钢板桩围堰计算

松西河、松虎河特大桥钢围堰检算报告中南大学土木工程学院2011年9月地址：湖南省长沙市韶山南路22号中南大学铁道校区邮政编码：410075电话：[phone]委托单位：建设单位：设计单位：施工单位：监理单位：检算单位：中南大学土木工程学院检算人员：报告编写：审核人：2一、工程概况1.1松西河特大桥松西河特大桥位于公安县南平镇和狮子镇口交界处，桥梁中心里程为K49+373，起讫里程为K48+676.4～K50+069.6，桥长1393.2m。该桥以主跨(68+120+68)m连续梁跨越松西河。松西河规划为五级航道,通航净空80×8m，最低通航水位29.58m。松西河特大桥上部结构型式为：（5×30m）装配式预应力砼箱梁＋2×（4×30m）装配式预应力砼箱梁＋（35＋60＋35m）悬浇连续箱梁＋（68＋120＋68m）悬浇连续箱梁＋（50＋90＋50m）悬浇连续箱梁＋（4×30m）装配式预应力砼箱梁＋2×（5×30m）装配式预应力砼箱梁，全桥共九联。松西河特大桥下部结构型式为：0#台采用肋板式桥台，36#台采用桩柱式桥台；1#～13#墩、22#～35#墩采用桩基础，双柱式桥墩；14#～16#墩、19#墩采用桩基础，方形墩；17#、18#、20#、21#墩采用桩基础，空心墩。其中14#～22#墩桩顶设置承台，其余桥墩桩顶设置桩系梁。17#、18#主墩基础位于松西河河道内。松西河特大桥桩基础设计均为摩擦桩，φ1.2m桩基176m/8根，φ1.5m桩基120m/4根，φ1.8m桩基7344m/200根。上部结构30m装配式预应力砼箱梁216片。1.2松虎河特大桥松虎河特大桥位于公安县孟家溪镇和南平镇交界处，桥梁中心里程为K44+814，起讫里程为K42+907.4～K46+720.6，桥长3813.2m。该桥以主跨(68+120+68)m连续梁跨越松虎河。松虎河规划为四级航道,通航净空90×8m，最低通航水位30.26m。松虎河特大桥上部结构型式为：4×（4×30m）装配式预应力砼箱梁＋（50＋90＋50m）悬浇连续箱梁＋（68＋120＋68m）悬浇连续箱梁＋40+40+（35＋60＋35m）悬浇连续箱梁＋21×（4×30m）装配式预应力砼箱梁＋（5×30m）装配式预应力砼箱梁，全桥共30联。松虎河特大桥下部结构型式为：0#台采用肋板式桥台，116#台采用桩柱式桥台；1#～15#墩、23#～24#墩、28#～116#墩采用桩基础，双柱式桥墩；16#墩、319#墩、22#墩、25#墩采用桩基础，方形墩；17#、18#、20#、21#墩采用桩基础，空心墩。其中0#、16#～22#墩、25#～26#墩桩顶设置承台，1#～6#、41#～44#、46#～48#、53#～54#、58#～60#、74#、84#、94#、113#～116#墩桩顶不设置桩系梁，其余设置桩系梁。20#、21#主墩基础位于松虎河河道内。松虎河特大桥桩基础设计均为摩擦桩，φ1.5m桩基396m/12根，φ1.8m桩基28600m/512根，φ2m桩基440m/8根。上部结构30m装配式预应力砼箱梁760片,40m现浇箱梁8片。二、计算依据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)《简明深基坑工程设计施工手册》《建筑桩基础规范》(JGJ94-2008)《简明施工计算手册》《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)《装配式公路钢桥多用途使用手册》（广州军区工程科研设计所）《松虎特大桥施工图设计》《松虎特大桥工程地质纵断面》4五、松西河特大桥17#、18#墩钢围堰检算5.1结构概况17#、18#墩基础施工采用钢板桩围堰法。钢板桩采用拉森Ⅵ型钢板桩，材质SY295，单根长度为20m，围堰平面尺寸为28.8×13.2m，共设置两道内支撑。围堰顶高程为+31.82m，围堰底高程为+11.82m，封底混凝土厚2.5m。由于17#墩承台比18#承台埋深深度大，围堰受力较17#墩更不利，本计算取17#墩围堰进行计算，17#墩钢板桩围堰立面布置如图5.1。图5.1钢板桩围堰立面布置图(纵桥向)5.2基本参数5.2.1钢板柱截面特性表5.1钢板桩截面参数特性值表钢板桩型号单根钢板桩每延米钢板桩宽侧厚壁厚面积惯性矩截面矩BHtAIXZX5mmmmmmcm2/mcm4/mcm3/mSkSP-SX2760021018225.55670027005.2.2地质资料根据地质勘察报告，17#、18#墩地质资料及土层参数分别如表5.2、表5.3。表5.217#墩土层参数表土层名称层顶标高层底标高容重（kN/m3）内摩擦角（°）粘聚力（kPa）粉砂27.525.7920.922.56.8粉质粘土25.799.3919.621.411.5粉土9.391.3918.826.38.5表5.318#墩土层参数表土层名称层顶标高层底标高容重（kN/m3）内摩擦角（°）粘聚力（kPa）粉砂272320.922.56.8粉质粘土23719.621.411.55.3计算方法由于钢板柱围堰的入土深度较大，土体对入土部分的围堰起到了嵌固作用，此时围堰上端收到内撑的支撑作用，下端受到土体的嵌固支承作用。但是，由于内撑对钢板桩围堰是弹性支撑，并不是完全刚性，因此，在计算中，先假设内撑对钢板桩为刚性支撑，计算出钢板桩作用于圈梁的反力，将该反力作用在内撑上计算出钢板桩与内撑连接处的最大位移，最后对钢板桩施加强制支座位移，得出钢板桩的内力和应力。等值梁法计算钢板桩围堰，为简化计算，常用土压力等于零点的位置来代替正负弯矩转折点的位置。计算土压力强度时，应考虑板桩墙与土的摩擦作用，将板桩墙前和墙后的被动土压力分别乘以修正系数（为安全起见，对主动土压力则不予折减），钢板桩被动土压力修正系数如表5.4本文计算作出如下假设：61.假设计算时取1m宽单位宽度钢板桩。2.因土处于饱和水状态，为简化计算且偏安全考虑，不考虑土的粘聚力（c=0）。3.弯矩为零的位置约束设置为铰接，故等值梁相当于一个简支梁，方便计算。4.假设钢板桩在封底砼面以下0.5m处固结，在MIDAS中限制全部约束。5.本工程土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。表5.417#桥墩主、被动土压力系数及被动土压力修正系数土层名称KaaKKppK被动土修正系数k粉砂0.4460.6682.2401.4971.65粉质粘土0.4650.6822.1491.4661.628粉土0.3860.6212.5911.6091.725.4施工步骤(1)拆除四周钻孔平台，在靠近承台侧定位桩上焊接牛腿，安装第一道内支撑作为钢板桩插打导向围檩；(2)插打钢板桩至合拢；(3)围堰内抽水至+24.908m，在+25.408m处安装第二道内支撑；(4)围堰内注水至围堰外水位一致；(5)水下吸泥并浇筑封底砼；(6)待砼达到设计强度后，凿桩头，施工承台；(7)拆除承台模板，在承台与钢板桩空隙间回填3.1m高砂、土混合物，顶部浇筑0.4m高砼冠梁；(8)待0.4m高砼冠梁达到强度后，拆除第二道内支撑(9)围堰内继续注水至围堰外水位，拆除第一道内支撑。(10)拔除钢板桩。5.5计算结果工况一第一道内支撑安装后，围堰内清淤至24.908m，如图；工况二第二道内支撑安装后，围堰内加水至围堰外水位，水下吸泥、清淤7至18.908m，如图；工况三封底砼达到强度后，围堰内抽光水，如图；工况四承台、墩身施工后向钢板桩与承台间回填砂土并在顶部浇注40cm厚C25砼冠梁，拆除第二道内支撑，如图。图5.2工况一计算简图图5.3工况二计算简图8图5.4工况三计算简图图5.5工况四计算简图5.5.1钢板桩初步验算工况1：第一道内支撑安装后，抽水至+24.908时，第一层内支撑受力处于最不利状态。（1）计算反弯点位置。假设计算其离基坑底面的距离y，在y处钢板桩主动土压力强度等于被动土压力强度，即wapPPP：主动土压力：)882.0(71.121yKKPaaa被动土压力：yKKPpb水压力：412.4wwP)882.0(71.1412.421yKKyKKaawpapaawKKKKKy221882.071.1412.4m95.1)465.0149.2628.1(6.9882.0465.06.971.1465.09.10412.4109所以，梁的计算长度取值为0.8+4.412+1.95=7.162m作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力：032.29aP2/188.11050.27mkNhPwa211/6.4353.31071.1446.09.1053.371.179.25mkNKPwasa221/97.4353.31071.1465.09.1053.371.179.25mkNKPwaxa53.3882.071.1908.242221waaaKKP2/72.56412.410882.0465.06.971.1465.09.10mkN(2)计算结果-56.70.0-43.9-56.7-18.2-43.60.0-18.2图5.6单片钢板柱有限元模型图5.7单片钢板柱弯矩图图5.8单片钢板柱反力图(kN)10由上图可知，钢板柱最大的弯矩为195.3kN.m，作用于第一道内支撑的反力为63.0kN。工况2：第二道内支撑安装后，围堰内加水至围堰外水位，水下吸泥、清淤至18.908m。(1)计算反弯点位置。wapPPP：主动土压力：)882.6(71.121yKKPaaa被动土压力：yKKPpb水压力：0wP)882.6(71.1212yKKyKKaapapaaKKKKKy221882.671.1m35.1)465.0149.2628.1(6.9882.6465.06.971.1465.09.10所以，梁的计算长度取值为30.12-18.908+1.35=12.562m作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力：032.29aP050.27aP211/3.871.1446.09.1071.179.25mkNKPasa221/7.871.1465.09.1071.179.25mkNKPaxa882.671.1908.182221aaaKKP2/4.39882.6465.06.971.1465.09.10mkN(2)计算结果110.0-8.3-8.7-16.2-16.2-39.4-39.40.0图5.9单片钢板柱有限元模型图5.10单片钢板柱弯矩图图5.11单片钢板柱反力图(kN)由上图可知，钢板柱最大的弯矩为187.8kN.m，作用于第一道内支撑的反力为-13.8kN,作用于第二道内支撑的反力为162.2kN。工况3：封底砼达到强度后，围堰内抽光水本工况计算封底砼面取设计封底面以下0.5m处，即20.908m，则计算长度为30.12-20.908=9.212m。作用在钢板柱处的主动土压力和静水压力：032.29aP2/2.1882.11082.150.27mkNPwa211/6.4353.31071.1446.09.1053.371.179.25mkNKPwasa12221/97.4353.31071.1465.09.1053.371.179.25mkNKPwaxa412.8882.471.1908.182221waaaKKP2/6.114412.810882.4465.06.9