临时结构设计(设计部)

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2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司2栈桥1钢板桩围堰2现浇梁支架3地基梁42020/3/13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[2008]189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。2020/3/13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2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司51、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2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司62、设计要素平面位置栈桥跨径栈桥标高设计车速跨度、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：2020/3/13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。钻孔平台钻孔平台（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2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司8栈桥跨径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9～12m。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。2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司90.5—1.5m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2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司10基础承重梁桥面板•扩大基础•钢管桩基础•钻孔桩基础•型钢•军用梁•贝雷梁•钢桥面板（标准件）•混凝土桥面板3、栈桥结构确定第一部分——栈桥2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司11•结构自重永久荷载•车辆满载自重、制动力（速度可限制）、风荷载、水流力、冰荷载（产生的上浮力、温度膨胀力等）、人群荷载可变荷载•船舶荷载（系缆力、挤靠力、撞击力等）、漂浮物撞击力偶然荷载4、设计荷载第一部分——栈桥2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司12•基底承载力满足设计要求；•抗倾覆稳定性≥1.5；•抗滑稳定性≥1.3。重力式桥台（常用）•多采用钢管桩，沉桩施工；•特殊地质采用钻孔桩基础、石笼墩等。墩位处基础5、基础设计第一部分——栈桥2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司136、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2020/3/13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①、桩的分类：桩按承载性状分为摩擦桩和端承桩。竖向荷载主要由桩侧阻力承受，并考虑桩端阻力。摩擦桩竖向荷载主要由桩端阻力承受，并考虑桩侧阻力。端承桩第一部分——栈桥2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司15②、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：•锤击、静压沉桩：桩端处中距≥3倍桩径；•振动沉桩：桩端处中距≥4倍桩径；•钻（挖）孔桩：中距≥2.5倍桩径。摩擦桩•支撑或嵌固在基岩中，钻（挖）孔桩中距≥2倍桩径。（注意：嵌固于岩层不一定就是端承桩，2MPa）端承桩•不应小于1.5倍扩底直径或者扩底直径加1.0m，取较大值。(挖孔）扩底灌注桩第一部分——栈桥2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司16③、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。正摩阻力负摩阻力第一部分——栈桥2020/3/13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2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司18④、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12.0MPa~20.0MPa；第一部分——栈桥2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司191dfiiRdQUqlqA⑤、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。112naiiikrprkiRulqAq12iiiPUaflARa第一部分——栈桥2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司202、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F≥fv=μf。（μ振动作用下摩擦力的降低系数）2020/3/13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。2020/3/13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。2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司23第一部分——栈桥2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司245、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：①、由风和水流产生的系缆力；②、由风和水流产生的挤靠力；③、船舶靠岸时产生的撞击力；④、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2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司256、设计者应注意的事项①、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。②、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。③、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。④、对冲刷和桥上荷载的确定要尽量与实际吻合。目录2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司26栈桥1钢板桩围堰2现浇梁支架3地基梁4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。2020/3/13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。）2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司28295/1.5197MPa国产常用钢板桩为：拉森Ⅳ型400×170）、拉森Ⅵ型（600×210）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/T20933—2007。2020/3/13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2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司30高出设防水位0.5～0.7m围堰顶标高土层厚度h、重度γ、内摩擦角ψ、粘聚力c地下水位高出地面/水位0.2～0.4m围堰顶标高承台长、宽、高及顶、底标高围堰设防水位承台放宽0.5～1.0m封底混凝土与钢护筒/钻孔桩粘结力第二部分——钢板桩围堰2、设计荷载①、土压力（朗肯）；主动土压力：被动土压力：②、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。2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司31pa+qw+qhapp+qwhphwhwq2aaaaphKcK2ppppphKcK第二部分——钢板桩围堰③、围堰周围施工荷载；④、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）。2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有限公司32/qhq施工荷载q换算为土层超载hq第二部分——钢板桩围堰3、设计流程2020/3/13中铁大桥局集团第四工程有