某长江公路大桥主航道桥北塔主墩基础施工方案计算

xx公路大桥主航道桥北塔主墩基础施工方案计算一.任务来源xx公路大桥主航道桥北塔主墩基础属于C1合同段，本合同段计划将于xx年xx月底进行施工招投标，预计开工日期为xx年xx月下旬。受**路桥公司委托，xx院对其提出的施工方案进行施工过程的一些关键问题进行分析计算。二.分析计算内容验算范围：北塔主墩基础施工过程的受力分析。验算内容：施工期间钢护筒的冲刷深度计算。施工期间冲刷防护措施的计算。钻孔平台抵抗水流冲击的稳定性计算。钻孔平台抵抗船舶撞击时的安全性。钢套箱的强度和变形验算。浇注3m厚封底混凝土时悬吊力的验算。三.分析计算依据分析计算资料：《**大桥主桥施工、监理招标参考资料》《**大桥主桥基础施工招标文件》《**大桥主桥基础施工招标补遗文件》《**大桥主桥基础施工方案》复核验算规范：公路桥涵设计通用规范（JTJ021-89）公路工程水文勘测设计规范（JTGC30-2002）公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范（JTJ023-85）设计情况简介：**大桥主桥为主跨1088m的双索面斜拉桥。索塔基础4号墩采用桩基础，桩基为131根D2.8/D2.5m钻孔桩（钢护筒内径2.8m），采用梅花形布置。按照摩擦桩设计，桩长116m。由于需要承受较大的水平力，考虑护筒与桩基础共同受力。承台为哑铃形，在每个塔柱下承台平面尺寸为50.55×48.1m，其厚度由边缘的5m变化到最厚处的13.324m，其顶部与塔柱的接触面垂直于索塔塔柱的中心线。两承台之间采用12.65×27.1m系梁连接，系梁厚度为6m。承台设有4个备用桩位，但是由于补桩位的受力较为不利，因此仍然要求施工单位的成桩率为100％。图一4号墩基础一般构造图施工方案：1.施工平台图二施工平台平面示意图施工平台平面如图二所示。图中的圆圈表示钢管桩，钢管桩采用φ1500×20mm的钢管，图中的粗线表示贝雷架，采用三排两层的贝雷梁，贝雷梁的刚度比较大，能够有效的把钢管桩连接在一起，所以要求，每根钢管桩上至少有一根贝雷梁通过。细线表示工字钢，采用I63b的热轧工字钢。2.钢套箱钢套箱采用分块拼装、运输，整体吊装。钢套箱一般构造图和钢套箱施工基础过程详细情况参见图三～图五。图三钢套箱布置图图四钢套箱细部构造图图五钢套箱施工过程示意图施工计算情况：1.施工期间钢护筒的冲刷深度计算。稳定河段的冲刷包括一般冲刷和局部冲刷两种。根据施工周期需要，分两段时间进行冲刷计算（1.枯水期、平水期施工钢管桩；2.经历一个最大的20年一遇5％的施工期）1）枯水期、平水期钢管桩施工期间桥位处枯水期、平水期为11～xx月，根据《**大桥主桥施工、监理招标参考资料》的第三部分《桥位水文情况概要》，北主墩的有关水文观测资料：2000年2月21（枯水期）大潮涨急 V＝1.29m/s2000年2月21（枯水期）大潮落急 V＝1.42m/s2002年11月7（平水期）小潮涨急 V＝0.75m/s2000年2月21（枯水期）大潮落急 V＝1.37m/s2002年12月5（平水期）大潮涨急 V＝1.88m/s枯水期、平水期钢管桩施工期间的施工最大垂线平均流速取值V＝1.9m/sa.一般冲刷计算根据《公路工程水文勘测设计规范》JTGC30-2002，第7.3.1非粘性土河床的一般冲刷：根据《桥位水文情况概要》计算V＝1.9m/s对应的；根据表7.3.1-1；根据《桥位水文情况概要》计算；；根据表7.3.1-2；根据《工程地质勘探资料》取b.局部冲刷计算根据《公路工程水文勘测设计规范》JTGC30-2002，第7.4.1非粘性土河床的桥墩局部冲刷：根据《工程地质勘探资料》取根据附录B桥墩系数及墩宽计算 ；枯水期、平水期钢管桩施工期间冲刷深度2)经历一个最大的20年一遇5％洪水的施工期施工期间至少经历一个洪水期，桥位处洪水期为6～10月，考虑施工期间最不利为经历一个最大的20年一遇5％洪水期，根据《**大桥主桥施工、监理招标参考资料》的第三部分《桥位水文情况概要》，北主墩的洪水期最大垂线平均流速取值V＝2.75m/s。a.一般冲刷计算根据《公路工程水文勘测设计规范》JTGC30-2002，第7.3.1非粘性土河床的一般冲刷：根据《桥位水文情况概要》计算V＝2.75m/s对应的；根据表7.3.1-1；根据《桥位水文情况概要》计算；；根据表7.3.1-2；根据《工程地质勘探资料》取b.钢管桩局部冲刷计算根据《公路工程水文勘测设计规范》JTGC30-2002，第7.4.1非粘性土河床的桥墩局部冲刷：根据《工程地质勘探资料》取根据附录B桥墩系数及墩宽计算 ；经历一个最大的20年一遇5％洪水期钢管桩施工期间冲刷深度c.钢护筒局部冲刷计算根据《公路工程水文勘测设计规范》JTGC30-2002，第7.4.1非粘性土河床的桥墩局部冲刷：根据《工程地质勘探资料》取根据附录B桥墩系数及墩宽计算；经历一个最大的20年一遇5％洪水期钢管桩施工期间冲刷深度d.钢护筒、钢管桩局部冲刷计算根据《公路工程水文勘测设计规范》JTGC30-2002，第7.4.1非粘性土河床的桥墩局部冲刷：根据《工程地质勘探资料》取根据附录B桥墩系数及墩宽计算 ；经历一个最大的20年一遇5％洪水期钢护筒、钢管桩局施工期间冲刷深度2.施工期间冲刷防护措施的计算 由于墩柱处在水深流急水域，施工前期必然引起剧烈淘刷，在墩柱基础施工的同时对周边河床进行护底防护，遏制和减轻冲刷孔的形成和发展。对**大桥北主墩施工采用块石防护。根据《公路工程水文勘测设计规范》JTGC30-2002，第7.4.1非粘性土河床的桥墩局部冲刷：块石防护不冲刷的条件是：。为了考虑后期运营河床防护，块石防护的冲刷速度采用300年一遇的最大洪水，北主墩300年一遇的落潮流量相应的最大垂线平均流速。块石防护的最小尺寸采用450mm。3.钻孔平台抵抗水流冲击的稳定性1）水流冲击力根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）第2.3.10条流水压力水的容重；重力加速度；桥墩形状系数。a.单根钢管桩的水流冲击力（平水期、枯水期）平水期、枯水期水流速度b.单根钢管桩的水流冲击力（经历一个洪水期）北主墩的洪水期最大垂线平均流速取值c.单根钢护筒的水流冲击力（平水期、枯水期）平水期、枯水期水流速度d.单根钢护筒的水流冲击力（经历一个洪水期）北主墩的洪水期最大垂线平均流速取值2）计算结果a.计算程序本计算采用Ansys程序进行三维空间分析。b.施工平台在平水期的稳定性按照施工进度安排，施工平台（包括钢管桩及钢管桩上部平台）在平水期施工完毕，按照施工方案，在洪水期来临之前必须施工完成部分的钢护筒并浇注完成部分的混凝土桩基，并把桩基和施工平台连接起来，以安全度过洪水期。所以在平水期的计算模型考虑最不利情况为空平台的情况，即只有钢管桩及钢管桩上部平台。水流力的作用考虑平水期的水流作用，单根桩作用的水流力为83.1kN，作用在水深1/3处。根据平水期冲刷计算，冲刷深度约10m，所以钢管桩计算底端固结点约在：-23.3-10-4.2＝-37.5m的标高处，计算桩长为45m，底端固结，计算模型如图六所示。图六施工平台平水期计算模型计算得到桩底最大应力为146MPa，位置在桩底；工字钢最大应力为163MPa；贝雷架最大应力为127MPa。根据上述情况，施工平台能够满足平水期施工的要求。计算时对平台初步方案进行了调整，要求保证每根钢管桩的桩顶都有一根贝雷梁通过，同时，要求贝雷梁与下部的工字钢有可靠的连接。关于施工过程平台的抗风的问题，由于平台在水面上不高，平台处的风速相对较低，同时，整个平台是桁式结构，迎风面积较小，风力也较小。当钢套箱上去后，整个平台与已施工完成的桩基等形成了一个整体，抗风性能大大提高，所以抗风不是主要的问题，下面不再对其进行计算。c.施工平台在洪水期的稳定性洪水期来临前，要求上下游各施工完至少16根桩，已抵抗洪水和其他可能的冲击等意外情况，保证安全度过洪水期。施工完毕的桩要求和施工平台进行有效的连接，整个体系形成一个整体。洪水期的冲刷深度按20m计算，所以钢管桩和钢护筒的计算长度按55m计算。底端固结。钢护筒和施工平台之间用I63b的工字钢连接。计算模型如图七所示。洪水期水流的计算只考虑钢护筒的受力，钢护筒内的混凝土不考虑。根据上面a)的计算，钢管桩的水流力为220.4kN，钢护筒的水流力为426.1kN。图七计算模型平面图计算得到施工平台在水流力的作用下，钢护筒内的最大应力为38.5MPa，钢管桩内的最大应力为34.7MPa，工字钢内的最大应力为129MPa，贝雷架内的最大应力为34.6MPa，满足施工过程的要求。4.钻孔平台抵抗船舶撞击时的安全性1）洪水期5000T级船舶撞击力计算钻孔平台抵抗5000T级船舶撞击时的稳定性的计算，考虑施工期间至少经历一个洪水期。根据《**大桥主桥施工、监理招标参考资料》的第三部分《桥位水文情况概要》，北主墩的洪水期最大垂线点流速取值。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）附录四船只和漂流物的撞击力根据有关资料，5000T级船舶的漂流物重力；重力加速度；水流速度；无实际资料时，撞击时间。2）枯水、平水期施工船2000T船舶撞击力计算钻孔平台抵抗2000T施工船撞击时的稳定性的计算。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）附录四船只和漂流物的撞击力2000T施工船的漂流物重力；重力加速度；水流速度；无实际资料时，撞击时间。3）计算结果考虑洪水期时钢护筒内上下游各有16根桩施工浇注完毕，同时，水流力的作用由施工平台和钢护筒共同承受，而船撞力由平台和混凝土桩承受。计算得到洪水期5000T级的船以的速度撞击作用下，桩基内的最大拉应力为20.4MPa，与混凝土桩连接的工字钢内的最大应力高达540MPa,如果加上水流力，工字钢内的应力超过了600MPa，我们初步判定，平台无法在洪水期承受5000T级的船舶自由撞击。在洪水期应该采取必要的导航防撞措施。更详细的计算应该采用非线性时程分析。考虑在枯水期、平水期无法避免施工船只对平台的撞击，我们用以上同样的模型，计算了2000t排水量的船只自由撞击的情况，撞击速度。局部工字钢内的应力最大为129MPa，一般均在90MPa以下，贝雷架的应力最大为37.6MPa，钢管桩内的最大应力为24.4MPa，混凝土桩基内的最大拉应力为1.89MPa。由此看来，在枯水期、平水期施工船在低于2m/s的速度对平台的撞击是安全的。5.钢套箱的强度和变形验算在整个施工过程中，钢套箱最不利的情况是：封底承台混凝土浇注完毕，为了浇注承台混凝土，把钢套箱内的水全部抽出，此时，钢套箱承受高达11.3m的水压力。本计算的计算模型把钢套箱用板壳来模拟，其刚度为上下层6mm钢板的换算刚度，计算出等刚度板的内力后，再用Ansys本身的计算功能计算真实板的应力。模型中的钢管内撑不考虑其抗弯功能，用桁架来模拟，内撑的布置参见图三。计算模型如图八所示。计算得到的钢套箱内的最大应力为90.8MPa，钢管内撑的最大应力为33.4MPa。钢套箱的最大位移为1.29cm。计算表明钢套箱是安全的。需要说明的是，本计算适合于钢套箱的内壁板和外壁板的连接是可靠并且有足够的刚度情况下。具体的内、外壁板的连接可在投标完成后进行进一步的详细设计计算，确保安全无误。图八钢套箱计算模型6.浇筑3m厚封底砼时悬吊力计算在进行3m厚封底砼浇筑时，钢套箱内没有进行抽水。此时荷载包括：底板、钢套箱、3m厚封底砼和浮力。共131根钢管桩，每个钢管桩处的悬吊点为6个，悬吊点共786个。荷载计算：1．底板重量底板重G1＝4876.725x0.006x78.5+4000＝6