浅析卵石持力层钢便桥基础设计验算

史向群， 武少华

(中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361021)

1 工程概况

该钢便桥桥位区跨越一处溪流,此处地势较为平缓,河面宽约60 m,经查阅两阶段设计图、《跨河桥梁设计流量及水位计算书》、现场村民走访以及现场原始最高水位线勘察,该桥位跨越段最高洪水位350.3 m,河床平均标高为346.213 m,桥位与既有国道直接平顺衔接,桥面顶标高353.3 m。勘察及施工期间最高水位321.645 m;平时水深0.2～0.6 m,枯水期断流。桥位处地势较为平坦,枯水期河面极窄,地质条件较好,适宜作为钢便桥选址。

桥梁墩台均为混凝土扩大基础,以卵石层作为持力层,基础埋置于河床1.5m以下,卵石土[fa0]=150～300 kPa。

2 钢便桥结构要求

(1) 荷载:公路I级,验算荷载:挂-80。

(2) 水流速度2.69 m/s,漂流物自重10 kN,考虑冲击力,考虑风荷载。

(3) 栈桥的最大跨度为15 m。

(4) 栈桥上车的设计行走速度为5 km/h。

3 钢便桥布置

钢便桥结构自上而下依次为:满铺10 mm钢板桥面;I12.6纵向分配梁,布置间距30 cm;I40b横向分配梁,布置间距75 cm;纵梁选用3组“321”军用贝雷梁,双排单层;下横梁采用2I40b工字钢;Φ529×8 mm钢管桩,桩间距为2.1 m,相邻钢管桩采用[16a型槽钢设剪刀撑及水平连接;基础采用C30钢筋混凝土,基础埋深不小于2 m。栈桥两侧设安全栏杆。

钢便桥桥面标准宽度为4.5 m,与既有国道临近的一跨15 m,桥面变为10 m宽,便于汽车拐弯与错车。

钢便桥桥面标准宽度为4.5 m，与既有国道临近的一跨15 m，桥面变为10 m宽，便于汽车拐弯与错车。

钢便桥标准立面图如图1所示。

图1 钢便桥标准立面图

4 设计荷载

4.1 上部结构恒荷载

(1)δ8 mm钢板:0.327 kN/m；

(2) I12.6纵向分配梁:0.142 kN/m；

(3) I40b横向分配梁:0.738 kN/m；

(4) 单层双排贝雷梁:2 kN/m；

(5) 2I40b下横梁:1.476 kN/m。

4.2 活荷载

(1) 80 t挂车,荷载标准值及平面尺寸如下:

总重:800 kN；

前后轴压力:200 kN；

轮距:0.9 m；

轴距:1.2 m+4.0 m+1.2 m；

前后轮着地面积:0.50 m×0.20 m；

(2)施工荷载及人群荷载:4 kN/m2。

考虑栈桥实际情况,同方向车辆间距不小于12 m,即一跨内同方向最多只布置一辆重车,施工荷载及人群荷载与活荷载不参加组合。

5 钢管桩承载力验算

5.1 单根桩强度计算

经分析80t挂车吊在桩顶作业时,产生最大的单桩轴力。

荷载:N=540.3 kN,M=2.6 kN·m；

验算处截面钢管的面积:A=0.013 m2；

查《钢结构设计规范》公式(5.2.1)得:

截面模量:

=48.90 MPa

式中:Υ为截面塑性发展系数,查《钢结构设计规范》表5.2.1得Υ=1.15。

故强度满足要求。

5.2 单根桩稳定性计算

钢管桩R=0.265 m,r=0.257 m

查《钢结构设计规范》表5.3.4得折减系数取0.7。

几何长度l=9.36 ml0=l×0.7=9.36×0.7=6.55 m

查《钢结构设计规范》附表C-1得:φ=0.950；

查《钢结构设计规范》公式(5.2.2-1)得:

=45.12 MPa

故稳定性满足要求。

5.3 流水压力强度验算

根据《公路桥涵设计通用规范》公式(4.3.8),作用在桥墩上的流水压力标准值:

A=l×D=5.739×0.53=3.04 m2

式中:Fw为流水压力标准值,kN;γ为水的重力密度,kN/m3;v为设计流速,m/s;A为桥墩阻水面积,m2,计算至一般冲刷线处;l为钢管桩阻水桩长;D为钢管桩直径;g为重力加速度,g=9.81 m/s2;K为桥墩形状系数,查《公路桥涵设计通用规范》表4.3.8得K=0.8。

查《公路桥涵设计通用规范》知流水压力合力的着力点,假定在设计水位以下0.3倍水深。最高洪水位350.300 m,河床平均标高为346.213 m,埋置深度2 m。

M=Fw×l=8.97×5.28=47.39 kN·m

截面模量:

=1.69×10-3m3

故强度满足要求。

5.4 漂浮物撞击强度验算

漂浮物自重Fp=10 kN,最高洪水位350.3 m,河床平均标高为346.213 m,埋置深度2 m。

l=350.3-346.213+2=6.09 m

M=Fp×l=10×6.09=60.9 kN·m

故强度满足要求。

5.5 抗风强度验算

根据《公路桥涵设计通用规范》公式(4.3.7-1)横桥向风荷载假定水平的垂直作用在于桥梁各部分形心上,其标准值按下式计算

Fw h=k0k1k3WdAw h=0.75×0.5×1×0.671×15.18=3.82 kN

Vd=k2×k5×V10=1×1.38×24=33.12 m/s

Aw h=(l1+2×l2+2×l3+l4)×D=

(3.823+4.292×2+5.739×2+4.754)×0.53=15.18 m2

γ=0.012017-0.0001×Z=0.012017-0.0001×6=0.012 kN/m3

式中:Fw h为横桥向风荷载标准值;Wo为基本风压;Wd为设计基准风压;Aw h为横向迎风面积;V10为桥梁所在地区的设计基本风速,查《公路桥涵设计通用规范》附表A.0.1得V10=24 m/s;Vd为高度Z处的设计基准风速;Z为距地面或水面的高度;γ为空气重力密度;l1为1-1#钢管桩迎风面桩长;l2为2-1#、2-2#钢管桩迎风面桩长;l3为3-1#、3-2#钢管桩迎风面桩长;l4为4-1#钢管桩迎风面桩长;D为钢管桩直径;k0为设计风速重现期换算系数,对于施工架设期桥梁,k0=0.75;k3为地形、地理条件系数,查《公路桥涵设计通用规范》表4.3.7-1得k3=1;k5为阵风风速系数,查《公路桥涵设计通用规范》表4.3.7-2得k5=1.38;k2为风速高度变化修正系数,查《公路桥涵设计通用规范》表4.3.7-3得k2=1;k1为风载阻力系数,查《公路桥涵设计通用规范》表4.3.7-6,得k2=0.5;

横桥向风荷载作用于钢管桩:

横桥向风荷载产生最大弯矩:

满足强度要求。

5.6 组合效应验算

永久荷载:N1=76 kN;

可变荷载:N2=540.3 kN,M1=2.6 kN·m,M2=47.39 kN·m,M3=60.9 kN·m;

=157.06 MPa

式中:γ0为结构重要性系数,取值γ0=1.0;γG为永久荷载的分项系数,取值γG=1.2;γQ为可变荷载的分项系数,取值γQ=1.4。

满足强度要求。

6 地基承载力验算

6.1 作用于地基上的荷载

作用于地基上的荷载有：贝雷梁与分配梁自重、活载(挂-80控制)、钢管墩自重等荷载，荷载内力值见表1。

表1 荷载内力值

由于1#-2、2#-1基础底面轴向压力较小,所以进行抗浮计算。

6.2 地基应力验算

(3)

式中:N为作用于基础底面的轴向合力,kN;A为基础底面面积,m2,见表2。

表2 基础底面面积

根据式(3)，各墩台的基底应力结果见表3。

表3 基底应力

7 计算结论

通过对钢桥桥墩、基础等验算,得到以下计算结论:

(1) 在便桥使用过程中,应经常性地检查贝雷梁使用状态,确保安全通行;

(2) 钢管墩强度和稳定性均能满足要求。

8 结束语

本文通过以卵石层作为钢便桥持力层基础,验算了地基承载力及地应力,分析了基础设计与构造。同时,以钢管桩作为下部构造,详细分析了单桩稳定性、流水压力强度、漂浮物撞击强度、抗风强度及组合效应,为类似工程施工提供借鉴。