跨海大桥工程第I合同段栈桥设计及施工方案[优秀工程方案]

杭州湾跨海大桥工程

第I合同段

栈

桥

设

计

及

施

工

方

案

(2)

杭州湾跨海大桥I合同项目经理部二OO三年十二月六日

编制：叶仁亦审核：楼谱增

前言

1、地形、地质

北引桥陆地区,地势平坦;滩涂区北高南低,坡降平缓,地面高程 2.3米~-3.26米.

据物探资料显示,本合同段桥位区桩基地质以粘性土、亚砂土、粉砂土、淤泥质粘土为主,基本无不良地质.

2、气象、水文

杭州湾地处东部沿海地区,受其典型喇叭状地形形成的“狭管效应”影响,水文、气象条件十分复杂,属重大灾害天气多发地带.

影响桥位区施工作业不利气象因素主要有季风(全年平均风速3米/s左右,北岸略高于南岸)、台风(多发生在7-9月间)、雾(北岸10月份出现最多,持续时间一般在4小时以内).

不利的水文因素主要是潮汐,杭州湾为强潮河口湾,潮汐类型为浅海半日潮,日潮不等现象明显.

北岸乍浦站(1930-1999年)潮汐特征值：

桥位北岸乍浦站设计潮位(单位米)

第一节施工栈桥设计计算

一、计算资料

1、栈桥设计荷载：汽车—超20级、挂车—120,设计桥面净宽为8米,标高为7米,平均滩涂地面标高为0.15米,最低滩涂地面标高为-4.12米,最高滩涂标高为2.82米.

2、栈桥区地层为淤泥质亚粘土,物理指标为:W=40.4%,γ=17.7KN/米3,e=1.171,I

1.33,a0.1-0.2=0.73米P a-1,E s=3.1米P a,C=18.2K P a,φ=4.1°,q c=0.97米P a,f s=10.6K P a,N=3击

L=

3、10米高30年重现期风压为0.54KN/米2,20米高30年重现期风压为0.71KN/米2,30米高30年重现期风压为0.82KN/米2.

4．拟定栈桥结构：栈桥采用跨径8.5米,每个墩设3根φ60钢管桩,钢

管桩壁厚为8米米,桩顶采用H692型钢横梁做横向连接,横梁上面纵桥向安装间距为160厘米的 H606型钢纵梁,纵梁上面横桥向安装间距为28.33厘米的I18型钢,在I18型钢上面铺10米米厚钢板作为桥面板.

二、栈桥上部结构计算

栈桥上部结构计算利用我集团引进的韩国大型结构计算软米

IDAS/CIVIL进行,主梁采用简支梁计算,横梁采用连续梁计算.计算结果如

下：

计算荷载(汽-超20)

验算荷载(挂车-120)

根据规范JTJ025-86,第1.1.5条规定,对于临时结构, 其竖向容许挠度可适当放大 ;

2、根据规范JTJ025-86,第1.1.5条规定,用挂车验算时,容许竖向挠度可增加20%.

3、计算挠度为累计挠度 .

三．桩基承载力计算

根据计算结果,汽-超20计算荷载产生的单桩最大竖直荷载为492.5KN;挂-120验算荷载产生的单桩最大竖直荷载为685.7KN.对于沉桩钢管桩自重不计.

根据规范(JTJ024-85,4.3.2-4)规定,打入桩的容许单桩承载力计算公式为:[p]=(αi uLτp+αAσR)/2,对于打入桩αi、α值均取1.对于荷载组合II规范规定(JTJ024-85,4.3.2-4)容许承载力可以提高25%,U=0.6米×3.14=1.884米 ,钢管桩地层处于软塑粉砂和流塑、软塑亚粘土地层,下面取两个典型断面进行桩长计算：

1、根据设计柱状图孔位编号XZK22：桩身所处地层均为流塑淤泥质亚粘土地层(最不利),τp=25KPa, σR=1000KPa,A=0.6×0.6×3.14/4=0.283米2,但

根据专家咨询会意见,对于管桩桩底支承力不得超过承载力的 10%考虑,

A、汽-超20计算荷载-桩长计算

492.5=[1.884×L×25×(1+10%)]/2,得L=19米.

B、挂-120验算荷载-桩长计算

685.7= [1.884×L×25×(1+10%)×1.25]/2,得L=21.17米.

2、根据设计柱状图孔位编号XZK23：桩身所处地层为：中间有6.5米夹层为软塑亚砂土, 取τp=35KPa;其余为流塑淤泥质亚粘土地层,取τp=25KPa,σR=1000KPa,A=0.6×0.6×3.14/4=0.283米2.但根据专家咨询会意见,对于管桩桩底支承力不得超过承载力的 10%考虑,

A、汽-超20计算荷载-桩长计算

492.5=[1.884×(L-6.5)×25+1.884×6.5×35]×1.1/2,

得L=16.41米.

B、挂-120验算荷载-桩长计算

685.7=[1.884×(L-6.5)×25+1.884×6.5×35]×1.1×1.25/2 ,

得L=18.58米.

根据上述计算结果所得: 汽-超20荷载计算桩长为L米ax=19 米 ,L米

in=16.41米,;按挂-120验算荷载计算桩长为L米ax=21.17米,L米in=18.58米.在内河港池围堤以北方向全部为滩涂区,在大桥左侧约100米位置在修建码头通道,局部冲刷影响很小 ,由于挂车-120作为验算荷载上桥概率很小 ,因此设计平均桩长取值为L=19米;在内河港池围堤以南方向滩涂区,冲刷影响较大 ,平均桩长取L=20米;对于双排桩墩位桩长取L=18米.鉴于基桩数量多,地质情况较复杂,实际施工每根墩的桩长根据实际桩位地质及试桩情况调整. 3．桩基水平承载力计算

R h=a3EIx oa/V x

其中E—弹性模量;

I—桩截面惯性矩;

X oa—桩顶容许水平位移值;

Vx—桩顶水平位移系数;

a—桩的水平变形系数;

a=(米b0/EI)1/5

其中米—桩侧土水平抗力系数的比例系数;

b0—桩身的计算宽度 ,圆形桩(D=600)取值为b0=0.9(1.5d+0.5);

查得米=2000KN/米4,计算得b0=1.26米,I=6.52 ×10-4米4,则a=0.454(1/米) V x取2.441,假定桩顶的容许偏移值为X oa=4.1厘米(见后面计算)

得R h=308KN

(1)考虑海水流动对桩产生的水流压力为P=KAγV2/2g

其中：

K—形状系数,圆形取0.8

V—水流速度 ,取平均涨潮最大流速,3.77米/s

γ—水的容重,取10KN/米3

A—阻水面积,按照入水8米计算,A=0.6×8=4.8 米 2

P=0.8×4.8×10×3.772/(2×9.8)=27.8KN

(2)风载对桩的影响

ωk=K1K2K3K4ω0

式中ωk—风荷载的标准值

K1—对设计风速频率换算系数,取0.85

K2—为风压体型系数,取0.5

K3—为风压高度变化系数,取1

K4—为地形条件系数,取1.3

ω0—为基本风压值,取0.54KN/米2

求得ωk=0.3KN/米2

可以计算栈桥的单跨横向挡风面积为14.3米2,单跨产生的风荷载力的大小为4.29KN;纵桥向挡风面积为7米2,风荷载力的大小为2.1KN. (3)考虑栈桥上车辆制动产生的水平荷载对桩的影响

汽车制动产生的水平力按车辆总重量的 10%计算,挂-120的总重量为1200KN,产生的水平力为120KN,方向与制动方向垂直.

以上合计120+4.29+27.8=152.1KN,远小于栈桥桩基的单桩水平承载力.

4．钢管桩的应力及水平位移计算

钢管桩的长细比为：λ=l/i=μl0/i

其中l为计算长度 ,l0为钢管长度 ,取10米计算,i为惯性矩半径,8米米壁厚直径为60厘米的钢管桩i=0.208,μ为长度系数,取2/3.

求得λ=32.05<40,因此,钢管桩为短杆构件,不需要进行稳定校核.

栈桥施工时在A56墩之前的桩每40米加一排钢管桩,在A56—A57墩之间的栈桥每隔一跨加一排钢管桩,对A56墩附近的钢管桩进行计算,此时水深最大处为7米左右,桩顶距海底面高度为9米.

(2)计算桩的水平位移

在进行单桩桩顶水平位移的验算中,考虑单桩在风荷载、水流荷载、车辆动荷载等外部荷载同时作用在单桩且相互夹角为零的最不利情况.

车辆制动荷载为120KN,考虑由9根钢管桩受力,则单桩受力为13.3KN,作用点考虑作用在桩顶上.

纵桥向风荷载作用力为2.1KN,考虑由3根桩进行承担,单桩受力为0.7KN,作用点在桩顶.

水流荷载为24.3KN,考虑由3根桩承担,单桩受力为8.1KN,作用点为水深的 H/3处,即桩与海床分界点上2.33米处.单桩的受力情况如下图：

求得等效水平力H=22.1KN;弯矩米=145KN.米.

δ=H0δHH(0)+米0δHH(0) 其中

δH H(0)=(1/a3EI)×[(B3D4-B4D3)+K h(B2D4-B4D2)] / [(A3B4-A4B3) +K h(A2B4-A4B2)]

δ米H(0)=(1/a3EI)×[(B3C4-B4C3)+K h(A2C4-A4C2)] / [(A3B4-A4B3) +K h(A2B4-A4B2)]

K h为桩柱底面土因转动而发生的土抗力影响系数,当ah>2.5时,取为0;查表得(B3D4-B4D3)值为12.412;(A3B4-A4B3)值为3.7624;(B3C4-B4C3) /(A3B4-A4B3)值为2.1875,代入可求得水平位移量为：

δ=(22.1/0.4543×2.03×108×6.54×10-4) ×12.412/3.7624

+(145/0.4543×2.03×108×6.54×10-4) ×2.1875

=0.61×10-2+1.18×10-2 =1.79×10-2米

水平位移△L=(OB/OA) ×δ=16/7×1.79厘米=4.1厘米

(2)计算桩的应力

σ米ax 米in=N/A+米/W=685.7/0.015+(145+685.7×0.041)/1.852×10-3

=4.57×104+9.35×104

所以,σ米ax= =13.92×104KN/米2<1.3[σ]=145米PA;

σ米ax 米in= =4.78×104KN/ 米2<1.3[σ]= 145米PA

满足要求,

通过以上的计算可知,当所有荷载作用在单跨之间的管桩上已经能够承受水平变形以及满足应力的要求,因此排间的剪刀撑以及跨间的剪刀撑在满足构造要求即可,此时剪刀撑也是整座桥梁安全储备体系.

三、结论

经过对钢管桩入土深度、水平位移和应力,上构型钢抗弯、抗剪承载力及变形计算,设计的栈桥满足设计荷载承载能力要求.

第二节施工方案、方法及其质量控制要点本合同负责北岸滩涂区东侧施工栈桥的修建,栈桥桩号：K50+010-

K51+580,全长1575米;根据设计,在大桥东侧搭设施工栈桥,总长为1570.3米,与陆地临时道路接通,作为本合同施工用桥,同时作为第Ⅱ合同段通向桥轴向码头的通道.

栈桥搭设标准：在栈桥内设两处会让点,每500米一处,会让点宽4米,长36米,荷载等级同栈桥.由于堤坝顶加固后标高为7.35米,而栈桥桥面标高为7.0米,因此在0号台至6号墩设置过渡段,纵坡为0.7%,其它桥跨纵坡均为0%;0号台桥面宽度按10米设计,1号墩以南方向桥面宽度均为8米.

1、栈桥施工方案

本栈桥由滩涂区下部结构工区实施,根据工程现场施工条件,结合下部结构施工方案 ,拟定施工栈桥方案如下：

施工栈桥由主栈桥、辅助栈桥、施工平台、会让点共四部分组成.栈桥桥面标高7.0米,栈桥各部分标高一致.

本合同A27-A56号墩位于滩涂区,根据滩涂区表层地质以淤泥质亚粘土为主且其水位受潮汐影响的实际情况,栈桥钢管桩基础施工,采用50t履带式吊机配ZD-60振动锤插打,沿北岸海塘向南逐孔打设.根据履带吊机的施工半径,

栈桥跨径选定为8.5米.有关图表详见“栈桥搭设布置图”、“栈桥会让点布置图”、“栈桥布置图”.

2、施工栈桥工艺流程框图

见附表

3、栈桥施工进度安排

栈桥施工是确保滩涂区桥梁下部工程顺利施工的关键,计划开工时间,主栈桥2004年7月底投入使用,施工工期为8个月.

栈桥施工计划投入两套设备按两个工作面展开施工,主栈桥使用一套设备独立进行作业,辅助栈桥、施工平台及钻孔平台使用另一套设备进行独立施工.施工一座辅助栈桥、施工平台及钻孔平台平均考虑7天,主栈桥每一天平均完成1跨(8.5米/跨).考虑各种海上不利条件,取时间效率系数0.8,则主栈桥需施工时间：185孔/(1×0.8)=231天.即满足栈桥施工进度要求.

4、栈桥施工方法及顺序

施工顺序：测量定位→导向架固定→吊机就位→起吊管桩→打至设计标高→桩顶切槽及牛腿安装→横梁就位焊接→纵梁固定焊接→直道板横梁铺设

→铺设桥面板→扶手安装→设备移位→其它附属设施安装.

等Ⅱ合同施工完成后,再进行栈桥拆除.

(1)0号台基础施工

本栈桥0号台位于海塘堤坝上,基础采用C25钢筋砼,在每根主梁位置预埋厚16米米钢板和锚筋,以便主梁与其焊接固定.

(2)钢管桩打设

打桩采用定制导向框架定位,即先由测量人员在已施工完的桥面上打出纵横轴线,由50t履带吊车吊住导向框架依此综合横轴线向前延伸及左右平移,人工辅助微调,经测量校核桩位满足要求后(水平偏差小于10厘米)进行导向

架固定,之后进行吊桩、打桩直至设计标高(导向架同时可作为标高控制平台,桩顶标高偏差±5厘米).为保证施工质量和进度 ,钢管桩打设时不分节,预先在陆上按设计长度拼装好,拼接位置采用破口焊接,并用6块20*8*1钢板贴面周边焊给予局部加强.

根据理论计算,每根桩强度和稳定性可满足施工荷载要求,为增强栈桥的整体刚性,在每排三根管桩上加焊16号槽钢剪刀撑;对于地面标高0.0米以下所有桥孔(不包括双排墩)纵向加焊20号槽钢剪刀撑加强,但对于地面标高0.0米以上(即桩身露出地面少于6米)的桥跨每间隔一孔纵向加焊20号槽钢剪刀撑加强,以抵抗风浪.桩号K51+529以北方向每间隔5孔增加一排钢管

桩;K51+529——K51+579之间每隔一孔增加一排钢管桩,以增强抵抗水平推力及风浪引起附加力.

我部计划选择在栈桥右侧打入一根试桩和四根锚桩,其中锚桩入土长度为19米,中心桩入土长度初定按19.0米控制,初步拟定方案是采用150T千斤顶和H692型钢作为横梁进行静载试验,通过试桩所得承载力和沉降量来调整桩基入土深度 .(详细试桩方案另外上报)

(2)帽梁安装

桩顶横梁置于牛腿上,牛腿采用10米米厚钢板焊接制作而成,每个牛腿由一块面板和两块竖向肋板组成,水平劲板尺寸为320米米×200米米,直角梯形肋板尺寸为顶宽200×底100×高300 米米,肋板间距150米米,每根管桩上布置两只牛腿,采用电焊连接;由于横梁高度达69.2厘米,为防止横梁纵向倾覆,在横梁上腹板位置用200*150*10 米米限位钢板(此限位板与桩侧焊接)加以固定.(具体见栈桥细部结构图)

(4)栈桥上部结构

上部结构按照从下到上的层次依次安装,各种型钢预先按设计长度定制. 主梁采用H606型钢长为900厘米,每孔6根,间距为160厘米;采用50t履带吊车吊装,每孔间主梁连接采用错位搭接焊施工方法,搭接长度 40厘米;主横梁各节点采用四面焊接.

道桥板横梁采用I18型钢长为900厘米,纵向间距为28.3厘米,采用50t 履带吊车安装,与主梁焊接采用间断跳焊方法,以防损伤主梁;桥面板采用厚1厘米钢板铺设,并与道桥板横梁焊接固定.最后安装栏杆、水管、警示灯、主横梁防腐处理等附属设施.

每40米设置一道伸缩缝,即在双排墩(桩距1.2米)位置一端能自由伸缩,用φ24米米高强螺杆把主横梁连接,同时要保证道桥板与主梁同时纵向能自

由伸缩.

为防止施工船只冲撞,在栈桥栏杆上设置安全标志及警告装置.

5、

栈桥设计技术交底

第三节施工栈桥主要需咨询的问题

1、栈桥的设计计算及结构型式是否合理？

2、由于汽-超20荷载与挂车-120验算荷载控制设计的桩长,计算结果

相差比较大 ,根据实际情况挂车-120上桥可能性不大 ,对于临时工程是否可按汽-超20荷载计算的桩长适当加长？

3、栈桥的施工方案及计划安排是否合理可行？

技术交底记录表