大桥深水基础施工方案承台钢套箱设计计算书.doc

大桥深水基础施工方案

承 台 钢 套 箱

设
计
计
算
书

深水承台施工方案——
9#、10#墩承台钢套箱设计计算
本套箱围堰设计为XX高速公路XX段XX标——JX-FX1施工标段XX大桥的9#、10#墩施工深水承台所用。该套箱钢围堰（顶标高的确定见工作平台施工方案P1）约10.0m高，拟分上下两层。上层高5.0m，下层高5.0m，如下图所示：

上层：面板厚=6mm
横向肋为：[ 10 ＠ 500
竖向肋为：[ 12.6 ＠ 500
下层：面板厚=8mm
横向肋为：[ 10 ＠ 500
竖向肋为：[ 14a ＠ 500
面板四周设∟125*125*10角钢与相邻面板连接，连接螺栓开孔Ф22mm，孔距20mm单排，螺栓M 20*65mm

钢套箱内设三层围令，上层围令设置标高▽35.0m处；中层围令设置标高▽31.5m处，下层围令设置标高▽28.5m处（封底砼顶面顶面向上0.5m处）
根据XX大桥主墩承台设计图和面块受吊重4.0T限重，绘制套箱设计图，设计计算为下：
一、设计依据
1、XX大桥施工图设计；
2、实测河床断面图；
3、历年的水文资料；
4、各种桥涵设计、施工规范和设计计算手册；
二、方案可行性研究及其对策
1、筑岛围堰：根据XX大桥施工图设计，主墩承台顶面在河床面以下（接近河床面），墩位处水深4.5m左右。如采用土围堰（包括草袋土围堰或木桩土围堰），则围堰较高，且顶下挖4.0~5.0m，必须将围堰做得很大。这样工程量很大，费工费时，土壤又缺乏，无论是从工期还是造价上均不够合理，同时在施工过程中还存在巨大风险，故此方案不能采纳。
2、钢套箱围堰：利用钢管桩脚手平台拼装，下沉钢套箱比较方便，而且钢套箱下沉4.5~5.0m是完全可能的。在本桥的地质条件下，下沉4.5~5.0m最好采用双壁钢套箱，由于本身自重较大，这完全是可取的。但双壁钢围堰工程成本较大且不能回收利用，经济上难以承受也不可取。
根据施工现场的实际情况，水流流速较慢，故考虑可以先在钢套
箱下沉的范围，用挖泥船挖泥，将河床标高降低2.0m左右，则钢套箱实际下沉深度由4.5~5.0m，降至2.5~3.0，这样就可以采用单壁钢围堰，不但使每付套箱成本大大降低，还可以在墩身出水后，将单壁钢围堰拔除，转为下半幅承台施工所用。最后研究决定，采用先挖泥降低河床标高的对策，采用单壁钢围堰施工承台。
三、套箱围堰平面尺寸及标高的确定
1、套箱围堰的标高拟定
顶标高：根据历年水文资料及一般以十年一遇的水位作为施工水位，故将施工水位定为▽36.0m，因流速不大，只考虑0.5m安全高度，所以套箱围堰顶标高为36.5m；
底标高：承台底标高为28.0m，封底混凝土厚度拟定为1.0m，围堰吸泥下沉后用蛇皮袋装泥铺平的处理高度约为0.2m，再考虑套箱的底脚切入好土层0.3m，则底脚标高应为28.0-1.0-0.2-0.3=26.5m
套箱围堰总高度为h=36.5-26.5=10.0m
2、套箱围堰平面尺寸的拟定
套箱围堰下沉至设计标高后封底抽水，变水中施工为陆上施工，同时套箱又兼作浇筑承台的外模。为了保证承台轴线的精确，故在承台外缘凿出10cm，作为钢套箱在下沉时的偏差余量，所以在设计钢套箱围堰时，平面尺寸为：净（10.5+2*0.10）*（6.5+2*0.1）=10.7*6.7m
四、承台施工流程图：

基桩浇筑完成
拆除施工平台面层、贝雷梁
拼装单壁钢围堰
测量控制
转至另半幅施工平台使用
钢围堰加工或改造
钢围堰内吸泥下沉
测量跟踪
补水、保持水头平衡
钢围堰沉至设计标高
潜水工清底整理、清壁
浇筑封底混凝土
砼等强后井内抽水
拆除底层钢围令、承台放样
破桩头检测、绑钢筋浇筑承台
绑钢筋、浇筑墩身
拆除钢围堰
准备潜水作业设备
制定浇筑方案及设施
报监理验收
承台钢筋加工
墩身钢筋加工
转至另半幅施工承台使用
报监理验收
拆除中层钢围令
下达纠偏指令
检查安全
整修
检查钢围令支撑情况

五、钢围堰设计计算
1、面板设计计算
1）重量分块计算

按现在的25T吊机和8m左右的吊距，宜将板块重量控制在5.0T以内。钢围堰平面尺寸如下图所示：

钢围堰总高度10.0m
上层高：5.0m
下层高：5.0m
图中A、B为上层分块编号，C、D为下层分块编号
其中如C板块在5.0T以内，则A、B、D肯定在5.0T之内。
块件C，G=6.7*5.0*140kg/m2=4.69T<5.0T
短边方向围堰不需分块。
2）面板的强度和刚度验算
钢套箱面板在拼装过程中及吸泥下沉过程，只需控制好内外水头，使之相等，面板的受力很小，在上述工况下可以不作验算，只是在封底抽水后，内外形成压力差，在此工况下，对面板需进行强度和刚度的验算。
（1）上层套箱面板强度验算：
套箱的纵横向加劲肋间距均为50cm，面板厚度=6mm，最大水深
h=4.5m，面板上水侧压力

P=r*h=1.0*4.5=45Kpa
将面板压力简化为阶梯荷载时：
P= r*(h-0.5/2)=42.5Kpa
面板L1=L2=50cm
L1/L2=1<2应按双向板计算
利用《建筑结构静力计算手册》表4-4
当=0时，（为泊桑比）

代表一种实际并不存在的理想材料，本围堰为钢材，应为0.3

注：临时结构取1.3的容许应力增大系数
（2）下层套箱面板强度验算
套箱的纵横向加劲肋间距均为50cm，面板厚度=8mm,封底后最大水深
所使用的计算公式与上层面板计算时的雷同，只是q由42.5变为77.5kpa，板厚由0.6变为0.8
所以：

（3）上层套箱面板的刚度验算
挠度
式中：

（4）下层套箱面板的刚度验算
挠度
式中

2、钢围令设计计算
1）钢围令的布设
（1）平面上的布设
如下图所示，图中尺寸10.7m和6.7m不是围令的轴线而是外廓，即钢套箱里的净空距离，应随实际情况，稍作调整。
（2）立面上的布设
如下图所示：

设上、中、下三层围令。底层围令比封底混凝土顶面高50cm，待封底混凝土浇完抽水后拆除，中层围令的轴线位于下层套箱的拼缝处，比承台顶高50cm，待承台浇筑后拆除。惟有上层围令，在浇筑墩身时只将围令的横撑拆离，留有围令和斜撑，待墩身出水后和钢套箱一并拆除。
2）钢围令的受力分析
钢围令是稳固钢套箱面板，使其在拼装及下沉的过程中保证钢套箱不走形，并承受井内外有压力差时，由面板传来的力。各层钢围令在每个工况中受力是不同的，现将各层钢围令在受力最不利工况中分别加以分析。
（1）底层的钢围令
该层钢围令在套箱入土下沉过程中承受井内外压力差，只需注意及时向井内补水，保证内外水头相近，则钢围令受力不大。但在封底混凝土浇筑（等强）抽水后，井外的水压力通过面板传至该层的钢围令。

①荷载计算
假设：a、▽28.0m以下的水压力由封底混凝土承受；
b、水中的土侧压力按水压力计算。

②反力计算

(2)中层钢围令

该层钢围令在抽水后，且底层围令拆除时，井外的水压力通过面板传至该层围令。
①荷载计算
假设：封底混凝土对面板的反力中心距其顶面10cm，

②反力计算

（3）上层钢围令
该层围令在承台浇筑后，且中层围令已拆除时，井外的水压通过面板传至围令。

不难求出：

3) 钢围令设计计算
（1）中层钢围令内力计算
通过受力分析得知，底层钢围令在不利的工况下，R=13.95 T/M，小于中层钢围令在最不利工况下R=16.59 T/M，故以R=16.59 T/M控制钢围令设计。这是一个四周受相同压力的框架结构，压力q为反力R=16.59 T/M。四角的A、B、C、D点为铰点。

①计算简图
AB及CD边可视为五跨连续梁，为了简化计算，且边跨与中跨相差不大，近似地作为五等跨连续梁。

AD及BC边为五跨连续梁，中跨2.7m为边跨2.0m的1.35倍即
②内力计算

利用《建筑结构静力计算手册》表3-7

反力校核：

证明反力计算无误。
斜撑
各跨跨内最大弯距（正弯距）均小于支点弯距，故未计算。
AD梁系三跨连续梁如下图所示。

利用《建筑结构静力计算手册》表3-9
查表内插

各跨跨内弯距均小于支点弯距，故未计算。

反力校核：
荷载
总反力

证明反力计算无误。
斜撑
综上可见：截面5.6受力最大

③强度验算
围令及撑杆和斜撑拟采用双拼I25a

换算应力

④撑杆稳定性计算

撑杆材质为A3钢2I25a

此为压弯杆件，总稳定性计算应按
+ *
参见《路桥施工计算手册》第12章

计算值：

则

换算长细比

查表内插得
将上述数据代如公式：
故撑杆的整体稳定性能够保证。
⑤斜撑的焊缝连接计算

水平连接焊缝长
焊缝截面总长

焊缝高h定为8mm
验算焊缝强度：

（2）上层钢围令设计计算
上层钢围令的受力q=4.81T/M，虽然远小于中层钢围令，但在不同工况下，此时承台已浇筑完毕，中层钢围令亦已拆除，准备施工墩身，而上层钢围令的两根横撑刚好在墩身位置上，试将上层围令的两根横撑也拆除，只留四个角斜撑，结构为右图所示。
①计算简图

AB及CD边为三跨连续梁，AD及BC边亦为三跨连续梁，因结构形式与中层的雷同，而荷载远小于中层，故AD及BC边毋庸计算。
②内力计算

截面相同跨径不同，采用三弯距方程式借助计算用表详见《建筑结构静力计算手册》

求得

计算得M1=M2，证明计算无误
③求A、1支座反力

校核：

证明反力计算无误。
④强度验算：

讨论：截面1仅此弯曲应力就超过了允许值，何况该截面还受剪力Q和压力N，故这样结构布置不合理需改变。试将A、1和B、2之间距离加大至3.0m，重新计算。
①计算简图，为下图所示

②内力计算

③求A、1支座反力

校核：

证明反力计算无误。
④强度验算：
AD边中A的支点反力就是AB边的轴向压力，计算AD边中A点的支座反力（见P10）

截面1的内力：

换算应力：

上层钢围令按改变后的布置形式，较为合理。最不利截面的强度亦能
安全通过，且中间无需加横撑，只需四角斜撑即可。
六、施工注意事项
1深水基础施工难度大，技术含量高，工序多，安全风险也大。具体施工前，各主要工序和各工种都应制定安全防范技术措施亦认真进行技术和安全双交底；
2钢结构加工制造或改装，要求高，应严格按照有关“施工规范”和“技术标准”进行；
3钢围堰在吸泥下沉过程中，应在钢护筒上装有导向装置，并随时跟踪测量注意纠偏；
4应认真做好封底前的基底整理和清壁工作，确保封底混凝土一次成功；
5钢围令是钢套箱稳固的保障，应按照设计图的要求施工，注意检查焊缝质量，确保结构安全；
6封底混凝土达到强度，井内抽水后，应集中力量破桩头、检测、扎承台钢筋、浇筑承台，以最短的时间，最快的速度渡过围堰最关键的时期。