吉兆桥桥梁及附属工程—龙门吊轨道栈桥计算书龙门吊轨道栈桥计算书1、概述本工程为海河吉兆桥桥梁及附属工程，根据设计形式，本次修建桥梁是一座跨海河桥，桥梁修筑起点为K0+445.322，修筑终点为：K0+812.652，全长365m，修筑面积约为14800m2，设计形式为：现浇预应力钢筋混凝土箱梁+钢结构桥梁+现浇预应力钢筋混凝土箱梁钢结构部分为三跨钢桁架结构形式，横跨海河，跨度200m，桥面宽40m，三跨中最大跨径90m两侧引桥为现浇预应力钢筋混凝土箱梁，其中海河东侧引桥三跨（25m+25m+25m）共长75m，桥面宽35m；海河西侧引桥四跨（20m+21m+31m+18m）共长90m，桥面宽40m桥梁平面图桥梁立面图根据主桥施工工艺，在设计桥位两侧各搭建1座跨河栈桥，在龙门吊栈桥搭设完毕后，前期用于水中下部结构（灌注桩、承台、墩柱）的施工便道，上部行驶吊车、混凝土罐车等运输车辆，完成下部结构后铺设龙门吊轨道，架设龙门吊机，完成刚桁架的吊运与拼装2、计算依据1) 海河吉兆桥龙门吊机栈桥初步设计文件及部分地质资料；2)《钢结构设计规范》（GB50017-2003）；3)《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）；4)《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025-86)；5)《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）；6)《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）。
3、计算荷载3.1自重1) 桥面系方木容重按计2) 贝雷片自重按单片0.35t计，其单片重量包括销轴，支撑架等结构自重3) I36b自重为；龙门吊机轨道为P43钢轨，每延米43kg3.2车辆荷载1) 10m3混凝土搅拌运输车10m3混凝土搅拌运输车：同方向行驶时，两车净距不小于10m；栈桥横断面上布置满载汽车一辆，如表1和图1所示 10m3混凝土搅拌运输车荷载表 表1一辆汽车总重力前轴重力中轴重力后轴重力轴距(m)轮距(m)前轮着地宽度及长度(m)后轮着地宽度及长度(m)车辆外形尺寸(m)350kN70 kN140 kN140 kN4.0+1.41.80.3×0.20.6×0.28×2.5图1 10m3混凝土搅拌运输车平面尺寸图2) 50t履带吊机50t履带吊机自重50t，最大吊重为14.0t单条履带接触面积为4650mm×760mm50t履带吊机在通航孔起吊时则仅限于墩顶起吊作业其外部尺寸见图2所示，其负荷特性表见表2所示 50t履带吊机负荷特性表 表2 （单位：t） a b13.016.019.022.025.028.031.034.037.040.043.046.049.052.03.750.00(4.5m)36.554.044.8544.80(5.5m)26.555.031.0030.9030.8530.856.023.5523.5023.4023.4023.3023.307.018.9818.8518.8018.7518.6518.6018.558.015.7515.6515.6015.5515.5015.4515.3515.3015.209.013.4513.3513.3013.2513.1513.1013.0512.9512.9012.8512.7510.011.7011.6011.5511.5011.4011.3511.2511.2011.1511.0511.0010.9010.8512.09.209.159.069.088.908.858.808.708.658.558.508.408.358.2514.08.95(12.3m)7.457.407.357.257.207.107.056.956.906.806.756.656.6016.06.90(14.9m)6.206.156.056.005.905.855.755.705.605.555.455.3518.05.50(17.5m)5.205.155.055.004.984.854.754.704.604.554.4520.04.504.454.354.304.204.154.053.953.903.803.7522.03.853.803.703.653.553.503.403.353.253.1524.03.70(22.7m)3.353.253.203.103.082.952.852.802.7026.015.553.10(25.3m)2.852.802.702.652.552.462.352.2528.02.55(27.9m)2.452.352.302.202.102.001.9030.02.152.102.001.901.801.701.6032.02.10(30.5m)1.801.701.601.501.401.3034.01.70(33.0m)1.501.351.251.151.05注： a.表示主臂长（m）； b. 表示工作幅度（m）。
3) 60t龙门吊机单个龙门吊机共有4个轮组，共计8个轮子，如图3所示： 图3 龙门吊机总体布置图龙门吊机自重为750kN，单个龙门吊机设计吊重为600kN，现场仅提供单侧支点水平反力为45kN，其竖向反力未提供，本计算书按以下方法求解竖向力单个龙门吊机最大吊重为430kN，为第3#或11#块段(双榀)当吊装第3#或11#块段时，第3#(11#)块段距一侧支腿距离为39.65m，龙门吊机支腿分配的反力：由此可得：龙门吊机一侧最大反力：单个轮组反力：3.3 其他可变作用1) 栏杆荷载：按人行道栏杆设计，作用于栏杆立柱顶上的水平推力标准值为：0.75kN/m；作用于栏杆扶手上的竖向力标准值为：1.0kN/m2) 风载:栈桥自身施工状态或栈桥工作状态的允许风力为6级当风力超过6级时，禁止栈桥自身施工和在栈桥上吊装作业由于栈桥高程较低，本文计算中不考虑风载的作用3)水流力：现场实测水流流速为0.3m/s，流速小，因此本计算不考虑水流力的影响4、栈桥计算本计算书对栈桥结构进行计算复核，其计算方法按容许应力法进行计算，Q235钢材正应力容许值按140MPa计，剪应力容许值按80MPa计4.1、非通航孔主桁计算非通航孔栈桥横断面图如图4所示，其主桁为I36b，栈桥跨度为4.0m+3.5m+4.0m，并采用三跨一联的连续梁结构。
图4 栈桥非通航孔横断面布置图4m跨栈桥上部结构自重为：自重对单根I36b纵梁产生的弯矩：4.1.1 混凝土搅拌车荷载组合计算混凝土搅拌车行驶时，其后轴在4.0m跨时，边跨主梁受弯，按简支梁计算，混凝土搅拌车单侧荷载对主梁产生的最大弯矩：当荷载由一片I36b承受，其应力为：主梁受力满足要求4.1.2 50t履带吊机荷载组合计算履带吊机在全桥走行或起吊作业时，其一侧履带作业范围必须限定于加密的I36b纵梁上50t履带吊机最大吊重为14t，当履带吊机偏吊时，履带吊机单侧履带荷载: 按纵桥向最不利位置布置，其对主梁产生的弯矩：履带吊机在栈桥上走行或吊装作业时，履带吊机一侧履带应布置于间距为300mm的I36b纵梁上方履带吊机横桥向布置如下图所示图5 50t履带吊机横桥向布置图当履带吊机一侧履带作用于3片I36b上时，其应力为：当履带吊机正吊时，其一侧履带线荷载为：其产生的最大弯矩为：其作用于两片I36b上，其应力为：4.1.3龙门吊机荷载组合计算龙门吊机每个轮组间的两个轮子间距为1.0m，其反力按集中力计算，且集中力为当一个轮组作用于栈桥某4m跨跨中时，对主梁产生的弯矩：由于桥面板为方木，其分配性能较差，需对其进行定量分析。
栈桥上部钢轨布置位置固定，其上I36b纵梁交错布置，钢轨中心线与4I36b中心线间距为81mm，如下图所示图6 钢轨与纵向I36b布置图采用Midas软件建立部分栈桥计算模型，在P43钢轨上均布加载单位荷载，求解四片I36b纵梁仅在外部荷载作用下的受力情况，从而得出四片I36b纵梁在龙门吊机作用下各自的受力特点图7 方木分配性能计算模型(荷载单位：kN)在非通航孔处P43钢轨上加载1.0kN荷载，其四片I36b纵梁在荷载作用下的受力如图8所示图8 四片I36b纵梁在单位荷载作用下弯矩图由上图可知，钢轨下4片I36b纵梁受力分配系数分别为0.15、0.30、0.27和0.28，可以按此分配系数确定四根I36b纵梁中单根纵梁的受力因此，在龙门吊机吊装作用下，I36b纵梁的最大应力：单根I36b纵梁受力小于140MPa，故龙门吊机在非通航孔上吊装作业时，栈桥主梁受力满足要求综上三种荷载工况所述，栈桥非通航孔I36b纵梁受力满足要求4.2通航孔贝雷片计算通航孔栈桥如图9和图10所示，单跨简支梁体系，跨径为12.0m，其主桁为9片贝雷片，三榀一组图9 通航孔栈桥立面图图10 通航孔栈桥横断面图(1) 通航孔总长为15m，上部结构自重为：方木桥面板自重：贝雷片自重：单根分配梁自重：钢轨自重：因此，上部结构自重：单片贝雷片反力：单片贝雷片因自重引起的弯矩：(2) 混凝土搅拌车行驶时，其中、后轴行驶至跨中时，贝雷片受力最不利，两端反力分别为155kN和195kN，一榀贝雷片的最大弯矩为：故单片贝雷片弯矩最大值为:贝雷片弦杆受力满足要求。
由上述计算，单片贝雷片竖杆受力最大值：贝雷片竖杆受力满足要求3) 50t履带吊机最大吊重为14t，当履带吊机于12m跨跨中作业时，履带吊机单侧履带荷载为: 按纵桥向最不利位置布置，且履带按两片贝雷片承受全部荷载，则履带吊机其对贝雷片产生的弯矩：栈桥自重引起的弯矩：故单片贝雷片最大弯矩：单片贝雷片弯矩小于容许值，贝雷片弦杆受力满足要求同理，当50t履带吊机作用于横向三片贝雷片中心时，可以认为三片贝雷片均匀承受上部活载的作用，则此时单片贝雷片最大弯矩为，其受力满足要求当履带吊机走行至桩顶时，通航孔贝雷片简支梁两端反力分配系数为0.93和0.07履带吊机引起的一端单片贝雷片竖向轴力：栈桥自重引起的竖杆轴力为：故单根贝雷片竖杆受力为：贝雷片竖杆轴力最大值大于容许值，此工况下贝雷片竖杆受力不满足要求同理，当50t履带吊机作用于三片贝雷片中心时，可以按三片贝雷片均匀承受上部活载的作用，则此时单片贝雷片竖杆最大轴力为，小于容许值，其受力满足要求 (4) 龙门吊机吊装最重钢主梁在栈桥上偏载行驶时，其对三片贝雷片产生的最不利弯矩：由于桥面板为方木，其分配性能较差，需对其进行计算分析采用midas软件建立栈桥部分计算模型，在P43钢轨上均布加载单位荷载，求解三片贝雷片仅在外部荷载作用下的受力情况，从而得出三片贝雷片在龙门吊机作用下各自的受力特点。
图11 方木分配性能计算模型(荷载单位：kN)在通航孔处P43钢轨上加载10kN单位荷载，其三片贝雷片在荷载作用下的受力如图12所示图12 三片贝雷片在单位荷载作用下弯矩图由上图可知，钢轨下3片贝雷片受力分配不均，可以认为三根贝雷片均分配系数分别为0.315、0.37和0.315因活载引起的单片贝雷片最大弯矩：单片贝雷片所受总弯矩为：贝雷片弦杆受力不满足要求此工况下若龙门吊机带载走行时，最大块段钢主梁吊至龙门吊机跨中时，两侧竖向反力可按均布计算，则龙门吊机带载走行时对三征贝雷片产生的最不利弯矩：因活载引起的单片贝雷片最大弯矩：因此，龙门吊机带载走行时，其吊点应对称于龙门吊机跨中，避免偏载单片贝雷片所受总弯矩为：贝雷片弦杆受力满足要求由以上分析可知，单片贝雷片竖杆最大受力为：此工况下贝雷片竖杆受力满足要求因此，龙门吊机在通航孔上吊装作业时，栈桥主梁受力满足要求综上所述，栈桥在混凝土搅拌运输车和自重作用下，栈桥受力满足要求；50t履带吊机作用下，栈桥通航孔贝雷片受力不满足要求；当50t履带吊机限定横桥向走行及作业范围后，则栈桥主桁受力满足要求龙门吊机带载走行时，其吊点应对称于龙门吊机跨中，避免偏载，否则栈桥贝雷片受力不满足要求。
4.3 桥面板计算1）非通航孔桥面板计算栈桥桥面板均采用方木满铺，其规格为0.2×0.2×6.0m，其型号未知，暂按针叶材A-4确定其容许应力在车辆荷载和自重的作用下，桥面板主要承受弯曲剪应力和弯曲应力，其横断面布置图如图13所示图13 非通航孔桥面板横断面布置图(1) 当混凝土搅拌车行驶于非通航孔时，其轮压面积为0.2×0.6m，可认为轮压作用于三根方木上，单根方木桥面板所受弯矩为：方木截面特性，弯曲应力为: 方木截面特性，，，，单根方木桥面板所受剪力为：，故：故，混凝土搅拌车通行时，方木桥面受力满足要求2) 50t履带吊机吊装作业时，其偏吊一侧轮压为544kN，作于于23根方木上，其单根方木所受弯矩最大值为:其弯曲应力为：单根方木受剪作用，其所受剪力为：故：因此，50t履带吊机通行或作业时，方木桥面受力满足要求3) 龙门吊机走行或吊装作业时，其荷载直接作用于方木上，并通过方木传递至主梁，单个轮子竖向反力为：故方木需进行受压计算，其计算压应力为单根方木受剪力为：其计算弯曲剪应力：单根方木所受弯矩为：其弯曲应力为：栈桥非通航孔方木桥面板在龙门吊机作用下，其受力满足要求综上所述，栈桥非通航孔方木在车辆荷载作用下，其受力均满足要求。
2）通航孔桥面板计算通航孔栈桥桥面板横断面布置如下图所示，走行荷载为10m3混凝土搅拌运输车，50t履带吊机和60t龙门吊机在车辆荷载和自重的作用下，桥面板主要承受弯曲剪应力和弯曲应力图14 通航孔桥面板横断面布置图(1) 混凝土搅拌运输车行驶至方木0.85m间隙上时，方木桥面板受力最不利，其最不利弯矩:方木截面特性，弯曲应力:单根方木受剪作用，其所受剪力，故： (2) 50t履带吊机作用于通航孔方木上时，由于履带作用面积较大，方木桥面板受力满足要求，不作计算3) 龙门吊机走行或吊装作业时，其荷载通过钢轨直接作用于方木上，并通过方木传递至主梁，轮压长度为50mm，轮压作用于桥面板上的分布长度为：单个轮子竖向反力故方木需进行受压计算，其计算压应力为单根方木受剪力为：其计算弯曲剪应力：单根方木所受弯矩为：其弯曲应力为：当龙门吊机带载走行时，且各吊装杆件和吊点沿龙门吊机跨度中线对称布置时，方木弯曲应力为10.3MPa，其受力满足要求因此，龙门吊机带载走行时，各吊装杆件和吊点应沿龙门吊机跨度中线对称布置，避免偏载综上所述，栈桥通航孔方木桥面板在车辆荷载和自重作用下，其受力满足要求3）桥面系横向计算由委托方提供的龙门吊机反力数据表明，龙门吊机单侧水平力为45kN，单侧共计两组轮组，单个轮组水平反力为22.5kN；由于单个轮组内的两轮间距为1.0m，可考虑单个轮组水平反力作用于1m范围内。
按此对钢轨连接进行计算水平力对单位长度(1.0m)上钢轨产生的弯矩为:钢轨与钢面板采用焊接，现假定按,计，则焊缝计算长度为因钢轨水平力产生的垂直于焊缝长度方向的轴心力为：钢轨焊缝受力较小，其连接满足要求4.4下部结构 4.4.1 分配梁计算1）非通航孔分配梁计算(1) 4m跨栈桥上部结构自重为：自重按均布荷载作用于分配梁上，分配梁线荷载为:(2) 10m3混凝土搅拌运输车行驶时，其计算简图如下图所示：图15 非通航孔桩顶分配梁受力简图图16 10m3混凝土搅拌运输作用下非通航孔桩顶分配梁应力图(2) 50t履带吊机在非通航孔上吊装作业时，其非通航孔桩顶分配梁受力简图如下图17 履带吊机偏吊于非通航孔时桩顶分配梁受力简图图18 履带吊机偏吊于非通航孔时桩顶分配梁受力图(3) 龙门吊机作用于非通航孔时，单轮组最大集中反力为，桩顶分配梁受力简图如下：图19 龙门吊机偏吊于非通航孔时桩顶分配梁受力图图20 龙门吊机偏吊于非通航孔时桩顶分配梁受力图综上所述，非通航孔栈桥桩顶分配梁应力最大值为84.4MPa，其受力满足要求2）通航孔分配梁计算通航孔总长为15m，上部结构自重为：方木桥面板自重：贝雷片自重：单根分配梁自重：钢轨自重：因此，上部结构在单个分配梁上的集中反力为：(1) 混凝土搅拌运输车在通航孔上行驶时，其工况小于50t履带吊机作用时工况，在此不再叙述。
2) 50t履带吊机布置于三片贝雷片顶时，其偏吊单侧最大荷载为544kN，履带吊机纵桥向按下图布置，纵桥向履带吊机分配至一侧桩顶的反力为：图21 履带吊机纵桥向布置图三片贝雷片中的两侧贝雷片荷载分配系数为0.315，中间贝雷片荷载分配系数为0.37， 则50t履带吊于图中位置时，桩顶分配梁受力简图如图22所示，分配梁应力图如图23所示，最大应力为60.1MPa图22 履带吊机作用于桩顶时受力简图图23 履带吊机作用于桩顶时应力图(3) 龙门吊机作用于通航孔栈桥上时，当吊点及吊装杆件沿龙门吊机跨度中线布置时，其单支点最大反力为295kN，其纵桥向布置按分配梁受力最不利进行计算，如下图所示图24 龙门吊机纵桥向布置图通过计算得，栈桥分配梁一侧最大支反力为:三片贝雷片受力分别为：178.3kN、209.4kN、178.3kN将其加载至贝雷片对应的分配梁处，求解分配梁受力分配梁受力简图如下所示：图25 龙门吊机作用于桩顶时受力简图经计算，此工况荷载作用下，其最大应力为69.3MPa，分配梁应力图如下图所示图26 履带吊机作用于桩顶时应力图综上所述，通航孔栈桥桩顶分配梁应力最大值为69.3MPa，其受力满足要求。
4.4.2钢管桩受力计算1）非通航孔栈桥钢管桩受力计算非通航孔栈桥的上部结构自重为： (1) 混凝土搅拌运输车行驶至4m跨径的桩顶时，钢管桩最大受力为14t，三桩分配系数分别为：0.364、0.38、0.256故非通航孔单桩最大轴力为2) 50t履带吊机在非通航孔上吊装作业时，两履带荷载分别为54.4t和9.6t(见上述主桁计算)，当作用于4m跨桩顶时，桩顶所受荷载为38.6t和6.8t，通过计算分析，单根钢管桩轴向力最大值为343.1kN，如下图所示：图27 履带吊机作用于非通航孔时桩顶反力(3) 龙门吊机作用于非通航孔时，单轮组最大集中反力为，在龙门吊机与自重作用下，单根钢管桩轴向力最大值为255.4kN，如下图所示：图28 龙门吊机作用于非通航孔时桩顶反力综上所述，非通航孔钢管桩最大轴向力为343.1kN，可以此对钢管桩进行设计2）通航孔栈桥钢管桩受力计算通航孔栈桥的上部结构自重为：(1) 混凝土搅拌运输车与履带吊机或龙门吊机相比，其对钢管桩的荷载较小，在此不进行计算2) 50t履带吊机在通航孔上吊装作业时，双排桩所受轴力为54.4t和9.6t(见上述主桁计算)，其布置图如图21所示，靠履带吊一侧栈桥钢管桩所受竖向荷载为506.6kN和89.4kN。
通过计算分析，在履带吊与栈桥自重作用下，单根钢管桩轴向力最大值为405.5kN，如下图所示图29 履带吊机作用于通航孔时桩顶反力(单位：kN)(3) 龙门吊机吊装作业时，其布置于图24时，钢管桩轴力值最大此时，在龙门吊机与栈桥自重作用下，单根钢管桩轴向力最大值为360.3kN，如下图所示图30 龙门吊机作用于通航孔时桩顶反力综上所述，通航孔处钢管桩竖向轴力最大值为405.5kN，可以此进行钢管桩设计3）栈桥钢管桩自身受力计算本栈桥采用Ф600×12mm钢管桩，钢管桩地面线以上最大长度为6.8m，其锚固点按距地面线4倍钢管直径确定，冲刷暂按3.0m计，故钢管桩的自由长度为：钢管桩在上部结构自重及活载作用下，其单根竖向最大反力为405.5kN，因龙门吊机水平力引起的单根桩的水平反力为7.5kN；龙门吊机和履带吊机的制动力按自重的10%计，其单根桩分别为19.4kN和13.6kN钢管桩应力为：钢管桩受力满足要求4.4.3 单桩承载力计算非通航孔栈桥，钢管桩均采用Ф600×12单排桩，通航孔处钢管桩采用Ф600×14双排钢管桩，Ф600×12最大轴力为343.1kN，Ф600×14钢管桩最大轴力为405.5kN。
栈桥通长共计60排桩，每排桩6根，取具有代表性的钢管桩进行验算下表为桥址土层参数表 土层参数表 表3地层岩性层厚(m)层顶标高(m)极限侧摩阻力标准值极限端阻力标准值钻孔桩(kPa)钻孔桩(kPa)③1粉质粘土3.7～7.80.74～2.9526—③2粉 土0.8～4.0-3.15～-2.1530—⑥1粉质粘土1.2～4.7-5.07～-2.0526—⑥3粉 砂1.2～7.5-8.10～-5.5540—⑥4粉质粘土1.8～5.9-7.47～-6.0028—⑦ 粉质粘土1.0～2.6-13.05～-9.2734—⑧1 粉质粘土1.4～2.2-15.14～-11.6546—⑧2粉 砂1.1～2.4-12.85～-11.2752—⑨1粉质粘土1.4～6.2-15.86～-13.2550—⑨2粉 砂1.8～4.6-17.34～-14.2564—⑨3粉质粘土5.6～11.8-20.95～-17.0052—1粉质粘土1.2～4.0-29.56～-23.6552—1粉质粘土1.2～4.1-31.36～-27.37546002粉 砂1.2～6.6-33.20～-31.27667003粉质粘土1.5～6.2-38.05～-33.4755—1粉质粘土1.6～5.0-40.76～-39.0455—2粉 砂7.1～9.5-45.06～-40.876811001粉质粘土1.2～4.9-51.44～-48.5556—2粉 砂8.0～13.8-53.84～-50.47681100根据现场提供的地质图，第1#至第20#桩所在土层中平均含3.5m厚土层⑥3，而第21#桩至第60#桩无此土层，相应为⑥4粉质粘土；在第21#桩至第60#桩中，第46#桩含⑥4粉质粘土土层为5.9m，为最大值，由此可以认为第46#桩所处土层提供的侧摩阻力最小，可按此桩进行验算。
第46#桩土层分布表 表4桩序号地面标高土层厚度1土层厚度2土层厚度3土层厚度4土层厚度5土层厚度6土层厚度7土层厚度846#-2.12③1③2⑥4⑦⑧1⑨2⑨311.34.05.92.12.151.985.64.0以46#钢管桩为例，钢管桩打入土层深度为15m时，本栈桥所处河流水流流速较大，栈桥对水流的阻水面积较大，暂按3.0m冲刷层厚度计算单桩桩侧摩阻容许承载力为：查《公路桥涵地基与基础设计规范》可得，⑧1粉质粘土(中密)桩端处土的承载力标准值为，桩端容许承载力为：钢管桩承载力为：因为钢管桩最大轴向力：N = 405.5 kN ＜515.0kN，所以，钢管桩承载力满足要求由于46#钢管桩承载力满足要求，由此可以判定，全桥钢管桩承载力也满足要求 29 -。