(中铁十六局集团第五工程有限公司,河北,唐山,064000)
【摘要】无覆盖层河床施工漫水钢栈桥的施工工艺,及栈桥受力计算
【关键词】无覆盖层;裸岩;漫水钢栈桥;施工工艺
一、工程概况
田家坊澧水特大桥位于湖南省张家界市永定区境内,桥梁全长5007.8米,其中连续梁(72+2*120+72)、(60+2*100+60)跨越澧水河和澧水河河滩及河滩砂场。本桥桥址区地表水主要为澧水河及两岸之流、水渠、水塘等,澧水河常年流水,流量大,雨季易暴发洪流。由于水流冲击明显,河床表面无覆盖层,基岩裸露。
二、水文气象
张家界市区属亚热带季风湿润气候,四季分明,雨量充沛,四季气候多变,日照充足。汛期洪水由暴雨形成,洪水陡涨陡落,峰高量小,一次洪水过程一般为1~3天,年最大洪水一般发生在5~9月,量级大的灾害性洪水往往出现在6~8月,年最大24小时暴雨亦主要发生在5~9月,历年实测最大24小时暴雨为273.6mm。
三、栈桥选型
经过现场勘察,两侧河岸高程为148m,河床高程为141.0m,结合张家界市水利局提拱的水文资料,常水位为142m,2年一遇洪水高程为147.27m,10年洪水过程为153.48m,50年一遇洪水高程为155.24m,据了解洪水一般1至3天即可恢复常水位。河岸两侧地势平坦,标高在148m至149m之间,洪水超过148m以后,将淹没两测稻田。栈桥修筑过高没有意义,两岸通道已经在洪水位以下,因此根据现场实际情况,考虑澧水河两侧及周围田地标高,结合水文资料,最终桥面标高为151.425m,作为漫水栈桥。
常规钢栈桥通常选择贝雷梁作为主梁,但贝雷梁结构较高,暴雨形成洪水时,洪水中的杂物会贝雷梁空隙堵塞,形成水坝,将栈桥推倒。因此选用高度相对较小的型钢作为栈桥主梁。
四、栈桥结构
栈桥上部结构采用型钢结构,下部结构为钢管桩加型钢承重梁结构。桥面结构为工字钢加花纹钢板组合结构,下部结构为钢管桩加型钢承重梁结构。具体布置为:每排设置3根钢管,主跨钢管桩间距4.35m,下游支墩桩间距4米,钢管为φ1020㎜,δ=10mm的钢管桩,主跨钢管桩间采用双拼25b槽钢做斜撑,三根钢管桩通双拼25b槽钢焊接连接成一个整体。加固位置在施工水位以上0.3m处,下游支墩与中间钢管桩采用双拼30b槽钢做斜撑焊接牢固。由于河床覆盖层浅,水流速快,为了保持栈桥的稳定性,钢管桩做为锚固桩,采用冲击钻钻孔,钻孔直径为0.8m,打入砂岩底面5m,浇筑C30早强钢筋混凝土后与岩层连接成一个整体。横梁采用双拼56工字钢,每组钢管立柱上布置2处,横梁长8.5m,横梁放置在φ100钢管上的牛腿上,横梁与钢管及牛腿焊接连接成为一个整体,在横梁顶部放置双拼H700*300*13*24型钢纵梁,间距1.45m。纵梁顶面放置14b工字钢,间距0.3m,工字钢上铺14mm厚花纹钢板做为桥面。
五、栈桥荷载计算
5.1水流冲击力计算
水流速度取V=5.0m/s,按照水流冲击力计算公式
FW=对于支墩,K=0.73,对于桥面,K=2.32支墩迎水面积A1=1.02x10=10.2m2,桥面迎水面积A2=12x0.85=10.2m2
FW1=0.73x10.2x=95kN
5.2桥面水流压力
依据《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010)计算,桥面整体遮流系数m=1.97
Pw==1.97x2.32x10.2x=594kN
5.3风荷载计算
按《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)W=k0k1k3Wd,设计风速重现期换算系数k0=0.75,支墩风阻力系数k1=0.7,桥面风阻力系数k1=1.3,地形、地理条件系数k3=1.2,设计基准风压,空气重力密度γ=0.012017e-0.0001Z=0.012kN/m3,高度Z处的设计基准风速Vd=k2k5V10,考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数k2=1.17,阵风风速系数k5=1.38,设计基本风速V10=20m/s。则Vd=1.17x1.38x20=32.3m/s,重力加速度g=9.81m/s2,Wd=kN/m2
则风荷载强度
支墩:W=0.75x0.7x1.2x0.64=0.4kN/m2
桥面:W=0.75x1.3x1.2x0.64=0.74kN/m2
5.4施工荷载取2.5kN/m2
5.5漂流物撞击力
假定漂浮物重W=10kN,撞击时间T=1.0S,F=则F=kN
六、栈桥结构受力计算
6.1桥面板受力计算
桥面板采用14mm厚钢板。经计算,桥面板由55t汽车荷载控制设计。
桥面板按两边简支板计算,计算跨度取300mm。用midascivil建模,考虑1.1的冲击系数。桥面板最大弯曲应力σmax=183MPa<[σw]=145x1.3=188MPa
桥面横梁采用I14工字钢。经计算,桥面横梁由55t汽车荷载控制设计。
6.2桥面横梁受力计算
桥面横梁按5跨简支梁计算,计算跨度取1450mm。用midascivil建模,考虑1.1的冲击系数。桥面横梁最大弯曲应力σmax=133MPa<[σw]=145x1.3=188MPa,桥面横梁最大剪应力τmax=68MPa<[τ]=145x1.3=110MPa。
工况1:履带吊位于跨中,履带外边缘距栈桥中心线3.5m。侧吊20t,幅度10m。此工况纵梁弯曲应力最大。偏于安全,假定外侧履带荷载由一根纵梁承担。
经迈达斯建模计算纵梁最大弯曲应力σmax=176MPa<[σw]=145x1.3=188MPa,不计1.1的冲击系数,纵梁挠度f=25.8<[f]=L/400=10660/400=26.6mm。
工况2:履带吊位于跨端,履带外边缘距栈桥中心线3.5m。侧吊20t,幅度10m,此工况纵梁剪应力最大。偏于安全,假定外侧履带荷载由一根纵梁承担。
经迈达斯建模计算纵梁最大剪应力τmax=40.7MPa<[τ]=145x1.3=110MPa
6.3横梁计算
经计算,履带吊位于跨端,履带外边缘距栈桥中心线3.5m。侧吊20t,幅度10m,此工况控制横梁设计。
横梁弯曲应力
经迈达斯建模计算横梁最大弯曲应力σmax=122MPa<[σw]=145x1.3=188MPa
横梁最大剪应力τmax=92MPa<[τ]=145x1.3=110MPa
6.4支墩计算
经计算,履带吊、罐车和55t汽车荷载不控制支墩设计,支墩由栈桥漫水工况控制设计。此时,栈桥承受自重力、浮力和水流冲击力。
桥面水流压力
按照《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010),第1片纵梁设分水弧后的遮流系数m1=0.47,考虑漂浮物阻塞的影响,第2片纵梁遮流系数取m1=1.0,则第1片纵梁流水压力
Pw1==1.0x2.32x10.2x=302kN
第2片纵梁的遮流系数m2=-0.2,则第2片纵梁流水压力
Pw2==-0.2x2.32x10.2x=-60.4kN
第3、5片纵梁的遮流系数m35=0.45,则第3、5片纵梁流水压力。
Pw35==0.45x2.32x10.2x=136kN
第4、6片纵梁的遮流系数m46=0.4,则第4、6片纵梁流水压力。
Pw46==0.40x2.32x10.2x=121kN
采用midascivil计算,考虑桩土共同作用。
假定桩基深入砂岩5.0m,由砂岩基本允许承载力[σ0]=500kPa推算,其单轴饱和抗压强度frk=1000kPa.按《公路桥涵地基与基础设计规范》,地基抗力系数C0=300000kN/m4
计算宽度b1=0.9(1.5d+0.5)=0.9x(1.5x0.8+0.5)=1.53m,桩基入岩部分划分成l=1.0m的单元,则水平弹簧刚度K1=1.0x1.53x300000=459000kN/m,桩底弹簧刚度K2=(0.82x3.14/4)x300000=150796kN/m
支墩钢管最大组合应力σmax=72.5MPa<[σ]=140x1.3=182MPa
连接系斜撑最大组合应力σmax=-113.5MPa<[σ]=140x1.3=182MPa
6.5支墩稳定
支墩一阶线弹性稳定系数为6.6,失稳模态为下游辅助支撑墩顺桥向失稳。稳定系数大于相关规范要求的4.0。
6.6锚固桩竖向承载力计算
单桩轴力最大值N=772kN,
单桩竖向承载力允许值
6.7锚固桩水平承载力计算
锚固桩最大侧向支承反力R=426kN,则桩对地基侧压力
σmax=kPa
栈桥为临时结构,地基安全系数可取1.5,则地基允许压应力[σ]=1000/1.5=667kPa
σmax<[σ]=667kPa
参考文献:
[1]《铁路工程施工组织设计指南》(铁建设[2009]226号);
[2]《施工现场临时用电安全技术规范》(JBJ46);
[3]《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)
[4]《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ025-86)
[5]《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTGD63-2007)
[6]《港口工程荷载规范》(JTS144-1-2010)
[7]《钢结构设计规范》(GB50017-2003)