钢板桩围堰计算书

武汉四环线汉江特大桥工程4#墩钢板桩围堰计算书计算：复核：项目负责人：室主任：总工程师：中铁大桥局股份有限公司设计分公司第1本共1本，本册计11页二○一二年十二月武汉四环线汉江特大桥4#墩钢板桩围堰计算书目录1概述......................................................................................................12计算依据..............................................................................................13设计参数..............................................................................................24钢板桩围堰计算..................................................................................24.1.封底混凝土厚度计算..............................................................24.2.钢板桩入土深度计算..............................................................34.3.钢板桩强度计算......................................................................64.4.圈梁及内支撑计算..................................................................75结论......................................................................................................9武汉四环线特大桥4#墩钢板桩围堰计算书11概述武汉四环线特大桥主桥为（77+100+360+100+77）m五跨一联双塔双索面预应力混凝土斜拉桥。其中4#墩为主塔墩，承台平面尺寸为85.5m×29.5m，厚度为6.0m。基础采用桩基础，桩基础按嵌岩桩设计，承台下设50根直径2.5m的钻孔灌注桩。钢板桩围堰施工方案如下：钢板桩采用拉森Ⅳ型。在+23.5m处设置一层圈梁，圈梁采用2HM588×300，内支撑采用φ630×8钢管。承台采用两次浇筑施工，第一次浇筑高度4m，第二次浇筑高度2m，第一次承台浇筑完成后，抄垫承台及钢板桩间隙，拆除圈梁。钢板桩围堰总体布置图如下图1所示。图1.钢板桩围堰布置图(mm)2计算依据（1）《钢结构设计规范》（GB50017-2003）；（2）《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）；（3）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007）；武汉四环线特大桥4#墩钢板桩围堰计算书2（4）《武汉四环线汉江特大桥》主体结构相关图纸及项目部提供的技术资料。3设计参数（1）钢板桩采用SKSP-Ⅳ型，材质Q295，每m钢板桩截面特性：W=2270cm3。（2）圈梁采用2HM588×300，内支撑采用φ630×8，材质均为Q235B。（3）水位：钢板桩围堰最大设防水位为+27.5m，最大抽水水位为+25.0m。（4）河床：标高+24.230m考虑,4#墩承台参数见表1。（5）地质：围堰土层参数根据项目部提供的技术资料，取值见表2（6）封底：砼为C25，厚度2.0m。（7）材料性能：Q295钢板桩屈服强度：[σs]＝295MPa。Q345B钢材容许应力：[σ]＝240MPa，[τ]＝140MPa。Q235B钢材容许应力：[σ]＝170MPa，[τ]＝100MPa。表1.4#墩承台参数表（m）墩号围堰顶标高承台顶标高承台底标高河床标高4#+28.000+24.117+18.117+24.230表2.土层参数表（m）土层名称土层顶标高土层底标高层高容重（kN/m3）内摩擦角（°）粘聚力（kPa）粘土+24.230+19.3204.91199.620.4粉质粘土+19.32+11.328195.525.1淤泥质粉质粘土+11.32+2.32918.34.87.94钢板桩围堰计算4.1.封底混凝土厚度计算4.1.1.围堰封底抽水完成后，封底混凝土需承受水头差引起的向上浮力，封底混凝土标号为C25，其容重γ=24kN/m3，施工时清理基底保证封底混凝土厚度不小于2.0m，取1.7m有效厚度混凝土计算。封底混凝土所受荷载：q=γ水h水－γ砼h砼=10×(25-18.117+1.7)-24×1.7=45.03kN/m24.1.2.按照四边简支板计算武汉四环线特大桥4#墩钢板桩围堰计算书3Lx=6300mm，Ly=6300mm，Lx/Ly=1.0，查得：αx=αy=0.037,Mx=My=0.037×45.03×6.32（1+1/6）=77.15kN·m取b=1m单宽进行验算:Wx=bh2/6=0.48m3σmax=Mx/Wx=77.15/0.48/1000=0.16MPa[σ]=0.50MPa。4.1.3.钢护筒粘结力计算围堰封底投影面积：A=1992-(3.14/4×2.52×50)=1746.7m2；封底混凝土重量：G=24×1746.7×1.7=71265.4kN；浮力：F浮＝(25.0-18.117+1.7)×10×1746.7＝149919.3kN；范围内共有50根φ2.8m桩，每根桩所承受的粘结力为：（149919.3-71265.4）/(3.14×2.5×1.7×50)＝117.9kPa200kPa。4.1.4.结论：2.0m厚封底混凝土满足受力要求。4.2.钢板桩入土深度计算4.1.1.取1m宽钢板桩计算。圈梁及内支撑安装完毕，围堰内吸泥清淤完成，准备浇筑封底混凝土。受力示意图如图2所示。图2.钢板桩入土深度计算示意图(mm)1、主被动土压力系数见下表：表3.主被动土压力系数序号土层名称主动土压力系数(Ka)aK被动土压力系数(KP)pK被动土压力修正系数(K)1粘土0.710.851.401.181.22粉质粘土0.830.911.211.11.23淤泥质粉质粘土0.850.921.181.091.22、用等值梁法计算桩的入土深度武汉四环线特大桥4#墩钢板桩围堰计算书4①计算钢板桩上土压力强度等于零的点离挖土面的距离y，求得y：ggggg+=+---=-××-××-×××=××-×ppaapa(2)()22290.838.113225.10.91225.11.21.191.21.2190.830,取y=0mpaaaapPaKKycKKHycKKHcKcKKykKK②按连续梁计算等值梁支点反力（即R1和P0），受力图如图4、5所示。图3.等值梁计算示意图(kN/m^2)图4.等值梁计算反力图(KN)建模计算得P0=13.6kN③根据Po和钢板桩被动土压力对钢板桩底端的力矩相等原理可求得x，gg×==-××-×06613.6=3.8m91.21.2190.83pPaaPxKKK故总入土深度：=+0txy=0+3.8=3.8m计算入土深度t=1.2t0＝4.56m，实际取钢板桩底标高+7.000m，钢板桩实际入土深度为9.117m，钢板桩总长度为21m。武汉四环线特大桥4#墩钢板桩围堰计算书54.1.2.基坑底抗隆起稳定性验算根据上面计算，钢板桩长度21.0m，钢板桩底标高+7.000m，基坑内开挖标高+16.117m。由于围堰内吸泥、抽水，造成围堰内外压力差，使钢板桩底以下土体向上涌起。根据下式验算钢板桩底抗隆起稳定性:()cqscNNtKHtqgg+=++式中：Nq、Nc---按Prandtl公式时，20tantan(45+/2)qNepjj=⋅，(1)/tancqNNj=-；c---土的粘聚力(kPa)；φ---土的内摩擦角(°)；γ--土的重度(kN/m3)；t---支护结构入土深度(m)；H---基坑开挖深度(m)；q---地面荷载(kPa)。图5.坑底抗隆起稳定性验算示意图对围堰在开挖工况下进行验算，则3(1910)12.91(18.310)4.328.8/12.914.32akNmg-×+-×==+，9.64.915.584.84.326.54.9184.32aj×+×+×==++°，20.44.9125.184.84.3219.54.9184.32ac×+×+×==++，3(1910)4.797(18.310)4.328.7/4.7974.32pkNmg-×+-×==+，5.54.7974.84.325.24.7974.32pj×+×==+°，25.14.7977.94.3216.94.7974.32pc×+×==+武汉四环线特大桥4#墩钢板桩围堰计算书62tanqtan(45)2Nepjj=+=1.6,c(1)/tanNNqj=-=6.616.96.68.71.69.1171.571.2()8.8(8.1139.117)cqscNNtKHtqgg+×+××===++×+,满足抗隆起稳定性要求。4.3.钢板桩强度计算采用MIDAS2006建立模型，荷载考虑土压力，取1m宽钢板桩建模计算，在圈梁处建立弹性支座（内支撑SDx＝15kN/mm，弹性支撑参数根据内支撑平面模型加载后求得）。4.3.1.工况1：开挖至标高+16.117m，施工水位+16.5m。反力图(kN)弯矩图(kN.m)变形图(mm)图6.工况1计算结果圈梁处压力为53.4N/m，围堰最大弯矩为198.9kN·m，最大变形15.6mm。应力6198.910295116.8a0.7522700001.2MPs×==×。4.3.2.工况2：封底抽水工况，抽水水位按标高25m考虑。武汉四环线特大桥4#墩钢板桩围堰计算书7反力图(kN)弯矩图(kN.m)变形图(mm)图7.工况2计算结果圈梁处压力为114kN/m，围堰最大弯矩为192kN·m，最大变形12.6mm。应力619210295113a0.7522700001.2MPs×==×。4.4.圈梁及内支撑计算根据计算，圈梁所受最大压力为114kN/m。圈梁及内支撑受力分析如下图所示。图8.内支撑模型图武汉四环线特大桥4#墩钢板桩围堰计算书8圈梁组合应力圈梁剪应力内支撑钢管组合应力图9.内支撑应力图(MPa)图10.内支撑变形(mm)武汉四环线特大桥4#墩钢板桩围堰计算书9圈梁最大组合应力为105.2MPa170MPa，最大剪应力为35.5MPa100MPa，内支撑平面最大变形为5mm。φ630×8内支撑钢管最大组合压应力为73MPa，λ＝10253/219=46.8，查得φ＝0.8705，73MPa0.8705×170＝148MPa，满足要求。5结论通过对4#墩钢板桩围堰计算，围堰各构件受力均能满足要求！