钢板桩(混凝土)计算书初步.doc

钢板桩围堰复核计算（混凝土围檩）一、设计依据二、钢板桩围堰结构说明及施工工艺流程简单说明钢板桩采用拉森型钢板桩。钢板桩设计长度24米，插入河床以下约18米，承台底面以下10.78米。表3：拉森型钢板桩技术规格型号钢板桩尺寸（mm）截面积 （cm2）单位重量（kg/m）截面矩（cm3）宽度b高h壁厚t1侧壁厚t2拉森型40017015.511236742037施工简单流程1、插打靠近围堰内壁的12根钢护筒，护筒壁厚10mm，长9米，入土深度3米，采用20a作平联，连成稳定的框架。2、安装20a内、外围导向定位架，定位架与钢护筒之间连接牢靠，然后进行钢板桩插打，承台为圆形，钢板桩围堰为圆形，考虑预留1.5m的施工空间，钢板桩围堰内径定为23.5m。3、先插打河上游的第1根钢板桩，余下钢板桩在第1根钢板桩两边插打，逐渐向两边分，将河中的钢板桩全部打完。4、施工临时防护结构，拆除墩位处河堤。5、测量放样，继续插打钢板桩围堰直到合拢。6、安装外围檩对围堰进行加固。7、堰内分层填土（约40cm一层），每层基本找平后再填上一层，采用透水性好的砂土，一边填土，一边抽水，确保堰内外压力基本平衡。8、拆除钢平台桥面及纵梁。9、将岛面填筑成中间比周边高1米的隆起，理顺排水，防止岛面积水，围堰填筑成型后，在填土顶面铺一层渣石以增强其承载能力。10、进行钻孔施工11、桩基全部施工完成并全部检验合格后，进行承台开挖，大面开挖到标高+1.1m时，安装第一道围檩（0.40.4m双室钢箱）。围檩安装在牛腿上。第一层内围檩安装完毕后，进行内支撑安装，内支撑与围檩间采用焊接。内支撑安装完毕，方可进行下层开挖。12、边开挖边抽水，分层开挖，大面开挖到标高-2.25m时，安装钢筋、模板、焊锚固钢筋、安装塑料隔膜，浇注C40围檩混凝土（1.11.1m）。13、大面开挖到标高-5.021m（6#墩-5.221m）时，安装钢筋、模板、焊锚固钢筋、安装塑料隔膜，浇注C40围檩混凝土（1.11.1m）。14、5#墩大面开挖到标高-7.021m时（6#墩开挖到标高-7.221m），安装模板、钢筋、焊锚固钢筋、安装塑料隔膜，浇注1米高、1米宽C40砼（连续墙第一次浇筑）。15、5#墩大面开挖到标高-8.021m时（6#墩开挖到标高-8.221m），安装模板、钢筋、并与上层墙体钢筋相连、安装塑料隔膜，浇注1米高、0.5米宽C40砼（连续墙第二次浇筑）。连续墙竖向分节开挖，分节施工浇注，连续墙高度共4米。16、连续墙完工，强度达到75%后，继续开挖，比承台底超挖1米，基底找平，浇注1米厚封底混凝土，并留好。坑底四周预留排水沟、积水坑等。封底顶标高即为承台底标高，封底采用C20砼。为保证以后钢板桩好拔出，在钢板桩与封底砼之间10mm厚的泡沫板作隔离层，以便于以后钢板桩拔出。三、设计参数3.1 水文资料20年一遇设计最高通航水位标高为+2.59m。常水位标高为0.8m。3.2 地质资料地质情况如下表：表1:地质情况表时代成因地层编号岩土名称岩土状态基本承载力0（KPa）Q4al+m-1粉质黏土软塑120-2粉土稍密中密100Q4m-1淤泥质粉质黏土流塑80Q4m+h-1粉质黏土软塑100-2粉砂中密100Q4m+l-4粉质黏土软塑硬塑180Q4al+m-1粉土中密150Q3m-1粉质黏土流塑120Q3al+m-1粉砂夹粉土、粉质黏土中密150-2粉砂密实200表2:主墩基础地质地层分布情况表3.3 其它荷载参数车辆荷载：按q2=20kPa的均布荷载进行计算。 四、设计工况及荷载组合设计工况一：在钢板桩外侧加型钢围檩。在钢板桩围堰内部回填土并分层压实至标高+3.0m。在工况一条件下取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力。施工水位按常水位+0. 8m进行计算。外侧地面标高为-3.0m，内侧地面标高为+2.8m。设计工况二：桩基施工完成后，进行开挖作业，开挖至第一层内围檩位置（+1.3m），安装第一层围檩。在工况二条件下取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+水压力+车辆荷载。施工水位按常水位+2.59m进行计算。外侧地面标高为-3.0m，内侧地面标高为+1.3m。设计工况三：第一层围檩及内支撑施工完毕，继续挖基坑至第二层围檩位置（标高-2.2m，为砼围檩的底面标高），此时内围檩砼未浇筑。在工况三条件下取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+车辆。施工水位按+2.59计算。外侧地面标高为-3.0m，内侧地面标高为-2.2m。施工荷载主要为外侧车辆碾压荷载。设计工况四：第二层围檩及内支撑施工完毕，基坑开挖至第三层围檩位置（标高-4.7m，为砼围檩的底面标高）此时内围檩砼未浇筑。在工况四条件下取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+车辆荷载。施工水位按+2.59计算。外侧地面标高为-3.0m，内侧地面标高为-5.021m。施工荷载主要为外侧车辆碾压荷载。设计工况五：第三层围檩及内支撑施工完毕，基坑开挖至下层承台顶面下1m位置(标高-7.221m),此时内围檩砼未浇筑。在工况五条件下取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+施工荷载引起的附加力。施工水位按+2.59计算。外侧地面标高为-3.0m，内侧地面标高为-7.221m。施工荷载主要为外侧车辆碾压荷载。设计工况六：第四层围檩及内支撑施工完毕，以后基坑每开挖1m即浇筑1m的围檩砼，直至基底位置（标高-11.221m），围堰受力达到封底砼浇筑前的最终状态。五、钢板桩围堰的计算分析5.1 设计工况一5.1.1 计算原理在工况一条件下，围堰外侧顶部设置有一道外围檩，钢板桩按单锚式板桩进行计算，单锚深埋板桩上端为简支，下端为固定支撑。其计算采用等值梁法。5.1.2 钢板桩围堰强度计算假定外侧地面以下y深度处，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。围堰内部的土压力按主动土压力进行计算，围堰外部的土压力按被动土压力进行计算，水位以下的土体按浮容重进行计算。由于内外水位标高相等，未标出水压力。通过试算，得出y=0.56m时，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。钢板桩围堰的受力模型如图5.2-2，对应的e点的标高为-3.56m。取1m宽钢板桩进行受力分析，其计算模型如下： 计算模型剪力图弯矩图 查看计算结果图形得出，钢板桩围堰的最大弯矩为M=145.97kNm，每延米钢板桩抗弯模量W=2037cm3，则钢板桩应力为： 钢板桩的强度满足要求。5.1.3 钢板桩围檩的计算根据上节的计算得出，钢板桩围檩处的支座反力为38.67kN，计算中所取的钢板桩的宽度为1m，即钢板桩对围檩的作用力为38.67kN/m。对外围檩建立整体模型进行分析，考虑加工精度，将圆36等分为多边形计算，由于考虑对填土时围堰设拉杆对拉，拉杆共设8道，故模型设置16个支点，见下图：外围檩采用220，其截面面积为A=28.82=57.6cm2，其截面模量W=1782=356cm3。可求得最大弯矩为67.3kNm，剪力为87.25kN。弯曲应力为：剪应力为：=V/A=15.15MPa4.584m，故钢板桩围堰的入土深度满足要求。5.2 设计工况二5.2.1 计算原理在工况二条件下，围堰外侧顶部设置有一道外围檩，钢板桩按单锚式板桩进行计算，单锚深埋板桩上端为简支，下端为固定支撑。其计算采用等值梁法。5.2.2 钢板桩围堰强度计算假定外侧地面以下y深度处，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。围堰内部的土压力按主动土压力进行计算，围堰外部的土压力按被动土压力进行计算，水位以下的土体按浮容重进行计算。通过试算，得出y=0.28m时，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。又由以上受力图知，工况二受力比工况一小，故其不做控制工况，在此不做验算。5.3 设计工况三5.3.1 计算原理在工况三条件下，围堰内取土至标高-2.2m，已安装上面一层内支撑结构，但此时第二层围檩并未安装。用等值梁法。围堰内部的土压力按被动土压力进行计算，围堰外部的土压力按主动土压力进行计算，水位以下的土体按浮容重进行计算。在设计工况三条件下，取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+车辆荷载，其中车辆荷载取20kpa。受力状况见下图示：通过试算，得出y=1.07m时，钢板桩围堰内的被动土压力等于钢板桩围堰外的主动土压力。钢板桩围堰的受力模型如上图，对应的e点的标高为-3.27m。取1m宽钢板桩进行受力分析，通过试算知上层内支撑受拉，故计算时，上层内支撑处不设置支座，其计算模型如下：计算模型采用sap2000计算得结果如下：剪力图弯矩图查看结果图形发现，钢板桩围堰的最大弯矩为143.30kNm，每延米钢板桩抗弯模量为W=2037m3，则钢板桩的应力为：，钢板桩的强度满足要求。5.3.2钢板桩围檩的计算根据上节的计算得出，钢板桩围檩处的支座反力为114.91kN，计算中所取的钢板桩的宽度为1m，即钢板桩对围檩的作用力为114.91kN/m。围檩为圆形结构，取微段长度进行分析，假定拱轴为合理轴线，则拱轴所受弯矩及剪力均为0，其轴力为常数，其值为Fn=114.9111.55=1327.21kN。围檩为钢箱结构，A=0.0194m2故压应力，满足受力要求。考虑施工精度，用16边形代替圆建立整体模型如下图：外围檩采用钢箱结构，其截面模量W=2207cm3。可求得最大弯矩为202.27kNm，剪力为263.41kN。弯曲应力为：剪应力为：=V/A=13.5MPa10.25m，故钢板桩围堰的入土深度满足要求。5.4 设计工况四5.4.1 计算原理在工况四条件下，围堰内取土至标高-5.02m，已安装上面两层内支撑结构，但此时第三层围檩并未安装。用等值梁法计算多层支撑板桩，其计算步骤和方法与工况三相同。围堰内部的土压力按被动土压力进行计算，围堰外部的土压力按主动土压力进行计算，水位以下的土体按浮容重进行计算。假定内侧地面以下y深度处，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。在设计工况四条件下，取最不利荷载组合：水压力+主动土压力+被动土压力+车辆荷载，其中车辆荷载取20kpa。通过试算，得出y=1.6m时，钢板桩围堰内的被动土压力等于钢板桩围堰外的主动土压力。钢板桩围堰的受力模型如上图，对应的e点的标高为-6.62m。取1m宽钢板桩进行受力分析，其计算模型如下：计算模型剪力图弯矩图支座反力查看结果图形发现，钢板桩围堰的最大弯矩为237.15kNm，每延米钢板桩抗弯模量为W=2037m3，则钢板桩的应力为：，钢板桩的强度满足要求。5.4.2钢板桩围檩的计算根据上节的计算得出，钢板桩围檩处的支座反力为320kN，计算中所取的钢板桩的宽度为1m，即钢板桩对围檩的作用力为320kN/m。围檩为圆形结构，取微段长度进行分析，假定拱轴为合理轴线，则拱轴所受弯矩及剪力均为0，其轴力为常数，其值为Fn=32011.55=3696kN。施工中考虑20cm的偏心矩，截面采用对称配筋，根矩形截面小偏心受压构件对称配筋计算，计算得出配筋结果为负值，按照构造配筋，则配筋面积A=0.6%1=6000mm2 ，原设计配筋满足要求。5.4.3 钢板桩围堰的入土深度计算由以上计算得出，在深度y处的弯矩为M=237.15kNm。假定在e点以下xm范围内的土压力对e点的弯矩为M=237.15 kNm，近似计算的公式如下：M=（KKp-Ka）/3x3得出x= (3M/（KKp-Ka）)1/3=2.15m查简明施工计算手册表3-25，得K=1.7，内摩檫角为25度，则其主动土压力系数Ka= 0.406，被动土压力系数为Kp=2.464。则钢板桩围堰的最小入土深度为他to=x+y=2.15+1.6=3.75，实际所需的入土深度为t=1.1to=4.13m，实际的钢板桩围堰的入土深度4.13m，故钢板桩围堰的入土深度满足要求。5.5 设计工况五5.5.1 计算原理在工况五条件下，围堰内取土至标高-7.22m，已安装上面三层内支撑结构，但此时底部围檩并未安装。用等值梁法计算多层支撑板桩，其计算步骤和方法与工况四相同。围堰内部的土压力按被动土压力进行计算，围堰外部的土压力按主动土压力进行计算，水位以下的土体按浮容重进行计算。假定内侧地面以下y深度处，钢板桩围堰外的被动土压力等于钢板桩围堰内的主动土压力。通过试算，得出y=2.02m时，钢板桩围堰内的被动土压力等于钢板桩围堰外的主动土压力。钢板桩围堰的受力模型如下图，对应的e点的标高为-9.24m。取1m宽钢板桩进行受力分析，其计算模型如下：计算模型剪力图弯矩图查看结果图形发现，钢板桩围堰的最大弯矩为292.81kNm，每延米钢板桩抗弯模量为W=2037m3，则钢板桩的应力为：，钢板桩的强度满足要求。5.5.2钢板桩围檩的计算根据上节的计算得出，钢板桩围檩处的支座反力为490.87kN，计算中所取的钢板桩的宽度为1m，即钢板桩对围檩的作用力为490.87kN/m。围檩为圆形结构，取微段长度进行分析，假定拱轴为合理轴线，则拱轴所受弯矩及剪力均为0，其轴力为常数，其值为Fn=490.8711.55=5669.59kN。配筋计算结果同工况四，仍按构造配筋，配筋率不得小于0.6%.5.5.3 钢板桩围堰的入土深度计算由以上计算得出，在深度y处的弯矩为M=292.81kNm。假定在e点以下xm范围内的土压力对e点的弯矩为M=292.81 kNm，近似计算的公式如下：M=（KKp-Ka）/3x3得出x= (3M/（KKp-Ka）)1/3=2.30m查简明施工计算手册表3-25，得K=1.7，内摩檫角为25度，则其主动土压力系数Ka= 0.406，被动土压力系数为Kp=2.464。则钢板桩围堰的最小入土深度为他to=x+y=2.3+2.02=4.32，实际所需的入土深度为t=1.1to=4.75m，实际的钢板桩围堰的入土深度4.75m，故钢板桩围堰的入土深度满足要求。5.6 设计工况六第四层围檩及内支撑施工完毕，以后基坑每开挖1m即浇筑1m的围檩砼，直至基底位置（标高-11.221m），四层围檩下的最大跨度为1m，按最不利状态（悬臂状态）计算其承受的最大荷载q=814.8kN/m。封底底部主动土压力强度为199.86kpa，受力满足要求。浇注混凝土封底后，围堰的受力状态近似与工况五相同，在此不做计算。5.7 盾恩法验算钢板桩入土深度计算公式：计算简图如下1/2（Kp-Ka）x2=1/2(Kah+wH)(2.521+x)解得x =6.1m实际插入深度为9.779m安全系数1.6，安全。实际情况相当于内支撑位置位于封底底面，比此更偏安全5.8 混凝土围檩的验算取第三层围檩进行混凝土围檩验算1、受力验算第三层围檩及内支撑施工完毕，基坑开挖至下层承台顶面下1m位置(标高-7.22m)，此时内围檩砼未浇筑，围堰受力为该过程最不利状态。如图1为围堰的靠岸一侧的水压和土压分布。图1 水压土压分布第三层围檩受荷高度约为4.22m（标高3.0m到-7.22m的范围）。-3.0m处水压为：；-7.22m处水压为：-3.0m处土压力（地下水位以下扣除水对土的浮重）为：-7.22m处土压（地下水位以下扣除水对土的浮重）为：计算时偏安全考虑，认为4.22m受荷高度内的荷载均由第三道围檩来承受，简化为均布荷载，外部车辆荷载产生的压力荷载为8.1，则作用在第三道围檩上的均布荷载大小为：根据此压力荷载建立模型，围檩为对称结构，取一半围檩进行计算，计算模型如图2所示。土压力和水压力可按恒载计算，考虑1.2的组合系数。图2 第三道围檩计算模型图3 第三道围檩计算轴力根据模型计算得围檩轴力设计值为6809.5kN。围檩混凝土单元应力为：满足要求。2、配筋验算在施工中，考虑到围檩的施工误差，对围檩纵向进行适当配筋，以确保结构稳定，配筋按矩形截面偏心受压构件的理论进行计算，拟取偏心矩。根据混凝土结构设计规范和混凝土结构计算手册矩形截面偏心受压柱的计算来进行围檩的配筋。附加偏心矩则初始偏心距按小偏心计算。N为设计值，其大小为：根据混凝土结构设计规范有：取由公式：求得相对受压区高度：已知参数将上述数值代入方程，得： 即得：求得则故有 故按构造要求配筋，截面最小配筋率为0.5，单侧配筋不小于0.2。总配筋，配置1820（HRB335）钢筋，配筋率为5.7，满足要求。按构造配置箍，配置8250的箍筋，在有支撑位置箍筋加密，采用8100，加密长度不小于3m。5.9 钢板桩稳定性的验算（1）基坑底的管涌验算围堰内标高为-12.211m，围堰外标高为+3m，水位标高为+2.59m，钢板桩的底标高为-21m。h=14.8mt=8.21mw=10=9由计算得抗管涌安全系数K=1.901.5。故不会发生管涌现象。由于计算中不考虑粘聚力，故不进行基坑的抗隆起验算。（2）、抗倾覆验算 KarH1+r水h=0.406*9*9.021+10*（4.79+9.021）=171KPaKar0.41+ Karh+r水h +20Ka=199.12围堰切入河岸长度：18m，压力合力为：F1=199.12*18*14.221/2=25485KN，相对旋转点（支点）距离L1=14.221/3+0.2=6.74m对应河中的反压力：F2=171*18*13.811/2=21255KN相对旋转点（支点）距离L2=13.811/3+0.2=6.6m根据力矩平衡原理：M=F1*L1-（F2*L2+G*L）=0求得G=（25485*6.74-21255*6.6）/11.75=2679.65KN实际G=370+212*2+530=1324吨=12975KN围堰抗倾覆安全系数：K=12975/2679.65=4.84围堰稳定，不会倾覆。