1、主墩钢板桩围堰设计主墩钢板桩围堰设计一、工程概况湖滨路运河大桥P5#、P6#主桥墩位于京杭大运河岸边上，根据设计图及现场实际勘查，大运河河道为南北偏东走向，为人工开挖形成，河道顺直，河床较平坦，常年水位约1.50m(黄海高程，以下同)左右，在一年的六七月份出现过最高通航水位2.81m，常水位下岸边施工范围内水深在1.03.5m（运河底面靠岸边标高约0m），且运河水流缓慢。主桥墩承台底的标高为-5.93m（包括承台底厚10cm的C15混凝土垫层）。主墩承台尺寸为29.9m9.36m4m（高），墩位处地质为粘土、亚粘土。主墩位置地质从上往下依次为粘土（2m）、粉质粘土（3.0m）、粉质粘土夹粉土（
2、9.0m）、粉质粘土（2.0m）。地质情况表序号地层名称层厚（m）重度（KN/m3）内摩擦角（）粘聚力c（KPa）1粘土220.117.559.82粉质粘土319.116.636.23粉质粘土夹粉土918.720.614.14粉质粘土219.116.636.2二、围堰方案钢板桩围堰整体刚度大，防水性能好，在粘性土层的较浅水河床桥墩基础施工中，不需水下作业，打拔桩容易，回收率高，可节省大力现场加工构件，主墩基础采用矩形（承台为圆端形）单层钢板桩围堰施工。为了施工承台的方便，钢板桩围堰的尺寸为：33m12m（承台尺寸29.9m9.36m），初步设计拟设三道围囹，在开挖至承台底标高后施工垫层时利用桩
3、基为支承施作钢板桩支撑梁，然后拆除第三道围囹，再做承台的施工。采用拉森型钢板桩（1m宽）：=200MPa，W=2037 cm3。考虑到围堰期间河流上的船只（运河上船只的最大载重500吨）运行的影响，水压力对钢板桩围堰的冲击系数为1.5，由于我们的围堰施工季节为运河的枯水季节，水位较低，涨幅很小，施工时水位按1.5m考虑。为简化计算，查设计提供地质资料得平均重度：=(20.12+19.15+18.79)/16=19 KN/m3，内摩擦角=(17.52+16.65+20.69)/16=19。平均粘聚力c=(59.82+36.25+14.19)/16=26.7 KPa三、围堰设计1、荷载：荷载分两部
4、分考虑，一部分为靠运河边侧；另一部分为靠路边侧。运河侧：水压力、土压力、船舶冲击力（考虑冲击系数1.5）路边侧：水压力、土压力、路上车辆荷载及临时堆放的材料等2、确定围囹的合理位置最上层围囹至围堰顶距离用公式h=计算土的比重比水大，以靠土侧进行计算。Ka=2（45-/2）= 0.51 Kp=2（45+/2）= 1.97h= =2.93m考虑到路上车辆荷载及各种其他荷载，第一道围囹设在标高1.5m处。第二道围囹从承台施工及安全角度出发，设在承台顶面以上0.3m处，标高为-1.5m。h1=1.5+1.5=3.0m第三道围囹安在第二道下2.9m处，绝对标高为-4.4m。3、用等值梁法计算围囹受力及钢
5、板桩设计靠运河侧：把河床上的水当做作用在河床上的均布荷载，换算为当量高度，力学图示如下考虑到钢板桩位处为全为粘土层，透水性差，河床上的水可以当成压在河床面上的恒载，由于准备采用井点法排水，也可以不考虑地下水的影响，从安全角度出发忽略粘土的粘聚力。水压力换算成土层当量高度为： =1.18m，开挖标高为-5.93m，距河床底深度为5.93m。找出钢板桩上主动土压强与被动土压强相等的位置，设这个位置距开挖底面距离为y，则y处主动土压强为:被动土压强为：，由Pa=Pp，被动土压力系数考虑修正系数K=1.6，得出：y=1.37m开挖面的主动土压强（y=0）为：=68.90KN/m2河床面处压强为：P1=
6、w1.51.5=22.5 KN/m2按多跨连续梁考虑，用力矩分配法计算各点反力及弯矩，每道围囹承受每两跨各半跨上的力, 计算P0、P1、P2，这样计算得出:F1承受桩顶标高-0.00m以上范围内的力；F2承受标高-0.00m-2.95m范围内的力；F3承受标高-2.95m-5.85m范围内的力；F0承受标高-5.85m-7.30m范围内的力。F1=P11.5/2=16.88 KNF2=75.89 KNF3=156.80 KNF0= =52.68 KN根据P0与板桩前被动土压力对桩底端的力矩相等的原则，得出桩底至F0的距离：x=2.51m所以板桩锚固长度取1.2（1.37+2.51）=4.66
7、m。所需钢板桩长度13.09m。靠路侧：车辆荷载考虑为q=20KN/m均布，距离板桩边2m。打钢板桩前力学图示如下：Yq=tg(45+/2)*2.0=2.80 m 标高-0.4mPaq=q*Ka=(20+1.7*19)*0.51=26.67 KN/m2P2=26.67+19(2.4+5.93)Ka=107.39 KN/m2计算钢板桩上土压力强度等于零的点距离承台底面的距离y，由公式： 被动土压力修正系数K取1.6，得出y=2.14m假定围囹承受每两跨各半跨上的力, 计算F0、F1、F2、F3，这样计算得出:F1承受桩顶标高-0.00m以上范围内的力；F2承受标高-0.00m-2.95m范围内的
8、力；F3承受标高-2.95m-6.235m范围内的力；F0承受标高-6.235m-8.07m范围内的力。F1=*Ka2.42/2=27.91 KNF2=(*Ka2.4+*Ka(2.4+2.95)2.95/2+26.67*(2.95-0.4)=178.78 KNF3=(P2+*Ka(2.4+2.95)(5.93-2.95)/2+26.67*(5.93-2.65) +(P2+ P2(8.07-6.235)/2.14)(6.235-5.93)/2=355.15 KNF0= P2(8.07-6.235)2/2/2.14=84.49 KN根据P0与板桩前被动土压力对桩底端的力矩相等的原则，得出桩底至F0
9、的距离x：x=3.18m 所以板桩锚固长度取1.2(2.14+3.18)=6.38 m。所需钢板桩长度14.81m。根据以上计算，施作15m长钢板桩，桩顶标高控制在2.5m，这样完全可以满足钢板桩锚固要求。4、围囹及支撑设计围囹周围采用I50a工字钢，用两片焊成整体，水平支撑用大的钢管，具体尺寸通过检算要求的最大I惯性矩来选择。根据以上设计知道靠路侧的围囹受力较大些，采用靠路侧进行围囹设计计算。I50a：截面面积A=119.25cm2 =240 MPa，Wx=1858.88 cm3。第一层围囹：第一层围囹要考虑在第二道围囹加上之前必须开挖到的高度，安第二层必须开挖到标高-2.0m。受力模型如下
10、：P2=26.67+19(2.4+2)Ka=69.31 KN/m2。计算钢板桩上土压力强度等于零的点距离承台底面的距离y，由公式： 被动土压力修正系数K取1.6，得出y=1.38m按两端简支计算得出F1=82.80 KN，q=82.80 KN/m计算顺桥向支撑道数：最大承受弯矩(两根)：Mmax=Wx=2401858.882=892.26 KNm通过公式Mmax=9.3 m 33/9.3=3.5 取4个间距，纵桥向中间增布3道支撑（不包括两侧工字钢），四角加斜撑，横桥向不再加支撑。支撑材料的选定：顺桥向总的受力为：33mF1=82.8033=2732.4 KN只考虑中间三根钢管受力，假定三根支
11、撑受力均匀，则每根受力为910.8KN。按两端铰支检算稳定性，L=12m，通过欧拉临界公式：得出： =6644 cm4。通过查钢管资料，可以选35110mm钢管，I=15584.62 cm4。第二层围囹：第二层围囹分两种情况考虑。第一种：在施工完承台垫层（加厚）后要拆除第三道围囹支撑，这样受力情况将重新调整，受力模型如下：F2将承受标高-0.00m-3.715m范围内的力；F3承受标高-3.715m-7.00m范围内的力，按多跨连续梁按力矩分配法计算，以靠土侧计算：F2=(*Ka2.4+*Ka(2.4+3.715)3.715/2+26.67*(3.715-0.4)=241.67 KNF3=(*
12、Ka(2.42+3.715+5.93)(5.93-3.715)/2+26.67*(5.93-3.715)+(P2+P2*1.07/2.14)*1.07/2=300.27 KN第二种：是在开挖到安装第三道围囹时的开挖面所承受的力，第三道围囹安装时需开挖到标高-4.9m，受力模型如下：P2=26.67+19(2.4+4.9)Ka=97.41 KN/m2。计算钢板桩上土压力强度等于零的点距离承台底面的距离y，由公式： 被动土压力修正系数K取1.6，得出y=1.94mF2将承受标高-0.00m-4.17m范围内的力，按多跨连续梁按力矩分配法计算。F2=(*Ka2.4+*Ka(2.4+4.17)4.17
13、/2+26.67*(4.17-0.4)=281.77 KN计算顺桥向支撑道数：两者取大者，即q=281.77 KN/m通过公式Mmax=5.0 m 33/5.0=6.6 取8个间距，中间横桥向增布7道支撑（不包括两侧字钢）。两端的支撑改为挂角斜撑，更有利于力的相互抵消。支撑材料的选定：第二层顺桥向总的受力为：33mq=281.7733=9298.41 KN只考虑中间七根钢管受力，假定七根支撑受力均匀，则每根受力为1328.34KN。按两端铰支检算稳定性，L=12m，通过欧拉临界公式：得出： =9690.4 cm4。通过查钢管资料，可以选35110mm钢管，I=15584.62 cm4。第三层围
14、囹：计算顺桥向支撑道数：第三层围囹设计可以采用靠路侧计算得出的反力进行：q=F3=355.15 KN/m通过公式Mmax=4.5 m 33/4.5=7.3 取8个间距，中间横桥向增布7道支撑（不包括两侧工字钢）。两端的支撑改为挂角斜撑，更有利于力的相互抵消。支撑材料的选定：第三层顺桥向总的受力为：33mq=355.1533=11719.95 KN只考虑中间七根钢管受力，假定七根支撑受力均匀，则每根受力为1674.28KN。按两端铰支检算稳定性，L=12m，通过欧拉临界公式：得出： =12214.07 cm4。通过查钢管资料，可以选35110mm钢管，I=15584.62 cm4。围囹及支撑布置
15、详见附图：围堰布置图。5、钢板桩弯矩验算从钢板桩设计及承台施工过程中，可以看出最不利工况是在安第三道围囹前的时候。取1m宽钢板桩考虑。从围囹设计中知道：F2=281.77 KN；P2=97.41 KN/m利用弯矩分配法计算得:F0=(*Ka(2.4+4.17+2.4+4.9)(4.9-4.17)/2+26.67*(4.9-4.17) +97.41*1.94/2=163.01 KN最大弯矩应该出现在第二道围囹与F0跨之间的剪力为零处，即绝对标高4.17m处。具体力学图示如下：Mmax=F0*（6.84-4.17）-P2*1.94*(0.73+1.94/3)-=279.85 KNm本设计所采用的拉森型钢板桩，平均每米宽度为2.5根，其容许最大弯矩为：Mmax=200*2037=407.4 KNm因为MmaxMmax，所以本设计弯矩满足要求。四、施工注意事项：尽量保持围囹及支撑在同一水平面上。且轴线保持在同一平面上。围囹采用两片工字钢焊接而成，支撑采用35110mm钢管。挖掘机施工时，注意避免与支撑和围囹接触。施作路边侧钢板桩时先挖掉部分土层再打钢板桩。
