69号墩钢板桩围堰结构计算书.doc

。69号墩钢板桩围堰结构计算书一、工程概况1、地形、地质和水文榕江特大桥69号墩，位于榕江靠近小里程侧河滩上，承台边距离河堤坡脚约2m。69号墩位置的原河床标高为+1.3m，桩基采用筑岛施工，筑岛地面标高为+2.6m。榕江特大桥20年一遇洪水位为+2.634m，69号墩承台施工时按+2.6m水位进行结构计算和分析。墩位处淤泥层厚达20m，根据地质报告，淤泥质土快剪试验粘聚力标准值C=5.77kpa，内摩擦角标准值=4.14o，天然重度=15KN/m3。2、钢板桩围堰结构69号墩钢板桩围堰内平面尺寸为21.6x16m，围堰顶标高为+3.0m，钢板桩底口标高为-15.0m，桩长18 m，钢板桩选用拉森型止水钢板桩。基坑开挖底标高-5.16m，基坑开挖最大深度7.76m，设置两道框架式内支撑，第一道内支撑设置标高为+1.9m，第二道内支撑设置标高为-1.4m，内支撑主要由工字钢梁和钢管撑杆组成。封底砼厚度80cm，封底碎石垫层厚度20cm， 3、钢板桩围堰施工方法钢板桩围堰打设完成后，采取边清淤、边抽水、边安装内支撑的施工方法，即在清淤到内支撑位置时，停止清淤，将水抽干后，安装该道内支撑，然后重新向围堰内灌水，继续向下清淤，逐次完成所有内支撑的安装，并清淤到设计基坑底标高。清淤到设计标高后，采取抽水后干浇法施工封底砼，若坑底渗大，则改为水下封底施工。承台分次浇筑，完成第一次承台浇筑后，在承台砼与钢板桩围堰间灌砂，然后拆除第二道内支撑，再进行第二、三次承台砼的浇筑，继续在承台与钢板桩围堰间灌砂，拆除第一道内支撑，施工墩身至围堰顶口以上后，拔出钢板桩。取受力更大的干浇封底砼的施工方法进行围堰结构验算。69号墩钢板桩围堰施工方案图二、计算依据1榕江特大桥第6769号墩立面布置图 （2009年3月）2榕江特大桥工程地质勘察报告 （铁道第四勘察设计院 2007年11月）3榕江特大桥69号墩承台施工方案4铁路桥涵设计基本规范 （TB 10002.12005）5铁路桥涵地基和基础设计规范 （TB 10002.52005）6桥涵（公路施工手册）7铁路桥涵施工规范 （TB 102032002）8钢结构设计规范 （GB 50017-2003）9.建筑基坑支护技术规程 （JGJ120-99）10.建筑施工计算手册三、计算参数取值1、钢材弹性模量E=2.1x105Mpa，泊松比取0.3。2、Q235钢抗拉、抗压和抗弯强度设计值f=215Mpa，抗剪强度设计值fv=125Mpa。3、淤泥质土天然容重=15KN/m3，粘聚力标准值C=5.77kpa，内摩擦角标准值=4.14o。4、钢筋砼容重取26 KN/m3，素砼容重取24 KN/m3。5、主要计算构件的截面特性表1 主要计算构件截面特性表构件截面积A(cm2)惯性矩Ix (cm4)截面模量Wx(cm3)回转半径i(cm)钢板桩（1米宽）238.8347312037400x5钢管62.812096.8604.814600x8钢管150.761630520543.5213I36b250.9497222762.42I25a9710034802.812.5，9I25a48.515017401.410.2，2.4四、计算工况工况一：基坑内清淤至+1.3m标高位置，基坑深度1.5m，准备安装第一道内支撑，钢板桩为悬臂状态，取下端固结状态进行计算。工况二：基坑清淤至-2.2m标高位置，基坑深度4.8m，准备安装第二道内支撑，钢板桩按弹性地基梁计算。工况三：第二道支撑安装完后，基坑清淤至设计坑底-5.16m标高位置，基坑深度7.76m，钢板桩按弹性地基梁计算。工况四：封底砼浇筑完成，基坑深度6.76m，封底砼看做一道内支撑，钢板桩按带悬臂的两跨连续梁计算。工况五：浇筑完成第1次承台砼，承台与钢板桩之间填砂，拆除第二道内支撑，钢板桩按带悬臂的简支梁计算。五、计算内容1、钢板桩打入深度计算。2、钢板桩围堰抗管涌计算。3、钢板桩围堰基坑底抗隆起计算。4、封底砼厚度计算。5、钢板桩结构受力计算。6、内支撑结构受力计算。六、结构计算1、钢板桩打入深度计算按工况三计算钢板桩打入深度，即钢板桩清淤到设计坑底标高-5.16m，基坑内抽水，基坑深度7.76m，钢板桩入土深度9.84m。用盾恩法近似计算钢板桩入土深度。按土压力相等原理计算淤泥质土综合内摩擦角：D=/2-2arctantan(45-/2)-2C/H=10.5H：计算基坑深度，7.76mC：粘聚力，5.77：快剪内摩擦角，4.14主动土压力系数计算：Ka=tan2(45-D /2)=0.69被动动土压力系数计算：Kp=tan2(45+D /2)=1.45由下图，MR的斜率：Kn=（Kp-Ka）=15（1.45-0.69）=11.4主动土压力e1=MQ=Ka.H=0.69157.76=80.3KN/m2DB板桩上的荷载GDBM一半传至D点，另一半传至被动土压力MRB，则：.（Kp-Ka）.x2-Ka.H.x-Ka.H.L5=0150.76 x2-0.69157.76 x -0.69157.763.76=011.4 x2-80.3 x -302=0解得 x=9.76m9.84故，钢板桩打入基坑底以下深度不小于7.76m，则板桩总长度：L=7.76+9.76=17.52，实际取18m。2、钢板桩围堰抗管涌计算钢板桩围堰不发生管涌的条件是：满足最大渗流力不大于土体浮容重，即：K.j.wbK:抗管涌安全系数，取1.5j：最大渗流力，j=h/(h+2t)w：地下水重度，取10KN/m3b：土的浮容重，b=-w=5KN/m3h：基坑深度，7.76t：钢板桩入土深度，9.84K.j.w=1.57.76/(7.76+29.84)10=4.2b=5，不会发生管涌。3、基坑底抗隆起计算当围堰内先抽水，再干浇封底砼时，需要进行基坑底抗隆起计算。取最不利的工况三进行计算。抗隆起安全系数:K=(2.H.Ka.tanD +2.C)(.H )+(2.H2.Ka. tanD +4H.C)(.H.h )= (21517.60.69tan10.5+25.77)(1517.6)+(21517.620.69tan10.5+417.65.77)(1517.67.76 )=1.191.1故，基坑不会隆起。4、封底砼厚度计算4.1 按垂直渗流力不超过封底砼自重计算封底厚度即：Ks.j.w.gc.g.x1.057.76/(7.76+29.84)10=3.0则封底最小厚度：X=3.0/c=3.024=0.125m4.2 按封底砼承受第一次承台砼重量计算封底厚度承台第一次2m厚钢筋砼的重量由封底砼与桩基间的摩阻力承担，封底砼自重不计，根据相关试验数据及经验，封底砼与桩基间的摩阻力可取300KPa。第一次承台钢筋砼重量:G=262014.42=14976KN封底砼与桩基间的摩阻力：F=12（3.1420.8300）=18086KNG故，封底砼厚度取0.8m满足要求。5、钢板桩结构计算5.1 内力计算工况一：钢板桩悬臂长度L=1.5m，按一端固结计算。最大弯矩M1=.Ka.L3=150.691.53=5.82KN.m剪力N1=11.64KN工况二：按弹性地基梁计算，基坑以下的钢板桩上的弹性支座取1m/个，计算宽度b取1m，淤泥质土的地基比例系数m取2000KN/m4。地基系数C=m.b弹簧系数Ki=hi.b.(C上+C下)/2计算简图及结果如下：计算简图弯矩图（KN.m）剪力图（KN）变形图（m）本工况下钢板桩最大弯矩M2=102KN.m，最大剪力N2=60.8KN，第一道内支撑位置的支点反力R1=68.8KN，最大挠度f2=6mm（基坑底附近）。工况三：按弹性地基梁计算，基坑以下的钢板桩上的弹性支座取1m/个，计算宽度b取1m，淤泥质土的地基比例系数m取2000KN/m4。地基系数C=m.b弹簧系数Ki=hi.b.(C上+C下)/2计算简图及结果如下：计算简图弯矩图（KN.m）剪力图（KN）变形图（m）本工况下钢板桩最大弯矩M3=142.4KN.m，最大剪力N3=163.6KN，第一道内支撑位置的支点反力R1=15KN，第二道内支撑位置的支点反力R2=256.1KN，最大挠度f3=6mm（基坑底附近）。工况四：浇筑完封底砼后，将封底砼视作第三道内支撑，取封底砼中点以上部分按两跨连续梁计算。计算简图及结果如下：计算简图弯矩图（KN.m）剪力图（KN）变形图（m）本工况下钢板桩最大弯矩M4=48.85KN.m，最大剪力N4=51.6KN，第一道内支撑位置的支点反力R1=17.8KN，第二道内支撑位置的支点反力R2=163.4KN，封底砼位置的支点反力R3=82.58KN，最大挠度f4=0.6mm。工况五：浇筑完第一次承台砼后，在承台与钢板桩之间填砂，拆除第二道内支撑，取第一次承台砼顶面以下0.48m位置作为一个支撑点，则钢板桩按一端悬臂的单跨简支梁计算。计算简图及结果如下：计算简图弯矩图（KN.m）剪力图（KN）变形图（m）本工况下钢板桩最大弯矩M5=79.67KN.m，最大剪力N5=87.43KN，第一道内支撑位置的支点反力R1=54.7KN，第二支点反力R2=87.43KN，最大挠度f5=2mm。5.2 强度、刚度验算钢板桩在五个工况情况下最大弯矩为M=M3=142.4KN.m，最大剪力N=N3=163.6KN。则最大弯曲应力：弯=M/W=(142.42037)1000=69.9MPa【】最大剪应力：=N/A=（163.6238.8）10=6.9MPa【】钢板桩最大挠度f=f3=6mm，挠跨比为1/623。钢板桩强度和刚度均满足设计要求。6、内支撑结构计算6.1 内力计算第一道内支撑：内支撑承受钢板桩传递过来的水土压力，作用在内支撑上的荷载取钢板桩结构计算时的最大支反力，第一道内支撑取工况二的钢板桩支反力R1=68.8KN，即作用在内支撑框架梁上的线荷载为q1=68.8KN/m。计算简图及结果如下：计算简图弯矩图（KN.m）剪力图（KN）轴力图（KN）变形图（m）第一道内支撑框架型钢最大弯矩M=93.5KN.m，最大剪力N=148.4KN，最大轴力F1=555KN。中支撑杆最大轴力F2=376KN，斜支撑杆1最大轴力F3=303KN,斜支撑杆2最大轴力F4=373KN。最大挠度f=10mm（斜支撑1附近，即2#和3#单元连接附近）。第二道内支撑：第二道内支撑取工况三的钢板桩支反力R2=256.1KN，即作用在内支撑框架梁上的线荷载为q2=256.1KN/m。计算简图及结果如下：计算简图弯矩图（KN.m）剪力图（KN）轴力图（KN）变形图（m）第二道内支撑框架型钢最大弯矩M=309.5KN.m，最大剪力N=519.4KN，最大轴力F1=2071KN。中支撑杆最大轴力F2=1389KN，斜支撑杆1最大轴力F3=1149KN,斜支撑杆2最大轴力F4=1308KN。最大挠度f=12mm（斜支撑1附近，即2#和3#单元连接附近）。6.2 强度、刚度验算第一道内支撑：1）框架型钢2I25a最大弯矩为M=93.5KN.m，最大剪力N =148.4KN，最大轴力F1=555KN。则最大弯曲应力：弯=M/W=(93.5802.8)1000=116MPa【】最大剪应力：=N/A=（148.497）10=15MPa【】最大轴应力：轴=F1/A=(55597)10=57MPa【】中支撑附近框架型钢最不利应力：弯=弯+轴=(85.3802.81000)+（5509710)=163MPa【】框架型钢最大挠度f=10mm，挠跨比为1/10801/600。框架型钢强度和刚度均满足要求。2）中支撑杆最大轴力F2=376KN。最大轴应力：轴=F2/A=(37662.8)10=60MPa【】压杆计算长度L=1600cm，=L/i=160014=114.3，查表得，轴心受压构件的稳定系数=0.453，则，=轴/=600.453=132MPa【】中支撑强度和刚度均满足要求。3）斜支撑杆1最大轴力F3=303KN。斜支撑杆1与中支撑杆结构相同，轴力和计算长度均比后者小，不需验算。4）斜支撑杆2最大轴力F4=373KN。最大轴应力：轴=F4/A=(37397)10=38MPa【】压杆计算长度L=378cm，=L/i=3789=42，查表得，轴心受压构件的稳定系数=0.89，则，=轴/=380.89=43MPa【】斜支撑2强度和刚度均满足要求。第二道内支撑：1）框架型钢3I36b最大弯矩为M=309.5KN.m，最大剪力N=519.4KN，最大轴力F1=2071KN。则最大弯曲应力：弯=M/W=(309.52762.4)1000=112MPa【】最大剪应力：=N/A=（519.4250.9）10=21MPa【】最大轴应力：轴=F1/A=(2071250.9)10=83MPa【】中支撑附近框架型钢最不利应力：弯=弯+轴=（291.42762.41000)+（2049250.910)=187MPa【】框架型钢最大挠度f=12mm，挠跨比为1/9001/600。框架型钢强度和刚度均满足要求。2）中支撑杆最大轴力F2=1389KN。最大轴应力：轴=F2/A=(1389150.7)10=92MPa【】压杆计算长度L=1600cm，=L/i=160021=76.2，查表得，轴心受压构件的稳定系数=0