大金山島驗潮站灌注樁施工中的鋼棧橋平臺設計及穩定驗算

張道軍

（中工武大設計研究有限公司安徽分公司 合肥 230000）

大金山島驗潮站灌注樁施工中的鋼棧橋平臺設計及穩定驗算

張道軍

（中工武大設計研究有限公司安徽分公司 合肥 230000）

根據驗潮站的具體地質情況、水文情況和氣候情況，施工海域受季風及風浪影響較大，為滿足施工總體進度要求以及安全生產和環保方面的需要，擬采用鋼棧橋平臺方案。本文主要闡述灌注樁施工中鋼棧橋平臺專項方案中的設計及內力計算，并且對荷載工況和穩定性計算做了重點介紹。

鋼棧橋 荷載 平臺設計 穩定驗算

1 工程概述

1.1 設計說明

擬建棧橋長約63m，橋面寬9m，結構形式為4榀2道單層貝雷桁架，桁架間距 0.9m、1.7m、0.9m、0.9m、1.7m、0.9m，每雙片桁架間使用花架連接；棧橋標準跨徑為分為12m，棧橋基礎采用三根Φ630mm×10mm鋼管樁基礎，為加強基礎的整體穩定性，每排鋼管樁間均采用I16號槽鋼附加綴板連接成整體，橋面系由I22a工字鋼橫梁、U型卡栓、I12工字鋼分配縱梁、1cm厚橋面板、防護欄桿組成。

1.2 設計依據

《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2004）、《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTJ024-85）、《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》（JTJ025-86）、《公路橋涵施工技術規范》（JTJ041—2000）、《海港水文規范》（JTJ213-98）。

1.3 技術標準

設計頂標高與設計橋梁基本平行；設計控制荷載為履-50t（最大吊重按6t考慮）；水位取50年一遇最高水位+6.34m；海床高程取-3.50m，最大沖刷深度考慮3m，即沖刷后地面線高程為-6.5m；流速為v=1.5m/s；海床覆蓋層為淤泥，厚度2.5m；基本風速為27.3m/s；最大風速為40m/s；浪高為3.0m；設計行車速度15km/h。

1.4 荷載工況

工況一：釣魚法安裝棧橋，履帶吊在最前沿吊裝振動錘加鋼管樁；工況二：履帶吊在平臺外側抬吊安裝5tT梁，此時，運輸船在棧橋一側。

2 荷載工況驗算

2.1 上部結構恒重（9m寬計算）

面層：間距為0.30m的I12工字鋼分配縱梁，荷載為0.142kN/m；上部鋪設1cm厚鋼板荷載為0.785kN/m2。

面層橫向分配梁：I22a，0.33kN/m，2.97kN/根，間距 0.5m。

縱向主梁：321型貝雷梁，6.66 kN/m。

樁頂分配主梁：2I40a，1.352kN/m ，12.168kN/根。

驗算時加載自重部分，取用荷載系數為1.2。

2.2 車輛荷載

2.2.1 履帶吊50t（計算中考慮最大吊重6t，見圖1）

2.2.2 施工荷載及人群荷載4kN/m2（見表1）

3 荷載工況

3.1 鋼面板計算

3.1.1 結構型式

該平臺面板為10mm厚花紋A3鋼板，焊接在中心間距300mm的I12工字鋼縱梁上。

3.1.2 荷載

履帶吊機履帶寬度（760mm）均大于工字鋼橫梁間距，荷載直接作用在I12工字鋼上，故10mm面板可不作檢算，滿足要求。

3.2 行車道I12計算

3.2.1 結構型式

該平臺走道板結構形式為I12@30cm+I22@60cm+10mm鋼板，I12順橋向布置于間距0.9m的321貝雷片上，I10間斷焊接于I12a空隙并使走道板成為整體。

3.2.2 50t履帶吊荷載

圖1 50t履帶吊車荷載的縱向排列和橫向布置圖（重力單位：kN，尺寸單位m）

表1 履帶吊與9m3罐車的主要技術指標表

50t履帶吊吊裝時線荷載為154kN/m，履帶寬度76cm，I12工字鋼縱梁中心間距300mm，最不利情況應為三根工字鋼縱梁受力。

則0.9m跨徑單根I12縱梁所受均布荷載為：q=154÷3÷2=25.67kN/m,再在此荷載基礎上考慮1.2履帶吊偏載系數，則q=25.67×1.2=30.8kN/m。

3.2.3 力學計算

履帶吊：ML=0.125×30.9×0.92=3.12kN·m；QL=30.8kN（按連續梁）；此時履帶吊車荷載為控制荷載。

彎應力及綜合應力=31.6MPa＜203MPa，滿足要求。

剪應力=17.02MPa＜119MPa，滿足要求。

3.3 I22a工字梁橫梁計算

3.3.1 結構型式

橫梁采用I22a工字鋼，工字鋼橫梁安裝在凈距3000mm的單層二排貝雷梁上，計算時可保守按照簡支梁3000mm跨徑。最大受力位置出現在履帶吊轉向區域。

3.3.2 50t履帶吊荷載

50t履帶吊裝T梁時荷載最大，總重154kN，履帶長度470cm，單條履帶作用于4.7÷1.5=3根I22a工字鋼跨中，集中荷載為154÷2÷3=25.67kN。因為I12滿足要求，I22a工字鋼無需計算。

3.4 貝雷主梁計算

3.4.1 結構型式

主梁由四組兩排單層貝雷梁組成，組與組間距17000mm，安裝在2根I40a橫梁上。最大跨徑為9m。根據棧橋布置以及其使用情況，中間一組二排單層貝雷梁受力最大，其荷載為單臺履帶吊（吊裝T梁）的一半。

3.4.2 荷載

結構自重：

其他未計構件按1.2系數考慮，貝雷上恒載總重為27.1t×1.2=32.5t。

故單組貝雷（二片單層）每延米恒載為325÷9÷2=18.1kN/m。

活載：50t履帶吊吊裝T梁時，荷載通過2根I40a工字鋼傳遞至貝雷，根據前面計算，單根I40a傳遞下來的集中荷載為540÷2÷2=135kN。

3.4.3 力學計算

自重引起的彎矩和剪力分別為：

則考慮自重后，彎矩及剪力如下：

根據《裝配式公路鋼橋多用途使用手冊》，查表3得，單排單層不加強貝雷片的容許彎矩788.2kN·m，容許剪力為245kN。

3.5 2I40a墩頂橫梁計算

根據以上計算可知，在最不利荷載作用下，單側貝雷剪力為325.3kN，鋼管樁頂分配梁采用2根I40a工字鋼。

由于貝雷對2I40a工字鋼的作用點位于橋墩頂支點位置，故主要驗算I40a工字鋼的抗剪性能。單側貝雷剪力為495.7kN。

單片貝雷底反力：325.3÷2=162.7kN。剪應力=162.7kN÷（0.01m×0.3×2）=27.1MPa＜119MPa,滿足要求。

3.6 Φ630鋼管計算

鋼管（Φ630）采用打樁振動錘擊下，支承在中風化巖面上，按兩端鉸接進行鋼管樁的承載力，鋼管樁的長度按以下計算。

3.6.1 鋼管樁的豎向荷載計算

有以上計算可知，居中行走時中部在單排鋼管樁中心線時，單排鋼管樁中間的鋼管樁受力最大：

鋼管樁等自重計算：鋼管樁頂面標高為+4.18m，暫按入土8m計算，地質鉆孔為準進行計算，由設計圖紙中所附地質勘察資料可知，河床面為0.2m，鋼管樁為直徑630mm的標準螺旋焊接管，則鋼管樁自重為：

鋼管樁受力P=107.7+14.7=122.4kN

3.6.2 鋼管樁的豎向承載力計算

該棧橋所有樁基均支撐在中砂、卵石層上，按摩擦樁計算其容許承載力。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTGD63-2007）中的沉樁的承載力容許值公式，則樁的容許承載力為：

u—樁身周長（m）；

n—土的層數；

li—承臺底面或局部沖刷線以下各土層的厚度（m）；

qik—與li對應的各土層與樁側摩阻力標準值（kPa）,宜采用單樁摩阻力試驗確定或通過靜力觸探試驗測定，當無試驗條件時按規范給定值選用；

qrk—樁端處土的承載力標準值（kPa），宜采用單樁試驗確定或通過靜力觸探試驗測定，當無試驗條件時按規范給定值選用；

αi、αr—分別為振動沉樁對各土層樁側摩阻力和樁端承載力的影響系數對于錘擊、靜壓沉樁其值均取為1.0。

a.按8m計算

則L=6.18m

則L=8.34m

即打樁時須根據地質情況入土深度必須大于5.98～8.14m才能滿足設計要求。

施工過程中需行走履帶吊按50t履帶吊計算荷載。

b.按18m計算

則L=22.9m

即打樁時須根據地質情況入土深度必須大于22.7m才能滿足設計要求。

所以入土深度符合要求。

4 穩定性計算

海床面高程為-3.5m，按3m沖刷深度考慮，則可假定鋼管樁懸臂固結點在-15m處，樁頂標高取+9.0m，鋼管懸臂長度為24m。

4.1 單根鋼管樁流水壓力計算

單根樁流水壓力計算：

式中：Fw—流水壓力標準值（kN）；

Cw—形狀系數（鋼管樁取0.8）；

A—阻水面積（m2），計算至一般沖刷線處；

ρ—海水的重力密度1.025（kN/m3）；

V—設計流速（1.53m/s）。

4.2 單根鋼管樁橫橋向風力計算

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTJ-02189）第2.3.8條計算橫橋向風壓：

式中：k0—設計風速重現期系數取1.0；

k1—風載阻力系數，取1.0；

k3—地形地理條件系數，1.0；

Wd—設計基準風壓取為0.8kPa；Awh—迎風面積 11.39m2。

橫橋向風載：

4.2.1 鋼棧橋橫橋向風力計算

4.2.2 單根鋼管樁順橋向風力計算

縱橋向風壓按橫橋向風壓的70%計算。

橫橋向風載：Fwh=k0k1k3WdAwh=1.0×1.0×1.0×0.8×0.7×14.95=8.372kN

4.3 波浪力

浪高按3.01m計算，根據蓋拉德經驗公式計算浪長：L=9～15H（H為浪高），取L=12H=12×3.01=36.12m。對于圓形柱樁當D/L≤0.2時為小尺寸樁柱（D為樁徑）用下式計算波浪力：

式中：PDMax—水平波壓速度分力的最大值，出現在波峰位置處ωt=0；

PIMax—水平波壓慣性分力（由加速度引起）的最大值，出現在波峰和1/4波長之間ωt=270°；

kv—建筑物附近速度修正值，，所以 kv取 1.00；

D—樁徑，取為0.63m；

d—靜水水深，取7.36m；

H—浪高3.01m；

γ—水的容重10kN/m3。

4.4 結論

當水位取50年一遇最高水位+6.34m時，滑動力矩M=（F水流+F風+F波浪）×a=34.341kN×17.5m=583.47kN·m；摩擦力矩 M=F·a=122.4kN×6.5m=795.6kN·m

所以摩擦力矩M/滑動力矩M=1.36≥1.2，滿足穩定性要求■

（專欄編輯：顧 梅）