惠州第三东江大桥钢栈桥及支栈桥计算书

1、惠州第三东江大桥钢栈桥及支栈桥计算书江门市宏达工程设计咨询有限公司 JIANGMEN HONG DA CIVIL ENGINEERING CONSULTING CO., LTD.二O一六年七月惠州第三东江大桥钢栈桥及支栈桥计算书目 录一、设计依据- 1 -二、结构布置- 1 -三、主要材料特性- 2 -四、有限元计算- 4 -4.1荷载计算- 4 -4.1.1恒载计算- 4 -4.1.2活载- 4 -4.2工况分析- 11 -工况1：主栈桥上双辆砼运输车满载（300kN）居跨中（后排车轴居跨中）- 11 -工况2：主栈桥上双辆10m3砼运输车满载居桩顶（后排车轴居桩顶）-

2、12 -工况3：主栈桥上360履带式旋挖钻机居跨中- 13 -工况4：支栈桥上履带吊满载行驶至跨中位置- 14 -工况5：主栈桥上360履带式旋挖钻机居桩顶- 15 -工况6：水位完全漫过栈桥桥面面时的工况。- 16 -工况7：栈桥风荷载作用时的工况。- 17 -4.3、边界条件- 18 -五、 计算结果- 18 -5.1、工况1计算结果- 18 -5.2、工况2计算结果- 23 -5.3、工况3计算结果- 27 -5.4、工况4计算结果- 32 -5.5、工况5计算结果- 36 -5.6、工况6计算结果- 41 -5.6、工况7计算结果- 45 -六、 贝雷梁承载力验算- 49 -6.1、主

3、栈桥贝雷梁承载力验算- 49 -6.1.1主栈桥上旋挖钻机居跨中贝雷梁承载力验算- 49 -6.1.2主栈桥上旋挖钻居桩顶对贝雷梁承载力验算- 51 -6.2、支栈桥贝雷梁承载力计算- 52 -七、 钢管桩承载力验算- 53 -八、 结论与总结- 54 -I一、设计依据1、 第三东江大桥钢栈桥、支栈桥相关设计图纸2、 第三东江大桥钢栈桥设计施工方案3、钢结构设计规范（GB50017-2003）4、建筑结构荷载规范GB50009-20125、公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)6、建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）7、简明施工计算手册8、钢结构工程施工质量验收规范(GB5020

4、5-2001)9、栈桥设计指南10、港口工程荷载规范(JTS 144-1-2010)二、结构布置栈桥总长621.50m，宽9m。上部结构采用工25b75cm分配梁和28槽钢钢面板。主纵梁选用“321”型贝雷架，下横梁采用2*工56b型钢，桥墩采用桩基排架，每榀排架下设3根630×10mm 钢管桩，每榀排架中心线与钢管桩中心线一致，两根钢管桩横桥向间距为3.36米。自下而上依次为630×10mm钢管桩，2I56b下横梁，长为9m；纵梁选用“321”军用贝雷梁4组、每组2片，在贝雷梁上铺I2575cm分配梁和28槽钢面板。支栈桥结构形式与主栈桥一致。主栈桥立面图主栈桥及支栈桥平

5、面布置图三、主要材料特性1、贝雷梁材料特性贝雷结构尺寸如图：贝雷结构尺寸图桁架单元杆件性能如表：表1： 桁架单元杆件性能杆件名材 料桥断面型式横断面积（cm2）理论容许承载力（KN）弦杆16Mn102×12.7560竖杆16MnI89.52210斜杆16MnI89.52171.5主要材料（贝雷如前）力学特性如下：表2：主要材料力学特性表序号材料类型拉、压、弯强度设计值弹性模量剪切强度设计值剪切模量1Q235b205MPa206GPa120MP79GPa2Q345b280MPa220GPa120MP79GPa表3：桁架结构容许应力表2、变形控制主要承重构件<L/400。次要构件&

6、lt;L/500。3、有限元模型材料特性参数第三东江大桥钢栈桥有限元模型的建立采用有限元软件ANSYS建立而成，整体结构的主要构件如钢面板、分配梁、横梁以及承重梁均采用SOLID45实体单元建立而成，而贝雷梁以、钢管桩及其平联则采用杆系单元BEAM188建立而成。相关的材料参数如下表：表4：有限元模型参数第三东江大桥有限元计算材料参数材料类型密度（KG/m3）弹性模量(Pa)泊松比Q23478502.06e110.3Q34580002.11e110.3四、有限元计算4.1荷载计算4.1.1恒载计算钢栈桥及主栈桥结构恒载主要为结构的自重，采用有限元软件进行计算时，结构自重可通过软件自行加载计算。

7、4.1.2活载4.1.2.1履带吊荷载履带吊规格按55t履带吊考虑，履带吊的基本技术参数资料如下：55 t履带吊荷载计算时具体尺寸按如下考虑：5.4 m 3.76 m 5.4 m 0.65 m 2如下图示：履带着地面积 54003650mm 履带中心距 3.76m最大接地比压 0.180Mpa（按起重量120t.m估算）一般接地比压 0.120Mpa 空载行走比压 0.07Mpa4.1.2.2砼运输车荷载砼运输车按10m3规格考虑，10m3砼运输车技术参数如下：砼运输车满载时总重约30t左右，按汽30 级考虑 总重 300 kN （空载时200 kN） 前轴压力 60 kN （空载时40 kN

8、） 后轴压力 2×120 kN （空载时80 kN） 轮 距 1.8 m 轴 距 4.0 m +1.4m 前轮着地面积 0.30m×0.20m 后轮着地面积 0.60m×0.20m砼运输车轮胎贴地面积具体尺寸按下图考虑：4.1.2.3钻机荷载钻机荷载按三一SR360III旋挖钻机考虑，其技术参数如下：单台360旋挖钻机工作重量为1250KN。(如若施工时实际使用设备与计算选取荷载值相差较大，请及时与设计沟通进行复核)，履带式钻机荷载计算时具体尺寸按下图考虑：履带式悬挖钻空载行走时最大接地比为：0.226MPa，工作时的接地比压：0.284MPa。4.1.2.4风荷

9、载本工程风荷载的计算方法按照建筑结构荷载规范（GB50009-2012）提供的方法计算。根据建筑结构荷载规范（GB50009-2012）惠州市50年一遇的基本风压取0.55kN/m2。本工程的风荷载标准值管型构件风荷载标准值：非管型构件风载标准值：4.1.2.5水流力水流速度暂定为1.8m/s，若实际水流速度与设计速度相差较大，请及时与本方案设计单位沟通。水流力按港口工程荷载规范（JTS 144-1-2010）13.0.1式计算。基于最不利工况考虑，设定洪水等不利情况，水位正好达到贝雷梁顶标高，此时置于水下的构件有钢管桩、平联、承重梁和贝雷梁。（1）计算钢管桩的水流力。根据图纸，钢管桩置于水中

10、的长度为18.22m，其水流力根据港口工程荷载规范（JTS 144-1-2010），水流力的作用点位于水面以下1/3水深处，即自栈桥桥面以下19.23/3=6.41m处。（2）计算平联的水流力。水流力水流力作用点位于平联形心。（3）平联剪刀撑的水流力水流力水流力作用点位于平联剪刀撑形心。（4）承重梁的水流力。水流力（5）贝雷梁的水流力。水流力4.1.2.6漂浮物的撞击力取漂浮物的总质量m=500kg，漂浮物的流速等于水的流速v=1.8m/s，根据相关规范，漂浮物对栈桥的撞击力F=m·g·v/g·t，即漂浮物对栈桥的冲量Ft=mv。取撞击时间为单位时间，漂流物对栈桥

11、的撞击力F=mv/t=500*1.8/1=0.9kN。说明：栈桥施工及使用阶段，若对应河道中有较大的漂浮物体时，必须采取相应的的拦截措施，以保证栈桥的安全。4.1.2.7施工及人群荷载：施工及人群荷载按均布荷载4kN/m2考虑。4.2工况分析工况1：主栈桥上双辆砼运输车满载（300kN）居跨中（后排车轴居跨中）考虑双辆10m3砼运输车在跨中时，此时，考虑汽车荷载的冲击系数1.1，根据栈桥设计指南说明，由于栈桥上重车行驶速度较慢，因此，不考虑其制动荷载。加载时，栈桥各跨考虑单辆砼运输车后轮正好加载于跨中处。该工况下结构的荷载加载如下：1.2*恒载+1.4*1.1*砼罐车荷载+1.4施工及人群荷载

12、该工况下结构的有限元计算模型如下图所示：工况1有限元计算模型图工况1荷载布置图工况2：主栈桥上双辆10m3砼运输车满载居桩顶（后排车轴居桩顶）考虑单辆砼运输车在桩顶满载错车，考虑汽车荷载的冲击系数1.1，根据栈桥设计指南说明，由于栈桥上重车行驶速度较慢，因此，不考虑其制动荷载。该工况下结构的荷载加载如下：1.2*恒载+1.4*1.1*砼罐车荷载+1.4施工及人群荷载该工况下结构的有限元计算模型如下图所示：工况2有限元计算模型图工况2荷载布置图工况3：主栈桥上360履带式旋挖钻机居跨中125t履带式旋挖钻机行走至跨中位置，考虑其1.1的行走冲击系数，该工况荷载作用下栈桥结构的荷载加载如下：1.2

13、*恒载+1.4*1.1*旋挖钻机荷载+1.4施工及人群荷载该工况下结构的有限元计算模型如下图所示：工况3有限元计算模型图工况3荷载布置图工况4：支栈桥上履带吊满载行驶至跨中位置支栈桥考虑履带吊位于支栈桥跨中满载作业。考虑其1.3的冲击系数，该工况荷载作用下栈桥结构的荷载加载如下：1.2*恒载+1.4*1.3*履带吊荷载+1.4施工及人群荷载该工况下结构的有限元计算模型如下图所示：工况4有限元计算模型图工况4荷载布置图工况5：主栈桥上360履带式旋挖钻机居桩顶125t履带式旋挖钻机行走至桩顶位置，考虑其1.1的行走冲击系数，该工况荷载作用下栈桥结构的荷载加载如下：1.2*恒载+1.4*1.1*旋

14、挖钻机荷载+1.4施工及人群荷载该工况下结构的有限元计算模型如下图所示：工况5有限元计算模型图工况5荷载布置图工况6：水位完全漫过栈桥桥面面时的工况。当河水完全漫过栈桥桥面时，本工况中仅考虑结构自重及水流力，不考虑人群荷载等其他活荷载。考虑到贝雷梁处容易发生漂浮物堆积的情况，因此，将贝雷梁的阻水面积乘以1.3的增大系数。当河水漫过栈桥时，栈桥受到漂浮物撞击的概率较大，因此，本工况考虑漂浮物的撞击力，同时考虑其1.3的冲击系数。该工况下的荷载组合如下：1.2*恒载+1.4*水流力+1.4*1.3*漂浮物撞击力该工况下结构的有限元计算模型如下图所示：工况6有限元计算模型图工况7：栈桥风荷载作用时的

15、工况。当栈桥受在风荷载作用时，本工况中仅考虑结构自重及风荷载，不考虑人群荷载等其他活荷载。该工况下的荷载组合如下：1.2*恒载+1.4*风荷载该工况下结构的有限元计算模型如下图所示：工况7有限元计算模型图4.3、边界条件计算主栈桥及支栈桥时，约束条件为钢管桩底端按固结约束，钢管桩与承重梁、贝雷梁与承重梁及分配梁之间均采用耦合连接。5、 计算结果5.1、工况1计算结果工况1荷载作用下结构的受力如下所示：工况1整体结构竖向位移云图分配梁及面板综合应力云图贝雷梁竖向位移云图贝雷梁综合应力云图承重梁综合应力云图钢管桩、横联及剪刀撑综合应力云图钢管桩轴力云图计算结果如下：项 目规格最大竖向位移（mm）最

16、大综合应力（MPa）（MPa）整体结构-13.4-面板28槽钢-44.7分配梁工25b-44.7承重梁2*工56b-74.5钢管桩受力有限元计算结果如下：项 目规格（mm）最大竖向位移（mm）最大主应力（MPa）轴力（KN）钢管桩630*10-45.1864.7贝雷梁有限元计算结果如下：构件名称几何参数（mm）错误！不能通过编辑域代码创建对象。（错误！不能通过编辑域代码创建对象。）错误！不能通过编辑域代码创建对象。（错误！不能通过编辑域代码创建对象。）错误！不能通过编辑域代码创建对象。（错误！不能通过编辑域代码创建对象。）错误！不能通过编辑域代码创建对象。（错误！不能通过编辑域代码创建对象。）

17、贝雷梁等效截面-13.4显然，工况1荷载作用下结构的受力满足设计规范要求。5.2、工况2计算结果工况2荷载作用下结构的受力如下所示：工况2整体结构竖向位移云图面板及分配梁综合应力云图贝雷梁竖向位移云图贝雷梁综合应力云图承重梁综合应力云图钢管桩、横联及剪刀撑综合应力云图钢管桩轴力云图计算结果如下：项 目规格最大竖向位移（mm）最大综合应力（MPa）（MPa）整体结构-11.6-面板28槽钢-37分配梁工25b-37承重梁2*工56b-78.7钢管桩受力有限元计算结果如下：项 目规格（mm）最大竖向位移（mm）最大主应力（MPa）轴力（KN）钢管桩630*10-46.5886贝雷梁有限元计算结果如

18、下：构件名称几何参数（mm）（）（）（）（）贝雷等效截面-10.3显然，工况2荷载作用下结构的受力满足设计规范要求。5.3、工况3计算结果工况3荷载作用下结构的受力如下所示：工况3整体结构竖向位移云图分配梁综合应力云图贝雷梁竖向位移云图贝雷梁综合应力云图承重梁综合应力云图钢管桩轴力云图钢管桩综合应力云图计算结果如下：项 目规格最大竖向位移（mm）最大综合应力（MPa）（MPa）整体结构-29.8-面板28槽钢-93.7分配梁工25b-93.7承重梁2*工56b-93.4钢管桩受力有限元计算结果如下：项 目规格（mm）最大竖向位移（mm）最大主应力（MPa）轴力（KN）钢管桩630*10-59.

19、91150贝雷梁有限元计算结果如下：构件名称几何参数（mm）（）（）（）（）贝雷等效截面-28.5显然，工况3荷载作用下结构的受力满足设计规范要求。5.4、工况4计算结果工况4荷载作用下结构的受力如下所示：工况4整体结构竖向位移云图面板综合应力云图贝雷梁竖向位移云图贝雷梁综合应力云图承重梁综合应力云图钢管桩、横联及剪刀撑综合应力云图钢管桩轴力云图计算结果如下：项 目规格最大竖向位移（mm）最大综合应力（MPa）（MPa）整体结构-7.1-面板28槽钢-85.2分配梁工25b-85.2承重梁2*工56b-44.1钢管桩受力有限元计算结果如下：项 目规格（mm）最大竖向位移（mm）最大主应力（MP

20、a）轴力（KN）钢管桩630*10-40.2774贝雷梁有限元计算结果如下：构件名称几何参数（mm）（）（）（）（）贝雷等效截面-7.1显然，工况4荷载作用下结构的受力满足设计规范要求。5.5、工况5计算结果工况5荷载作用下结构的受力如下所示：工况5整体结构竖向位移云图面板综合应力云图分配梁综合应力云图贝雷梁竖向位移云图承重梁综合应力云图钢管桩、横联及剪刀撑综合应力云图钢管桩轴力云图计算结果如下：项 目规格最大竖向位移（mm）最大综合应力（MPa）（MPa）整体结构-12.6-面板28槽钢-70.4分配梁工25b-122承重梁2*工56b-104钢管桩受力有限元计算结果如下：项 目规格（mm）

21、最大竖向位移（mm）最大主应力（MPa）轴力（KN）钢管桩630*10-78.11240贝雷梁有限元计算结果如下：构件名称几何参数（mm）（）（）（）（）贝雷等效截面-10.6显然，工况5荷载作用下结构的受力满足设计规范要求。5.6、工况6计算结果工况6荷载作用下结构的受力如下所示：工况6整体结构横向位移云图面板综合应力云图分配梁合应力云图贝雷梁横向位移云图承重梁综合应力云图钢管桩、横联及剪刀撑综合应力云图钢管桩轴力云图计算结果如下：项 目规格最大横向位移（mm）最大综合应力（MPa）（MPa）整体结构-12.12-面板28槽钢-10.6分配梁工25b-44.4承重梁2*工56b-24.0钢管

22、桩受力有限元计算结果如下：项 目规格（mm）最大竖向位移（mm）最大主应力（MPa）轴力（KN）钢管桩630*10-40.2342.549贝雷梁有限元计算结果如下：构件名称几何参数（mm）（）（）（）（）贝雷梁等效截面-12.08显然，工况6荷载作用下结构的受力满足设计规范要求。5.6、工况7计算结果工况7荷载作用下结构的受力如下所示：工况7整体结构横向位移云图面板综合应力云图分配梁合应力云图贝雷梁横向位移云图承重梁综合应力云图钢管桩、横联及剪刀撑综合应力云图计算结果如下：项 目规格最大横向位移（mm）最大综合应力（MPa）（MPa）整体结构-8.2-面板28槽钢-9.17分配梁工25b-32

23、.2承重梁2*工56b-20.8贝雷梁有限元计算结果如下：构件名称几何参数（mm）（）（）（）（）贝雷梁等效截面-8.175显然，工况7荷载作用下结构的受力满足设计规范要求。六、 贝雷梁承载力验算6.1、主栈桥贝雷梁承载力验算由于有限元建立整体模型进行整体受力验算时，贝雷梁结构按桁架结构建立有限元模型，整体计算时无法准确得出贝雷梁弯矩及剪力值，故在此采用公式简化计算对贝雷梁结构的弯矩及剪力进行验算。6.1.1主栈桥上旋挖钻机居跨中贝雷梁承载力验算对贝雷梁，考虑其受履带式旋挖钻机荷载的情况进行承载力验算,考虑钻机在跨中时为贝雷梁最不利受力情况，按容许应力法对贝雷梁进行承载力验算，荷载分布图如下：

24、槽钢28面板每延米重35.8117kg/m, 工25b分配梁每延米重41.9975kg/m，贝雷梁270kg/m；主栈桥（15m*9m）贝雷梁弯矩和剪力验算：面板重量：15×30×35.8117=16115.26kg分配梁重量：9×21×41.9975=7937.53kg贝雷梁重量：4×5×270=5400kg恒载：16115.26+7937.53+5400=29452.79kg=294.52kN计算顺桥向的弯矩：恒载换算为均布荷载q=294.52/15=19.63KN/m人群和施工荷载：4×9=36KN/m恒载及人群跨中弯

25、距：M1=qL2/8=（19.63+36）×152/8=1283.34KN.m履带式旋挖钻机重量：1250kN旋挖钻机引起的跨中弯矩：M2=1250/2×7.5-1250/2×3.5/4= 4140.63kN.m总体弯矩M=M1+M2=1283.34+4140.63=5423.97 kN.m最大剪力：V=1250/2+(恒载+人群和施工荷载)/2=1250/2+19.63×15/2+36×15/2=1042.22kN主栈桥共有8道贝雷梁，且各贝雷梁之间的间距基本一致，故有:M=5423.97/8= 678kN.mM =788kN.mQ=1042

26、.22/8=130.28kNQ =245KN经计算，贝雷梁结构弯矩及剪力均满足设计规范要求。6.1.2主栈桥上旋挖钻居桩顶对贝雷梁承载力验算考虑旋挖钻行走至钢管桩桩顶的工况，该工况下贝雷梁所受剪力最大，按容许应力法对贝雷梁受剪承载力进行验算：槽钢28面板每延米重35.8117kg/m, 工25b分配梁每延米重41.9975kg/m，贝雷梁270kg/m；主栈桥（15m*9m）贝雷梁弯矩和剪力验算：面板重量：15×30×35.8117=16115.26kg分配梁重量：9×21×41.9975=7937.53kg贝雷梁重量：4×5×270

27、=5400kg恒载：16115.26+7937.53+5400=29452.79kg=294.52kN计算顺桥向的弯矩：恒载换算为均布荷载q=294.52/15=19.63KN/m人群和施工荷载：4×9=36KN/m恒载及人群跨中弯距：M1=qL2/8=（19.63+36）×152/8=1283.34KN.m旋挖钻满载时的重量：0.284*3.45*0.8*2=1567.68kN。由弯矩平衡条件，可算出当双辆砼车后轮在一端支座上时，此时该支座出反力为720kN；最大剪力：V=720+(恒载+人群和施工荷载)/2=720+19.63×15/2+36×15/2=1137.23kNQ=1137.23/8=142.15kNQ =245KN经计算，贝雷梁结构剪力满足设计规范要求。6.2、支栈桥贝雷梁承载力计算考虑履带吊满载在跨中时为贝雷梁最不利受力情况，对贝雷梁进行承载力验算，荷载分布图如下：槽钢28面板每延米重35.8117kg/m, 工25b分配梁每延米重41.9975kg/m，贝雷梁270kg/m；对支栈桥一跨（18m*9m）贝雷梁弯矩和剪力验算：面板重量：9×30×35.8117=96