桥梁临时结构设计注意研讨.ppt

桥梁工程临时结构设计探讨 路桥公司XXX 二 一六年XX 一 概述 桥梁工程施工设计桥梁施工是一项技术复杂而涉及面很广的工作 需要有周密的计划 完善合理的施工方法和精心的组织 合理组织施工往往是节约投资 缩短工期 提高综合效益的关键 桥梁施工应包括选择施工方法 进行必要的施工验算 选择或设计 制作施工机具设备 选购与运输建筑材料 安排水 电 动力 生活设施以及施工计划 组织与管理等方面的事务 设计制作施工过程中的临时性结构对保证桥梁工程的安全施工和良好质量具有重要的意义 也是施工过程中必须考虑的重要问题 一 概述 桥梁工程施工临时结构物在桥梁施工过程中 选择或设计 制作施工机具设备是施工过程中一项重要的任务 这些施工设备因在施工过程中使用且使用过后大部分设备不能在下一次工程中运用 而被称为施工临时结构物 施工临时结构物包括很多类型 砼浇注时用到的支架 模板 施工时进场和水上施工用的便桥 预应力砼悬灌时用到的挂篮 用于材料运输的缆索吊 高墩施工时用到的滑动模板 爬模和翻模 深水基础施工时用到的围堰等 一 概述 在进行不同类型的桥梁工程施工或一个桥梁的不同部分 位 时 要设计的临时结构是不相同的 在设计施工临时结构时 不仅要考虑结构的受力性能 而且要考虑结构的使用性能 结构的受力性能必须满足强度 刚度和稳定性 而使用性能则要考虑施工过程中的各项事项 如施工空间的要求 施工的易用性 结构在使用时的周转次数及施工过程中其它的特殊要求 二 桥梁工程临时结构物设计步骤 基本步骤1 收集临时结构设计相关基本资料 如当设计围堰结构时 必须收集地质 水文 气象等方面的资料 具体包括水流流量 流速 水深 土层分布等情况 另外还必须参考基础的设计图纸以确定围堰的尺寸 设计一个挂篮时则必须收集风速资料 桥梁结构细节和施工荷载等方面的资料 二 桥梁工程临时结构物设计步骤 2 确定结构的形式 并根据基本资料定出结构的具体尺寸 在收集基本资料的基础上 选择合理的临时结构的形式 如在设计围堰时要考虑采用何种类型的围堰 在设计挂篮时也有很多种结构类型可以选择 应根据工程实际情况选择合适的临时结构的类型 在结构形式确定后 根据基本资料初步确定结构的具体尺寸 二 桥梁工程临时结构物设计步骤 3 进行结构计算图示简化 对结构受力进行分析 对具体结构进行简化得到正确的计算图示是进行结构力学分析的基础 只有在确定了正确的计算图示后才能进行计算 力学计算图示简化的难点在边界条件和连接 在进行受力计算时 计算方法先前多采用手算 目前有限元的原理和计算程序已被广大桥梁工作者掌握和应用 在临时结构计算时也趋向于采用有限元法进行计算 尤其在一些大型复杂临时结构设计时 用传统的手算方法将不经济且很复杂 但有限元计算也不是万能的 如何对计算结果进行评估是有限元计算的关键 二 桥梁工程临时结构物设计步骤 4 进行结构细部设计计算 结构的细部设计主要是指结构的连接形式 栓接或焊接 结构的细小部位如吊箱围堰的吊耳等进行设计 结构细部设计对保证结构的施工安全至关重要 在桥梁工程施工中因结构细部设计不合理而发生事故的例子也很常见 因此 必须引起足够的重视 二 桥梁工程临时结构物设计步骤 5 对临时结构进行必要的试验或检测及施工过程的测控 临时结构的整体或部分构件加工完成后 进行检测或试验也是必须的步骤 如在围堰施工时 有时应进行气密性检验 在挂篮加工完成后应进行预压以求得结构的变形值 有些特殊结构也应进行试验以保证结构的安全 二 桥梁工程临时结构物设计步骤 6 结合工程实际情况确定施工方案 合理施工方案的确定是保证结构安全施工的前提 必须结合工程的实际情况确定细致 周密 详尽的施工方案 如用挂篮进行预应力砼梁的悬臂灌注施工时 在结构设计正确的前提下 也应对施工方案作详尽的考虑 尤其是施工机具和建筑材料的堆放 这些细微之处也不能忽略 否则会引起施工事故 二 桥梁工程临时结构物设计步骤 小结在进行施工临时结构设计时时 必须全面考虑各种因素 进行认真细致的计算分析并注意各种细小部位的设计 同时 也要做出符合工程实际的施工方案 并在施工过程中进行必要的试验和监控 确保结构施工的安全和质量 三 设计要点 1 荷载确定在设计临时结构前均应对结构所承受的荷载进行分析 确定荷载合理分配至结构 结构计算完后 应对所加荷载进行校核 校核荷载是否与设计值相同 有无增大或减少 这是一个非常重要的环节 2 工况确定结构设计应考虑到不同的工况 分析出最不利的工况 按最不利的工况进行计算 3 结构约束对设计多跨承重结构时 若承重结构纵梁为连续梁应考虑对纵梁布置约束应合理 三 设计要点 4 结构细节设计通常我们在做结构设计时 对主要构件应力取值是比较安全的 但成功的设计还取决于细节 比如 材料选取 一般设计误区是选用优质材料 因为优质材料应力高 但应注意优质材料提供的应力值均是在热处理状态 而所购材料一般均没有进行热处理 有的材料受温度影响 有的材料受加工状态影响 对重要结构件应考虑这些 三 设计要点 螺栓选取 也不是高强螺栓在何处都比普通螺栓好 因为这两者使用条件不同 效果就不同 结构的稳定性 大型临时承重结构 应充分考虑结构的整体稳定性 5 规范选用在临时结构设计中对荷载的组合 安全系数规定 结构处理一般应符合相关的规范要求 四 计算书参考标准 1 总体要求根据具体的施工方案对临时结构进行工况分析 分别计算结构在各工况下的强度 刚度及稳定性情况 保证结构满足现行规范或规定的要求 对复杂的结构分析建议采用MIDAS2006有限元软件 对简单的结构建议直接手算并附计算公式及简图 计算模型随同计算资料 四 计算书参考标准 2 计算原则 荷载 临时结构按照承载能力极限状态法设计 采用基本组合即静荷载作用的设计值效应和动荷载作用的设计值效应相组合 其效应组合表达式为 四 计算书参考标准 临时结构施工荷载 按时间考虑分为永久荷载 可变荷载和偶然荷载 施工期可变荷载一般可以分为基本可变荷载和其它可变荷载两类 施工期基本可变荷载一般包括施工机械 人群荷载等 施工期其它可变荷载基本是由环境荷载 泛指自然环境变化引起对结构的作用 重要的环境荷载有风荷载 波浪荷载 水流荷载等 引起的 环境荷载在结构施工期的随机性很大 结构设计或安全度评估时通常采用其最大值 四 计算书参考标准 材料设计强度 钢材强度设计值采用现行 钢结构设计规范 上规定 砼强度设计值采用现行 砼结构设计规范 上规定 木结构强度设计值采用现行 木结构设计规范 上规定 其他材料强度设计值采用相应现行规范规定值 四 计算书参考标准 3 计算书内容 基本要素 计算依据 a 设计资料 b 规范及行业标准 c 其它资料 工程概况 a 文字描述 b 主要结构布置图 方案综述 a 文字描述 b 工艺流程图 设计参数 a 材料规格型号参数表 b 材料强度设计值表 c 荷载分项系数表 整体工况分析 a 文字描述分工况情况 b 各工况分别计算分析 局部分析 a 文字描述 b 结构计算分析 四 计算书参考标准 工况计算分析内容 整体及局部 本工况描述 结构计算模型 a 结构计算模型图 b 结构单元类型及数量 边界条件 荷载类型及取值情况 变形分析结果 a 根据分析目的取舍分析结果 b 与允许值比较得出结论 允许值待定 内力分析结果 a 根据分析目的取舍分析结果 b 与允许值比较得出结论 四 计算书参考标准 应力分析结果 a 分别提取弯曲应力和剪切应力 b 与允许值比较得出结论 允许值待定 反力分析结果 a 根据分析目的取舍分析结果 b 与允许值比较得出结论 屈曲分析结果 a 取第一阶结果 b 与允许值比较得出结论 允许值待定 以上计算结果不是必备内容 根据实际情况取舍 四 栈桥 1 概述施工便桥是一种为满足工程施工和运输需要而修建的临时性桥梁 在山区跨越深沟山谷 或桥位处两岸的陆运与水运均不能满足施工和运输要求时 需修建施工便桥 四 栈桥 作为跨越水域施工的常见辅助施工结构 通常和码头结合使用 有着交通 起重 转运等功能 一般要求具备结构简单 造价低的特点 但应安全 牢固 四 栈桥 2 主要组成由下往上组成构件一般包括 钢管桩 或其他 排架 岸侧设桥台过度 及联结系横向主梁 型钢纵向主梁 贝雷梁 军用梁 大型钢等分配梁 小型钢桥面板 钢板 防滑设施 栏杆 路灯等附属设施 四 栈桥 3 主要设计依据 钢结构设计规范 GB50017 2003 砼结构设计规范 GB50010 2002 公路桥涵设计通用规范 JTGD60 2004 碳素结构钢 GB700 2006 铁路大型临时工程和过渡工程设计暂行规定 铁建设 2008 189号 四 栈桥 港口工程荷载规范 JTS144 1 2010 港口工程桩基规范 JTS167 4 2012 公路工程技术标准 JTJB01 2003 装配式公路钢桥多用途使用手册 六四军用梁手册 等 四 栈桥 4 栈桥设计要求钢栈桥设计一般应符合以下要求 钢栈桥顶面应高出施工期间最高水位0 5 1 5m 跨越通航河流时 栈桥下应满足相应通航净空要求 桥面宽度满足各种施工车辆及设施的使用要求 通航河流栈桥排架设计应考虑防撞措施 长栈桥应考虑设置会车平台 四 栈桥 5 设计过程简介 研究比较 明确功能 设计图纸 施工调查 地质 气象 水文资料 栈桥的功能 通过栈桥的各种机械设备 通过栈桥的最大和最重构件 四 栈桥 跨度 标高 水位选择 的确定 应从安全 经济 施工方便 满足通航和泄洪要求等方面综合考虑 设计要素 四 栈桥 栈桥平面位置确定 结合主体工程施工方法进行全面分析 考虑的主要因素有以下几点 施工机械靠近现场 方便作业 栈桥布置不得影响水上通航 如需船舶配合作业 栈桥优先布置在下游侧 尽量保证栈桥轴线与主桥轴线平行 尽量与钻孔平台相结合 四 栈桥 通航因素 主梁材料 施工方式 受履带吊机起吊能力制约 采用钓鱼法施工时一般9 12m 注 如地基较差 基础投入大 一般应尽量加大跨径 一般按连续梁设计 6 8孔一联 设计时 可对数种跨径经济性进行比较 打桩船打桩 整跨或整片安装上部结构的施工 跨度可大些 四 栈桥 栈桥标高先保证桥下净空 根据计算水位或最高流 冰 水位加安全高度确定 并保证不会形成流 冰 水 漂浮物阻塞 同时要考虑大堤 施工便道及施工平台标高 并尽量与其保持一致 尽量避免设计纵坡 0 5 1 5m 四 栈桥 栈桥结构确定 四 栈桥 设计荷载 四 栈桥 基础设计 四 栈桥 上部结构设计主梁 一般采用贝雷梁 军用梁桥面板 砼桥面板 自重大 造价低 钢桥面板 自重轻 造价高 四 栈桥 上部结构设计 大型钢作纵向主梁 跨度较小 贝雷梁作纵向主梁 跨度较大 小型刚与贝雷梁之间采用U型扣进行可靠连接 桥面板防滑 焊设小直径螺纹钢筋 四 栈桥 6 设计时的关键点及注意事项 根据使用条件确定设计类型 当河窄 水浅时可选用墩架梁桥 当河宽且具备贝雷桁架部件时 可选用贝雷桥 由于任务紧急 临时桥梁的修建不能短期完成时 或河水很深 河床泥土松软 桩基承载力不够且施工困难时 或河流通航 墩架梁桥净宽 净高不能满足要求时 可以考虑建造部分桥段易于拆散 组建的浮桥 当遇深山峡谷时 可选用索桥 四 栈桥 桩承载力 桩的分类 桩按承载性状分为摩擦桩和端承桩 四 栈桥 桩的布置和中距群桩的平面布置可采用行列式形 梅花式或环式 桩中距应符合以下要求 四 栈桥 负摩阻力正摩阻力 桩相对于周围土向下运动 土对桩施加向上的摩擦力 这种摩擦力构成了桩承载力的一部分 负摩阻力 桩相对于周围土向上运动 土对桩施加向下的摩擦力 这种摩擦力构成了桩荷载的一部分 减少了桩的承载力 还可能引起较大的沉降 四 栈桥 产生负摩阻力的原因 a 桩周有较大的堆载 引起桩周土的固结 b 桩穿过欠固结的软粘土或新填土进入硬持力层 土层产生自重固结下沉 c 软粘土地区 地下水下降或深基坑开挖降水等引起桩周土下沉 d 湿陷性黄土引起桩周土下沉 e 砂土液化和冻土融化 四 栈桥 砼桩施工时内力验算a 起吊 运输内力计算吊运内力时应考虑桩长 截面尺寸 吊点位置 桩架高度 下吊索长度 桩的实心段长度 桩的浸水长度以及吊立过程中桩轴线与水平面的夹角等 所选用的吊点位置及施工工艺宜使桩受力合理 b 锤击沉桩应力拉应力的标准值 预应力砼桩拉应力标准值分为5 0 5 5 6 0和6 5MPa四级 压应力的标准值 预应力砼桩和钢筋砼桩压应力标准值可取12 0MPa 20 0MPa 四 栈桥 一般桩基承载力 永久结构 临时结构系数有区别 港口工程桩基规范 公式 极限承载力 分项系数1 45 1 55 铁路桥涵地基和基础设计规范 公式 容许承载力 四 栈桥 公路桥涵地基和基础设计规范 公式 容许承载力 常用开口钢管桩一般不考虑桩端承载力 打入全风化或强风化岩也仅做安全储备 闭 半开时考虑 设计时根据桩径 有无闭塞效应 港口0 6m 和间距 倾斜度 施工平面偏差等因素 应考虑折减效应 四 栈桥 桩在水平力作用下的计算对于一般栈桥 可以不予以考虑水平力作用的影响 对于海上栈桥设计 需考虑波浪力以及强涌潮影响 考虑水平力或力矩作用时 采用假想嵌固点法计算 m法 四 栈桥 钢管桩振动沉桩控制振动沉桩共振理论 当桩的强迫振动频率与土壤颗粒的振频率一致时 土壤颗粒产生共振液化 足够的振动速度和加速度能迅速破坏桩和土壤间的粘合力 使桩身与土壤从压紧状态过渡到瞬间分离状态 沉桩阻力尤其侧面阻力迅速减小 桩在竖向力作用下下沉 激振力是反映振动桩锤综合能力的参数 桩在土中沉入时 激振力F必须大于桩与土之间的静摩擦阻力 如用f表示桩与土间的静摩擦力 fv表示有振动作用时桩与土间的摩擦力 则f与fv之间的关系可表示为F fv f 振动作用下摩擦力的降低系数 四 栈桥 振动沉桩除了要有必要的振幅和加速度 还必须有一定的参振重量以克服沉桩时的阻力 桩在土中的静阻力R与土层的标准贯入值N和桩的截面积S之间的关系为R 4NS 因此 在桩受到振动而使摩擦力显著降低时 桩就可以沉入到与 参振重量大约等于桩端阻力 的某一标高 简单来说 有时候我们的桩不能继续贯入 并不一定代表桩的承载力达到激振力所对应的力 也有可能是桩端阻力过大 使用液压振动锤时 贯入度不能作为沉桩到位的控制指标 四 栈桥 桩帽下图所示为工程中常用的桩帽形式 桩帽一钢材150kg 桩帽二钢材30kg 桩帽的作用是为荷载能够均匀的往下传递 受力性能上来说 桩帽一要优于桩帽二 但一般设计时 钢管桩应力并不作为主控指标 而是为达到一定的侧阻力选取的桩身截面 所以 从经济性来讲 对于不是桩身应力控制的钢管桩应优先选择第二种桩帽 这种桩帽还有一个优势就是拔桩时 不需要割除盖板 四 栈桥 7 靠船桩的设计作用在固定式系船 靠船结构上的船舶荷载包括下列内容 由风和水流产生的系缆力 由风和水流产生的挤靠力 船舶靠岸时产生的撞击力 系泊船舶在波浪作用下产生的撞击力等 相关计算公式可参照 港口工程荷载规范 四 栈桥 8 设计者应注意的事项 施工期将受到洪水 台风 风暴潮等不良气候因素的影响 设计应该有一定的安全储备 材料用量较大 尽量选择较为通用的型材 应尽量减少对型材的焊接 切割和破坏 做好防腐 控制变形量 方便周转使用 对施工人员进行交底并对施工质量进行检验 做好管养工作 对冲刷和桥上荷载的确定要尽量与实际吻合 五 围堰设计 钢板桩 锁口钢管桩围堰 1 围堰分类水中基础施工时一般要修筑围堰工程 以便进行排水挖基和砌筑基础圬工 深水基础一直是每座桥梁施工的难点 也是质量 工期 成本控制的重点 寻求经济 合理 施工周期更短的工艺来解决深水基础施工问题 是每一个工程技术人员的梦想 五 围堰设计 所谓围堰 就是在基坑四周修筑一道围护建筑物 把水隔开 以便在围护建筑物内进行开挖基坑和砌筑基础的工作 也可以说围堰是修筑地下和水中建筑物时 所做的临时性围护结构 其作用是防止水和土进入建筑物的修建位置 以便在围护结构内排水 开挖基坑 修筑建筑物 除设计规定作为永久性防护结构外 一般在墩台身修出水面以后 基坑回填完毕时即予拆除 以免妨碍水流畅通 加剧河床的局部冲刷 五 围堰设计 通常把围堰分为重力式围堰和轻型围堰 重力式围堰靠自身重量抵抗外侧水压力 只起防水作用 由于体积大 宜在浅水中使用 它多为采用土 草麻袋 砖石 木材和砼等制成 轻型围堰可分为木制围堰和钢制围堰 一般需沉入河床一定的深度 靠材料本身的强度来抵抗外侧的水土压力 故它不仅可以防水 还起挡土作用 可用于开挖较深的水中基础的施工 五 围堰设计 各类围堰适用范围 五 围堰设计 2 桥梁深水基础的特点 1 基础所受的水平力 如水流冲击力 船舶碰撞力 水压力 水撞力 波浪力等 要比陆上或浅水基础大的多 2 深水基础的稳定性与安全性 一般常受水文条件控制 所以对桥梁深水基础来说 水文条件与地质条件具有同等重要的地位 3 深水基础除了需考虑环境水的侵蚀外 还需要考虑潮汐 洪水以及流水所夹砂石与流冰的直接碰撞 磨损等问题 五 围堰设计 4 深水基础类型的选择不仅关系到基础造价的高低 还直接影响到桥梁工程的成败 5 深水基础应具有高抗自然灾害能力 这就要求其勘测设计时做大量 细致的勘测 6 深水基础属于水下隐蔽工程 其设计与施工时必须将水流流速 水深深度等因素及由水深所引起的其他约束条件联系起来综合分析 并采取相应措施 五 围堰设计 3 桥梁深水基础防水围堰的类别桥梁深水基础的防水围堰大致有以下几种 钢板桩围堰 砼围堰 双壁钢围堰 钢套箱围堰 钢吊箱围堰 锁口钢管桩围堰等 其中 钢板桩围堰主要为单壁结构 砼围堰又分为重力式钢筋砼围堰和双层薄壁钢筋砼围堰 钢套箱及钢吊箱围堰又分为单壁 双壁以及单双壁组合式钢套箱 五 围堰设计 4 围堰设计的要求 一般要求 围堰顶面应高出施工期间最高水位0 5 0 7m 平面尺寸要考虑施工季节的流水断面 尽量减少河床冲刷 围堰制作须接缝严密 减少渗漏 并防止堰外冲刷 应满足围堰断面的稳定与强度要求 围堰内面积应满足基础施工空间 主要由基础尺寸决定 的要求 应结合水流方向 流速等具体情况设计围堰施筑顺序 要节约材料 结合当地水文地质情况 就地取材 五 围堰设计 围堰高度一般情况下 围堰顶面应比施工期间可能出现的最高水位高出0 5 0 7m 以免溢水淹没基坑 故应向桥位附近的水文站 航运部门和当地居民了解和收集水位变化情况及有关水文资料 围堰的位置围堰的总体布置应与水流情况相适应 其原则是尽量减少压缩流水断面 以为河流断面被围堰压缩会使流速增大 从而引起河床的局部冲刷增大 五 围堰设计 围堰内侧轮廓尺寸与基坑的关系内部尺寸必须满足基坑开挖 排水 砌筑圬工等施工活动的需要 同时为了确保围堰的稳定 围堰内侧坡脚至基坑边缘之间应保留不小于1 0m的距离 围堰的断面与稳定性确定围堰断面时 应满足防止滑动及倾覆的要求 五 围堰设计 防渗漏围堰的渗漏应尽量减少 因为渗漏已发展扩大 往往影响基础的施工进程 围堰漏水 主要是填料时夯实不密实 或是填土中混有其他杂质 或者围堰结构钢材之间结合不够紧密所致 应结合实际情况 采取有针对性的具体措施减少 杜绝渗水 防冲刷筑堰后流水断面缩小 形成上流壅水 增加水流对河床及围堰的冲刷 为了减缓急流直冲围堰 应根据具体情况设计围堰形状 如上游侧设计分水尖等 同时采取适当措施 增强围堰抵抗外侧水流的冲刷能力 如在重力式围堰外侧增设土工织物或土袋围护等 五 围堰设计 钢板桩围堰 5 钢板桩围堰 1 概述 钢板桩围堰适用于水不太深 有覆盖层且可下沉钢板桩的土质 如砂类土 半干硬黏性土 碎石类土等土层 并可打入风化岩面等 五 围堰设计 钢板桩围堰 2 常见类型 主要分为U型钢板桩 Z型钢板桩 组合型钢板桩及900mm帽型钢板桩等 U型钢板桩Z型钢板桩帽型钢板桩组合型钢板桩 五 围堰设计 钢板桩围堰 拉森钢板桩截面性能 国产U型钢板桩属于拉森式钢板桩 国产常用钢板桩为 拉森 型 400 170 拉森 型 600 210 钢板桩正应力容许值 五 围堰设计 钢板桩围堰 3 钢板截面形式有 U型 Z型 直线型 组合型 异型等 五 围堰设计 钢板桩围堰 4 优点 对空间的要求小 对周边的影响小 施工简单 工期缩短 能按需要组成各种外形的围堰 可以重复使用 救灾抢险的时效性较强 如防洪 塌方 塌陷 流沙等 建设费用较便宜 五 围堰设计 钢板桩围堰 5 局限性 由于是组拼式结构 整体刚度较小 因此其抗水流及冲刷能力差 不宜于在流速较大的情况下使用 由于其本身强度 刚度局限 在水位较高 承台较深时 需设置强而密的内支撑 对后续的承台及墩身施工干扰很大 因此 不宜于在水位较高 承台较深的情况下使用 河床地质的要求较高 既要满足底部支撑力 又要满足较小渗流 对河床提出了较高的要求 因此 不宜在透水性强 承载力小的地层情况下使用 五 围堰设计 钢板桩围堰 6 工作原理 受力特点 利用开挖面以下内外侧土体被动和主动土压力的差值或桩底进入支撑土层形成支撑 依靠钢板桩自身的抗弯能力和内侧的支撑形成一个稳定的挡土 水 结构 防水原理 钢板桩依靠锁口相扣 组成连续墙 钢板桩受水压力变形后锁口收紧起到止水效果 五 围堰设计 钢板桩围堰 7 设计一般需要考虑 必须能够承受作用在其上的各种荷载 在每个施工阶段都必须保证施工面稳定 不发生不可控制的隆起 流沙或管涌 围堰墙体和支撑变形不能影响围堰附近的永久结构或其他既有结构 必须保证斜坡或潜在滑动面导致土体失衡时能够维持堰体整体稳定 围堰大小必须合适 能够满足其内部结构的施工要求 临时围堰必须要能够最大限度地回收和重复利用建筑材料 五 围堰设计 钢板桩围堰 8 主要设计依据 基础结构设计图 钢结构设计规范 建筑基坑支护技术规程 简明施工计算手册 支挡结构设计手册 土力学 基础工程 热轧U型钢板桩 GB T20933 2007 五 围堰设计 钢板桩围堰 9 设计过程简介 常用简化法计算 有限元法不常用 设计资料 参数需收集的资料 当地风力 施工期水位 可用的钢板桩型号 有哪些可利用的型钢等等 初步设计 结合实际情况确定围堰平面形状 尺寸 设计荷载确定 结构形式的确定 五 围堰设计 钢板桩围堰 常用结构形式 一般采用单壁的矩形 圆形等 五 围堰设计 钢板桩围堰 参数 高出设防水位0 5 0 7m 承台放宽0 5 1 0m 五 围堰设计 钢板桩围堰 设计荷载 土压力 朗肯 主动土压力 被动土压力 水压力 有水头差时作用在钢板桩上水压力 水位以下透水层中水土分算 土体重度取浮重度 水位以上土层及水位以下不透水层中水土合算 土体重度取饱和重度 五 围堰设计 钢板桩围堰 围堰周围施工荷载 承台自重荷载G 围堰设计荷载组合 封底砼设计荷载组合 水下封底砼粘结力取值可参照 铁路桥涵钢筋砼和预应力砼结构设计规范 表5 2 1第7项的相关规定 并考虑部分折减 例如C20可取150kPa 五 围堰设计 钢板桩围堰 设计流程 确定围堰施工方案 平面尺寸及顶标高 若采用水下封底 检算封底砼厚度和强度 围堰内支撑立面布置设计 计算钢板桩最小入土深度 围堰稳定性检算 软弱基底承载力 基底抗隆起 涌砂等 围堰内支撑平面设计 圈梁为压弯构件 横撑一般为轴心受压构件 五 围堰设计 钢板桩围堰 10 设计中的关键点和注意事项 设计原理钢板桩的稳定标准为不发生倾覆 分析时可假定桩底为充分嵌固不可自由转动 深埋 和可以自由转动 浅埋 两种模式进行分析 嵌固支承 深埋 自由支承 浅埋 五 围堰设计 钢板桩围堰 常规几种钢板桩计算方法 土压力分布土压力叠加 五 围堰设计 钢板桩围堰 五 围堰设计 钢板桩围堰 a 等值梁法 b 土压力分布 c 弯矩 d 等值梁 a 土压力分布 b 叠加土压力 c 弯矩 d 变形 单层支撑浅埋板桩计算简图 单层支撑深埋板桩计算简图 五 围堰设计 钢板桩围堰 等值梁法 图 a 中ab梁中c点弯矩为0 在c点将梁切开并将c点视为左端梁的简支点 铰接 简支伸臂梁ac称为ab梁中的等值梁 深埋钢板桩采用等值梁法计算 假定净土压力为0点 图 b 中c点 距基坑底y 即为反弯点 按等值梁计算A点反力和C点剪力 CD段荷载对C点取矩为0可求出有效嵌固深度x 桩入土深度为y x 求解等值梁AC剪力为0点位置 求得钢板桩最大弯矩 五 围堰设计 钢板桩围堰 盾恩近似法 五 围堰设计 钢板桩围堰 土压力计算理论钢板桩围堰计算一般采用朗肯土压力理论 简化为平面结构计算 即使采用空间结构 影响因素也很多 多层土的土压力计算方法 相关内容见 支挡结构设计手册 采用换算高度法把上一层土换算成下一层的超载 采用加权平均值法把多层性质相近的土层换算成一层土 五 围堰设计 钢板桩围堰 设计注意事项 钢板桩截面选用要满足自身材料强度 刚度要求 同时考虑经济性要求 注意开挖过程中围堰土层实际情况 与设计不符时应进行必要检算 五 围堰设计 钢板桩围堰 空间有限元法 平面有限元法计算 midascivil结构计算软件 约束作用模拟 空间有限元计算模型 平面有限元计算模型 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 6 锁口钢管桩围堰 1 基本构成 由钢管桩 阴头 阳头 止水袋 内支撑 内支撑横梁等组成 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 锁口阴阳头采用角钢与钢管焊接而成 阴阳头焊接预留的空隙 既要保证有足够的空间打入钢管桩 又要保证有效止水 为保证打入时 锁口阴阳头有足够的强度不脱落不变形 需在一定间隔范围内加焊三角加劲板进行固定补强 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 同时 为了打入顺利 采取桩尖补强圈补强 即在桩尖钢管50cm处外侧焊接10mm厚钢管补强圈 三角加劲板 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 2 特点 锁口钢管桩围堰综合了双壁钢围堰及钢板桩围堰的优点 相对其他围堰来说 锁口钢管桩围堰存在如下显著特点 截面强度 刚度大 支撑简单方便 施工速度快 制作 加工 安装下沉方便灵活 工艺简单 无须大型机具设备 不要大型浮运设施 适用于各种复杂地质 地层 如水下地层有障碍物 密集孤石 片石堆积等 层厚较大的软土 砂土地层 或有一定覆盖厚度的中风化泥岩地质 有水或无水环境均可适用 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 结构形式灵活 适用于各种形状水下承台基础形式 设备式投入 可重复利用 经济 实用 钢管桩拆除后 利用其做现浇梁支撑架 做跨路 跨防洪堤支撑柱 做深基坑开挖支护等 有很好的重复利用价值 3 缺点锁口简槽与荷头截面积不等 造成锁口钢管桩不对称 故易产生倾斜 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 4 工作原理钢管桩围堰是将单片钢管桩逐片插打入土中 相邻桩间通过锁口拼接形成能阻水和有一定强度的连续围堰 然后通过机械挖出 或抽砂方式 清除围堰内泥砂 并在清除过程中根据结构安全需要设置必要的内支撑 在清除达到需要的位置后根据围堰内基底透水情况 采用水下浇注或直接干处方式完成封底砼浇筑 最后抽干围堰内积水形成安全 无水基础 承台施工空间 基础或承台施工完成后 向围堰内回填砂土 达到内外平衡后即可用吊配合振动锤将钢管桩拔出 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 5 结构设计 检算内容目的 计算围堰内挖土和抽水时钢管桩和支撑中的应力是否安全 确定围堰内封底砼的强度和厚度并确定锁口的形式 使其能注浆止水 确保锁口在复杂受力状态下不被破坏 围堰在水流 风力 波浪作用下抗倾覆性检算 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 验算内容 围堰结构整体稳定性 钢管桩的入土深度 抗弯能力 钢管桩的整体和局部稳定性 内支撑强度及稳定性 封底砼厚度 强度 考虑荷载 流水压力 风压力 波浪力 土压力 施工附加力 锁口钢管桩围堰的受力与围堰内抽水 除土及封底的施工作业顺序有关 按最不利的工况分别进行验算 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 设计程序 设计资料收集 如气象 水文 地质等资料 还有加工制造 运输 吊装 桩锤等有关数据 围堰设计参数计算 如风力 水流 波浪 土压力系数 确定施工顺序 如对围堰支撑的要求 是水中去土 还是干挖 这一程序是关系围堰侧压力计算 很重要 绘出围堰总图 拟定钢管桩直径 锁口形式 支撑间距及平面布置 绘于总图中 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 围堰侧压力计算 进一步求出每米宽围堰的弯短和支撑反力 按以锁口中心宽度换算成每根管桩的弯矩和支撑反力 检算桩的应力 设计或检算支撑 按锤击沉桩的锤击力及允许的施工误差设计锁口 计算作用在围堰的风力 水流力 波浪力 检算围堰的抗倾覆的稳定性 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 设计要点 钢管桩截面的选择 钢管桩是围堰受力主要部件 根据 钢结构设计规范 规定及结合力学计算情况选择钢管 锁口的设计 锁口能否止水是围堰成败的关键之一 为保证锁口能止水 A 要保证锁口有足够强度不开裂 B 要使锁口有空腔可堵漏 C 堵漏选择了不易透水和易填压密实的材料 五 围堰设计 锁口钢管桩围堰 围堰内支撑设计 是围堰成功的关键所在 内支撑主要功能是阻挡支撑围堰外侧压力的 在设计时应考虑在围堰内封底砼之前 作用围堰上的风力 水流力 侧压力 风力等各种荷载应通过钢管桩传递给内支撑上 同时内支撑系统受力要明确 安装尽可能简单易操作 同时方便施工 封底砼的厚度和强度的确定 低强度砼 在抗静水压力和承托承台新浇筑砼重力时要增加厚度 则相应增加基底开挖量 增加钢管桩长度 若提高砼标号 厚度减薄 开挖量减少 桩长少 所以应适当提高砼的标号 减少砼厚度 五 围堰设计 计算示例 7 钢板桩围堰计算示例 1 工程概况地面标高 4 35m 承台顶标高 0 27m 底标高 1 73m 承台高2 0m 承台尺寸10 35m 8 1m 钻孔桩直径0 9m 钻孔桩4排 5列 桩间距2 25m 承台施工期间设防水位 4 0m 土层参数如下表 五 围堰设计 计算示例 2 设计参数初拟 围堰顶标高 4 5 基坑底标高 2 53m 初拟水下封底0 8m 基坑深度7 03m 初选12m长国产拉森 型钢板桩 围堰底标高 7 5m 初拟于 3 0m设一道支撑 初拟围堰尺寸11 95m 9 7m 承台放宽0 8m 五 围堰设计 计算示例 3 封底砼厚度初步检算封底砼厚0 8m 钻孔桩直径0 9m 共20根 钻孔桩与C30封底砼之间的粘结力取 封底砼验算 封底砼自重 粘结力 向下 浮力封底砼自重 承台自重 粘结力 向上 浮力 地基承载力检算封底砼应力 可分块按板单元检算或整体建模检算 五 围堰设计 计算示例 封底砼验算 封底砼达到强度后 围堰内开始抽水 此时应保证封底砼不被水压力顶起 抗浮系数 1 2 满足要求 计算封底厚度应适当增加 封底施工中考虑浮浆等影响 五 围堰设计 计算示例 4 钢板桩围堰计算 设计工况工况一 钢板桩插打完毕 基坑内抽水开挖至 2 0m 准备安装内支撑 3 0m 工况一受力简图 五 围堰设计 计算示例 工况二 内支撑安装完毕 基坑水下开挖至 2 53m 准备水下封底施工前 工况一受力简图 五 围堰设计 计算示例 工况三 封底砼达到一定强度后 围堰内抽水至封底顶面 1 73m 准备进行承台施工前 工况一受力简图 五 围堰设计 计算示例 围堰内支撑围堰内支撑由圈梁 角撑组成 圈梁采用3根I56a型钢焊接成箱型截面 角撑采用 600 8钢管 材质均采用Q235B 内支撑计算模型 圈梁四周承受线荷载 由工况分析结果得钢板桩对内支撑的反力为 内支撑自重乘1 1倍的安全系数 模型中释放角撑与圈梁节点处的梁端部约束 计算模型如下图 五 围堰设计 计算示例 封底砼强度工况三时封底砼底面承受静水压力 侧面承受钢板桩水平反力 封底砼计算模型如下 与钻孔桩粘结处为支承边界 五 围堰设计 计算示例 各工况计算结果 五 围堰设计 计算示例 基坑底抗隆起验算围堰开挖至 2 35m标高时 验算坑底土体抗隆起 取板桩底为验算的基准弧面 参照普朗特尔 Prandtle 地基极限承载力公式进行计算 抗隆起系数 满足要求 不小于1 7 2 5 Nq Nc 地基承载力系数 五 围堰设计 计算示例 透水基坑底涌砂验算在围堰内施工过程中 当抽水开挖至 2 0m标高时 围堰内外水头差为2m 检算此工况下有无可能发生涌砂现象 围堰内不发生涌砂的条件为 K 1 5 2 0相应在该工况下计算K 18 满足要求 六 现浇梁支架设计 1 概述就地浇筑时一种传统的施工方法 由于施工需要大量的模板支架 以前一般仅在小跨径桥或交通不便的边远地区采用 20世纪70年代以后 由于有限元法的推广和应用以及利用电子计算机进行复杂结构分析计算技术的发展 出现了越来越多的变宽桥 弯桥等复杂的预应力砼结构 支架现浇技术得到了广泛的应用 六 现浇梁支架设计 砼梁现浇施工 是指在桥跨的两墩之间 采用固定式或移动式承重结构 在梁部的设计位置上安装模板和钢筋就地浇筑梁体砼的施工方法 支架法施工过程比较明确 易于控制 设计计算也比较简单 六 现浇梁支架设计 2 支架法施工的优缺点 优点梁体砼浇筑与预应力张拉可一气呵成 连续梁整体性好 施工平稳可靠 施工中不需要体系转换 不会引起恒载 徐变二次矩 对机具和起重能力要求不高 无需大型起重设备 可以采用强大的预应力体系 施工方便 六 现浇梁支架设计 缺点施工中需要大量的脚手架 可能影响通航和排洪 对于桥墩较高 水较深的桥梁 支架施工不方便 设备周转次数少 工期较长 施工费用较高 六 现浇梁支架设计 3 支架类型及构造就地浇筑砼梁桥的上部结构 首先应在桥孔位置搭设支架 以支承模板 新浇筑砼等的自重及施工荷载 六 现浇梁支架设计 4 常用设备现浇梁支架常用设备主要有 脚手架 钢管扣件式脚手脚 碗扣型多功能脚手架 圆盘式脚手架等 万能杆件 贝雷梁 军用梁等 六 现浇梁支架设计 4 常用设备 钢管扣件式支架 由钢管 扣件和可调托撑等组拼而成 分类 直角扣件 旋转扣件 对接扣件 横 立杆连接 斜杆连接 杆件接长 六 现浇梁支架设计 配件 钢管 扣件 脚手板 可调托撑 宜采用外径48mm 壁厚3 5mm的焊接钢管 用于横向水平杆的钢管最大长度不应大于2m 其他杆不应大于6 5m 每根钢管最大质量不应超过25kg 以便适合人工搬运 采用锻铸铁铸造的扣件 对接扣件杆件对接连接 旋转扣件平行或斜交杆件间连接 直角扣件垂直交叉杆件间连接 螺栓 可用钢 木 竹等材料制作 每块质量不宜大于30kg 竹脚手板 则应用毛竹或楠竹制成竹串片板及竹笆板 分为底托和顶撑 分别设置在支架钢管顶部和底部 一方面作为支架与模板分配梁及地基的连接构件 另一方面 在一定范围内具有调节高差作用 六 现浇梁支架设计 碗扣式 主要杆件仍然是 48mm钢管 但是 钢管的连接点采用 碗扣 由碗扣接口 立杆 横杆 顶杆及可调托撑等组拼而成 碗扣 上碗扣 下碗扣 焊接在立管上 套在立管上 利用上端螺旋形 锁销 别住楔紧而连接 水平杆两端焊有 插头 该插头下插入下碗 上插入上碗 六 现浇梁支架设计 万能杆件 以角钢 钢板 螺栓制成 运输方便 装拆方便 适用范围广 常用于拼装各种施工构架或常备杆件 分类 杆件 连接板 缀板 拼装时组成桁架的弦杆 腹杆 斜撑 有各种规格 可将弦杆 腹杆 斜撑等连接成需要的各种形状 可在各种弦杆 腹杆等节间中点做一个加强连接点 使组合断面的整体性更好 用万能杆件组拼的塔架1 索鞍 2 帽梁 3 主索 4 立柱 5 水平撑 6 斜撑 六 现浇梁支架设计 贝雷梁 也称贝雷片 贝雷架 其每一片桁架片形式相同 通过销子或螺栓接长 适用于不同长度及荷载的临时承重结构 常用作门式支架 梁式支架 梁柱式支架的纵梁 主要构件 桁架 加强弦杆 横梁 桁架销 螺栓 支撑构件等 桁架1 弦杆螺栓孔 2 支撑架孔 3 上弦杆 4 竖杆 5 斜撑 6 横梁夹具孔 7 风构孔 8 横梁垫板 9 下弦杆 横梁销子和保险插销1 短柱2 卡子3 栓钉孔 支撑架桁架螺栓和弦杆螺栓 六 现浇梁支架设计 卸落装置 用于将模板松动 下落一定距离 以便拆除模板 满堂支架法中顶托即为卸落设备 梁式 梁柱式支架中常常在支墩顶部设置如下卸落设备 六 现浇梁支架设计 5 设计主要依据 相关设计图纸 钢结构设计规范 GB50017 2003 建筑施工模板安全技术规范 JGJ162 2008 建筑施工碗扣式钢管脚手架安全技术规范 JGJ166 2008 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范 JGJ130 2001 钢管满堂支架预压技术规程 JGJ T194 2009 六 现浇梁支架设计 路桥施工计算手册 装配式公路钢桥多用途使用手册 铁路砼梁支架法现浇施工技术规程 TB10110 2011J1325 2011 建质 2009 254号文 关于印发 建筑工程高大模板支撑系统施工安全监督管理导则 的通知 建筑地基处理技术规范 JGJ79 2012 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 六 现浇梁支架设计 6 设计过程简介 一般要求 模板 支架和拱架的设计 应根据结构型式 设计跨径 施工组织设计 荷载大小 地基土类别及有关的设计 施工规范进行 绘制模板 支架和拱架总装图 细部构造图 制定模板 支架和拱架结构的安装 使用 拆卸保养等有关技术安全措施和注意事项 编制模板 支架及拱架材料数量表 编制模板 支架及拱架设计说明书 六 现浇梁支架设计 6 设计过程简介 收集资料 初步比较 设计图纸 地质 气象 水文资料 支架形式比较 六 现浇梁支架设计 满堂支架常用立杆步距为0 6m 0 9m 1 2m 梁式支架跨径一般为9 32m 设计要素 六 现浇梁支架设计 支架结构形式 常用满堂式支架 梁柱式支架和混合支架 不常见的有吊架 六 现浇梁支架设计 满堂式支架满堂式支架分为扣件式钢管支架 碗扣式钢管支架 门式钢管支架等 支架法现浇梁的满堂支架应采用碗扣式钢管支架或门式钢管支架 不宜采用扣件式钢管支架 六 现浇梁支架设计 梁柱式支架梁柱式支架系统由基础 支墩 含支墩顶分配梁和落架装置 可使用钢管 钢管砼 型钢格构柱 万能杆件和军用桥墩等 纵 横 梁 可使用型钢 贝雷梁 军用梁 钢板梁或钢箱梁等 模板等部分组成 六 现浇梁支架设计 支架特点比较 六 现浇梁支架设计 计算要点作用在支架上的荷载有桥跨结构的重力 浇筑设备的重力 包括振动荷载 风力及施工人员的重力等 连同模板和支架自重等均由支架承受 支架的各构件应按其计算图式进行强度计算 容许应力可按临时结构予以提高 支架的挠度需要验算 并小于其容许值 支架的预拱度计算包括梁自重所产生的挠度 支架受载后产生的弹性变形和非弹性变形 支架基础的沉降量等 支架卸架设备的选用及受力计算 六 现浇梁支架设计 现浇支架设计内容 六 现浇梁支架设计 计算荷载临时结构施工荷载如下表 六 现浇梁支架设计 恒载应采用标准值作为代表值 承载能力极限状态设计或正常使用极限状态设计按标准组合设计时 活载应采用标准值或组合值作为代表值 参见TB10110 2011J1325 2011 六 现浇梁支架设计 支架荷载组合 参见TB10110 2011J1325 2011 预压荷载 所承载的梁体结构与模板重量之和的1 05 1 1倍 预压所测得的变形数据用于指导预拱度设置 六 现浇梁支架设计 4 设计关键点及注意事项 基本要求支架虽为临时结构 但它要在施工中承受桥梁的大部分恒载及施工荷载 因此从受力和使用性能上要求必须有足够的强度和刚度 同时支架的基础应可靠 构件之间的结合要紧密 并有足够的纵 横 斜向的连接杆件 使支架成为空间稳定的整体 支架在受荷后将有变形和扰度 故应设置合理的预拱度 使结构的外形尺寸和标高符合设计要求 六 现浇梁支架设计 支架结构计算支架结构应分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态来确定计算项目 六 现浇梁支架设计 支架容许挠度值不大于L 400 悬臂结构为L 200 L为结构计算跨度 支架的压缩变形值不大于L 1000 支架容许长细比 主要的受压构件 立柱 不大于150 次要受压构件 不大于200 当支架纵梁采用贝雷梁 六四式军用梁等制式器材时 纵梁支座应设置在桁架节点位置 并且应对桁架节点处的杆件进行验算 防止局部应力超标 六 现浇梁支架设计 预拱度计算与设置梁体底模板应在加载预压前设置预拱度 并根据加载预压结果进行调整 支架结构可按二次抛物线设置预拱度 六 现浇梁支架设计 梁体荷载横断面划分一般采用条分法 也指导预压时荷载的堆放布置 但对于角度较大的斜腹板梁 腹板区的荷载分布不能完全按条分法进行 应按模板体系实际布置情况确定荷载分布 七 模板设计 1 概述模板是砼结构或钢筋砼结构成型的模具 它由面板和支撑系统组成 面板是使砼成型的部分 支撑系统是稳固面板位置和承受上部荷载的结构部分 一般工业与民用建筑中 平均1m3砼需用模板7 4m2 模板费用约占砼工程费用的34 在砼结构施工中选用合理的模板形式 模板结构及施工方法 对提高工程质量 加速砼工程施工和降低造价有显著效果 七 模板设计 2 基本要求施工中能保证结构和构件的形状 位置 尺寸的准确 具有足够的强度 刚度和稳定性 装拆方便 灵活 能多次周转使用 接缝严密 不漏浆 七 模板设计 3 种类及组成模板的种类 按材料分 有木模板 竹模板 钢木模板 钢模板 塑料模板 铸铝合金模板 玻璃钢模板等 按工艺分 有组合式模板 大模板 滑升模板 爬升模板 永久性模板以及飞模 模壳 隧道模等 模板系统的组成 包括模板板块和支架两大部分 模板板块是由面板 次肋 主肋等组成 支架则有支撑 桁架 系杆及对拉螺栓等不同的形式 七 模板设计 组合式模板组合模板是一种工具式的定型模板 由具有一定模数的若干类型的板块 角模 支撑和连接件组成 拼装灵活 可拼出多种尺寸和几何形状 通用性强 适应各类建筑物的梁 柱 板 墙 基础等构件的施工需要 也可拼成大模板 隧道模和台模等 七 模板设计 钢定型模板由边框 面板 纵横肋组成 面板为2 3 2 5mm的钢板 模板类型主要有平面模板 阴角模板 阳角模板和连接模板 连接件主要有U型卡 钩头螺栓 对拉螺栓和扣件等 钢模板一次性投资大 需多次周转使用才有经济效益 使用时与砼直接接触的表面应涂隔离剂 轻拆轻放 工人操作劳动强度大 回收及修整的难度大 七 模板设计 钢定型模板 七 模板设计 钢木定型模板面板由钢板改为复塑竹胶合板 纤维板等 自重比钢模轻1 3 用钢量减少1 2 是一种针对钢模板投资大 工人劳动强度大的改良模板 钢框木模板 钢框复塑竹胶合模板 钢框木定型模板组合的大模板 七 模板设计 大模板是一种大尺寸的工具式模板 通常由专业钢结构加工工厂定制 常用于承台 桥墩等的施工 装拆均需起重机械吊装 故机械化程度高 减少用工量和缩短工期 七 模板设计 由面板 次肋 主肋 支撑桁架及稳定装置组成 面板要求平整 刚度好 板面须喷涂脱模剂以利脱模 两块相对的大模板通过对拉螺栓和顶部卡具固定 大模板存放时应打开支撑架 将板面后倾一定角度 防止倾倒伤人 七 模板设计 竹胶合模板是以毛竹材料作主要架构和填充材料 经高压成坯的建材 竹胶板硬度高 抗折 抗压 是目前广泛使用的一种模板 其规格为2440 1220mm 常用厚度有10 12 15 18 21mm等 酚醛树脂胶合板模板 竹胶合板板铺设楼面模板 七 模板设计 桥墩模板 箱梁模板 箱梁模板 七 模板设计 4 模板的设计定型模板 常用模板和工具式支撑系统在其适用范围不需进行设计或验算 但重要结构 特殊形式的模板和超出适用范围的定型模板及支撑系统应进行设计或验算 设计包括 选型 选材 荷