主墩鉆孔樁作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

./附件2-1主墩鉆孔樁作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)計(jì)算書計(jì)算說明平臺結(jié)構(gòu)說明本橋單個過渡墩樁基總數(shù)為7個,直徑為2米。鉆孔樁基施工采用3臺沖擊鉆機(jī)進(jìn)行,由于樁基位于水中,因此首先在河中搭設(shè)好鉆孔作業(yè)平臺。該平臺基礎(chǔ)為單排四根φ600×8mm鋼管樁〔共計(jì)四排,橫橋向間距4.5米,縱橋向間距4.33米打入河床砂土層,在鋼管樁高出水面部位用φ299×5mm鋼管作橫向連接,將16跟鋼管樁在兩個方向上連接成整體,在每排鋼管樁頂橫橋向固定一組貝雷梁〔每組兩排,然后在上方縱橋向安放I25b工字鋼并固定牢。詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸見鉆孔作業(yè)平臺圖。計(jì)算結(jié)構(gòu)簡化說明為計(jì)算簡便同時又跟本工程施工實(shí)際相符合,對鋼管樁作業(yè)平臺的建設(shè)起到指導(dǎo)性的作用,在計(jì)算時對結(jié)構(gòu)做出了相應(yīng)簡化。計(jì)算工況本鉆孔作業(yè)平臺的作用在于樁基施工時沖擊鉆機(jī)停放打樁、小型泥漿泵等機(jī)具設(shè)備放置、承臺施工時套型模板安裝及澆注承臺混凝土的模板外側(cè)支撐、澆筑承臺封底混凝土支架。因此工況分為如下兩個：平臺在樁基施工時的結(jié)構(gòu)受力；平臺在承臺施工時的結(jié)構(gòu)受力。結(jié)構(gòu)簡化I25為梁端簡支梁；貝雷梁計(jì)算采用MIDAS軟件進(jìn)行計(jì)算；計(jì)算時不考慮鋼管樁樁身傾斜度且所有鋼管樁均為軸心受力；鋼管樁為純摩擦樁基。編制依據(jù)《主墩鉆孔樁工作平臺施工圖》《公路工程施工計(jì)算手冊》《鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算手冊》《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)》《結(jié)構(gòu)力學(xué)教材》、《材料力學(xué)教材》荷載計(jì)算樁基施工時荷載計(jì)算施工機(jī)具設(shè)備荷載在鉆孔樁施工時平臺上共計(jì)停放三臺鉆機(jī)進(jìn)行打樁作業(yè),鉆機(jī)停放位置為平臺的對角上各停放1臺,每臺重15噸重,外加小型機(jī)具設(shè)備共計(jì)5噸,故1/9平臺上方最大外荷載共計(jì)20噸,考慮1.2倍安全系數(shù),平臺計(jì)算荷載為24噸。水流對鋼管樁的沖擊力計(jì)算如下：考慮潮水水流沖擊速度為3米/秒,查《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)》得作用在橋墩上的流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：式中：——流水壓力標(biāo)準(zhǔn)值；——橋墩形狀系數(shù)；圓形為0.8,方形為1.5,矩形為1.3.,圓端形為0.6,尖端形為0.7；——橋墩阻水面積,計(jì)算至一般沖刷線處；由于該處位于海邊,潮水頻發(fā),故此處偏于安全取樁身最大入水深度10m?！闹囟龋弧魉俣?；則風(fēng)力計(jì)算：平臺受10級大風(fēng)荷載作用的情況下,10級大風(fēng)風(fēng)速為28.4m/s,換算成風(fēng)壓為0.504KN/m2,平臺加鋼管樁有效橫截面面積為：12m2,單片貝雷梁有效截面面積為1.22m2,考慮樁身外露長度3米。則橫向風(fēng)力計(jì)算如下：N1=0.504×<12+1.22×8>=11KN。船只撞擊力橫橋向取100KN,縱橋向取200KN。承臺施工時荷載計(jì)算根據(jù)承臺施工方案,本施工作業(yè)平臺在承臺施工時主要用于套箱模板安裝和在模板外側(cè)作橫向支撐、承臺封底混凝土自重?，F(xiàn)取以下施工工況分別進(jìn)行計(jì)算。套箱模板安裝時底板重量和套箱模板重量根據(jù)套箱模板圖紙計(jì)算出底板重量為,20噸,套箱側(cè)模重量60噸。承臺封底混凝土共計(jì)250方,重量為643.5噸。承臺封底混凝土澆筑完成后抽出套箱部水,外側(cè)水壓力計(jì)算如下：承臺施工時間段預(yù)計(jì)水位為17米。套箱模板高度為4米,頂標(biāo)高為19.3米。查《流體力學(xué)》教材得靜水壓力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：順橋向套箱兩側(cè)水壓差為：=0.5×9.806×1.72×14=198.4KN同理橫橋向套箱兩側(cè)水壓差為：F1=0.5×9.806×1.72×12=170KN套箱模板橫橋向水流壓力計(jì)算風(fēng)力計(jì)算套箱模板外露高度為2米,考慮10級大風(fēng)的橫橋向風(fēng)力為：N2=0.504×12×2=12.1KN順橋向風(fēng)力為：N3=0.504×14×2=14.1KN船只撞擊力橫橋向取200KN,順橋向取100KN。樁基施工時平臺上部型鋼結(jié)構(gòu)受力計(jì)算I25工字鋼受力計(jì)算根據(jù)鉆機(jī)停放位置和形式,可將荷載平均分布到單根I25工字鋼上,鉆機(jī)下方共計(jì)4根I25工字鋼,因此結(jié)構(gòu)受力簡圖如下：圖中q=24×9.8÷4.33÷4=13.6KN/mMmax=1/8×ql2=1/8×13.6×4.332=31.9KN·mσmax=Mmax/Wz=31.9×106/422240=75.4MPa=13.6×4.33×103÷2÷212.7÷10=13.8MPa因此I25b型工字鋼能夠滿足結(jié)構(gòu)受力要求。貝雷梁受力計(jì)算將上方傳遞下來的荷載平均分?jǐn)偟絻膳咆惱琢荷?則結(jié)構(gòu)計(jì)算模型圖如下：圖中q=24×9.8÷4.85÷2=24.2KN/m弦桿受力弦桿軸力圖如下：由圖知弦桿最大軸力為47.2KN<560KN,滿足要求。弦桿彎矩圖如下：由圖知弦桿最大彎矩為9.6KN·m<21.676KN·m,滿足要求。豎桿軸力由圖知：豎桿最大軸力為68.2KN<210KN,滿足要求。斜桿軸力斜桿軸力圖如下：由圖知：斜桿軸力最大為46.1KN<170KN,滿足要求。因此,貝雷梁結(jié)構(gòu)受力能滿足鉆孔樁作業(yè)施工時的結(jié)構(gòu)受力要求和施工使用要求。樁基施工時平臺樁基承載力計(jì)算鋼管樁樁身承載力計(jì)算樁身豎向承載力計(jì)算此工況下豎向荷載組合為：施工機(jī)具荷載+平臺自重施工機(jī)具荷載共計(jì)24噸,平臺自重16噸,考慮由4根鋼管樁平均分擔(dān),則每根鋼管樁受到壓力為13噸。σ1=F/A=10×9.8×103÷〔3.14×300×300-3.14×292×292÷106=6.7Mpa樁身長細(xì)比計(jì)算：iy=〔I/A1/2=<29.6×0.5×29.6>1/2=20.9考慮鋼管樁邊界條件為下端固定,上端自由,故μ=2λy=2L/iy=2×1500/20.9=143.5〔考慮河床沖刷2米,樁身自由端長度取15米查穩(wěn)定因數(shù)表得：ψ=0.331按照細(xì)長受壓桿件截面容許應(yīng)力為：[σ]=ψ×σ=0.331×140=46.3MPa>6.7MPa<滿足要求>。樁身橫向承載力計(jì)算此工況下橫向荷載組合為：水流沖擊力+風(fēng)力+船只撞擊力則鋼管樁受到最大橫向荷載在橫橋向方向?yàn)椋篎W+N1+F船橫=21.6+11+100=131.6KN順橋向方向?yàn)椋篎W+N1+F船順=21.6+11+200=231.6KN根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),鋼管樁在兩個方向上橫向受力考慮由4根鋼管樁平均分擔(dān),則橫向連接鋼管受到最大壓力為231.6÷4=57.9KN,鋼管樁受到水平力最大值為227.6÷4=57.9KN將鋼管樁結(jié)構(gòu)簡化為為單懸臂梁,則由橫向力引起的鋼管樁身截面最大彎矩為：Mmzx=57.9*14=810.6KN·mσ2=M/Wz=810.6×106÷3.14÷5963÷8×300=45.6Mpa<[σ]=140MPa<滿足要求>。τ2=2F/A=F/πr0δ=57.9×103÷〔3.14×296×8=7.8Mpa<[σ]=100MPa<滿足要求>。摩擦樁基承載力計(jì)算樁基豎向承載力計(jì)算查《建筑樁基技術(shù)規(guī)》〔JGJ94-2008,鋼管樁的豎向極限承載力可按下式計(jì)算：Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+λpqpkAp式中Quk——鋼管樁極限承載力；Qsk——總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；Qpk——總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；u——樁身周長；qsik——鋼管樁〔混凝土預(yù)制樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；li——第i層土的厚度；λp——樁端土塞效應(yīng)系數(shù),對于閉口鋼管樁λp=1,對于敞口鋼管樁按下式取值；當(dāng)hb/d<5時,λp=0.16hb/d,當(dāng)hb/d≮5時,λp=0.8qpk——鋼管樁〔混凝土預(yù)制樁樁底土的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；hb——樁端進(jìn)入持力層的深度；d——樁的直徑；Ap——樁端截面積。本施工平臺鋼管樁采用不封端的形式直接由振動錘打入土層。鋼管樁入土深度為12米。查本施工便橋處基礎(chǔ)地質(zhì)資料得地表以下25米土層依次為：稍密狀粉細(xì)沙、中密狀礫沙、中密實(shí)狀粉細(xì)沙、中密狀中細(xì)沙、堅(jiān)硬狀粉質(zhì)粘土。土層厚度分別約為：4~6米、0~2米、8~13米、0~3米、5~6米。查土體極限摩阻力表得該類土體最小極限摩阻力分別為22KPa、190KPa、42KPa、74KPa、73KPa。因此樁基極限承載力為：Quk=3.14×0.6×<22×4+190×0+42×8>=798.8KN。鋼管樁豎向承載力特征值Ra=Quk/K=798.8/2=399.4KN>130KN.故樁基打入河床以下12米能滿足豎向承載力要求。樁基橫向承載力計(jì)算查《建筑樁基技術(shù)規(guī)》〔JGJ94-2008,鋼管樁的水平承載力特征值可按下式計(jì)算：EI——樁身抗彎剛度,對于鋼筋混凝土樁,EI=0.85EcI0,其中I0為樁身換算截面慣性矩：圓形截面為I0=W0d0/2；矩形截面為I0=W0b0/2；——樁頂容許水平位移；——樁頂水平位移系數(shù)；——樁的水平變形系數(shù)；按下式計(jì)算：m——樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)；b0——樁身的計(jì)算寬度<m>；圓形樁：當(dāng)直徑d≤1m時,b0=0.9〔1.5d+0.5；當(dāng)直徑d>1m時,b0=0.9〔d+1；因此b0=0.9〔1.5d+0.5=0.9×〔1.5×0.6+0.5=1.26mE=2.06×108KN/m2；I=8.0675×10-4m4；取=10mm查樁側(cè)土層從上至下水平抗力系數(shù)比例系數(shù)分別為：4.5,6.0,故=〔4×4.5+8×6/12=5.5=0.529換算埋深h=0.529×12=6.35,查表=2.441=75.5KN>57.9KN,因此滿足抗風(fēng)力、洪水沖刷和船只撞擊力的要求。承臺施工時平臺承載力計(jì)算貝雷梁受力計(jì)算在此工況下,貝雷梁上受到φ32精軋螺紋吊桿的壓力作用,該作用力計(jì)算如下：承臺套箱模板共計(jì)80噸,承臺封底混凝土重643.5噸,合計(jì)723.5噸。在施工時每組貝雷梁上方設(shè)吊桿10根,吊桿間距1.5米,則每根吊桿受到拉力為：723.5÷10÷4=18.9噸。每排貝雷梁受到吊桿壓力為9.45噸。結(jié)構(gòu)模型圖如下：弦桿軸力弦桿軸力圖如下：由圖知弦桿最大軸力為106.7KN<560KN,滿足要求。豎桿軸力由圖知：豎桿最大軸力為207KN<210KN,滿足要求。斜桿軸力斜桿軸力圖如下：由圖知：斜桿軸力最大為118.2KN<170KN,滿足要求。因此,貝雷梁結(jié)構(gòu)受力能滿足承臺封底作業(yè)施工時的結(jié)構(gòu)受力要求和施工使用要求。鋼管樁樁身承載力計(jì)算樁身豎向承載力計(jì)算此工況下最不利豎向荷載組合為：套箱模板重量+底板重量+承臺封底混凝土自重則鋼管樁受到最大豎向荷載為：G套+G底+G砼=60+20+643.5=723.5噸,根據(jù)此時結(jié)構(gòu)受力形式,考慮由8根鋼管樁平均分擔(dān),則每根鋼管樁受到壓力為90.4噸。σ1=F/A=90.4×9.8×103÷〔3.14×300×300-3.14×292×292÷106=60.7Mpa樁身長細(xì)比計(jì)算：iy=〔I/A1/2=<29.6×0.5×29.6>1/2=20.9考慮鋼管樁邊界條件為下端固定,上端自由,故μ=2λy=2L/iy=2×1400/20.9=134〔考慮河床沖刷1米,樁身自由端長度取14米查穩(wěn)定因數(shù)表得：ψ=0.373按照細(xì)長受壓桿件截面容許應(yīng)力為：[σ]=ψ×σ=0.373×170=63.4MPa>60.7MPa<滿足要求>。樁身橫向承載力計(jì)算此工況下橫向荷載組合為：水流沖擊力+風(fēng)力+船只撞擊力+套箱外水壓力差則鋼管樁受到最大橫向荷載在橫橋向方向?yàn)椋?N2+F船橫+F1=64.3+12.1+100+170=346.4KN順橋向方向?yàn)椋篘3+F船順+F水壓=198.4+14.1+200=410.5KN〔順橋向水流沖擊力忽略不計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),鋼管樁在兩個方向上橫向受力考慮由4根鋼管樁平均分擔(dān),則橫向連接鋼管受到最大壓力為410.5÷4=102.6KN,鋼管樁受到水平力最大值為410.5÷4=102.6KN橫向連接鋼管受到壓應(yīng)力為：σ1=F/A=102.6×103÷[3.14×<2992-2942>]=11MPa<140MPa將鋼管樁結(jié)構(gòu)簡化為為單懸臂梁,則由橫向力引起的鋼管樁身截面最大彎矩為：Mmzx=102.6*14=1436.4KN·mσ3=M/Wz=1436.4×106÷3.14÷5963÷8×300=81Mpa<[σ]=140MPa<滿足要求>。τ3=2F/A=F/πr0δ=102.6×103÷〔3.14×296×8=13.8Mpa<[σ]=100MPa<滿足要求>。摩擦樁基承載力計(jì)算樁基豎向承載力計(jì)算根據(jù)4.2.1計(jì)算知鋼管樁豎向承載力特征值Ra=Quk/K=798.8/2=399.4KN<904KN,因此在承臺施工時需加大鋼管樁的打入深度?，F(xiàn)根據(jù)地質(zhì)情況將鋼管樁打深8米,得到鋼管樁的豎向承載力為：Quk=3.14×0.6×<22×4+190×0+42×8+74×0+73×8>=1899.1KN。Ra`=Quk/K=1899.1/2=949.5KN>904KN。故樁基打入河床以下12+8=20米能滿足豎向承載力要求。樁基橫向承載力計(jì)算結(jié)合4.2.2計(jì)算結(jié)果查樁側(cè)土層從上至下水平抗力系數(shù)比例系數(shù)分別為：4.5、6.0、10,故=〔4×4.5+8×6+10×8/20=7.3=0.561換算埋