横琴互通水域匝道桥钻孔平台设计

1、珠海市金港路横琴北段（横琴二桥）工程二标横琴互通水域匝道桥钻孔平台设计计 算 书设 计 : 复 核 : 审 批 : 中交四公局珠海横琴二桥二标总项目经理部 二0一三年八月目 录一、工程概况1二、设计依据1三、支架结构设计1四、钻孔平台边界条件3五、钻孔平台荷载4六、结果分析6七、贝雷支架钢管桩设计12八、钢管柱间剪刀撑及平联焊缝验算13横琴互通水域匝道桥钻孔钻孔平台设计一、工程概况主线右侧横琴互通B、C匝道部分处在大面积水域中，其中B匝道桥第B9#B11#墩、C匝道桥第C7#C14#墩位于水域内，常水位1.0m，最高水位1.5m，水深2.5m，桥位区域属围海造塘地貌，地层岩性为淤泥、黏土、淤泥

2、质粘土、粗砂、砾质黏土，下伏基岩为燕山期花岗岩，淤泥层厚2530m，主要为海相沉积和海陆交互相沉积淤泥、淤泥质土，厚度分布不均匀，土质软，饱和，呈软塑至流塑状，灵敏度高、强度低、触变性高。为完成桥梁桩基础施工，需在横琴互通西侧水域内搭设钻孔灌注桩施工钻孔平台，钻孔钻孔平台设计宽9m，长15m，钻孔平台与钻孔平台相连，采用桩柱式贝雷梁支承体系。二、设计依据1、珠海横琴二桥南引桥及互通匝道桥施工图、工程地质勘察报告2、公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)3、公路桥涵钢结构及木结构设计规范（JTJ025-86）4、钢结构设计规范（GB50017-2003）5、公路工程技术标准(JTG B

3、01-2003)6、路桥涵施工技术规范（JTGT F50-2011）7、路桥涵地基与基础设计规范（JTGD63-2007）三、支架结构设计1、钻孔平台结构总体设计钻孔平台设计长15m，宽9m，纵向跨度7.5+7.5m，横向跨度4m+4m，采用桩柱式贝雷梁支承体系，钻孔平台结构采用MIDAS/CIVIL 建立空间杆系有限元分析模型，钻孔平台模型如图1“钻孔平台计算模型整体图”，钻孔平台共计11个。2、钻孔平台钢管桩基础钻孔平台钢管桩基础选用A3钢P630×8mm钢管，钢管桩纵向间距7.5m，横向间距为4m+4m，钢管桩根据计算模型分析所得钢管柱支承反力确定钢管桩单桩承载力，再结合地质情

4、况计算钢管桩沉入土层深度，详见“七、钻孔平台钢管桩设计”。为使桩能承受巨大的锤击应力，在钢管接口外圈贴焊加强钢板，钢管桩与钢管柱设置连接钢板及加劲肋。3、钻孔平台临时墩 钻孔平台临时墩（钢管立柱）均采用A3钢P630×8mm钢管 ，钢管柱间设置纵横向平联及剪刀撑，平联及剪刀撑均采用A3钢C160x63x6.5/10槽钢，柱顶支承梁采用A3钢双I45b型钢。图1 钻孔平台计算模型整体图4、钻孔平台支承纵梁桩柱式贝雷支架采用国产定型贝雷片、支撑架及其附件拼装成纵向承重梁，贝雷片采用16Mn钢制作，支撑架采用A3钢制作，贝雷梁单层设置，4组、每组2排，排距45cm，间距45+2250+45

5、+2150+45+2250+45cm，贝雷梁顶布置横桥向A3钢I25b工字钢做分配梁，间距约1.5m，横向分配梁顶布置纵桥向A3钢I12工字钢做纵向分配梁，间距约0.3m，纵向分配梁顶布置厚8mm压花钢板做平台面板。5、钻孔平台材料用量（见表1）表1 一个钻孔平台材料用量表 截面号 截面名 料名 规格 容重（KN/m3） 长度（m） 重量（KN） - - - - - - - - - - - -1 弦杆 16Mn 国标 7.698e+001 2.400e+002 4.641e+001 2 腹杆 16Mn 国标 7.698e+001 4.859e+002 3.410e+001 3 支撑架 A3 国

6、标 7.698e+001 1.687e+002 6.467e+000 4 横向分配梁 A3 I250x118x10/13 7.698e+001 9.900e+001 4.078e+001 5 纵向分配梁 A3 I12 7.698e+001 4.532e+002 5.128e+0016 支承梁 A3 I45b 7.698e+001 2.700e+001 4.598e+001 7 钢管柱 A3 P630×8mm 7.698e+001 7.200e+001 8.664e+0018 剪刀撑及平联 A3 C160x63x6.5/10 7.698e+001 7.767e+001 1.312e+0

7、019 贝雷梁联系剪刀撑 A3 C 8.0 7.698e-005 1.343e+005 1.059e+001 10 桥面板 A3 8mm厚钢板 7.698e-005 7.940e+001- 合计: 4.418e+002备注：不含钢管桩材料用量，贝雷片40片，45cm支撑架24片。四、钻孔平台边界条件钻孔平台设计模拟支架实际边界情况及不同梁单元、桁架单元之间荷载传递情况，分部位做出不同的边界约束条件、单元之间的释放梁端约束、接刚性连接、弹性连接，钻孔平台边界条件设置如图2“钻孔平台支架边界条件及连接设置图”。图2 钻孔平台支架边界条件及连接设置图五、钻孔平台荷载1、恒荷载添加自重荷载MIDAS/

8、CIVIL软件可以根构件的实际重量自动添加，自重按照恒荷载工况添加后和其他施工荷载组合计算。2、移动荷载添加工况一：在1、2跨两侧各布置一个履带吊荷载作用跨中，按照50t 履带吊，吊重20t，考虑1.1 的冲击系数，总荷载为77t，履带吊履带中心距为3.6m（边到边为4.3m）的均布荷载，荷载宽度为0.7m,单条履带横向由三条纵向分配梁承受，长度为5m，每条槽钢承受的均布荷载大小为770÷2÷3÷5=25.67KN/m；在第二跨一侧位置布置钻孔桩机荷载，桩基技术参数如表2“钻孔桩机技术参数表”，不考虑桩基底盘荷载的专递作业，按节点荷载在一排节点上加载（偏安全），节

9、点荷载值为（48+67）/7=16.42KN；汽车等级为公路-I级，布置在第1跨一侧，在跨中位置只布置后轴荷载，公路-I级车辆荷载主要技术指标如下表3“车辆荷载主要技术指标”。详见图3“移动荷载及桩机荷载加载图”,履带吊荷载及汽车荷载同时加载。表2 钻孔桩机技术参数表表2 车辆荷载主要技术指标图3 移动荷载及桩机荷载加载图工况二：考虑连续梁相邻跨卸载作用影响，只在1、2跨两侧各布置一个履带吊荷载作用跨中，验算此工况下梁体的强度、刚度及稳定性，按照50t 履带吊，吊重20t，考虑1.1 的冲击系数，总荷载为77t，履带吊履带中心距为3.6m（边到边为4.3m）的均布荷载，荷载宽度为0.7m,单条

10、履带横向由三条纵向分配梁承受，长度为5m，每条槽钢承受的均布荷载大小为770÷2÷3÷5=25.67KN/m，详见图4“移动荷载加载图”。图4 移动荷载加载图5、荷载组合NUM NAME ACTIVE TYPELOADCASE(FACTOR) + LOADCASE(FACTOR) + LOADCASE(FACTOR)1 sLCB1 承载能力 相加 自重( 1.000) + 移动工况( 1.000)2 sLCB2 使用性能 相加 自重( 1.000) + 移动工况( 1.000)六、结果分析1、钢管桩柱式贝雷钻孔平台强度分析1）纵向分配梁强度图5 （工况一）纵向分配

11、梁组合应力图图6 （工况一）纵向分配梁剪应力图纵向分配梁采用A3钢、I12工字钢制作，间距约0.3m，顶铺厚8mm压花钢板，建模加移动荷载时，未考虑压花钢板对荷载的分配作用（偏安全），移动荷载直接加在纵向分配梁上，最大拉应力出现在汽车后轮作位置，纵向分配梁最大组合应力120.7MPa，小于规范规定允许应力145MPa，最大剪应力72.9MPa，小于规范规定允许应力85MPa。2）横向分配梁强度图7 （工况一）横向分配梁组合应力图图8 （工况一）横向分配梁剪应力图分配梁采用A3钢制作，最大组合应力101.4MPa，小于规范规定允许应力145 MPa，最大剪应力37.4MPa，小于规范规定允许应力

12、85 MPa。3）贝雷梁强度图9 （工况一）贝雷梁弦杆组合应力图图10 （工况一）贝雷梁弦杆剪应力图（工况一）弦杆采用16mMn钢制作，最大组合应力116.5MPa，于规范规定允许应力210 MPa，最大剪应力77.1MPa，于规范规定允许应力120 MPa。图11 （工况二）贝雷梁弦杆组合应力图图12 （工况二）贝雷梁弦杆剪应力图（工况二）弦杆采用16mMn钢制作，最大组合应力100.6MPa，于规范规定允许应力210 MPa，最大剪应力64.6MPa，于规范规定允许应力120 MPa。4）柱顶支承梁强度图13 （工况一）顶支承梁组合应力图图14 （工况一）顶支承梁剪应力图柱顶支承梁采用A3

13、钢制作，最大组合应力83.4 MPa，小于规范规定允许应力145 MPa，最大剪应力32.3MPa，小于规范规定允许应力85 MPa。5）钢管柱强度图15 （工况一）钢管柱组合应力图图16 （工况一）钢管柱轴向应力图钢管柱采用A3钢制作，最大组合应力59.5 MPa，小于规范规定允许应力145 MPa，最大轴向应力41.2 MPa，小于规范规定允许应力140 MPa。2、钢管桩柱式贝雷钻孔平台刚度分析1）贝雷梁刚度图17 （工况一）贝雷梁竖向位移图贝雷梁最大位移6.9mm，于规范规定的18.75mm（L/400，对应L=7.5m），刚度满足要求。3、 钢管桩柱式贝雷支架稳定性分析由于贝雷梁结构

14、之间采用制式构件连接，保证稳定性满足要求可以不进行稳定性计算，钻孔平台稳定性分析主要在于钢管格构柱，取其中一个钢管排架柱分析。图18 （工况一）钢管排架柱支承梁节点反力图图19 （工况一）钢管排架柱一阶失稳模态图一阶失稳临界荷载系数为13，整体稳定性符合要求，构件稳定性及连接件强度验算，可以通过提取对应内力，结合规范进行计算。表4 钢管排架柱屈曲分析临界荷载系数七、贝雷支架钢管桩设计1、钢管桩单桩承载力计算钢管桩单桩承载力要求根据钻孔平台柱底反力乘相应的提高系数确定，最大桩端反力为644.9KN，如按1.1的提高系数，则要求单桩最大承载力为1.1×644.9KN=709.4KN。图1

15、7 （工况一）桩柱式贝雷钻孔平台柱底反力图2、钢管桩长度计算钢管桩理论长度按公路桥涵地基与基础设计规范JTGD63-2007第-3条结合地质资料计算确定，淤泥层qik=15KPa,qrk=60KPa, 黏土层qik=60KPa,qrk=180KPa,实际桩长按锤击荷载现场确定。理论计算桩长（不含立柱长度），桩埋入淤泥段长25m，黏土段长5.5m，Ra=0.5*（*0.63*25*15+*0.63*5.5*60+*0.3152*180）=725.7KN704.7KN。理论计算桩长30.5m，不含河床面以上立柱长度。八、钢管柱间剪刀撑及平联焊缝验算由钻孔平台空间杆系有限元分析模型输出钢管柱间剪刀撑及平联最大轴力为40.94KN,如图18所示，考虑2.0倍安全储备，取最大计算轴力N=2.0×40.94=81.88KN。图26 （工况一）钢管柱间剪刀撑及平联最大轴力图剪刀撑及平联采用A3钢C160x63x6.5/10槽钢，连接板采用A3钢10mm厚钢板，其槽钢与连接板采用