主墩钢板桩围堰受力计算书

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1、某大桥主墩水中承台钢板桩围堰设计书一、工程概况某大桥主墩河床标高较高， 其承台施工适宜于采用钢板桩围堰，本设计书以河床标高最低的32#墩作为算例。承台平面尺寸为 9.5 35.9m,厚度为 4m,拟采用德国拉森 (Larseen) 型锁口钢板桩施工。桥位处最高潮水位6.0m, 最低潮水位3.8m, 最大水流速度V=1.50m/s, 河床标高为 -1.5m。河床地质情况为， 上覆为较薄冲积层，其次为淤泥质亚粘土（流塑状），内摩擦角 为 7，粘结力 c 为 4.1kPa，天然容重 为 16.9KN/m3，地基容许承载力 =50kPa。二、地基承载力验算主墩承台共分三层浇筑，底层、第二层及顶层厚度分

2、别为1.5m、1.25m及1.25m，设计要求”每浇一层间隔时间712 天，同时下层混凝土应达到80% 强度才能浇筑上层混凝土”。因此地基承载力验算，如果底层混凝土能承重第二层混凝土，则地基承载力可只考虑底层混凝土的施工荷载。首先，计算底层混凝土强度达到80% 设计强度即强度为28MPa 的承载力 , 容许抗拉应力 =1.2MPa。因为主墩承台为群桩， 底层混凝土为双向板， 但为简化计算（且偏于安全），按桩的最大间距5.6m 单向简支板计算，取板宽1m 。q=24 1.25( 第 二 层 混 凝 土 重量 )+26 1.5( 底 板 自 重 )+2.0( 振捣 荷载)=71kPa/m 则最大弯

3、矩 Mmax=1/8 715.62=278.32kN.m 不考虑低层钢筋的作用 , 以混凝土作为受力截面 , 其最大拉应力为l=M/(bh2/6)=6 278.32/(1 1.52)=742.2kPa=0.74MPa =1.2MPa,故安全，底层混凝土不会出现裂缝。其次，验算基底承载力，基底荷载为=1.524+2=38kPa =50kPa。故基底承载力完全满足要求(尚未考虑 4.2m 砂垫层的应力扩散作用 )。施工时 , 基底填砂应边分层填砂边抽水, 缓慢均匀加载 , 既可提高砂垫层的密实度也确保地基的稳定性。二、钢板桩受力分析钢板桩主要承受水压力 （静水压力与动水压力） 及土压力（外侧为主动

4、土压力，内侧为被动土压力），为简化且偏于安全计算 , 只考虑淤泥质亚粘土层 (不透水层)土压力，土压力按朗金理论计算。于围堰顶部 6.0m 标高(即最高水位处 ) 设一道内支撑 , 承台底部铺筑 30cm厚C25混凝土垫层 , 垫层底面标高即吹填砂顶面标高则为2.7m。 围堰内抽水填砂标高 2.70m时且在最高潮水位6.0m 时，钢板桩为最不利受力工况。钢板桩主要受力荷载为一)主动土压力为 Pa=tan2（45-/2 ）( h+75)-2c tan （45-/2 ）=13.23h+51.45 式中： h 为钢板桩入土深度，淤泥质亚粘土层=7， c=4.1kPa, =16.9KN/m3二)被动土

5、压力为分两层计算 , 其一, 填砂(粉细, =18,c=0, =18KN/m3, 填砂高度 4.2m), Pp= tan2（45+/2 ）h=143.22kPa( 基底即砂垫层底部 ) 其二,入土的淤泥质亚粘土层 ( =7,c=4.1kPa, =16.9KN/m3) Pp=tan2（45+/2 ）( h+4.218)+2c tan （45+/2 ）=21.59h+105.85 （桩顶）.5 （桩底）（河床）（抽水、填砂标高）（最高水位）钢板桩外力示意图特征点标高示意图（最高水位）（抽水、填砂标高）第三层第二层第一层（河床）.5 （桩底）（桩顶）三)流水压力为 P=kHB V2/（2g）其中：k

6、形状系数，槽型钢板桩围堰取1820，本例取 20 H水深（ m ）, 取最高水位计算即6.0+1.5=7.5m B宽度，取 1.0 为单元计算水的容重，取10.0kN/m3 V流速， 1.5m/s 则 P=20 7.51101.52/(2 9.81)=172.0KN/m 作用点在水面下2/3 处, 即最高水面下 5.0m 深的 1.0m 标高处四)静水压力 Pj=H=10H(KN/m)=75kPa( 河床处 ) 三、钢板桩入土深度计算按浅埋法计算钢板桩入土深度t ，即钢板桩外侧主动土压力及动、静水压力与钢板桩内侧被动土压力（填砂、土层）对内支撑点A的力矩平衡来确定钢板桩入土深度。被动土压力考虑

7、1.25 安全系数。受力图如钢板桩外力示意图。1、主动土压力对A点的力矩 Ma （A）Ma（ A） =1/2 75 7.5 2/3 7.5+172.0 2/3 7.5+51.45 h(h/2+7.5)+h/2(2h/3+7.5) 2、被动土压力对A点的力矩 Mp （A）Mp （A）=1/2143.224.2 (2/3 4.2+3.3)+105.85 h(h/2+7.5)+1/2h21.59h(2h/3+7.5) 3、求入土深度 t 由 Mp （A）/1.25=Ma（A）解得 : 钢板桩最小入土深度为h=2.4m 钢板桩入土深度取最小入土深度1.5 倍, 即 t=1.5h=3.6m, 取 4m

8、。4、钢板桩长度及标高计算顶面标高较最高潮水位高0.5m, 即标高6.5m; 桩底标高为 -1.5( 河床底标高)-4.0(入土深度 )=-5.5m; 钢板桩长度为 6.5-(-5.5)=12m(标准件 ) 四、钢板桩及内支撑受力验算1、钢板桩入支撑反力RA按取钢板桩受力平衡进行计算，并考虑被动土压力1.25 安全系数 , 即RA=Ea+P+Pj-Ep/1.25 式中:Ea、Ep分别为主动压力和被动土压力的合力，为偏于安全，均取2.4m的最小入土深度予以计算 ; P、PJ分别为动水压力和静水压力的合力经计算求得， RA=136.6kN( 每延米支撑受力 ) 2、钢板桩承受最大弯矩剪力为零处即为

9、最大弯矩， 从受力图知，动水压力作用点 B处即为最大弯矩 Mmax Mmax=136.6 5-1/2 5505/3=474.9KN.m(每米钢板桩 ) 1 米宽的拉森 (Larseen) 型钢板桩的各质量特性为: W=2037cm3, 横截面积 78.88cm2 =M/W=474.9 106/2037 103=233.1Mpa=240Mpa,安全=136600/7888=17.3MPa =125Mpa,安全五、管涌安全系数计算按简明施工计算手册 ，管涌安全系数：K=（H+2t）浮/ （Hw）1.5 时, 则坑底安全 , 不会发生管涌现象。式中: 浮为土的浮容重，即16.9-10=6.9kN/m

10、3 w为水的容重，取10kN/m3 H为水头差，即6.0+1.5=7.5m t 钢板桩入土深度，取4m 则 K= （7.5+24）6.9/(7.59.8)=1.5 1.5, 安全! 六、内围令 ( 支撑)受力计算钢板桩及内支撑平面图56钢管钻孔平台管桩拟于围堰顶部即最高水位6.0m 处设一道内支撑，围令采用245,横支撑及斜支撑采用 630壁厚 6mm 钢管。一） 验算长边（假设不计斜支撑受力, 按三不等跨连续梁进行简化计算）271.9614.7-547.7-547.7ABCD271.9614.7Q 图M 图DCBA827.6270.5555.7827.6270.5根据以上受力简图知：中间支点

11、 B处反弯矩最大 Mmax=-827.6kN.m 中间支点 B处剪力最大 Qmax=614.7KN 中间支点 B反力最大 Rmax=547.7+614.7=1162.4kN 256b 的截面特性为 W=4892.0cm3, 腹板断面积 A=1.45562=162.4cm2 则=Mmax/W=827.6 106/4892 103=169.1Mpa =170Mpa,安全=Qmax/A=614700/16240=37.9MPa =125Mpa,安全二)验算短边 ( 按三不等跨连续梁计算 ) ABCD104.2212.7119.0212.7104.2M图Q 图301.0168.8DCBA-294.3-

12、547.7614.7168.8Mmax=212.7kN.m Qmax=301.0kN 256b 的截面特性为 W=4892.0cm3, 腹板断面积 A=1.45562=162.4cm2 则=Mmax/W=212.7 106/4892 103=43.5Mpa =170Mpa,安全=Qmax/A=301000/162.4=18.5MPa =125Mpa,安全三)中间横支撑压杆验算最大反力为 N=614.7kN,采用630 壁厚 6mm 钢管钢管自重为 1227N/m,其产生的弯矩为Mmax=1/8 qL2=1/8122711.042=18696.0N.m 支撑杆为压杆构件 , 按下式计算压杆应力

13、=N/( xA)+xM/(xW(1-0.8N/NEx) 式中: NEx欧拉临界力，为 2EI/L2=126130621 （N）I=75612.3cm4，E=2.06106MPa x为弯矩作用平面内的轴心受压构件稳定系数，根据=L/i=L/(I/A)1/2 =1104/(75612.3/156.32)1/2=50 =100, 结构可不作稳定性验算， 并查得x=0.9( 偏安全 ) W为截面抵抗矩 1823.2cm3 x为等效弯矩系数 , 取 1.0 x为与 W相应的截面塑性发展系数, 取 1.05 A为截面积 156.32cm2 则=614700/(0.9 15632)+18696000/(1.

14、05 1823200(1-0. 8614700/126130621)）=54.5MPa =170Mpa,安全六、钢板桩围堰施工要求一）钢板桩入土深度58 米为宜，但不少于 4 米，可根据河床标高进行确定，但堰顶标高不得低于6.5m；内围令设应在标高6.0 米处。二）围令与钢板桩之间、与横（斜）支撑之间均为焊接，确保焊接质量；且钢板与围令之间的凹口用木楔塞紧；凸板如有变形与围令工字钢间有间隙则应补焊钢板（或型钢）；特别应重视围堰四角的加固焊接不得有松动；钢板桩合拢后应迅速安装内支撑系统。三）施工前应对钢板桩进行校正 （用一根标准的钢板桩作锁口检查） ，确保锁口吻合，并按 24块钢板桩为一组提前在

15、岸上组拼好后，一次插打。四）钢板从上游一角处开始插打，利用内支撑作导向框自上游向下游施工，并在下游用异形板合拢；内支撑直接直承于钻孔平台的800 钢管桩上（钢管桩顶面标高 5.7m。五）边抽水边顺着钢板桩的接缝下溜干细砂或锯木屑、粉煤灰（煤碴） 填充物，借助水压力将填充物吸入接缝内而堵漏防渗，对于变形较大的的接缝在围令安装后由潜水员用棉絮塞填。六）先填砂后抽水或在低水位时抽水吹填砂（内支撑系统未安装好不得抽水），抽水填砂至承台底面标高0.3 米。七）封底混凝土厚度为30cm ，标号为 C25 ，堰内满铺，并用油毛毡或于钢板桩上涂刷沥青与钢板桩隔离便于拆拔钢板桩；在围堰内四周设汇水沟和集水坑 （四角处） ，以便及时集中抽排水堰内积水，确保承台施工时无水作业。八）围堰完成后进行承台施工过程中应加强测量观测，并于护筒上悬挂爬梯以策施工作业人员的安全。