浅谈青岛海湾大桥栈桥钢管桩内力分析

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摘要：青岛海湾大桥三合同段工程除被交道路改建外均为海上施工，海上施工在于施工环境的转换，它在很大程度上依赖于临时设施的搭设，只有有针对性、阶段性的施工完临时工程，才能展开主体工程的流水施工，才能保质保量如期完工。

关键词：钢管桩 栈桥计算 海湾桥

1前言

根据青岛海湾大桥3合同段的具体地质情况、水文情况和气候情况，海湾内低潮位不能满足船舶吃水要求，施工海域受季风、大雾及风浪影响较大，为满足施工总体进度要求以及安全生产和环保方面的需要，我部拟采用全便桥方案。一期便桥总长2500m，宽6m，顶标高+6.10m。沿着便桥每500m设错车平台一座。便桥两侧设栏杆，下部结构采用钢管桩基础，上部结构采用贝雷和型钢的组合结构。便桥布设原则一是便利施工，以确保工程进度；二是利于现场施工的集中管理。

2、钢管桩荷载布置相关技术指标

2.1技术标准

设计荷载：重车550KN(实际荷载40t砼车)、履带-100（实为履带－50，吊重50t）；设计行车速度：15km/h；设计使用寿命：3年；水位：取50年一遇最高水位+3.20m；浪高3.01m；一般冲刷深度考虑1.6m；设计风速：32m/s。

2.2荷载布置

2.2.1上部结构恒载（6米宽计算） ：δ10钢板：6×1×0.01×7.85×10=4.71KN/m；I12.6纵向分配梁：2.562KN/m（0.35m间距）；I25a横向分配梁：1.904KN/根（0.75m间距）；贝雷梁：6.66KN/m下横梁2I45a；工字钢：19.3KN/根

2.2.2车辆荷载

根据《桥梁施工工程师手册》1-3-9车辆计算荷载，

2.2.3施工荷载及人群荷载：4KN/m2

3.钢管桩承载力计算(按标准跨15m计算)

3.1单桩最大需承力

履带―100作用时钢管桩所承受的压力显然大于重车荷载作用时的压力，因此计算时只需考虑履带―100作用与上层结构自重荷载组合时时的工况，且履带―100的履带作用在一侧钢管桩时，此时该侧桩的承载力最大：上部恒载所需承载力：P1=81.54KN履带―100所需承载力：P2=693KN则：最大承载力P=774.5 KN取800KN

3.2、选用钢管外径813mm

D=813mm、壁厚t=8mm。（I=163901cm4A=202.2cm2）i＝(I/A)1/2＝28.5cm

3.3按地质资料计算的单桩承载力确定钢管桩长度

根据中国建筑工业出版社1999 年版《实用桩基工程手册》P456 18-3公式，打入桩的容许承载力为：[P]＝1/2（UΣαi*fi *li + ARα）

根据《岩土工程勘探报告》及施工图，便桥施工区域的土层分布主要为淤泥质亚粘土、粘性土、砂层、岩层等，桩周土的极限摩阻力fi分别为20kPa、55kPa、80kPa，持力层选为砂层，桩尖土的极限承载力取R=2200kPa，取主线段进行验算：钢管桩打入土层的深度试算如下:Li*fi =（2[P]- ARα）/（UΣαi）=609.3KN/m 又Li*fi =8.5×20+3×55+80X则钢管桩进入砂层的深度X=3.43则钢管桩总的入土深度为8.5+3+3.43=14.93米，钢管桩总长为23.9米，取24米。

3.4按桩身强度检算单桩承载力

钢管桩按一端自由，一端嵌固的等截面压杆考虑,按本段最深海水深度-5.2米计算，杆件长L=6.1-(0.01+0.12+0.25+1.5+0.45)+5.2+1.6=10.12m，杆件长细比λ＝2L/i＝2*10.12/0.285＝71.0＜[λ]＝150按长细杆计算，利用欧拉公式临界荷载Pcr＝π2EI/（4l2）＝π2×210×109×163901×10-8/4/10.12/10.12＝8284kN

取安全系数nst＝4则

钢管桩容许荷载 [Pcr]＝Pcr /nst ＝8284/4＝2066kN>800kN

4、钢管桩稳定性计算

4.1钢管桩的压弯稳定验算

4.1.1钢管桩的轴向荷载

钢管桩的轴向荷载即上部桥垮结构的恒载与车辆荷载传递给钢管桩的力,即钢管桩需要的承载力。由以上钢管桩承载力计算可知,钢管桩的轴向荷载N=800KN （Φ813mm）

4.2钢管桩水平方向荷载

钢管桩承受的水平荷载包括风力、水流力、波浪力、冰压力、汽车制动力。

4.2.1横桥向风压力

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTJ-02189) 第2.3.8条计算横桥向风压：

W=K1K2K3K4W0（Pa）

；

迎风面积： ；（h为桩顶到最低低潮位的高度，即h=3.77-（-1.37）=5.14m）横桥向风载： ；纵桥向风压按横桥向风压的70%计算。纵桥向风载：

4.2.2桥跨结构横桥向风压

一跨便桥上部横向受风面积： A＝（0.01+0.126+0.25+1.5+0.45)×15=35.04m2

则桥跨的横向风力为：

综上，钢管桩承受的横桥向风压力为：

4.2.3流水压力

单根桩流水压力计算：Fw=kAγv2/(2g)

Fw=kAγv2/(2g) ＝0.8×（0.8×（3.2-（-5.2）+3）×10×1.532／2／10＝8.54kN

4.2.4波浪力

浪高按3.01m计算，根据盖拉德经验公式计算浪长：L＝9～15H（H为浪高），取L＝12H＝12×3.01＝36.12m。对于圆形柱桩当D/L≤0.2时为小尺寸桩柱（D为桩径）用下式计算波浪力：

Plmax＝0.785KvγD2Htanh（2πd/L）

PDman＝0.167Kv2•γ•D•H2[1＋4πd/（L•sinh（4πd/L））]

Plmax＝0.785KvγD2Htanh（2πd/L）＝11.93kN；

PDmax＝0.167Kv2•γ•D•H2{1＋4πd/[L•sinh（4πd/L）]}＝18.3kN

当PDmax≥0.5Plmax时，最大波压Pmax可用下式计算：Pmax＝PDmax（1＋0.25 Plmax2/ PDmax2）

当PDmax

经上述计算，由于PDmax＝13.7kN≥0.5 Plmax＝0.5×6.71kN＝3.355 kN，故

Pmax＝PDmax（1＋0.25 Plmax2/ PDmax2）＝18.3kN×（1+0.25×11.93/18.3）＝21.28kN。

4.2.5汽车制动力

根据《公路桥涵设计通用规范》查的，汽车制动力为汽车荷载重力的10%，即：

F制动=400*10%=40KN

当砼车从平台上便桥时，汽车制动力和横桥向水平力叠加，钢管桩所受的横向水平力最大。

综上知，钢管桩所受水平方向荷载为：

F=F横+FW+Pmax+ F制动/4=11.464+8.54+21.28+40/4=51.284KN

4.3钢管桩截面特性

D=813mm、壁厚t=8mm、I=163901cm4 、 A=202.2cm2、W=4032 cm3i＝(I/ A)1/2＝28.5cm

钢管桩自由端长度：L=3.77-（-5.2）+3=11.97长细比λ＝2L/i＝2*11.97/0.285＝84＜[λ]＝150轴心受压稳定性系数，查《结构设计原理》附表4-9，

4.4钢管桩压弯稳定检验

把水平方向的荷载集中在钢管桩的桩顶，产生的弯矩为M1=FL=51.284*11.97=613.87KN.m

砼车作用在便桥上时，前轮轴重对外侧钢管桩产生的弯矩，即外侧钢管桩对内侧钢管桩的桩顶产生的抵抗矩为：M2=60*4=240KN.m 故桩顶所受的弯矩为：M=M1-M2=373.87KN.m

满足稳定性要求。

5.结束语

偏安全考虑单根桩最大承受荷载800KN，桩的自由长度取11.0m，不考虑桩顶的约束作用和桩侧土的弹性约束作用，建立空间梁单元计算模型：计算结果 一阶屈曲模态如下图示，表现为横桥向，临界荷载系数为3.66，即安全系数为3.66,满足施工要求。二阶屈曲模态如下图示，表现为横桥向，临界荷载系数为28.6，即安全系数为28.6,满足施工要求。