毕业设计（论文）-贝雷梁支架设计.doc

目 录第1章 绪论11.1 桥梁施工临时结构的发展概况11.2 水中基础施工技术简介11.2.1 钢板桩围堰11.2.2 贝雷梁支架11.3 论文介绍21.3.1 论文内容介绍21.3.2 课题研究的意义2第2章 贝雷梁支架设计42.1 计算依据及参考标准42.2 结构主要形式及截面类型42.3 软件使用说明特点42.4 荷载分析42.5 贝雷梁有限元分析52.6 midas有限元软件计算结果分析62.6.1 横梁受力分析62.6.1.1应力计算62.6.1.2 刚度验算72.6.2贝雷梁受力分析72.6.2.1 强度验算72.6.2.2 弦杆稳定性验算82.6.3 竖杆内力分析92.6.3.1 竖杆内力验算92.6.3.2 竖杆稳定性验算92.6.4 斜杆内力计算102.6.4.1 斜杆内力验算102.6.4.2 斜杆稳定性验算102.6.5钢柱受力分析112.6.5.1钢柱强度验算112.6.5.2钢柱稳定性验算112.7 支架施工132.7.1支架的安装132.7.2支架的拆除142.7.3 临时支架施工操作要求152.7.4 贝雷梁整体稳定性设计152.8 临时支架施工过程中应注意的问题162.9 小结16第3章 钢板桩围堰的施工设计173.1 基本资料173.2 钢板桩围堰设计173.2.1 围堰形式、材料及尺寸173.1.2 钢板桩围堰内径尺寸的确定183.1.3 钢板桩嵌入深度的计算183.1.4 单根钢板桩长度的确定193.2 钢板桩围堰结构计算193.2.1 荷载计算193.2.1.1 静水压力的计算193.2.1.2 流水压力的计算213.2.1.3 土压力计算213.2.1.4 嵌入深度检算223.3 钢板桩围堰受力分析243.3.1 钢板桩内力计算263.3.3 压杆稳定性验算283.3.4 围囹用钢量的计算293.4 钢板桩施工303.4.1 施工前的准备303.4.2 施打钢板桩313.4.4 常见问题及预防处理措施353.4.5 质量控制点及海上施工注意事项363.4.6 钢板桩围堰施工注意事项363.5 小结37第4章 结束语384.1 结论384.1.2设计不足384.2 心得体会39参考文献40致 谢41附 录a 外文翻译42附 录b 图纸57石家庄铁道大学毕业设计第1章 绪论1.1 桥梁施工临时结构的发展概况科学技术是第一生产力，随着科学技术的发展，祖国现代化建设日新月异，桥梁建设技术水平逐渐提高，各种大跨度桥梁登上历史的舞台。桥梁临时结构的重要性越来越高，对其的要求水准也逐渐提高，临时结构的种类百花齐放，多种多样，根据国内的情况，大体上归纳如下：(1)桥梁陆域基础施工的便道、筑岛平台、挡土结构。(2)水上基础施工的便桥、船舶、平台、挡水(土)的围堰。(3)桥梁的墩台、梁段混凝土施工用的托支架和模板结构。(4)桥梁上部结构施工的设备，悬浇挂篮、悬拼吊机，整孔架设用的架桥机，整孔现浇的移动模架。预制场的制梁、移梁、吊运梁设备及其基础。(5)施工所用的各种起重吊机，门吊、浮吊、缆索吊等等。恰当的利用临时结构能有效地降低工程成本，使资源得到最优利用。研究桥梁的临时结构意义深刻。1.2 水中基础施工技术简介桥梁是跨越河流、山谷等障碍物的结构,桥墩桥台位于水中施工是在所难免的，水中施工最常用的方法就是围堰，常用的围堰有土围堰、木板桩围堰、钢板桩围堰、钢吊箱围堰、双壁钢围堰、锁口钢管桩围堰等，本课题是简单介绍钢板桩围堰。1.2.1 钢板桩围堰钢板桩整体刚度大，打拔桩容易，施工速度快，且回收率高，节省成本，防水性能好，打入时穿透能力强。同时它还适用于场地狭小、无条件做止水帷幕的工程施工因此，钢板桩围堰的适用范围相当广。从我国桥梁基础施工的实践来看，10-20m的围堰，用钢板桩是适当的。在特殊情况下，30m深的围堰也使用钢板桩。钢板桩不但能穿过砾、卵石层，也能切入软岩层内。钢板桩通常碾压成型，断面形式多种多样。我国常用的是仿拉森式槽形钢板桩，钢板桩的成品长度有几种规格，最长为20m，但是可根据需要接长。钢板桩之间的连接采用锁口形式，这种锁口既可以加强连接，又可以防渗，还可以作适当的转动，以适应弧形围堰的需要。矩形钢板桩围堰的转角处要使用一块特制的角桩。角桩的制作一般是从钢板桩的中部切开，然后根据形状的需要焊接钢板桩。1.2.2 贝雷梁支架支架按其结构形式分为支柱式、梁式和梁柱式三种。对于陆地或者不通航的河道或者桥墩不搞的小跨径连续梁可以采用支柱式支架。有通要求的中小径桥梁可采用梁式支架。支架虽然为临时结构，但是她要求承受桥梁的大部分恒重，因此必须有足够的强度，刚度，同时支架的基础要可靠，构件结合要紧密，并要有足够的纵、横、斜的连杆件，使支架成为整体，若支架位于河道中，则要充分考虑洪水和漂流物的影响。设计时要考虑支架受到荷载后有变形和挠度，因此，在安装前要计算，设置预拱度，使结构的外形尺寸和标高符合设计要求，另外，支架上要设置落架设备，落架要对称均匀，不应是主梁发生局部内力状态。1.3 论文介绍1.3.1 论文内容介绍该论文主要是介绍桥梁施工中所用到的临时结构的设计方法以及在基础施工过程中的临时结构的施工过程和施工工艺，使桥梁基础工程施工能够在各种地质条件，自然环境的条件下顺利进行。本文重点对钢板桩围堰、临时支架的施工方法以及临时结构物的设计过程进行了介绍。在围堰的设计中，包括入土深度的确定；静水压力、流水压力计算；土压力的检算；嵌入深度的计算等。还有对钢板桩等建立有限元模型，进行有限元的计算并通过手算配合电算进行验证，从而选择最优的设计及施工方法、截面类型等使工程造价最低。并在最后对钢板桩围堰和钢吊箱围堰的形式和设计方法进行对比起各自施工设计中的优缺点。1.3.2 课题研究的意义在施工中我们经常用到的临时性结构由于受施工条件、受力形式及用途等各方面因素的影响，有时难以达到理论上的最优，发挥其应有的效应。但我们应把它们设计的更加合理，或者说是近优。对于工程结构来说，只有受力合理才能充分发挥材料的作用。因此如何设计研究临时结构对桥梁工程的顺利安全高质量的完成具有重要的意义。通过对这个课题的研究，能够掌握许多国内外临时结构先进的设计施工方法、施工技术对钢板桩围堰、临时支架的施工方法以及如何检算他们这种临时结构物也有大致了解。通过对这个课题的研究，能够对施工中常见的问题有一定的了解。特别是钢板桩、临时支架施工，这种技术非常适合深水施工，但是他们还存在着许多尚待解决的问题，通过这个课题，可以对钢板桩、临时支架这种施工中存在的缺陷进行了解，思考解决的方法，并尽可能在以后的工作中避免这些缺陷。通过这个课题的研究，掌握了如何在流速较大的河流中对桥梁基础施工，施工流程等，并通过比较了解桥梁各种基础的优缺点，从而采用最合适的基础。3石家庄铁道大学毕业设计第2章 贝雷梁支架设计2.1 计算依据及参考标准建筑结构荷载规范钢结构设计规范桥梁工程(下) 向敏 主编 中国铁道出版社钢结构设计原理 张志国 张庆芳 主编 中国铁道出版社2.2 结构主要形式及截面类型该工程采用净跨度为12m的贝雷梁为临时施工桥梁，桥宽9m。桥梁主要构件自上而下主要为横梁、贝雷梁、支撑钢柱。横桥向主要受力构件为横梁，纵桥向主要受力构件为贝雷梁，各部分构件有效连接，焊接工艺连接用弹性连接(刚接)来模拟。为了保证模板的安全使用，贝雷梁中主要受力杆件为弦杆，故弦杆截面为双槽钢.。贝雷梁的的主要支架采用钢柱子。2.3 软件使用说明特点本结构采用midas6.71桥梁结构设计软件进行结构分析，本模型单元有梁单元，采用midas6.71可实现以上单元和结构的模拟计算。2.4 荷载分析竖向荷载主要包括梁段混凝土自重、钢结构(横梁、贝雷梁)自重、临时施工荷载(设备及人工荷载、混凝土浇筑冲击及振捣荷载)。箱梁截面图如下图所示：模板采用5mm的钢板，混凝土采用c45,密度2500kg/m梁自重：翼缘荷载(0.15+0.4)/225=6.875kn/腹板荷载 1.825=45 kn/箱室荷载 20.2525=12.5 kn/外模自重：0.00578.5=0.3925kn/内模自重：内模系统及液压系统 2kn/设备及人工荷载：2.5kn/图2-1 箱梁截面图混凝土浇筑冲击及振捣荷载：2kn/将结构的面荷载转为线荷载：梁自重翼缘荷载 6.8750.75/2=2.578 kn/m腹板荷载 450.75/2=16.875 kn/m箱室荷载 12.50.75/2=4.688kn/m外模自重：0.39250.75/2=0.15kn/m内模自重：20.75/2=0.75kn/m设备及人工荷载：2.50.75/2=0.9375kn/m混凝土浇筑冲击及振捣荷载：20.75/2=0.75kn/m荷载依次从底模传到横梁上，再由横梁传到贝雷梁上，为了确保结构的安全使用，对所受荷载乘以系数1.2。2.5 贝雷梁有限元分析计算按照空间整体结构对以上构件建立模型。单元模拟：梁单元结构。边界模拟：模板计算边界采用三面固结一面简支，横梁与贝雷梁之间均为弹性连接(刚接)，支撑钢柱与地面基础固结(钢柱与混凝土浇筑在一起)。用有限元分析，利用midas建立结构模型如图2-2所示图2-2 三维模型图2.6 midas有限元软件计算结果分析2.6.1 横梁受力分析2.6.1.1应力计算由程序计算可知，横梁在荷载作用下，产生的弯矩图如图2-3所示：图2-3 横梁弯矩图(单位kn.m)横梁在荷载作用下，产生的剪力图如图2-4所示：图2-4 横梁剪力图(kn)横梁在荷载作用下，应力组合图如图2-5所示：图2-5 横梁组合应力图(pma)由程序计算可知，横梁在荷载作用下，产生的最大组合应力、剪应力分别为146mpa、18.9mpa，故按最大组合应力来计算结构的安全。该横梁受拉区最大应力：=146mpa，查钢结构规范，q345钢材的抗拉和抗压强度均为310mpa，所以=146mpa310mpa，故满足要求。该横梁最大剪应力为：=18.9mpa 最小剪应力为=-18.9mpa查钢结构规q345钢材的最大抗剪强度为180mpa 故 =18.9mpa=180mpa 故横梁的抗剪强度也满足要求。2.6.1.2 刚度验算通过有限元分析，横梁位移图如图2-6所示：图2-5 横梁位移图由图中可以看出，横梁在荷载作用下，最大位移是是7.7 mm该点处的挠度为=7.7mm=l/400=6000/400=15mm 故挠度满足要求2.6.2贝雷梁受力分析2.6.2.1 强度验算贝雷梁弯矩图和应力图分别如图2-6和2-7所示：图2-6 贝雷梁弯矩图图2-7 贝雷梁应力图由图中可以看出贝雷梁所受最大应力=13.16mpa140 mpa(满足要求)2.6.2.2 弦杆稳定性验算弦杆(压杆)中受压力最大为=260kn。杆件长细比计算公式如下：=下面计算杆件长细比：= =150/3.94=38.7双槽钢属于b类截面，查钢结构规范得： =0.906 由 得：=127.4 mpa0.906310=280.6mpa为轴心压杆容许应力的折减系数为杆件受压截面积为杆件长细比 为弦杆的计算长度为界面的回转半径为材料容许应力为受压截面关于轴的惯性矩(z轴为弱轴)故弦杆稳定性满足要求。2.6.3 竖杆内力分析2.6.3.1 竖杆内力验算贝雷梁剪力图如图2-8所示图2-8 竖杆剪力图从图中可以看出竖杆所受的最大剪力是81kn，贝雷架竖杆容许承载力为f=210kn =81knf=210kn(竖杆满足要求)2.6.3.2 竖杆稳定性验算竖杆中压杆的最大压力为n=81kn杆件长细比计算公式如下： =；=/；下面计算杆件长细比：=3.8cm=/=152/3.8=39.47查钢结构规范： =0.903由得：=89mpa0.903310=271.50mpa为轴心压杆容许应力的折减系数为杆件受压截面积为杆件长细比,为竖杆的计算长度为界面的回转半径为受压截面关于轴的惯性矩(y轴为弱轴) 故竖杆(压杆)的整体稳定性满足要求。2.6.4 斜杆内力计算2.6.4.1 斜杆内力验算斜杆受到的最大内力如图2-9所示：112kn图2-9 斜杆最大内力图贝雷架斜杆容许承载力为f=171.5knf=112knf=171.5kn故斜杆满足要求。2.6.4.2 斜杆稳定性验算斜杆受到的最大内力是112kn，杆件长细比计算公式如下：=；=/；下面计算杆件长细比： =3.8 cm， =212/3.8=55.7查钢结构规范：=0.833由得：=155mpa0.883310=273mpa 为轴心压杆容许应力的折减系数a为杆件受压截面积为杆件长细比为斜杆的计算长度为界面的回转半径为受压截面关于轴的惯性矩(z轴为弱轴)故斜杆(压杆)的整体稳定性满足要求。2.6.5钢柱受力分析2.6.5.1钢柱强度验算刚柱受力如图2-10所示：图2-10 钢柱受力图从图中看出，钢管受到的最大内力是365kn，其截面积是a=n/ a= mpa10,可将钢柱看做受压杆件)=0.41mpa0.15=0.150.248190=7.068mpa 故=1.0为构件在弯矩平面内(y-z形成的平面)的长细比是考虑弯矩因构件受压而增大所引入的值为按轴心受压构件得到的容许应力折减系数为压弯构件在弯矩单独作用时的容许应力折减系数w为抗弯截面系数。故钢柱受压总体稳定性满足要求。2.7 支架施工作为大桥桥墩施工的临时支架，其主要作用是为在不影响交通方便的情况下继续施工，其平面布置主要包括：工作面的大小、辅助桩的桩位、上部杆系结构等内容，影响临时支架设计的主要因素有：大桥墩台桩位布置、施工工艺的选择、施工设备的组合等。上部结构均为可拆卸式，钻孔桩施工完成后，墩台基础以上部分拆除，周转到其它墩位使用。这样就减少了施工的占用时间，周转材料总量大大减少 ，很大程度上降低了工程成本。 临时支架施工流程图见图2-122.7.1支架的安装(1)首先，采用全站仪进行测量定位，放线。(2)将履带吊开到指定的位置。(3)为了控制钢管桩的垂直度，设置导向架。为便于安装拆卸，支架设计形成模块化，标准化，减少占用栈桥时间。支架的施工顺序由栈桥横向逐孔推进，采用50t履带吊机配dz-90振动锤下沉钢管桩.(4)打桩时吊装振动锤和桩帽与桩顶连接。将桩吊至设计桩位后，慢慢放松吊桩钢丝绳，直至桩通过导向架落于路面，并再次校正桩的垂直度，确保桩位与桩的垂直度满足要求后，开动振动锤振动，每次振动时间不宜超过1015min，时间过长则振动锤易遭到破坏，时间太短则难以下沉。每根桩的下沉应一气呵成，不宜中途停桩或长时间停打，以免桩周土恢复造成下沉困难。接桩过程的桩与桩之间焊接质量经检查合格后重新进行打桩，直至将桩打到设计深度。(5)检查桩的偏斜及入土深度与设计无误后，在桩顶铺设横向贝雷梁，横向贝雷梁是预制好的杆件，由汽车运至现场。横向贝雷梁与钢管桩连接，并在钢管桩间通过剪刀撑，使其形成整体。(6)安放完横向贝雷梁，检查无误后再安放纵向贝雷梁。由于贝雷梁是主要受力杆件，所以横纵贝雷梁均采用q345钢。以增大构件的容许应力，保证结构的安全。(7)在纵向贝雷梁上横向铺设工8，工字钢每隔0.5m铺设一根。(8)在工8上再纵向铺设一层槽10钢，槽10钢每隔0.3m铺设一根。最后在槽10钢上铺设一层8mm厚的钢板。以便于车辆的行走。工8及槽10均采用q235钢。均可满足结构的要求。以上完成了铺设完平台的主体结构。安放下层贝雷梁铺设工字钢、槽钢及钢板四周安放护栏等剪刀撑加固测量放线履带吊就位导向架安装振动打桩安放下层贝雷梁 图2-12 贝类架施工流程图(9)为了施工时的安全，要在铺设完主体结构后安放护栏。(10)最后要进行剪刀撑的加固。2.7.2支架的拆除钻孔桩结束后, 即可拆除施工平台。先解除平台与护筒约束, 然后, 水下切割钢护筒, 将4 根支承桩与平台梁可在支承桩上自由调整高度, 它增强平台整体抗水冲击和冲刷能力, 充分发挥钢护筒钻孔护壁和承力双重作用, 简化了平台结构。(1)首先拆除护栏等附属结构。(2)将最上层8mm厚的钢板卷起，再将槽10钢，一根根抬起。再将工字钢全部抬起，用汽车运至仓库。(3)在拆除完铺设模块后，将纵向及横向贝雷梁一一拆除。小心存放。(4)钢管桩的拔除是平台拆除中的难点，50t履带吊机站在走行线上，配合dz90振动锤拆除钢管桩。2.7.3 临时支架施工操作要求(1)面板可以分块铺放，在接头处，面板必须与下面槽钢焊接好，防止面板处于悬空状态。(2)应合理布置施工机具和材料堆放的位置，避免平台受载不均匀。(3)在环境恶劣的条件下，由于钢板损失比较严重，可以适当加厚钢板。(4)在履带吊及混凝土车行走过密处，槽钢及工字钢应适当加密；同样为了节省钢材可以在荷载较小的区域适当降低槽钢和工字钢的铺设密度。(5)在施工过程中，履带吊只能在规定路线行走，并且严禁出现单边着地的情况，以免冲击过大造成安全事故。(6)履带吊在吊重最大时行走，应缓慢稳重，避免出现过大的冲击荷载。(7)在上下层贝雷梁以及工25的铺设过程中最好将交叉点置于贝雷梁的节点处，不要置于弦杆跨中；在铺设贝雷架分配梁(下层贝雷梁)时最好将贝雷梁的节点置于其上方。(8)当钢材出现严重的锈蚀或损坏时应及时更换材料。(9)钢管桩之间应设足够的剪刀撑和横撑。(10)在施工开始前，必须确保工作人员以掌握安全常识、相应的专业知识以及平台施工时所需注意的事项，确保施工安全。(11)在施工过程中应时刻注意平台各个部位是否变形过大，如果出现异常情况，必须立即停止施工，待查出原因，解决问题后方可施工。(12)时刻注意钢管桩所处海床面的冲刷深度，保证钢管桩的入土深度。(13)在大风、大浪等恶劣天气情况下，应停止施工，确保安全。2.7.4 贝雷梁整体稳定性设计根据招标资料及现场调查，临时支架设计考虑的地基沉降的影响，保证了钢管桩的入土深度；在设计时钢管桩横向之间设有剪刀撑及横撑，并且钢管桩通过贝雷架分配梁连接成整体，同时贝雷梁之间也设有横向连接，保证了临时支架的整体性；为了增强支架的整体稳定性，支架和栈桥铰接在一起，可以抵抗水平风荷载及机械设备所产生的水平力。在施工期间，可以安排专业人员观察各个桩的沉降深度并做记录，当钢管桩所处地面出现冲刷深度超过安全界限时，及时进行堆沙抛石并在流水方向设分水板等防护措施，从而保证钢管桩的入土深度及平台的整体稳定满足设计要求。2.8 临时支架施工过程中应注意的问题 (1)平台的加固。平台设计时，钢管桩横向之间用剪刀撑或平联连接，并将桩顶贝雷架横梁与钢管桩联结成整体。贝雷架之间也用横联连接，以提高整体稳定性。对钢管桩上施工留下的孔洞，应及时进行修补。并经常对平台进行检查，发现有模块、贝雷梁杆件出现异常变形情况，应及时进行加固或更换，并分析原因，避免造成工程事故。 (2)支架的沉降设计。在施工和使用阶段，派专人负责测量各桩位的沉降深度并作记录，当钢管桩位置沉降深度较大时，及时进行抛石防护，确保支架的整体稳定及钢管桩的人土深度满足设计荷载要求。 (3)在钢管桩施打过程，除了采用定位架进行垂直度控制外，还应采用经纬仪在垂直的两个方向进行观测，整桩偏斜或顶部平面偏差与设计比较，如果误差超过10cm，应拔除后重新施打，保证钢管桩、贝雷梁的良好受力状态。 (4)钢平台面板模块分块铺放，并在接头处，用 u型卡子和贝雷梁连接在一起 ，保证整体的稳定性。 (5)当钢构件周转一定次数后，由于海上施工，钢构件锈蚀较为严重，在平台下次周转前均应进行除锈，并涂刷防锈漆和面漆。锈蚀严重，影响结构安全的，须做加固处理或者更换材料 。2.9 小结在考虑地形、经济、安全等因素,并结合该工程施工技术特点,考虑各种利弊设计深水施工平台，建立正确的计算模型，采用合理的计算方法，对临时支架施工各工况的受力进行计算分析，选取安全经济的构件尺寸；采取有效的施工措施、合理的施工顺序，从而保证施工平台在搭建过程中与建成使用时安全可靠，并在施工过程中根据施工场所向海中推进以及季节变化引发的地基局部沉降情况变化，对钢平台进行不断的优化。使之既能满足使用安全要求，又有利于缩短施工工期，尽可能地提高社会和经济效益。第3章 钢板桩围堰的施工设计3.1 基本资料59根据资料，基本情况如下：水流速度：3 m/s承台形状及尺寸：矩形，2013m土质：亚砂土水深:8m3.2 钢板桩围堰设计3.2.1 围堰形式、材料及尺寸工程采用圆形钢板桩围堰，型号为仿tsp-iii型钢板桩，材料采用q345，见图2-1、表3-1。图3-1 钢板桩截面图(单位：mm)表3-1 钢板桩截面参数型号尺寸单宽钢板桩断面系数宽度mm高度mm厚度mm断面积cm2/m断面二次矩cm4/m断面系数cm3/m单位质量kg/m2仿tsp-iv40017015.596.99467036276.13.1.2 钢板桩围堰内径尺寸的确定根据承台形状首先确定采用矩形围堰，确定围堰的长和宽分别可以将承台的长和宽向外扩展2m来确定。于是：围堰长=22+2=24m围堰宽=13+2=15m3.1.3 钢板桩嵌入深度的计算基坑抽水后，水渗流的最短流程为，在此流程中，水对沙粒渗透的力其方向垂直向上，若垂直向上的渗透力不超过沙的浮密度，即不涌沙，安全条件公式见式(2-1)： (3-1)其中为水头差，为引起水的渗流的最短流程。式中,安全系数，取2.0；海水的容重()，取10.2；砂的浮重度()，计算如下： (3-2)式中，g土颗粒比重；n土的孔隙量代入数据，得 m由于需要考虑施工中的误差，偏差等各种因素的影响，同时略去高于坑底的坑壁范围内的渗流的水头损失，用式(2-3)计算 (3-3)式中，安全系数，查询规范取为1.5海水的密度(kn/m3)砂的浮重度(kn/m3)海床面到钢板桩底部的高度(m)海平面到封底混凝土的高度(m)通计算得 所以嵌入深度取9m,渗流计算模式图见图:图3-2 渗流计算模式图(单位：m)3.1.4 单根钢板桩长度的确定3故单根钢板桩长度=嵌入深度+水深+预留高度=9+8+1=18m3.2 钢板桩围堰结构计算土质为亚沙土，根据地基与基础设计规范，查得亚砂土的有关数据如下：土的粘聚力c=20； 土的内摩擦角=30；土的容重=18；土的空隙率n=50%；土的颗粒比重g=2.72；3.2.1 荷载计算钢板桩围堰设计时的主要荷载有静水压力和流水压力。静水压力、流水压力的设计计算可在桥梁规范及相关的设计手册中查到。3.2.1.1 静水压力的计算4围堰外侧的静水压力是一个从海平面到海床面的一个三角形分布，内侧静水压力是一个从封底混凝土到海床面的三角形分布，如下图3-3所示：图3-3 单宽静水压力图(单位：kn)封底前最大开挖时，在最大抽水状态时，因为是透水土，故假定在混凝土底面标高处，内外水压相等，故静水压力见图3-4：图3-4 单宽静水压力简化图(单位：kn)水压计算：外侧最大水压力=9.81.016=156.8封底混凝土处的静水压力=9.81.08=78.43.2.1.2 流水压力的计算5作用于钢板桩围堰的流水压力可按式(2-4)计算 (3-4)式中，系数，矩形取1.33；取10.2 kn/m3于是流水压力的分布假定为倒三角形，其合力的着力点位于水位线1/3以下水深处。3.2.1.3 土压力计算根据朗肯土压力理论，外侧主动土压力用式(2-5)计算： (3-5)内侧被动土压力用式(2-6)计算： (3-6)式中，q地面均布荷载(kpa)，取0；土的容重(kn/m3)，取18 kn/m3 ；土的内摩擦角，取30；c土的粘聚力(kn/m3)，取20.0 kn/m3；z计算点到封底标高的距离(m)；外侧主动土压力当z=0时，=-23.09；当z=9.8时，=25.3；内侧被动土压力，式中，内侧土减去浮力后的水的容重，用式(2-8)计算： (3-8)=5.85当z=0时 =69.28 当z=9.8时 =241.27土压力计算图见图3-5：图3-5 单宽土压力计算图(单位：kn)相应粘着力高度用式3-10计算: (3-10) 3.2.1.4 嵌入深度检算通过对静水压力，流水压力，波浪力，土压力等的计算，钢板桩总的受力图如图3-8所示图3-8 单宽嵌入深度检算(单位：kn)假定第一个围囹设在水面以下1m处，则各种力所产生的力矩如下：静水压力产生的弯距：主动土压力产生的弯距：流水压力产生的弯距：被动土压力产生的弯距：安全系数： 因此，安全系数满足条件。3.3 钢板桩围堰受力分析将钢板桩作为支撑在两层顶撑和封底混凝土上的连续梁来计算其弯矩。把第一层顶撑布置在距离钢板桩顶端1m处，第二层顶撑布置在距离钢板桩顶端4m处，第二层顶撑布置在距离钢板桩顶端6m处.，围囹布置图见图3-9。图3-9 围囹布置图(单位：m)在封底混凝土达到设计强度可以支撑钢板桩时，板桩上有静水压力和流水压力的作用，净水压力力图是一个三角形，作用点位于三角形底边的1/3处，其受力状态见图3-10，流水压力图是一个倒三角形，可以看成是线性荷载，水面处值最大，水底面处值最小，可以根据三角形的相似定理，计算其大小，图中只考虑封底混凝土上部的流水压力，计算结果如如图3-11所示：图3-10 单宽静水压力图(单位：kn)流水压力：这里仅考虑封底混凝土以上部分，将流水压力当成一个均布力，用式(2-13)计算，流水压力图见图2-11：图2-11 流水压力图(单位：kn) (3-13)3.3.1 钢板桩内力计算：(1)把封底混凝土处看作简支；利用有限元程序，进行计算，弯矩图、剪力图、反力图分别见图3-12、3-13、3-14：图3-12 钢板桩弯矩图(单位：knm)图3-13 钢板桩剪力图(单位：kn)图3-14 钢板桩反力图(单位：kn)取=17.3knm钢板桩为仿拉森钢板桩，其单宽截面模量为2270，所以其弯曲应力为：(满足)由反力图可知，第一层支撑支座最大反力39.4 kn：第二层支座最大反力102.9kn，第三层支座最大反力109.8kn。作用在钢板桩的剪力不大于125kn，所以钢板桩的剪应力也符合要求。3.3.2 围囹的检算8(1)首先对第一层围囹进行检算，按照第一层支撑最大反力39.4 kn，其余三面受荷载27.6 kn。利用有限元软件midas建立模型，上层围囹应力图见图2-15：图3-15 第一层围囹应力图(单位：mpa)最大应力=134.2mpa210mpa 符合要求(2)对第二层围囹进行检算：受冲刷的一面受均布荷载为102.9kn、没受冲刷的三面受均布荷载为98.2kn。利用有限元软件midas建立模型，下层围囹应力图见图2-16：图3-16 第二层围囹应力图(单位：mpa)最大应力=292.8mpa，在第二层支撑即距钢板桩顶端4m处布置两道围囹，每道围囹所承受的最大应力=146.4mpa145 mpa，但工程中允许超过5%。所以，1146.4 mpa也符合要求。图3-17 第三层围囹应力图(单位：mpa)(3)对第三层围囹进行检算：受冲刷的一面受均布荷载为112.9kn、没受冲刷的三面受均布荷载为109.8kn。利用有限元软件midas建立模型，下层围囹应力图见图3-17：最大应力=327mpa，在第二层支撑即距钢板桩顶端6m处布置两道围囹，每道围囹所承受的最大应力=163.5mpa145 mpa，但工程中允许超过5%。所以，163.5 mpa也符合要求。由于在上层下层围囹都设置了横撑竖撑，所以要对横撑及竖撑稳定进行检算。3.3.3 压杆稳定性验算(1)首先对第一次层围囹进行验算，计算长度长度系数，当杆的两端为铰支是取0.25。l为杆的实际长度。由型钢表查的工32a的回转半径 长细比，由查得稳定系数杆的应力(2)第二层围囹横竖撑验算：由于第二层围囹是双层围囹设置。取应力最大的杆进行验算：计算长度长度系数，当杆的两端为铰支是取0.5。l为杆的实际长度。由型钢表查的工32a的回转半径 长细比 由查得稳定系数杆的应力(2)第三层围囹横竖撑验算：取应力最大的杆进行验算：同理可得到，杆的应力第一层，第二层及第三层围囹的横竖撑均符合要求3.3.4 围囹用钢量的计算第一个采用普槽32b，双角钢采用403。普槽32b的截面特性如表2-4所示表2-4 普槽32b的截面特性型号尺寸截面高度mm截面宽度mm翼缘厚度mm腹板厚度mm单位质量kg/m普槽32b32090141043.096那么槽钢的重量为角钢403的截面特性如表2-5所示表2-5 角钢40mm3mm的截面特性表型号尺寸肢宽mm肢厚mm截面面积mm2单位质量kg/m角钢403403235.91.852那么第一个角钢的重量为那么第一个围囹的用钢量为(2).第二个围囹用钢量第二个采用普槽36a，双角钢采用40mm3mm。普槽36a的截面特性如表2-6所示表2-6 普槽36a截面特性表型号尺寸截面高度mm截面宽度mm翼缘厚度mm腹板厚度mm单位质量kg/m普槽36a3609616947.799那么槽钢的重量为由于第二个围囹的角钢和第一个围囹的角钢一样，那么第二个围囹的角钢用量为第二个围囹的用钢量为由于第三个围囹的角钢和第而个围囹的角钢一样，那么第二个围囹的角钢用量为围囹总的用钢量:3.4 钢板桩施工钢板桩围堰方案简便易行，投资较小，回收率高。但对防渗和合龙技术要求高。钢吊箱投资较大不易操作、设备要求多工期长，但比较适合冲刷较大的深水施工。所以，一般首先选择钢板桩施工。钢板桩施工流程图见图3-19：3.4.1 施工前的准备(1)在拼接钢板桩时，两端钢板桩要对正顶紧夹持于牢固的夹具内施焊，要求两钢板桩端头间缝隙不大于3mm，断面上的错位不大于2mm，使用新钢板桩时，要有其机械性能和化学成份的出厂证明文件，并详细丈量尺寸，检验是否符合要求。对组拼的钢板桩两端要平齐，误差不大于3mm，钢板桩组上下一致，误差不大于30mm，全部的锁口均要涂防水混合材料，使锁口嵌缝严密。首先矫正钢板桩的长度、宽度、厚度是否符合设计要求。对钢板桩的平直度偏差进行调直，平直度偏差应在100mm以内，检查锁口，锁口处应涂抹黄油、进行防腐防锈处理。测量放线安放定位围囹插打钢板桩安放各层顶撑及竖撑基坑开挖浇注封底混凝土封底混凝土达到强度后抽水承台施工图3-19 钢板桩施工流程图(2)采用全站仪进行定位测量，用振动锤打入定位桩(3)在钢板桩上焊接牛腿安装围堰的导向框、钢板桩应由上游进行打插，在导向框上定出每一片钢板桩的位置。合拢是钢板桩打插中的重要环节，所以，钢板桩打插必须严格按照所确定的位置进行施工。开始的几片钢板桩位置同样相当重要。它们也起到了导向架的作用。3.4.2 施打钢板桩10钢板桩的打入方法主要有锤击法、振动法、静力压入法。三种方法各有不同的适用条件。锤击法适用于钢板桩长度较大的钢板桩。施工速度快，但不适用于软弱的粉土。另外，它的辅助设施规模大、噪声大、费用高。振动法不适用于较长的钢板桩或是较硬的土层，但它的辅助设施简单噪声小、费用和施工速度都适中、打桩或拔桩都可以使用。静力压入法是一种不常用的方法。它适用于长度较大的钢板桩噪声小、不适用于砂层和硬土层。它的辅助设施规模大，费用较高。钢板桩的施工流水段划分与桩的封闭合拢有关。流水段长度大、则合拢点少，相对积累误差大，轴线位移也较大，流水段长度小，则合拢点多，积累误差小，但封闭合拢点增加。钢板桩的打设方式分为“单独打入方式”和“屏风式打入方式”两种。单独打入方式即逐块打入，不需辅助支架，但易使钢板桩歪斜。误差积累后不易纠正。适用于钢板桩围堰精度要求不高、桩身长度较小的情况 ；屏风式打入方式是将多根钢板桩成排呈屏风状，分批施打，可减少倾斜误差积累，易于实现封闭合龙和保证施工质量 ，但插桩的自立宽度较大，需注意插桩稳定和施工安全，较单独打入法施工速度慢 ，除个别情况均适用 。为了保证钢板桩的稳固，需要在其插打时有一定的加固措施，它们分别如下：(1)采用一个作业段钢板桩施打完成后马上将作业段钢板桩与固定桩刚性相连(2)钢板桩施工一段落，就要开始做锚碇墙基的抛填，着手锚碇墙的施工，为及时通过锚拉杆固定钢板做好准备(3)钢板桩插打时可以做一个吊钩将钢板桩顶部与围囹吊挂连接，通过调整钢丝绳的长度来连接不同位置的钢板桩。钢板桩全部插打完后用钢筋或型钢将围囹与钢板桩通过焊接使其牢固，这样便可以保证钢板桩与围囹的整体稳定性。施工步骤：(1)首先安装围囹，围囹与环梁四周满焊，建立围囹支撑系统。围堰支撑随抽水和基坑开挖到相应深度后设置，严格控制分阶段开挖深度，每层支撑安装完成并检查合格后方可继续开挖。(2)进行钢板桩的打插，根据设计，选用仿拉森iv型，选用“单独打入方式”，采用浮吊悬挂振动锤插打钢板桩。插打时，浮吊首先需要准确定位抛锚，每根桩尤其是第一根桩打入时加强定位和双向垂直度检查控制，必须保证位置准确，垂直下沉，插打顺序由上游分两头向下游合拢，可一次打到设计标高，随时检查桩身是否垂直。施打也可分两部分完成，首先打到定位桩高度6m处，然后进行复打。钢板桩是刚性体，轴线方向锁口相连形成“一面墙”，所以，第一根钢板桩的垂直度就会影响到以钢板桩的垂直度 ，所以第一根是关键 。轴线方向垂直度要求控制在15mm范围之内。钢板桩桩身垂 直度要 求控制在10mm范围之内 。桩自身的垂直度关系到钢板桩前倾的问题，要求更为严格，其贯穿 于整个施工过程 。不仅有施工时的控制，也有钢板桩施工以后的加固控制 。打完钢板桩后进行验收。严格检查垂直度，以保证钢板桩的合拢。(3)基坑开挖 ，采用随撑随挖的方式抽水或开挖。抽水到河床面后，采用高压射水、吸泥的开挖工艺开挖河床土方，由中心向四周开挖，严禁超挖。在基底角部留置24个积水坑，坑深视基底渗水量决定，并用水泵昼夜排水，确保基坑内不积水。在开挖和整个施工过程中注意对桩墙的位移、沉降进行观测，遇异常情况立即停止开挖以及其它作业，通知坑内人员迅速撤离，并采取回灌、加撑等措施处理，加固后方可继续施工，以确保安全。(4)围堰封底及防渗，围堰封底方案选择钢板桩围堰结束后抽水 ，按预先设计好的方案 ，加设支撑 ，同时按设计标高清理堰内淤 泥、杂物。一般围堰内抽空水后 ，或多或少都有渗漏水 ，大多数工程都采用黄 油加锯木填塞的方法来防止渗漏水。围堰封底采用干封底施工方案 ，首先是 清除堰内淤泥、废渣等杂物，调平毛片石 ，再用小石子填塞缝隙 ，最后进行浇注 。清底、封底工作要快。提前作好准备工作，整个工作控制在 4小时以内最好 。同时注意周边渗水的排除 ，不得让水浸泡混凝土 ，并要随时观察有无翻砂现象 ，若有要及时进行找补。(5)钢板桩的拆除内支撑拆除完成后 ，绑扎墩身钢筋、立模 、浇注混凝土墩身施工完成后 ，拆完模 ，在承台上焊好零号块支撑钢管 ，然后向堰内打水至堰外标高 ，就可以拆除第一道内支撑 ，最后拆除钢板桩 ，拆除的过程是插打的逆过程 。3.4.3 围囹的制作安装方法围囹的加工制作安装，对钢板桩围堰的垂直插打及整体稳定起重要作用，必须准确稳固。每个围囹可等分为4部分，在加工厂加工制作，运至施工现场拼接安装。围囹直径制作及现场拼接允许偏差均不大于10 mm，施工误差不能累加；两道围囹安装时竖向要求必须同心，平面必须水平，其中心及水平安装允许偏差不大于10mm。在进行安装围囹前，先进行定位测量。水中围囹距岸边或已成墩(或施工便桥)较远者，用前方交会法定位。围囹的安装，一般是先打定位桩或作临时施工平台。当不设定位桩时，直接悬挂在浮台上，待插打入少量钢板桩后，逐渐将导框固定到钢板桩上。3.4.4钢板桩下沉(1)钢板桩插打前的准备将新旧钢板桩运到工地后，详细对其检查、丈量、分类、编号，同时对两侧锁口用一块同型号长23m的短桩作通过试验，以23人拉动通过为宜，或采用卷扬机拖拉，有条件时，采用检查小车进行。锁口通不过或桩身有弯曲、扭曲、死弯等缺陷，采用冷弯、热敲(温度不超过8001000)、焊补、铆补、割除、接长等方法加以整修。同时接头强度与其它断面相等，接长焊接时，用坚固夹具夹平，以免变形。在焊接时，先对焊，再焊接加固板，对新桩或接长桩，在桩端制作吊桩孔。(2)插打顺序3海湾存在两个方向的水流阻力，钢板桩插打从一个侧面开始向上、下游分别插打到一定深度，再在另一侧插打合拢。然后逐步分次振打至设计标高，尽量在退潮后插打水流方向处的钢板桩。(3)插打方法第一根定位钢板桩插打时，必须将钢板桩位置固定垂直后再进行插打。在插打过程中，及时认真地检查其垂直度。第一根定位钢板桩插打合格后，在上下两道围囹上焊接钢短梁将定位钢板桩一侧卡牢，再在另一侧插打钢板桩，在施工中要求钢板桩插打垂直，分散偏差，有偏即纠，调整合拢。钢板桩插打前在锁口内涂黄油、填塞锯末等混合物用来止水；组拼钢板桩时，用油灰和棉花捻缝，以防漏水。插打时在桩头处加焊钢板，以保护钢板桩头。围堰合拢后，经常观测围堰四周的冲刷状况，采取安装分水板及堆码砂袋的措施来减少潮水对围堰外侧的冲刷，确保围堰施工的安全。(4)抽水堵漏钢板桩插打完，即可抽水开挖。先支撑再抽水，并检查各节点是否顶紧，板桩与导框间木楔是否敲紧，防止因抽水而出现事故。抽水速度不能过快，且要随时观察围堰的变化情况。当锁口不紧密漏水时，用棉絮等在内侧嵌塞，同时在漏缝处撒大量木屑或谷糠，使其由水夹带至漏水处自行堵塞，在桩脚漏水处，采用砼封底等措施。(5)基坑开挖封底混凝土底标高为-1.35m。一般海床面标高为12m。所以围堰内基坑土方开挖深度为2.33.7m。基坑开挖时要避开大潮及7级以上大风天气，开挖时避免扰动围堰外土层，要求先挖中间土方，然后再将围堰内的周边土均匀下挖，周边在下挖过程中高度差不能超过20 cm；基坑内挖出的土方堆放在距围堰5.0 m以外；在水源充足的前提下可优先采用高压水枪配砂石泵进行开挖。(6)浇筑封底混凝土封底混凝土厚0.8m。浇筑封底混凝土在潮位较低时进行，按陆上干封法完成封底混凝土的施工。封底混凝土中混入早强剂，以便在短时间内提高封底混凝土的强度，从而能抵抗涨潮时水对围堰作用的水压力。在封底混凝土浇筑完成后，用塑料布将封底混凝土表面覆盖，以便涨潮时可向围堰内注入淡水，