水中主墩钢板桩围堰力学计算

1、某某大桥6、7号墩钢板桩围堰受力计算书一、计算依据1、某某大桥6、7号墩承台钢板桩围堰设计图；2、注册结构工程师专业考试应试指南（2008年施岚青主编）3、路桥施工计算手册4、钢结构设计规范（GB-50017-2003）5、 板桩法 中国水利出版社6、 公路桥涵设计规范 人民交通出版社二、基本资料:1、Q235钢材的允许应力：Q235=145Mpa2、钢材重度：78.5kN/m3、素砼重度：24kN/m3、水重度：w=10kN/m33、封底混凝土C30抗拉强度设计值4、混凝土与钢的粘结力=150Kpa5、原装日本日铁SKSP-型拉森钢板桩参数宽度B=400mm、高度h=185mm、厚度t=16

2、.1mm、一根桩截面积A=94.2cm2、重量W=76.1kg/m、惯性矩Ix=5300cm4、截面模量W x=400cm3、每延米桩墙重量W=185kg/m、惯性矩Ix=41600cm4/m、截面模量W x=2250cm3/m。三、水土压力计算1、基本计算数据6号墩地质柱状图(围堰标高范围内）数据如下： 3.25m-0.54m为水，天然容重0为10KN/m3。-0.54-9.64m为淤泥（地质柱状图中为-3.0m，因下面的粉质粘土层作为嵌固端支点位置位于淤泥层以下，故取计算时取淤泥层底标高为-9.64m），淤泥层承载力为40KPa，其内摩擦角1取5°，粘结力c1为10kPa，天然容

3、重1为18KN/m3。-10.3-14.0m为粉质粘土，内摩擦角2为20°，粘结力c2为20kPa，天然容重2为18KN/m3。2、水压力及土压力计算2.1 土压力系数计算水土压力计算方法：河床以下钢板桩深度范围依次为透水性差的淤泥、不透水的粉质粘土层。依据2008年注册结构工程师专业考试应试指南（施岚青主编）P896页，对于渗透性小的土层计算土压力时采用“水土合算”法，即在计算土压力时将地下水位以下的土体重度取为饱和重度，水压力不再单独叠加；对于渗透性大的土层计算土压力时采用“水土分算”法，即在计算土压力时将地下水位以下的土体重度取为浮容重，水压力单独叠加。淤泥层承载力为40KPa

4、，此淤泥层为不透水层。故淤泥层采用水土合算法计算，粉质粘土层作为钢板桩底部支撑用，不参与土压力计算。主动土压力系数计算 依据简明施工计算手册（第三版）P180页公式4-1b， Pa=Htg2(450-)-2ctg(450-) =HKa-2c 其中Ka1= tg2(450-) 计算淤泥层主动土压力系数Ka1： Ka1=tg2(450-)= tg2(450-)=0.84 被动土压力系数计算 依据简明施工计算手册（第三版）P184页公式4-7， Pp=Htg2(450+)+2ctg(450+) =HKp+2c 其中Kp= tg2(45+) 计算淤泥层的被动土压力系数Kp1：Kp2=tg2(450+)

5、= tg2(450+)=1.19 2.2 主动与被动水土压力计算 主动水土压力计算 河床面水压力=10×3.79=37.9KPa 淤泥层主动水土压力计算：淤泥层采用水土合算法：淤泥层顶面水土压力=Ka1-2c1=37.9*0.84-2*10*=13.54KPa。淤泥层底面水土压力=（+）Ka1-2c1 =（37.9+18*9.64）*0.84-2*10* =165.4KPa。 被动水土压力计算 根据施工工序安排，本钢板桩围堰准备采用水下封底施工，水下混凝土厚度为100cm，水下砼底标高为-2.8m，水下封底混凝土浇筑之前围堰外土体比围堰内土体高8.0m。由于封底砼浇筑围堰内抽水后围堰

6、内无水压力作用，故只需计算围堰内清除覆盖层至封底底面标高时的被动水土压力。 下面对被动水土压力计算如下： 围堰内淤泥层顶面水压力=10*11.3=112.3KPa。淤泥层被动水土压力计算：淤泥层采用水土合算法：-2.8m处淤泥层水土压力=10*11.3*1.19+2*10*=156.3KPa。-9.64m淤泥层底面水土压力= =（10*11.3+18*1.0）*1.19+2*10* =178KPa四、钢板桩入土深度计算及基底抗隆起稳定性验算由于钢板桩底已打入到粉质粘土层6米左右，查阅桥涵（2000年版)上册P172页，板桩尖支撑情况表，对“密实土，但可能被水扰动，入坑底超过2m”，可按打入到粘

7、土层中50cm处按桩端嵌固计算。既然桩端嵌固，显然钢板桩底的入土深度是能够满足要求的。对于桩端嵌固的钢板桩，钢板桩底显然是不会发生隆起现象的，故可认为围堰内基底的抗隆稳定性能够满足要求。五、钢板桩围堰受力计算 由于钢板桩采用水下封底法施工工艺，钢板桩围堰有三个工况受力较为不利：工况1是钢板桩围堰内水下清除覆盖层至封底底面标高-2.8m时。工况2是围堰内抽干水时。工况3是承台浇筑完毕，承台与钢板桩之间填筑砂砾石，承台顶部侧面30cm浇筑C30砼，砼达到强度后拆除第二道内撑时。1、 工况1围堰受力计算在围堰进入到粉质粘土层50cm处对钢板桩施加固结约束，取1m宽钢板桩进行受力分析，钢板桩计算简图如

8、下：（1）、钢板桩弯应力计算钢板桩弯矩图如下：最大弯矩为29725493N.mm考虑采用日本型钢板桩，其W=2250000mm3，W值考虑0.7倍折减系数，容许应力=200MPa则最大应力max=Mmax/W/0.7=29725493/2250000/0.7=18.9MPa<=200MPa。显然，钢板桩的弯应力是能满足要求的。（2）、钢板桩挠度验算：采用清华大学求解器求得的挠度曲线图如下：最大挠度值如下：最大挠度为0.12mm，小于L/400=7500/40018.8mm，挠度验算能够满足要求。（3）、支点反力计算： 采用清华大学求解器求得的支点反力如下：约束反力值 ( 乘子 = 1)-

9、 结点约束反力 合力 支 座 - - 结 点 水平 竖直 力矩 大小 角度 力矩- 2 0.00000000 -15173.1312 -0.00000001 15173.1312 -90.0000000 -0.00000001 4 0.00000000 -32341.5783 0.00000002 32341.5783 -90.0000000 0.00000002 10 0.00000000 -9516.29040 -29725492.5 9516.29040 -90.0000000 -29725492.5-第1、2层内撑围檩每延米荷载分别为：-15173N、-32341N，负值表示拉力。实际

10、上，由于被动土压力是由于主动土压力产生的，被动土压力在以上计算值范围以内与主动土压力的力矩是一个动态平衡系统，以上反力为负值说明被动土压力的储备是足够的，实际受力时被动土压力的值在小于以上计算值时即能达到动态平衡。故采用水下封底工艺施工时，围堰内水下清除覆盖层至-8.8m时钢板桩的受力是能够满足要求的。2、 工况2围堰受力计算工况2为封底混凝土达到设计强度，围堰内抽干水时。取封底砼底面以上钢板桩进行分析，其计算简图如下：(1)、钢板桩弯应力验算采用清华大学结构力学求解器求得的弯矩图如下：最大弯矩为105568342N.mm考虑采用日本型钢板桩，其W=2250000mm3，W值考虑0.7倍折减系

11、数，容许应力=200MPa则最大应力max=Mmax/W/0.7=159236858/2250000/0.7=101.1MPa<=200MPa。显然，钢板桩的弯应力是能满足要求的。（2）、钢板桩挠度验算：采用清华大学求解器求得的挠度曲线图如下：最大挠度值如下：最大挠度为0.16mm，小于L/400=4500/40011.3mm，挠度验算能够满足要求。（3）、支点反力计算：约束反力值 ( 乘子 = 1)- 结点约束反力 合力 支 座 - - 结 点 水平 竖直 力矩 大小 角度 力矩- 2 0.00000000 51210.5550 0.00000001 51210.5550 90.000

12、0000 0.00000001 4 0.00000000 252427.538 0.00000000 252427.538 90.0000000 0.00000000 6 0.00000000 660880.059 0.00000000 660880.059 90.0000000 0.00000000 7 0.00000000 -439915.613 -0.00000010 439915.613 -90.0000000 -0.00000010 8 0.00000000 202717.653 -0.00000010 202717.653 90.0000000 -0.00000010 9 0.00

13、000000 7013.30777 0.00000000 7013.30777 90.0000000 0.00000000-第1、2层内撑围堰每延米荷载分别为：51211N、252428N。3、 工况3围堰受力计算工况3为承台浇筑完毕，承台与钢板桩之间填筑砂砾石，承台顶部侧面30cm浇筑C30砼，砼达到强度后拆除第二道内撑时。取封底砼底面以上钢板桩进行分析，其计算简图如下：(1)、钢板桩弯应力验算采用清华大学结构力学求解器求得的弯矩图如下：最大弯矩为120168737N.mm考虑采用日本型钢板桩，其W=2250000mm3，W值考虑0.7倍折减系数，容许应力=200MPa则最大应力max=Mm

14、ax/W/0.7=120168737/2250000/0.7=76.3MPa<=200MPa。显然，钢板桩的弯应力是能满足要求的。（2）、钢板桩挠度验算：采用清华大学求解器求得的挠度曲线图如下：最大挠度值如下：最大挠度为0.1mm，小于L/400=4000/40010.0mm，挠度验算能够满足要求。（3）、支点反力计算：约束反力值 ( 乘子 = 1)- 结点约束反力 合力 支 座 - - 结 点 水平 竖直 力矩 大小 角度 力矩- 2 0.00000000 61699.9165 0.00000003 61699.9165 90.0000000 0.00000003 5 0.000000

15、00 270146.947 0.00000000 270146.947 90.0000000 0.00000000 6 0.00000000 533698.714 0.00000000 533698.714 90.0000000 0.00000000 7 0.00000000 -314897.624 0.00000000 314897.624 -90.0000000 0.00000000 8 0.00000000 171463.156 0.00000000 171463.156 90.0000000 0.00000000 9 0.00000000 12222.3906 0.00000000 1

16、2222.3906 90.0000000 0.00000000-第1层内撑围堰每延米荷载分别为：61699N。综合工况13，内撑1、2每延米最不利受力分别为：61699N、252428N。六、内撑系统的组成及受力计算根据以上计算可知，内撑1、2最不利均布线荷载分别为：61699N/1000mm=61.7N/mm、252428N/1000mm=252.4N/mm。根据各内撑受力情况和内撑结构形式，第1、2层内撑均采用2I56b。下面采用ansys有限元软件对内撑系统进行受力计算。1、第一层内撑受力计算第一层内撑最不利荷载为61.7N/mm，采用ansys计算的应力云图如下：最大应力=82.8Mp

17、af=145MPa，应力符合要求。变形云图如下：最大变形=10.1mmL/400=23200/400=58mm。结果表明：第一道内撑采用2I56b，其强度、刚度均能满足规范要求。第一层内撑对撑杆件压杆稳定验算：由于拆除第二层内撑后，第一层内撑对撑杆件竖向无侧向约束，其稳定性需进行验算。 2I56b对撑杆件压杆稳定计算：从ansys软件中查得 2I56b对撑杆件最大轴力N为428408N。 2I56b对撑杆件长度为968cm，偏安全的将其两端连接方式视为铰接，则计算长度系数取为1.0，计算长度=1*L=1*968=968cm。可从CAD软件中查得2I56b对撑杆件弱轴截面惯性矩I=23533cm

18、4，A=147*2=294cm22I56b对撑杆件对弱轴的回转半径i=8.9m2I56b对撑杆件长细比=968/i=968/8.9=108.7查B类截面轴心受压构件稳定系数表得其稳定系数=0.501。则钢管桩压杆稳定应力=29.1MPa，远小于145MPa，故2I56b对撑杆件压杆稳定性满足要求。2、第二层内撑受力计算第二层内撑最不利荷载为252.4N/mm，采用ansys计算的应力云图如下：最大应力=145.6Mpa，稍大于f=145MPa，但超标率=（145.6-145）/145*100%=0.4%，在5%以内，故应力符合要求。变形云图如下：最大变形=5.3mmL/400=23200/400=58mm。结果表明：第