京沪高速某特大桥钢板桩围堰计算书.doc

京沪高速**特大桥钢板桩围堰设计计算书

1. 桥型布置
本桥段桥跨布置 (60.75+100+60.75)m连续梁双线铁路桥。桥型图如下：

图1 桥型布置图
2.计算依据
2.1. 《京沪高速**特大桥设计图》；
2.2. 《公路施工手册 桥涵》上；
2.3. 《公路桥涵地基及基础设计规范》；
2.4. 《钢结构设计规范》（GB500017-2003）；
2.5. Midas设计手册。
3.钢板桩围堰布置图
钢板桩围堰主要由拉森Ⅳ型钢板桩、组合型钢组成，具体布置图如下：

图2 1--1平面布置图

图3 2--2立面布置图
4、钢板桩计算
4.1.钢板桩计算参数
钢板桩型号：拉森Ⅳ型钢板桩，其规格及参数见图2和表1：

图4 拉森Ⅳ型钢板桩断面图
表1
型号
质量
断面模量（cm3）
钢板桩尺寸（mm）
（kg/m）
对a边
对b边
b
h
t1
t2
Ⅳ
75
315.2
814.8
400
155
15.5
9
4.2.钢板桩支撑设计
本钢板桩方案设置4道钢围囹支撑，1.5米厚混凝土封底，入土深度不小于3.0米，钢板桩立面图如下：

图5 钢板桩立面图
4.3.荷载计算
钢板桩外侧主要承受静水压力、动水压力、浮土压力，内侧主要承受钢围囹支撑力和封底混凝土锚固力。
4.3.1.静水压力计算
承台底部水压力：
4.3.2.动水压力计算
动水压力采用计算：
K—1.8-2.0，此处取2；
H—水深（m），此处为8m；
v—流速(m/s)，此处为1.73m/s；
B—阻水宽度（m），此处为1m；
γ—水的容重（）；
g—重力加速度（）。
1m宽范围内的动水压力：

由上计算知每沿米宽度内动水产生239KN压力，动水压力将给钢板桩围堰带来许多困难，因此采取在围堰上游打设“人”字形分水岭钢板桩挡墙，与水流方向成30度夹角，以减小围堰钢板桩处的流速，此时分水挡墙钢板桩处流速为， 围堰处流速按0.5m/s考虑，达到减小动水压力、保护钢板桩围堰的目的。分水岭钢板桩挡墙图如下：

图6 分水岭钢板桩挡墙图
当v=0.5m/s时，1m宽范围内的动水压力：

动水压力作用在钢板桩上线荷载：p=P/8=2.5KN/m
4.3.3.土对钢板产生的压力计算
土压力采用 计算。
—主动土压力系数，，为粘土的内摩擦角；
H—土层厚度（m）；
—土的容重，此处由于土层位于水中，取土的浮容重9。
则土压力计算如下：
主动土压力
4.4.钢板桩计算模型
钢板桩检算时宽度取1m，主要分为5个工况，钢板桩插打完毕，加第一道支撑，并抽水至第二道支撑标高以下1米处且未加第二道支撑时为工况一；第二道支撑加好后，继续抽水至第三道支撑标高以下1米处且未加第三道支撑时为工况二；第三道支撑加好后，往围堰内加水至与外水平面一致，然后围堰内挖土至封底混凝土底标高时为工况三；完成水下封底，混凝土达到设计强度时抽水至第四道支撑下0.5米，且未加第四道支撑时为工况四；第四道支撑加好后，继续抽水至承台下侧垫层底标高处为工况五。
4.4.1.工况一
4.4.1.1.结构模型及荷载（KN、m）

4.4.1.2.支撑反力（KN）

第二道钢围囹每沿米支撑反力：F=102KN
4.4.1.3.钢板桩组合应力（MPa）

最大组合应力：=194MPa<=215 MPa 可
4.4.1.4．钢板桩变形

钢板桩最大变形：f=7.6mm<[f]=6500/150=43mm 可
4.4.2.工况二
4.4.2.1.结构模型及荷载（KN、m）

4.4.2.2.支撑反力（KN）

第二道钢围囹每沿米支撑反力：F=50KN，
第三道钢围囹每沿米支撑反力：F=283KN
4.4.2.3.钢板桩组合应力（MPa）

最大组合应力：=155MPa<=215 MPa 可
4.4.1.4．钢板桩变形

钢板桩最大变形：f=4.4mm<[f]=5000/150=33mm 可
4.4.3.工况三
4.4.3.1.结构模型及荷载（KN、m）

4.4.3.1.支撑反力（KN）

第一道钢围囹支撑反力：F=4KN
第二道钢围囹每沿米支撑反力：F=-37KN
第三道钢围囹每沿米支撑反力：F=87KN
圆砾石基础每沿米支撑反力：F=76KN
4.4.3.2.钢板桩组合应力（MPa）

最大组合应力：=62MPa<=215 MPa 可
4.4.3.4．钢板桩变形

钢板桩最大变形：f=9.5mm<[f]=3000/150=20mm 可
4.4.4.工况四
4.4.4.1.结构模型及荷载（KN、m）

4.4.4.2.支撑反力（KN）

第一道钢围囹每沿米支撑反力：F=32KN
第二道钢围囹每沿米支撑反力：F=112KN
第三道钢围囹每沿米支撑反力：F=461KN
封底混凝土每沿米支撑反力：F=398KN
4.4.4.3.钢板桩组合应力（MPa）

最大组合应力：=176MPa<=215 MPa
4.4.4.4．钢板桩变形

钢板桩最大变形：f=7.7mm<[f]=3000/150=20mm 可
4.4.5.工况五
4.4.5.1.结构模型及荷载（KN、m）

4.4.5.2.支撑反力（KN）

第一道钢围囹每沿米支撑反力：F=33KN
第二道钢围囹每沿米支撑反力：F=157KN
第三道钢围囹每沿米支撑反力：F=260KN
第四道钢围囹每沿米支撑反力：F=412KN
封底混凝土每沿米支撑反力：F=229KN
4.4.5.3.钢板桩组合应力（MPa）

最大组合应力：=85MPa<=215 MPa 可
4.4.5.4.钢板桩变形

钢板桩最大变形：f=1.2mm<[f]=3000/150=20mm 可

综合上述：第一道钢围囹每沿米支撑最大反力：33KN, 第二道钢围囹每沿米支撑最大反力：157KN, 第三道钢围囹每沿米支撑最大反力：461KN, 第四道钢围囹每沿米支撑最大反力：412KN。钢板桩强度和刚度在施工过程中和围堰成型后均满足要求。
5．钢围囹设计计算
钢围囹支撑荷载主要是取各工况下对应支撑处的最大反力，对一到四工况下安全系数取1.05，对第五工况下安全系数取2。钢围囹支撑反力见下表：
表2
项目
支撑1
支撑2
支撑3
支撑4
荷载（KN/m）
36
172
508
453
5.1.第一道钢围囹
第一道钢围囹主要材料：HN 500x150x10/16工字钢。
5.1.1.结构模型及荷载(KN,m)

5.1.2. 结构组合应力(MPa)

最大组合应力：=56MPa<=215 MPa 可
5.1.3.结构变形(mm)

钢围囹最大变形：f=2.9mm<[f]=20000/300=67mm 可
5.2.第二道钢围囹
第二道钢围囹主要材料：组合型钢，具体尺寸见结构详图。
5.2.1.结构模型及荷载(KN,m)

5.2.2. 结构组合应力(MPa)

最大组合应力：=66MPa<=215 MPa 可
5.2.3.结构变形(mm)

钢围囹最大变形：f=3.5mm<[f]=20000/300=67mm 可
5.3.第三道钢围囹
第三道钢围囹主要材料：组合型钢，具体尺寸见结构详图。
5.3.1.结构模型及荷载(KN,m)

5.3.2. 结构组合应力(MPa)

最大组合应力：=101MPa<=215 MPa 可
5.3.3.结构变形(mm)

钢围囹最大变形：f=5.4mm<[f]=20000/300=67mm 可
5.4.第四道钢围囹
第四、五道钢围囹主要材料：3I50a工字钢、450x14mm钢管。
5.4.1.结构模型及荷载(KN,m)

5.4.2. 结构组合应力(MPa)

最大组合应力：=88MPa<=215 MPa 可
5.4.3.结构变形(mm)

钢围囹最大变形：f=4.6mm<[f]=20000/300=67mm 可
6.混凝土封底设计计算
封底混凝土标号为C25,计算厚度取1.0m,计算时考虑封底混凝土与混凝土桩和钢板桩共同作用。采用ansys建立实体模型进行分析，封底混凝土采用SOLID65单元模拟，SOLID65单元用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型。该实体模型可具有拉裂与压碎的性能。在混凝土的应用方面，如用单元的实体性能来模拟混凝土，而用加筋性能来模拟钢筋的作用。当然该单元也可用于其它方面，如加筋复合材料（如玻璃纤维）及地质材料（如岩石）。该单元具有八个节点，每个节点有三个自由度，即x,y,z三个方向的线位移；还可对三个方向的含筋情况进行定义。
本单元与SOLID45单元（三维结构实体单元）的相似，只是增加了描述开裂与压碎的性能。本单元最重要的方面在于其对材料非线性的处理。其可模拟混凝土的开裂（三个正交方向）、压碎、塑性变形及徐变，还可模拟钢筋的拉伸、压缩、塑性变形及蠕变，但不能模拟钢筋的剪切性能。

6.1. 封底混凝土计算模型
ansys实体模型如下：

6.2. 封底混凝土位移（单位：m）

最大位移为：f=0.8mm 可
6.3. 封底混凝土x方向应力（单位：Pa）

最大应力为：=0.53MPa<=1.55x0.75=1.16 MPa 可
6.4. 封底混凝土y方向应力（单位：Pa）

最大应力为：=0.5MPa<=1.55x0.75=1.16 MPa 可
6.5. 封底混凝土x方向应力（单位：Pa）

最大应力为：=0.23MPa<=1.55x0.75=1.16 MPa 可
综合上述：封底混凝土计算厚度取2m可满足要求。

7.钢板桩整体抗浮计算
围堰封底后，整个围堰受到水的向上浮力作用，应验算其抗浮系数K=G/F > 1.2
式中：G—钢板桩围堰重量+封底混凝土自重+桩基对封底混凝土锚固力+钢围堰摩阻力；
F—水的浮力；
浮力：
钢围堰重量： g1=1880KN
封底混凝土自重：
g2=(3.14x9x9-3.14x0.75x0.75x21) x2x24=10428KN
桩锚固力： g3=3.14x1.6x2x250x21=49455KN
钢围外围摩阻力： g4 =3.14x20x8x30=15072KN
由K=（g1+ g2+ g3+ g4）/F=1.53>1.2，则稳定性满足要求。

中铁二十局一公司李建军 2011-07-20重庆
15009101888