢管满堂支架预压技术规程7、路桥施工计算手册8、装配式公路钢桥多用途使用手册,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,50,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,51,三、设计过程简介,1、收集资料、初步比较,设计图纸,地质、气象、水文资料,支架形式比较,第三部分现浇梁支架,第三部分现浇梁支架,满堂支架常用立杆步距为0.6m、0.9m、1.2m梁式支架跨径一般为932m,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,52,2、设计要素,第三部分现浇梁支架,3、支架结构形式-常用满堂支架、梁式支架和混合支架三种类型。-不常见的有吊架。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,53,第三部分现浇梁支架,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,54,、支架特点比较,第三部分现浇梁支架,、现浇支架设计内容,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,55,第三部分现浇梁支架,、设计荷载a、模板及支架自重荷载根据支架类型照实计算b、施工荷载施工人员、设备荷载按均布荷载取12KN/m2；浇筑和振捣混凝土产生的荷载取1KN/m2。c、风荷载根据支架样式按相应规范取值满堂支架参见建筑施工碗扣式脚手架安全技术规范及建筑施工扣件式脚手架安全技术规范；梁式支架参见公路桥涵设计通用规范。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,56,第三部分现浇梁支架,d、预压荷载所承载的梁体结构与模板重量之和的1.051.1倍。(与前面a+b之和比较，取大者）（预压所测得的变形数据用于指导预拱度设置）,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,57,第三部分现浇梁支架,四、设计中的关键点和注意事项1、设计标准“钢管脚手架的相关规范”和“企标”，对各类支架的荷载标准值和组合值均不相同，钢管脚手架是按极限应力法设计。但对于梁式支架，其主梁设计值多为容许应力值，例如贝雷梁的应力控制值273MPa就是容许应力值210MPa乘以临时结构应力提高系数1.3得来的。因此，设计时应根据不同的支架形式对应于相关规范取值（梁式支架参考“企标”）。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,58,第三部分现浇梁支架,、“企标”中对支架设计荷载的规定,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,59,梁、板和拱的底模板以及支承板、拱架、支架等的荷载组合,注：3、4、5、6类不发生时，可不计入计算,第三部分现浇梁支架,、支架容许挠度值不大于L/400，悬臂结构为L/200（L为结构计算跨度），支架的压缩变形值不大于L/1000。、支架容许长细比，主要的受压构件（立柱），不大于150，次要受压构件，不大于200。、当支架纵梁采用贝雷梁、六四式军用梁等制式器材时，纵梁支座应设置在桁架节点位置，并且应对桁架节点处的杆件进行验算，防止局部应力超标。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,60,第三部分现浇梁支架,2、梁体荷载横断面划分一般采用条分法（也指导预压时荷载的堆放布置），但对于角度较大的斜腹板梁，腹板区的荷载分布不能完全按条分法进行，应按模板体系实际布置情况确定荷载分布。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,61,第三部分现浇梁支架,3、脚手架中单根钢管安全承载力“企标”中对扣件式立杆作出了明确规定，但对于碗扣式立杆未明确。查阅桥梁施工临时结构设计和建筑施工脚手架实用手册可知，碗扣式支架的立杆允许荷载与步距有关，例如常规步距1.2m时为3t/根，实际设计时考虑旧料、自重等影响，建议取值为2.02.5t。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,62,目录,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,63,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,64,第四部分地基梁,一、概述扩大基础、存梁台座、龙门吊机轨道基础等是工程中常见的基础形式，基础按构件刚度的不同，可分为刚性基础和弹性基础两种。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,65,第四部分地基梁,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,66,第四部分地基梁,二、主要设计依据1、混凝土结构设计规范（GB50010-2010）2、建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）3、基础工程4、弹性地基梁与矩形板计算（中国船舶工业总公司第九设计研究院）,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,67,第四部分地基梁,三、设计过程简介1、地基梁设计假定,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,68,第四部分地基梁,2、弹性地基梁计算、梁的柔度特征值式中：梁柔度特征值，m-1，并定义S=1/为特征长度；E材料的弹性模量，kPa；K地基的基床系数，KN/m3；I梁的截面惯性矩，m4；b梁的宽度，m。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,69,第四部分地基梁,3、地基梁分类L称为柔度指数，它反映了对刚度对内力分布的影响。地基梁可按L值的大小分为下列三种类型。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,70,第四部分地基梁,4、倒梁法（反力直线分布法）工程中，倒梁法是一种常见的按线性分布的基底反力简化计算方法。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,71,第四部分地基梁,具体步骤如下：、根据初步选定的柱下条形基础尺寸和作用荷载，确定计算简图；,倒梁法计算图式,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,72,第四部分地基梁,、计算基底净反力及分布，按刚性基底线性分布进行计算；、用弯矩分配法或弯矩系数法计算弯矩和剪力；、调整不平衡力。由于上述假定不能满足支座处静力平衡条件，因此应通过逐次调整消除不平衡力；,调整荷载计算简图,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,73,第四部分地基梁,、继续用弯矩分配法或弯矩系数法计算内力，并重复步骤，直至达到精度范围（一般不超过荷载的20%）；、将逐次计算结果叠加，得到最终内力分布。,2020/6/6,中铁大桥局集团第四工程有限公司,74,第四部分地基梁,5、文克尔地基模型计算、无限长梁受集中力P0的作用无限长梁的挠度、转角、弯矩M、剪力Q表