水中主墩钢板桩围堰力学计算

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& 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：（T Q235=145Mpa2、钢材重度：78.5kN/m3、素砼重度：24kN/m3 水重度：丫 w=10kN/m33、封底混凝土 C30抗拉强度设计值ftd =1.43MPa4、混凝土与钢的粘结力t =150Kpa5、原装日本日铁SKSP4V型拉森钢板桩参数宽度B=400mm高度h=185mm厚度t=16.1mm 根桩截面积 A=94.2cm2 重量W=76.1kg/m 惯性矩lx=5300cm4、截面模量 WX=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，天然容重丫 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（0 、 一为40KPa其内摩擦角1取5,粘结力c1为10kPa,天然容重丫 1为18KN/m3o-10.3-14.0m为粉质粘土，内摩擦角2为20,粘结力c2为20kPa,天然容重丫 2 为 18KN/m32、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=20半丫 Htg2(450- )-2ctg(452= 丫 HKa-2c. Ka其中 Ka仁 tg2(45- = )2计算淤泥层主动土压力系数Kai:Ka1=tg2 0 :I、 2被动土压力系数计算(45-二)二 tg 2(450-)=0.842 2依据简明施工计算手册(第三版)20 申0 9Pp= 丫 Htg (45 +?)+2ctg(45 +?)=Y HKp+2c Kp其中 Kp= tg 2(45+ )2计算淤泥层的被动土压力系数 Kp1:P184页公式4-7，20205Kp2=tg (45 + 才)二 tg (45 +|)=1.192.2主动与被动水土压力计算2.2.1主动水土压力计算河床面水压力=0h0=1OX 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=ohoKa1-2c1 Ka1 =37.9*0.84-2*10*0.84 =13.54KPa。淤泥层底面水土压力=（oho+1）Ka1-2c1. Ka1=（37.9+18*9.64）*0.84-2*10* , 0.84=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咼时的被动水土压力。下面对被动水土压力计算如下：II围堰内淤泥层顶面水压力=0 h。=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=0仏心 2sKp1 =10*11.3*1.19+2*10*、1.19=156.3KPa。-9.64m淤泥层底面水土压力=（00、山）心2c. Kp1=（10*11.3+18*1.0 ） *1.19+2*10*1.19=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，钢板桩计算简图如下：52.4 CO110.4 HE141.1川什川山肾川川川口仏川!川山川,l：311P.311349(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W型钢板桩，其 W=2250000mm3W值考虑0.7倍折减系数，容许应力(T =200MPa则最大应力(T max=Mmax/W/0.7=29725493/2250000/0.7=18.9MPac =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:0. 000000. 00000y方向：|-0- 12005 转角:ro00300最大挠度为0.12mm小于L/400=7500/400 = 18.8mm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)结点约束反力支座结点水平竖直力矩大小合力角度力矩2 0.00000000 -15173.1312 -0.0000000115173.1312 -90.0000000 -0.000000014 0.00000000 -32341.5783 0.0000000232341.5783 -90.0000000 0.00000002100.00000000 -9516.29040 -29725492.59516.29040 -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W型钢板桩，其 W=2250000mm3W值考虑0.7倍折减系数，容许应力(T =200MPa则最大应力(T max=Mmax/W/0.7=159236858/2250000/0.7=101.1MPac =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=4500/400 = 11.3mm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20.0000000051210.55500.0000000151210.555090.00000000.0000000140.00000000252427.5380.00000000252427.53890.00000000.0000000060.00000000660880.0590.00000000660880.05990.00000000.0000000070.00000000-439915.613-0.00000010439915.613-90.0000000-0.0000001080.00000000202717.653-0.00000010202717.65390.0000000-0.0000001090.000000007013.307770.000000007013.3077790.00000000.00000000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:66737S68 S最大弯矩为120168737N.mm考虑采用日本W型钢板桩，其 W=2250000mm3W值考虑0.7倍折减系数，容许应力(T =200MPa则最大应力(T max=Mmax/W/0.7=120168737/2250000/0.7=76.3MPaMS=0DMX slQa131SHN 06275SHX=10三4 538爲.77&9 0131.1023.419Sb6567.99410,131最大变形 S =10.1mmc L/400=23200/400=58mm结果表明：第一道内撑采用2156b，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， 则计算长度系数卩取为1.0，计算 长度 l0=l*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=23533cm4,A=147*2=294cm22I56b对撑杆件对弱轴的回转半径i= 23533=8.9m 2942I56b 对撑杆件长细比 入=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 o则钢管桩压杆稳定应力（T = =428408=29.1MPa,远小于145MPa,故2I56b半A 0.5029400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：AN曲丫 12 2Q151053:37.006006.7G297. OS129.396S0.876113.224145.571NODAL SQLUTICWSUB =1SEQV(AVG)EMK =5.3463MN =0(0003MK =14&571最大应力(T =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。ANMAY 12 2015IDs 40;47变形云图如下:EfODAD SOLUTION3TEP=1SUB =1TIHE=1(AVGjiiRSYS=0凸则=-0138553MX =5.346013BSS1.19923S43S694754,6063631/7 912,9764 -161534最大变形 S =5.3mmc L/400=23200/400=58mm结果表明：第二道内撑采用2I56b，其强度、刚度均能满足规范要求 七、钢板桩围堰抗浮稳定性验算 由于钢板桩底面打入到了粉质粘土层，粉质粘土层属不透水土层，理论讲钢围堰 底部应不会产生浮力作用， 但为安全起见， 下面还是对钢围堰的抗浮稳定性进行验算， 只需抗浮力大于浮力即可。护筒、钢板桩与封底混凝土之间粘结力均按150KPa考虑。对于钢板桩与封底混凝土之间的粘结力取值：按“钢板桩围堰自重”与“钢板桩 与封底混凝土的粘结力”两者中间取小值。圭寸底混凝土厚度为1.0m,水位标高为3.25m,圭寸底混凝土底面标高为-2.8m 总浮力 =(21*11-3.14*1.252*8)*(3.25+2.8)*10=11601kN封底混凝土重量 =(21*11-3.14*1.252*8)*1.0*24=4602kN 钢护筒与封底混凝土的粘结力 =3.14*2.5*1.0*8*150=9420kN 钢板桩与封底混凝土的粘结力 =2*(21+11)*1.0*150=9600kN钢板桩围堰自重=164*76.1*12=149.8t=1498kN (据围堰数量表) 钢板桩围堰自重 钢板桩与封底混凝土的粘结力 ,两者间取小值。抗浮稳定系数K=(4602+9420+1498)/11601=1.33，抗浮力大于总浮力，故钢板桩 的抗浮稳定性能够满足要求。十、结论通过以上计算可知，本钢板桩围堰系统结构强度、刚度均能满足规范要求，可用 于某某大桥水中桥墩承台围堰施工。