青岛海湾大桥栈桥设计、施工及监测

青岛海湾大桥栈桥设计、施工及监测1栈桥设计1.1设计依据对于栈桥设计，我国目前尚没有可以遵循的规范。为此，在栈桥设计中，我们遵循业主发布的青岛海湾大桥土建工程施工招标文件及相关要求和规定，同时遵守国家及相关行业标准、当地水文地质资料和有关设计手册。国家及相关行业标准：①《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）②《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ024-85）③《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）④《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）及2001年局部修订⑤《港口工程荷载规范》（JTJ254-98）⑥《海港水文规范》（JTJ213-98）⑦《港口工程混凝土结构设计规范》（JTJ267-98）⑧《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》（JTJ275-2000）⑨青岛水利研究院所提供资料⑩青岛海湾大桥工程区波浪基本特征.1.2结构设计栈桥采用多跨连续梁方案，主要跨径为15m。贝雷梁结构：采用7×15m一联“321”型贝雷桁架，每联之间设立双墩，断面采用8片贝雷桁架，其间距采用0.9m；桥面宽8.0m；桥面系：由钢板和型钢组成的正交异性板桥面系；桩基础：ϕ600和ϕ800，δ=10mm厚钢管桩；钢管桩所用钢管，材质为Q235，采用钢板卷焊。详见:图1:栈桥桥式平面布置图图2:一联栈桥结构立面图图3:栈桥支座处断面图图4:单孔桥面系构造图113X15m120X15m分界点5K72+779.5-1.00K75+914.521-1.80分界点3主栈桥96X15m1695mⅢ五区六区1440m4会让点分界点4K74+474.5分界点3K75+914.5+1.70+0.00－2.00+0.00说明：1、图中单位均以m计。2、栈桥设计荷载：汽-超20；栈桥施工荷载：100t履带吊；挂-120设计行车速度：15km/h；设计使用寿命：5年。3、栈桥纵向设计为平坡。35×15m＋31×12m会让点跨度：96×15桩型：3×φ600，端部双排；3×φ800，中间单排桩长：22.3/26.2m九区（过渡段）897m36mK80+264.5K77+714.5八区（原设计五、六、七区）七区（原设计五区）Ⅲ跨度：113×15桩型：3×φ600，端部双排；3×φ800，中间单排桩长：25/29.1m-1.20分界点21800m4m1主栈桥分界点12550m170X15mK81+161.5-1.00分界点0宁波杭州湾大桥轴线原设计跨度、桩型、桩长。原设计跨度、桩型、桩长。原设计跨度、桩型、桩长。2004-041:1000K72+087.5K71+837.5Ⅸ-A标栈桥终点K71+721.5一区二区33X15m250m跨度：33×15桩型：3×φ800，端部双排；3×φ800，中间单排；桩长：30/30m-5.30滩面标高(m)K71+7358m嘉兴F1分界点7K72+087.5栈桥布置形式-3.36-5.06-4.03116m分界点8F17197mK72+284.5分界点6三区495m四区杭州湾大桥轴线21-2.45-1.82F69-2.00F68-2.03分界点7分界点5K72+779.5-1.00-0.901:10002004-04151515151515151234图2一联栈桥结构立面图双向行车道+7.002HN450×150600钢管桩贝雷桁架桥面系4m0.9m4m8.4m0.11.22.53.2m7.5m3.2m0.1图3栈桥支座处断面图N2:端横梁[10间距100cmN1:I10中横梁N5:水平垫板间距70cm75757575B大样35间距35cmA大样标准块标准块35N3(N3'):［10纵联8mm厚N4:桥面板378cm378cm378cm366cm22×35cm1500cm图4单孔桥面系构造图（15m）1.3结构计算栈桥的结构设计计算,详细内容见栈桥的结构计算书（附件）,在本施工组织正文中只做总体论述。①设计荷载组合与设计验算准则根据业主提出的栈桥施工荷载要求，参照《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）及《港口工程荷载规范》，经反复研究讨论，将栈桥设计，取3种状态、5种最不利工况进行设计验算。“工作状态”是指：栈桥正常使用车辆荷载与对应工作状态标准的其它可变荷载（风、浪、流）作用的组合。“非工作状态”是指：在恶劣海洋气候条件下，栈桥上不允许通行车辆，仅承担相应其它可变荷载（风、浪、流）作用的组合。栈桥施工状态是指：栈桥在自身施工期间可能出现的最不利施工荷载组合，经反复计算，以单跨栈桥通行履带吊施工荷载及履带吊在前端打桩时控制设计。栈桥作为一种重要的临时结构，根据相关规范要求和具体工程情况，确定设计验算准则：a在工作状态下，栈桥应满足正常车辆通行的安全性和适用性要求，并具有足够的安全储备。b在非工作状态下，栈桥停止车辆荷载通行，此时栈桥应能满足整体安全性的要求，允许出现局部可修复的损坏。c在栈桥施工状态下，栈桥应满足自身施工过程的安全，但6级风以上时，应停止栈桥施工。其中工况Ⅰ－工况Ⅲ（贝雷梁）以及提供下部钢管桩的竖向计算荷载，工况Ⅴ用于验算施工状态下上部结构的应力，工况Ⅳ仅用于计算下部钢管桩的横向计算荷载，与前三种荷载组合情况下计算的竖向荷载一同验算下部的钢管桩基础。表1栈桥的设计状态与最不利工况设计状态工况荷载组合恒载基本可变荷载其它可变荷载工作状态I结构自重汽车超20对应工作状态标准的风、波浪和潮流作用II结构自重100t履带吊III结构自重挂120非工作状态Ⅳ结构自重—对应非工作状态标准的风、波浪和潮流作用栈桥施工状态Ⅴ结构自重100t履带吊—②设计荷载参数a车辆荷载（1）汽－超20（单列）；设计行车速度为15km/h，不计冲击作用。（2）挂车－120；（3）100吨履带吊（履带吊接触面积为2－5155×1070mm2），根据招标文件确定。（JTJ021－89规范中只有50t履带吊荷载图式）。图5设计车辆荷载b风荷载参数（1）工作状态组合风速为20.7m/s，风压为0.25kN/m2，相当于8级风；（2）非工作状态组合风速为27.2m/s，风压为0.44kN/m2，相当于重现期为十年的风荷载。c潮流参数（1）工作状态组合V=1.09m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.24m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.03m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.38m/s（K28+200.000－K30＋650.00）。（2）非工作状态组合V=1.12m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.31m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.31m/s（K28+200.000－K30＋650.00），V=1.36m/s（K28+200.000－K30＋650.00）。d波浪参数（1）工作状态组合波浪高0.5m，周期3.79s。水深3.52m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深4.52m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深4.52m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深4.02m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深5.52m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深8.02m（K28+200.000－K30＋650.00）。（2）非工作状态组合波浪高3.36m，周期6.88s。水深5.95m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深6.95m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深6.95m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深6.45m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深7.95m（K28+200.000－K30＋650.00）；水深10.45m（K28+200.000－K30＋650.00）。e局部冲刷深度（1）工作状态组合2.3m（K28+200.000－K30＋650.00）；4.0m（K28+200.000－K30＋650.00）；4.0m（K28+200.000－K30＋650.00）；5.0m（K28+200.000－K30＋650.00）。（2）非工作状态组合2.3m（K28+200.000－K30＋650.00）；4.0m（K28+200.000－K30＋650.00）；4.0m（K28+200.000－K30＋650.00）；5.0m（K28+200.000－K30＋650.00）.③桥面系计算a栈桥桥面系基本构造栈桥桥面板采用正交异性钢板。横梁长度为8.4m，纵肋15m。桥面板在工厂加工成3.78m的标准块。在每个标准块中，边横梁采用槽钢，中间横梁采用工字钢,纵肋采用槽钢。图6桥面系构造b设计荷载组合设计状态下，由于其它可变荷载（如对应工作状态标准的风、波浪和潮流作用）基本上不会对桥面板产生作用，故在进行桥面板设计时，不与其它可变荷载进行组合。因此，荷载组合归结为以下四种工况：工况Ⅰ：结构自重＋汽车超－20；工况Ⅱ：结构自重+100t履带吊工况Ⅲ：结构自重+挂－120工况Ⅳ：结构自重经过初步计算，认为工况Ⅲ对桥面板设计起控制作用。故取挂-120+结构自重为桥面板计算的设计荷载。c计算模型据弹性理论，采用有限元法对桥面板进行应力分析。弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3，容重为78kN/m3。桥面板按两轮荷载作用下连续板计算，挂-120的重车单轮轴重为75kN，四轮荷载直接作用在桥面板上，触地轮压为750000Pa。计算模型见下图。图7桥面板计算简图d计算结果经过计算，且提出三种方案比选，最终确定桥面系采用如下方案，采用正交异性桥面钢板，桥面系在工厂加工成3.78m一段的标准块，边横梁采用[10，中间横梁采用工字钢I10，纵向间距为0.75m；纵肋采用槽钢[10，横向间距为0.35m。见下表。表3荷载工况下桥面板应力桥面板最大应力（MPa）横梁最大应力（MPa）纵肋最大应力（MPa）桥面板度（mm）（中横梁I10桥面板厚8mm）253（超限）42.51312④贝雷梁设计计算a贝雷桁架分析采用空间有限元法对贝雷桁架进行计算分析。建立15m一联的结构计算模型，在有限元模型中将钢管桩以及桩间撑与贝雷梁一同考虑，取ϕ600直径的钢管桩。桩的计算长度取至泥面以下a/4≥h处，因为在此之下，土对桩的作用相对比较小，据此计算桩长，桩底采取固结，风荷载可等效于集中荷载施加在最外侧一片桁架的节点上。由于波浪力及水流力均作用在钢管桩上，相当于使上部贝雷桁架横向整体移动而对其应力影响不大，故在上部结构分析中，可不考虑波浪力和水流力的作用，也即在上部结构设计中工况IV不控制设计。图8全桥有限元模型b结构内力计算贝雷梁的结构基本形式为7×15m一联的连续梁，前端深水区有专向设计，这里以7×15m一联的连续梁为例说明连续梁的内力和反力情况。表47×15m不同工况下各支座处的最大竖向反力（kN）工况支座1支座2支座3支座4工况Ⅰ520753627609工况Ⅱ877121011541164工况Ⅲ989143013701380c结构位移计算四种工况下的位移值，见表5。表5四种工况作用结构的最大位移（mm）工况竖向位移横向位移工况Ⅰ8.10.8工况Ⅱ16.00.867工况Ⅲ18.41.5工况Ⅴ22.40.31d结构应力计算四种工况作用下边跨上弦及下弦杆的最大应力值见表6。表6四种工况作用下边跨最大应力（MPa）跨中截面支座截面上弦下弦上弦下弦工况Ⅰ-576533-92工况Ⅱ-12513857-140工况Ⅲ-12615186-214工况Ⅴ-162168-914从上表中可以看出，杆件的应力基本都在允许范围之内，只是工况三作用下，第二跨支座处下弦杆的应力稍稍超限，而当不计风荷载的情况下，其应力仅为-199MPa。因此，为安全起见，在有大风的情况下，避免相当于挂-120的荷载上桥。⑤桩顶横梁设计当100t履带吊作用在钢管桩正上方时，此时产生的作用反力最大