·其 他·

《某海上管廊工程钢栈桥设计有限元分析与计算》

朱波

（中国铁建港航局集团有限公司第二工程分公司  浙江 宁波  315000）

摘  要：  海上管廊项目架管桥桩基础为海上灌注桩，为便于桩基施工及施工现场材料转运，设计一套专用的海上钢栈桥。钢管桩桩基础加上部贝雷梁桁架体系是常用的组合结构，以某海上管廊钢栈桥为依托，详细描述钢栈桥设计过程中的力学计算。

关键词：  桩基  钢管桩  力学计算

作者简介：朱波（1981—），男，本科，高工，主要从事从事港口工程技术管理工作，[e-mail]。

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1  工程概况

某海上管廊工程位于港区东防坡堤西侧，拟建管廊走向与现状东防坡堤平行，相距约110m。拟建管廊主要为港区四突堤储罐区及配套设施提供服务，拟建设为透水构筑物，建设范围为自海滨大道至四突堤处，现状为水域，架管桥长度约为5376m ，宽度为15.9m。钢栈桥为施工工程灌注桩基础所设，主栈桥长1836m，宽度9.0m ，距离设计管廊中心线8.65m。栈桥主要满足现场车辆通行、材料运输及75t履带吊吊装工作(吊重14t)、15m³混凝土罐车行走的要求。

2  设计条件

设计中标高采用当地零点高层基准；

设计高水位：5.41m；

设计低水位：0.47m；

主栈桥顶标高：7.30m；

施工期流速：0.15m/s；

工作风速：13.8m/s；

最大风速：40.51m/s。

3  结构布置形式及材料特性

3.1  结构布置形式

栈桥总长1836m，宽9.0m，贝雷最大跨度 12m。主栈桥结构自上而下依次为：满铺8mm钢面板，纵向分配梁I12.6@240mm，横向分配梁 I20a@750mm，纵梁选用“321”军用贝雷梁，主横梁采用2I40a型钢，桩基础采用φ630×8mm钢管桩，平联、斜撑采用2[32a型钢。主栈桥设伸缩缝，贝雷梁、纵向分配梁及面板在伸缩缝处断开，伸缩缝处面板上铺搭接板。

3.2材料特性

(1) Q235 钢材强度设计值：

抗拉、抗压和抗弯f = 215MPa(t≤16mm) ，f = 205MPa(16mm＜t＜40mm);

抗剪fv=125MPa(t≤16mm)，

fv= 120MPa(16mm＜t＜40mm)。

(2) 321 型贝雷梁的轴力容许值：

弦杆[N]=560kN，竖杆[N]=210kN，斜杆[N]=171.5kN。

4  设计荷载

4.1  结构自重

有限元软件自行计入。

4.2车辆荷载

（1）15m³混凝土罐车：载重时重量52t。总重 520 kN；

满载时前轴重力标准值：80kN；

满载时后轴重力标准值：180kN；

轮 距:2.061 m;

轴 距:1.8m+3.05m+ 1.35m;

前轮着地面积:0.30m×0.20m;

后轮着地面积:0.60m×0.20m;

罐车制动力，取总重量的10%，F=520×0. 1=52kN。

（2）75t履带吊，自重73.5t ，最大吊重 14t，总重87.5t ，考虑履带吊桩顶侧吊作业，偏载系数0.8。

履带着地面积：5.37m×0.85m；

履带中心距：2.6m~4m。

4.3水流力

设计高水位﹢5.41m，水流流速V=0. 15m/s。

根据《港口工程荷载规范》计算：

式中，Fw——水流力标准值(kN)；

v ——设计流速(m/s)；

Cw——水流阻力系数，取0.73；

π ——水的密度(t/m3) ，取 1.025；

A ——计算构件在与流向垂直平面上的投影面积(m2)。

计算作用在钢管桩上的水流力：

Fw前0.73×1.025/ 2×0. 152×8.87×0.63 0.05kN。

钢管桩水流力作用点标高+2.45m。

计算作用在平联上的水流力：

Fw0.73×1.025/ 2×0. 1520.003kN。

4.4风荷载

风载荷按照下式计算：

根据《港口工程荷载规范》(JTS144- 1-2010)，作用在港口工程结构上的风 荷载标准值，应按下式计算：

式中，Wk——风荷载标准值 (kN/m2 )；

s ——风荷载体型系数；

z ——风压高度变化系数；

W0——基本风压 (kN/m2 )。

基本风压：

工作状态：                    

<0.3kN/m2，取 0.3kPa。

非工作状态：                         。

5  主栈桥结构计算分析

5.1  工况分析

（1）工况一（非工作状态）：自重+水流力+最大风荷载；

（2）工况二（工作状态）：自重+车辆荷载 （满载罐车与空载罐车错车） + 水流力+工作风荷载；

（3）工况三（工作状态）：自重+车辆荷载 （履带吊桩顶侧吊）+水流力+工作风荷载。

5.2荷载组合

表1    荷载组合表

工况	组合	自重	车辆荷载	水流力	风荷载
一	标准组合	1	/	1	1
	基本组合	1.2	/	1.5	1.4
二	标准组合	1	1	1	1
	基本组合	1.2	1.4	1.5	1.4
三	标准组合	1	1	1	1
	基本组合	1.2	1.4	1.5	1.4

5.3计算模型及结果

计算一般位置栈桥受力情况。

计算模型如下：

图1  栈桥计算模型

约束条件：

（1）钢管桩在嵌固点处固结；

（2）贝雷梁端部与主横梁铰接；

（3）钢管桩桩顶与主横梁铰接。

计算结果如下表：

表2受力计算表

	构件名称及规格	最大组合应力 (MPa)	最大剪应力 (MPa)	最大轴力 (kN)	备注
工 况 一	钢管桩 ∅630×8	42	/	/	基本组合
	平联/斜撑 2[32a	40	/	/	基本组合
	主横梁 2I40a	14	7	/	基本组合
	贝雷弦杆][10	/	/	24	标准组合
	贝雷竖杆工 8	/	/	18	标准组合
	贝雷斜杆工 8	/	/	13	标准组合
工 况 二	钢管桩 ∅630×8	88	/	/	基本组合
	平联/斜撑 2[32a	84	/	/	基本组合
	主横梁 2I40a	78	47	/	基本组合
	贝雷弦杆][10	/	/	113	标准组合
	贝雷竖杆工 8	/	/	122	标准组合
	贝雷斜杆工 8	/	/	64	标准组合
工 况	钢管桩 ∅630×8	109	/	/	基本组合
	平联/斜撑 2[32a	68	/	/	基本组合
	主横梁 2I40a	101	65	/	基本组合
	贝雷弦杆][10	/	/	89	标准组合
	贝雷竖杆工 8	/	/	165	标准组合
	贝雷斜杆工 8	/	/	100	标准组合

钢管桩桩端计算结果见下表：

表3桩端受力计算表

	构件名称及 规格	最大压力 (kN)	最大拔力 (kN)	备注
工况一	钢管桩 ∅630×10	118	/	基本组合
工况二	钢管桩 ∅630×8	630	/	基本组合
工况三	钢管桩 ∅630×8	923	/	基本组合

主栈桥整体位移计算结果见下表：

表4主栈桥整体位移计算表

	竖向 (mm )	横桥向 (mm )	备注
工况一	1	10	标准组合
工况二	11	15	标准组合
工况三	13	20	标准组合

计算结果表明：

贝雷梁 (16Mn 材料)：

弦杆内力：Nmax= 113kN＜[N] = 560kN

竖杆内力：Nmax= 165kN＜[N] = 210kN

斜杆内力：Nmax= 100kN＜[N] = 171.5kN

其它构件 (Q235b材料)：

最大剪应力：Tmax= 65MPa＜fv= 125MPa

最大组合应力：σmax= 109MPa＜f = 215MPa

6  桩基抗压承载力计算

根据地质资料，采用钻孔SK34和SK39，其土层信息如下：

表5     钻孔 SK34 土层信息

地层代号	标高 (m )	层 厚 ( m )	岩土名称	桩侧土摩阻力 标准值 qfi(kPa)	桩端阻力标准 值 qR(kPa)
②1	- 1.78~- 14.88	13. 1	淤泥	8	/
③2	- 14.88~- 15.68	0.8	粉质粘土	50	/
③1	- 15.68~-21.98	6.3	粉土/粉砂	50	/
③3	-21.98~-24. 18	2.2	粉质黏土	38	800
③1	-24. 18~-25.58	1.4	粉土/粉砂	50	/
④	-25.58~-28.78	3.2	粉质粘土	60	1200
④2	-28.78~-35.78	7	粉细砂	80	3800

表6     钻孔 SK39 土层信息

地层代号	标高 (m )	层 厚 ( m )	岩土名称	桩侧土摩阻力 标准值 qfi(kPa)	桩端阻力标准 值 qR(kPa)
②1	-2.47~- 15.67	13.2	淤泥	8	/
③2	- 15.67~- 17.97	2.3	粉质粘土	50	/
③1	- 17.97~-22. 17	4.2	粉土/粉砂	50	/
③3	-22. 17~-23.97	1.8	粉质黏土	38	800
④	-23.97~-31.97	8	粉质粘土	60	1200
④2	-31.97~-36.27	4.3	粉细砂	80	3800

桩端最大压力设计值923kN。

钻孔SK34附近，原始泥面最低标高- 1.78m，钢管桩入泥深度最小为26m。按照《码头结构设计规范》计算轴向抗压承载力设计值：

钻孔SK39附近，原始泥面最低标高-2.47m，钢管桩入泥深度最小为26m。

按照《码头结构设计规范》计算轴向抗压承载力设计值：

钢管桩抗压承载力满足要求。

7  上部结构计算

7.1  纵向分配梁

（1）履带吊荷载作用（履带吊行驶方向平行于纵向分配梁）

75t履带吊，自重73.5t，吊重14t，总重87.5t，履带吊考虑侧吊作业。

计算荷载：（计算宽度取0.24m ，计算跨距取0.75m）

①自重：g = 1.2×(0.008×0.24×78.5 + 0. 143) = 0.353kN/m

②履带吊轮压：q1.4×875×0.8/537/0.85×0.24 52kN/m，M3.69kNm，V19.7kN。

（2）混凝土罐车作用（罐车行驶方向平行于纵向分配梁）

计算荷载：（计算宽度取0.24m，计算跨距取 0.75m）

①自重：g = 1.2×(0.008×0.24×78.5 + 0. 143) = 0.353kN/m

②汽车轮压：1.4×90×0.24/0.2/0.6 = 252kN/m

M = 8.22kN . m ，V = 43.8kN。

综上最不利情况为：Mmax=8.22kN.m，Vmax= 43 .8kN。

综上知纵向分配梁强度满足要求。

7.2横向分配梁

车辆及履带吊垂直于横向分配梁，此工况下贝雷梁之间最大间距为

1.4m。

验算时按最大间距1.4m考虑。

（1）75t履带吊，自重73.5t，吊重14t，总重87.5t，履带吊考虑侧吊作业。计算荷载：（计算宽度取0.75m，计算跨距取1.4m）

①自重：g = 1.2×(0.008×0.75×78.5 + 0. 143×0.75/ 0.24+ 0.33) = 1.50kN/m

②履带吊轮压：q = 1.4×875×0.8/5.37/0.85×0.75 = 161kN/m

M = 33.8kN.m，V = 96.4kN

（2）混凝土罐车作用（罐车行驶方向垂直于横向分配梁）

车轮作用在跨中时横向分配梁的弯矩最大，作用在横向分配梁与贝雷梁交汇 处剪力最大。

计算荷载：（计算宽度取0.75m，计算跨距取 1.4m）

①自重：g = 1.2×(0.008×0.75×78.5 + 0. 143×0.75/ 0.24+ 0.33) = 1.50kN/m

②汽车轮压：q = 1.4×90/0.85 = 210kN/m

M = 35kN.m，V = 100kN

综上最不利情况为：Mmax=35kN.m，Vmax= 100kN。

综上知横向分配梁强度满足要求。

贝雷梁最大变形：l = 13mm＜L/400= 30mm

钢管桩最大变形：l= 20mm＜L/400= 64mm

通过以上分析计算可知，各工况结构强度和刚度均满足要求。

8  结束语

通过对钢栈桥工况分析、荷载组合及有限元建模分析，最终可以计算出不同工况、不同荷载组合下，主栈桥结构验算、桩基抗压承载力验算、上部结构验算，后续可根据验算指标进一步调整钢管桩的直径及长度、贝雷梁的尺寸。钢管桩钢栈桥在临海工程项目中的应用越来越广泛，但每个项目的工程地质、结构尺度、工程载荷均有不同要求，必须针对具体的项目进行认真细致的结构验算，才能使设计的钢栈桥兼顾安全、适用、耐久的多项要求。

参考文献

[1] 中华人民共和国交通运输部. JTS 144—1—2011港口工程荷载规范 [S]. 天津：人民交通出版社，2010：4-26.

[2]  中华人民共和国交通运输部. JTS 167—2018码头工程设计规范 [S]. 天津：人民交通出版社，2018：13-48.

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