黄冈桥第二套围堰计算书(签字版本).doc

黄冈公铁两用长江大桥主墩围堰B版设计计算

黄冈公铁两用长江大桥工程

主 墩 围 堰 设 计 计 算

计 算：
复 核：
室 主 任：
总工程师：

中铁大桥局股份有限公司施工设计事业部
2009年12月
目 录

1、围堰结构 2
1.1、围堰的组成部分 2
1.2、围堰相关参数 3
1.3、主要施工步骤及计算内容 3
2、计算依据 3
3、工况分析 3
4、围堰结构计算 4
4.1、双壁侧板 4
4.2、底龙骨 14
4.3、内支架 15
4.4、围堰封底混凝土计算 20
5、结论 25

1、围堰结构
1.1、围堰的组成部分
①、双壁侧板
②、底板及龙骨
③、底隔仓
④、内支架
⑤、吊杆
⑥、上、下固定导环、活动导环

围堰总图
1.2、围堰相关参数
①、围堰外轮廓尺寸：38.4m(宽)×55.4m(长)。其中：底节16.5m。
②、围堰底节重：约2577t（不含挂桩等）。
③、钢材力学性能：允许抗拉、抗压和抗弯应力[σ]=170MPa；
工厂贴角焊缝抗拉、抗压和抗剪[τ]=100 MPa；
工地手工焊缝抗剪[τ]=80MPa；
1.3、主要施工步骤及计算内容
序号
施工步骤
计算内容
1
围堰浮运到位，灌砼下沉至设计标高
1）下水时的吃水深度和侧板的验算
2
围堰封底、抽水
1）封底时的龙骨即吊杆验算
2）抽水后的侧板及内支撑验算
3）围堰抗浮验算
4）抽水后封底混凝土强度验算
3
浇注第一层承台
1）封底混凝土验算
4
内支架拆除后塔柱施工
2）侧板计算
2、计算依据
（1）《黄冈公铁两用长江大桥主塔墩基础结构图》。
（2）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)。
（3）《公路桥涵施工技术规范》(JTJ041-2000）。
（4）《钢结构设计规范》(GB50017-2003)。
3、工况分析
工况一：围堰底节整体浮运到墩位后，精确定位后插打定位钢护筒
底隔舱面积706m2，双壁面积338 m2
围堰吃水深度:2577/(706+338)=2.46m
侧板内外壁承受对压水头荷载。
工况二：围堰作为钻孔平台，进行钻孔桩施工
钢吊箱由12根定位钢护筒承载，钻孔过程中双壁隔舱灌水高度根据根据水位变化相应调节。
工况三：钻孔桩全部施工完成后，根据现场水位考虑是否接高围堰顶节，下放至设计标高
工况四：浇注封底混凝土
工况五：抽水，浇注第一层承台
工况六：浇注第二层承台
工况七：拆除内支架，进行塔柱施工
4、围堰结构计算
4.1、双壁侧板
a、围堰壁板
围堰壁板采用δ=6mm，L75×50×6mm角钢加劲。加劲肋布置：最大间距为350mm，跨度有800、1000mm。考虑50倍δ6mm板参与共同受力，其截面特性为：
A=2520mm2
I=1885940mm4
W=30069mm3
（1）1000段加劲肋允许最大水头:
由 (加劲肋按Mmax=1/10qL2计算)
则壁板加劲肋允许最大水头为:

由得
双壁板允许最大水头为:
故1000mm段壁板允许水头为13.3m。
（2）800段加劲肋允许最大水头:
由 (加劲肋按Mmax=1/10qL2计算)
则壁板加劲肋允许最大水头为:

由得
双壁板允许最大水头为:
故800mm段壁板允许水头为21m。
b、围堰水平环及内支架计算
围堰水平环受力控制工况为工况五,采用midas软件建立1/4整体模型，壁板内灌注的混凝土采用实体单元，面板采用加劲板单元，其余为梁单元，模型图如下所示：
高水位+20.0m，双壁内灌注混凝土假定6.5m高，标高位置+5.5m，此时水头差20-5.5=14.5m，要求单壁最大水头9m，故按五种情况检算：（1）内、外壁各7.25m水头；（2）内壁5.5m水头，外壁9m水头；（3）内壁9m水头，外壁5.5m水头；（4）围堰下沉工况；（5）拆除内支架，塔柱施工。

围堰计算1/4模型图
（1）内、外壁各7.25m水头
计算得到水平环最大应力(绝对值)如下表所示：
表1-1 第一节围堰水平环应力表
6×1000段水平环
7×800段水平环
4×1000段水平环
□240×12+□120×10
□300×16+□150×12
□280×12+□120×12
最大组合应力（Mpa）
最大组合应力（Mpa）

最大组合应力（Mpa）

非内支架对应位置
内支架对应位置
30
98.6
66.5
188(未计加强板)

1/4结构水平环组合应力图（Mpa）

1/4围堰双壁内桁架轴力图（t）

杆件稳定验算表
杆件
L100×10
L125×12
Nmax（t）
-11.6
-18.2
A（mm2）
1926
2891
i（cm）
1.96
2.46
L（mm）
2236
2236
λ=L/i
114
91
φ
0.47
0.61
η=0.6+0.0015λ
0.771
0.737
σ=Nmax/A/φ/η（MPa）
-165
-140
是否满足要求
满足
满足
隔舱板最大应力为127MPa，隔舱板应力图如下

隔舱应力图
（2）内壁5.5m水头，外壁9m水头
计算得到水平环最大应力(绝对值)如下表所示：
表1-2 第一节围堰水平环应力表
6×1000段水平环
7×800段水平环
4×1000段水平环
□240×12+□120×10
□300×16+□150×12
□280×12+□120×12
最大组合应力（Mpa）
最大组合应力（Mpa）

最大组合应力（Mpa）

非内支架对应位置
内支架对应位置
29
106
67.8
174(未计加强板)

1/4结构水平环组合应力图（Mpa）

围堰双壁内桁架轴力图（t）
杆件稳定验算表
杆件
L100×10
L125×12
Nmax（t）
-11.8
-17.3
A（mm2）
1926
2891
i（cm）
1.96
2.46
L（mm）
2236
2236
λ=L/i
114
91
φ
0.47
0.61
η=0.6+0.0015λ
0.771
0.737
σ=Nmax/A/φ/η（MPa）
-168
-133
是否满足要求
满足
满足

隔舱板最大应力为117MPa。

隔舱应力图
（3）内壁9m水头，外壁5.5m水头
计算得到水平环最大应力如下表所示：

表1-3 第一节围堰水平环应力表
6×1000段水平环
7×800段水平环
4×1000段水平环
□240×12+□120×10
□300×16+□150×12
□280×12+□120×12
最大组合应力（Mpa）
最大组合应力（Mpa）

最大组合应力（Mpa）

非内支架对应位置
内支架对应位置
26.7
105.5
90.8
196(未计加强板)

水平环组合应力图

围堰双壁内桁架轴力图（t）
杆件稳定验算表
杆件
L100×10
L125×12
Nmax（t）
-11.5
-18.8
A（mm2）
1926
2891
i（cm）
1.96
2.46
L（mm）
2236
2236
λ=L/i
114
91
φ
0.47
0.61
η=0.6+0.0015λ
0.771
0.737
σ=Nmax/A/φ/η（MPa）
-165
-145
是否满足要求
满足
满足

隔舱板最大组合应力为143MPa。

隔舱板组合应力图
（4） 围堰下沉工况
侧板内外壁承受对压水头取值为h=9.0m。
计算得到水平环最大应力如下表所示：
表1-3 第一节围堰水平环应力表
6×1000段水平环
7×800段水平环
4×1000段水平环
□240×12+□120×10
□300×16+□150×12
□280×12+□120×12
最大组合应力（Mpa）
最大组合应力（Mpa）
最大组合应力（Mpa）
169.3
80.9
74.3
杆件稳定验算表
杆件
L100×10
L125×12
Nmax（t）
-10.8
-6.7
A（mm2）
1926
2891
i（cm）
1.96
2.46
L（mm）
2236
2236
λ=L/i
114
91
φ
0.47
0.61
η=0.6+0.0015λ
0.771
0.737
σ=Nmax/A/φ/η（MPa）
-154.7
-51.6
是否满足要求
满足
满足

水平环组合应力图

围堰双壁内桁架轴力图（t）
（5） 拆除内支架，塔柱施工
拆除内支架之前，可使双壁内水位高于承台顶部标高4.5m，即调节双壁内水位标高保证双壁内水位标高在+13.5m左右，水位+20m进行检算。侧板承受水头外壁为h=20-13.5=6.5m，内壁13.5-9=4.5m。
计算得到水平环最大应力如下表所示：
表1-3 第一节围堰水平环应力表
6×1000段水平环
7×800段水平环
4×1000段水平环
□240×12+□120×10
□300×16+□150×12
□280×12+□120×12
最大组合应力（Mpa）
最大组合应力（Mpa）
最大组合应力（Mpa）
33.5
72.5
136
由计算得到双壁内桁架轴力及隔舱版受力不满足要求，故塔柱施工时需要设置临时支撑。

4.2、底龙骨
龙骨截面为HN500×200×10×16，所受荷载有：混凝土自重、浮力、底板及自身的重力；混凝土自重与浮力的合力为4.6t/m2(作用在底板上)。
建立1/2整体模型，龙骨局部位置加强后，计算得到龙骨最大应力值为154.5MPa，吊点位置处最大反力为98.3t，龙骨应力图及吊杆轴力图如下图所示：

1/2龙骨应力图

1/2结构吊点轴力图
4.3、内支架
内支架上下弦杆采用HM488x300型钢，斜杆采用2[28b截面，竖杆采用2[25b截面，平联采用2L100x10截面。内支架高3.0m。
a、围堰挂桩工况
布置6台钻机，每台钻机及其钻具按150t计。侧板及底隔舱共重1003t，其自重主要由浮力平衡（侧板内外壁间的面积为338m2，则需控制侧板壁板内水头比壁板外水头低3.0m以上）；底板、底龙骨重量为285t，该重量由吊杆承担，加上吊杆自身重量155.4t，吊杆总数为136根，则每个吊杆力为1.2t。考虑水头变化影响，侧板按照30%压重作用在内支架上，水流流速按照4m/s计算得到每个定位桩处水平力61t。
计算模型如下图所示：

围堰挂桩工况1/2计算模型（钻机第一次循环）
内支架斜杆与竖杆杆件性能表
截面特性
2[28b(背靠背)
2[28b（相扣）
2[25b
面积A（mm2）
9031
9031
7895
i（mm）
36.4
67.7
35.7
计算长度l(mm）
3605
3605
3000
长细比λ
99.04
53.2
84.03
稳定系数φ
0.561
0.842
0.661

计算结果见下表所示：
循环次数
HM488最大组合应力（Mpa）
2L100×10最大组合应力（Mpa）
2[28b轴力
2[28b应力
2[25b内力
2[25b应力
最大拉力（t）
最大压力（t）
拉应力（Mpa）
稳定压应力（Mpa）
最大拉力（t）
最大压力（t）
拉应力（Mpa）
稳定压应力（Mpa）
第一次
71.5
79.6
36
-39.4
40
-77.8
4.5
-20.3
5
-39
第二次
91.5
84.5
44.2
-55.8
48.72
-109.55
3.3
-32.3
4.18
-61.9
第三次
102
77.3
50
-60.3
55.36
-119.02
4.2
-34.8
5.32
-66.7
第四次
72.6
42.1
56.7
-68.1
62.78
-134.42
6
-31.8
7.60
-61
第五次
75.4
34.7
56.1
-67.7
62.12
-133.63
3.3
-31.9
4.18
-61
第六次
77
36
57.4
-69
63.56
-136.19
3.4
-31.8
4.31
-61
b、围堰封底吊挂工况
围堰封底时，按每根吊杆受力100t计算，由程序计算得到
HM488最大组合应力（Mpa）
2L100×10最大组合应力（Mpa）
2[28b内力　
2[28b应力
2[25b内力
2[25b应力
最大拉力（t）
最大压力（t）
拉应力（Mpa）
稳定压应力（Mpa）
最大拉力（t）
最大压力（t）
拉应力（Mpa）
稳定压应力（Mpa）
128
35.9
148
-103
163.9
-135.5
20.7
-10.8
26.22
-20.69

1/4封底吊挂工况内支架腹杆轴力图（t）
c、围堰封底完成后抽水工况
建立如下图所示的1/4整体模型，按+20.0m的设计水位对底层内支架进行验算。计算模型如下图所示：

则程序计算得到
2L100×10杆件组合应力：σmax=58MPa，σmin=-68.8MPa
HM488×300杆件组合应力：σmax=19MPa，σmin=-137.5MPa
2[28b杆件组合应力： σmax=27.3MPa，σmin=-63.2MPa
2[25b杆件组合应力： σmax=3.6MPa，σmin=-52MPa

内支架底层杆件轴力图（t）
（最大轴力值为-119t）

内支架顶层杆件Mx图（t·m）
（最大Mx值为10.1t·m）

内支架顶层杆件My图（t·m）
（绝对值最大My值为3.0t·m）
验算H488x300杆件强度与稳定：
取上述杆件的各种内力的最大值进行验算。
Nc=-119t
Mx=10.1t·m，My=3.0t·m
A =164.44cm2
Wx=2926.2cm3，Wy=541 cm3
ix=20.8cm，iy=7.0cm
Lx=400.0cm，Ly=200.0cm
λx=Lx/ix=400.0/20.8=19，λy=Ly/iy=200.0/7=29
查表可得 φx=0.983，φy=0.939
=8574t，=3680t
=1.05，=1.2
====1.0
=1.0
=1.05，=1.0

因此内支架上、下弦强度及整体稳定满足要求。
4.4、围堰封底混凝土计算
a、围堰整体抗浮验算
黄冈桥围堰整体抗浮计算
序号
参 数
参数值
备注
1
护筒外径D（m）
3.2

2
承台桩数n（根）
31

3
施工水位（m）
18

4
双壁顶高程（m）
15.5

5
围堰底高程（m）
-1

6
承台顶高程
9

7
水头差H（m）
19

8
封底厚度h1（m）
3.5

9
围堰外轮廓底面积A0（m2）
2084

10
孔面积A1（m2）
249.1904

11
围堰底面积（去孔后）A= A0- A1（m2）
1834.8096

12
围堰侧板底面积A'（m2）
338

13
围堰封底内圈面积A''= A0- A'（m2）
1746

14
侧板内混凝土高度h2（m）
6.5

15
侧板内充水高度h3（m）
9

16
浮力F= HA（t）
34861.38

17
围堰自重G1（t）
2300

18
封底混凝土自重G2=2.3x A'' h1（t）
14055.3

19
侧板内混凝土自重G3=2.3x A' h2（t）
5053.1

20
侧板内充水自重G4=1.0x A' h3（t）
3042

21
混凝土与护筒粘结力抗浮计算取值τ（t/m2）
15

22
护筒粘结力T=nπD(h1-0.2)τ（t）
15418.66

23
G1+ G2+ G3+ G4（t）
24450.4

24
抗浮安全系数K=(T+G)/F
1.14

由上表可知，按3.5m的封底混凝土厚度，侧板内充水9m时，+18m抽水水位计算时围堰整体抗浮计算满足要求。
b、护筒粘结力
按照抽水水位+18m计算，建立封底混凝土及桩的空间数值模型，取18m的桩长，如下图所示。计算按上表的参数进行，考虑了围堰自重、封底混凝土自重、侧板内混凝土自重和侧板内充水自重等的影响。允许粘结力取值为15.0t /m2。

计算模型图

封底混凝土截面图

由桩底反力减去桩身自重后，可得到桩与封底混凝土的粘结力。
计算结果如下表所示：
桩号
粘结力（t）
钢护筒直径（m)
单位面积允许粘结力(t/m2)
封底混凝土高度（m）
粘结应力（t/m2)
是否满足要求
1
478.6
3.2
15
3.5
14.43
满足
2
366
3.2
15
3.5
11.04
满足
3
344
3.2
15
3.5
10.37
满足
4
470.8
3.2
15
3.5
14.20
满足
5
520.1
3.2
15
3.5
15.69
不满足
6
505.2
3.2
15
3.5
15.24
不满足
7
500.8
3.2
15
3.5
15.10
不满足
8
380.2
3.2
15
3.5
11.47
满足
9
511.4
3.2
15
3.5
15.42
不满足
10
532.5
3.2
15
3.5
16.06
不满足
11
534.4
3.2
15
3.5
16.12
不满足
由以上计算结果可知局部粘结力不满足要求，需要局部处理。
C、封底混凝土应力
经计算得到封底混凝土最大主拉应力为0.71MPa。封底混凝土应力满足受力要求。主拉应力图见下图所示：

封底混凝土主拉应力（MPa）
b、其它不同水位与不同封底厚度时封底混凝土的应力以及护筒的粘结力
封底混凝土应力及护筒的粘结力
序号
封底厚度（m）
水位标高
封底混凝土的主拉应力（MPa）
砼与钢护筒的粘结应力（t/m2）
1
3.0
+13
0.38
13.1
2
3.0
+14
0.42
14.7
3
3.5
+15
0.41
12.3
4
3.5
+16
0.47
13.6
5
3.5
+17
0.57
14.84
4.5、定位桩计算
由于局部冲刷影响，计算不考虑覆盖层的作用。
钢护筒直径3.2m，壁厚20mm，定位桩个数采用14根。围堰重量按2577t计，水流流速取值为4m/s,围堰高度16.5m，围堰顶部高程+24.0，围堰底部高程+7.5，河床底标高取值-12.0。
桩顶部轴力：
围堰的水流力:

定位桩自身的水流力：
定位桩水流力产生的弯矩为：

围堰水流力产生的定位桩群顶部弯矩：
定位桩自重：
(1)按定位桩底铰接计算

则桩顶最小轴向力为：

及定位桩底产生上拔力。
最大轴向力为：

(2)按定位桩底固结计算
单柱截面惯性矩：
柱群惯性矩：

桩底弯矩为：

4.7、钻孔深度计算
（1）按桩底轴向力计算：
根据地质报告中所述：岩石强度可分为两类，④2砂岩、④3泥质砂岩岩质较软，其微风化岩单轴极限抗压强度一般15～30Mpa；④1砂岩、④4砾岩岩质较硬,微风化岩单轴极限抗压强度一般>30Mpa。
岩石单轴向极限抗压强度计算取值15 Mpa
则桩底部容许承载力：

由上式求解得到：
按桩抗拔计算：

由此式求解得到：
（2）按桩底弯矩确定钻孔深度：

由上述计算钻孔深度取较大值，则取钻孔深度
5、结论
（1）由以上计算可知，施工塔柱时，设置好内支撑之后，才能拆内支架。
（2）第一次抽水水位宜控制在+16.5m水位以下。
（3）定位桩钻孔深度不小于3m。

25
中铁大桥局股份有限公司施工设计事业部