XXX大桥锁口钢管桩围堰检算--迈达斯

XXX大桥

锁口钢管桩围堰检算书

二〇一二年十一月

目 录

1 工程概况 .......................................................................................................................................... 1 2 设计依据及主要参考资料 .................................................................................................................. 2 3 检算内容 .......................................................................................................................................... 2

3.1 锁口钢管桩围堰结构检算 ........................................................................................................ 2 3.2 封底混凝土检算 ...................................................................................................................... 2 3.3 围堰整体稳定性检算 ............................................................................................................... 2 4 钢管桩打入位置分类检算 .................................................................................................................. 3

4.1 工况一 .................................................................................................................................... 3

4.2 工况二 .................................................................................................................................... 3 4.3 工况三 .................................................................................................................................... 4 5 工况一检算 ....................................................................................................................................... 5

5.1 锁口围堰钢管桩结构检算 ........................................................................................................ 5

5.1.1静力分析及荷载计算 ...................................................................................................... 7 5.2.2 围堰结构构件检算 ......................................................................................................... 8 5.2 封底混凝土检算 .....................................................................................................................11

5.2.1抗浮力检算 ...................................................................................................................11 5.2.2强度检算 ...................................................................................................................... 12 5.3 围堰整体稳定性检算 ............................................................................................................. 12 5.4 结论...................................................................................................................................... 13 6 工况二检算 ..................................................................................................................................... 14

6.1 锁口围堰钢管桩结构检算 ...................................................................................................... 14

6.1.1静力分析及荷载计算 .................................................................................................... 15 6.2.2 围堰结构构件检算 ....................................................................................................... 16 6.2封底混凝土检算 ..................................................................................................................... 19

6.2.1 抗浮力检算.................................................................................................................. 19 6.2.2强度检算 ...................................................................................................................... 20 6.3 围堰整体稳定性检算 ............................................................................................................. 21 6.4 结论...................................................................................................................................... 22 7 工况三检算 ..................................................................................................................................... 22

7.1 锁口围堰钢管桩结构检算 ...................................................................................................... 22

7.1.1静力分析及荷载计算 .................................................................................................... 24

7.2.2 围堰结构构件检算 ....................................................................................................... 25 7.2围堰抗浮力检算 ..................................................................................................................... 28 7.2.1 抗浮力检算.................................................................................................................. 28 7.3 围堰整体稳定性检算 ............................................................................................................. 29 7.4 围堰内强风化泥岩层抗剪检算 ............................................................................................... 30 7.5 结论...................................................................................................................................... 31

1 工程概况

XXX大桥工程位于XXX，是连接XXX、中心城区的一座重要桥梁。

本合同段工程以桥梁工程为主，XXX主桥是本工程的重难点所在，桥梁全长731m，主桥为45+100+300+100+45米双塔双索面钢斜拉桥，水下群桩基础，钢箱梁，高索塔，钢铰线斜拉索，主桥长590m，桥面宽39m；引桥为两联三孔现浇箱梁，引桥长141m，桥面宽35.5m。以道路、排水、照明、绿化工程为辅，引道长344m，路基宽40m。主塔墩下部采用锥形柱桥墩，承台结构尺寸为25m×19m×5m，其下设计为16根υ2m桩基。5#～6#为主墩，墩基础位于邕江河道深水中，河床主要以泥质砂岩和泥岩层为主，主墩处河床强风化泥岩层最低标高58.2m，设计桩基嵌入中风化泥岩层中，5#墩桩基有效桩长60m，。承台采用锁口钢管桩围堰施工，采用一阶形式，承台底标高为55.428m，承台顶标高为60.428m。

地形地貌情况：桥位区属河谷地貌，引桥部位属邕江Ⅱ级阶地，引道属低丘地貌。拟建桥梁横跨邕江，江宽约420.00m。地形起伏较大，地面高程56.00～105.50m。桥位区北岸为冲积层覆盖；南岸多为人工填土及残积层覆盖，部分地段见基岩出露，植被发育一般。桥位处两岸已建成集防洪堤与交通功能于一体的沿江大道，南北防洪堤之间宽约630m。两岸斜坡较平缓，局部坡角达30°～50°，现状岸坡稳定，桥址区未发现滑坡、崩塌、地面沉陷等等不良地质现象。

地质情况：场地内地层主要为第四系全新统人工素填土，第四系晚更新统冲积硬塑粘土、可塑粘土、软塑粘土、圆砾，第四系残积硬塑粘土、可塑粘土、软塑粘土、含角砾粉质粘土；下伏基岩为第三系强风化泥岩、砂岩、粉砂质泥岩及中风化泥岩、砂岩、中风化粉砂质泥岩、中风化砾岩组成。

水文、气象、河道通航情况：

XX地处低纬度地区，全年受海洋温暖气流和北方冷气团的交替影响，是国内气温较高，降水较多的地区，属亚热带季风气候环境，年平均气温21.6°，极端最低温度-2.1℃，极端最高温度40.4℃；年平均降雨量1283.2mm，年平均蒸发量为944.5mm；枯水季节一月平均降雨量41.8mm， 平均蒸发量为115.7mm；年平均降雨天数约150.8 天，年暴雨天数为88.6 天；风向除七月份为东南风外，多为东风及东北风。

项目跨越邕江，邕江洪水特性与暴雨特性、流域特性密切相关，具有峰高、量大、历时长的特点，年最高水位多发生在7月至8月。桥位邕江的年平均流量411.2亿立方米，最大流量15000立方米/秒，最小流量95.6立方米/秒。XXX区邕江历史最高洪水位为77.81m,

第 1 页 共33页

1

常态水位为61.17～64.67m。2001 年7 月8 日邕江洪峰水位77.42m。

桥位区地下水主要为埋藏于素填土中的上层滞水及第四系冲积层中的孔隙潜水，由受大气降水补给和邕江侧向顶托，水量较大，地下水位受邕江的丰水、枯水期影响较大。

XXX大桥所在的河段规划航道等级为Ⅱ级航道，单孔双向通航，通航净空高度为13m，宽度不小于238m，通航孔桥墩承台顶面高程均为60.428m。

2 设计依据及主要参考资料

（1）设计图纸及相关设计参数；

（2）《钢结构设计规范》 GB 50017-2003； （3）《钢结构设计手册》第三版；

（4）《公路桥涵地基基础设计规范》JTG D63-2007； （5）《装配式公路钢桥多用途使用手册》； （6）《路桥施工计算手册》； （7）《简明施工计算手册》。

3 检算内容

3.1 锁口钢管桩围堰结构检算

围堰内抽水至承台底时，对锁口钢管桩进行整体受力分析、结构构件受力、强度检算，并作钢管桩入土深度；两道支撑的位置校核。

3.2 封底混凝土检算

围堰内抽水至承台底时，对封底混凝土进行抗浮力、强度检算，并作封底砼厚度校核。

3.3 围堰整体稳定性检算

围堰内抽水至承台底时，对围堰整体进行抗倾覆整体稳定性检算。

第 2 页 共33页 2

4 钢管桩打入位置分类检算

4.1 工况一

工况一：按照钢管桩围堰外封底混凝土底面标高，钢管桩能够打入到设计位置（承台底以下），钢管桩底标高53.428m，但是围堰尺寸加大到如图锁口钢管桩平面图、剖面图见4.1.1,4.1.2所示。

图4.1.1 锁口钢管桩围堰平面图

图4.1.2 锁口钢管桩围堰剖面图

4.2 工况二

工况二：按照钢管桩围堰外封底混凝土底面标高，钢管桩能够打入到设计位置（承台底以下）, 钢管桩底标高53.428m，但围堰尺寸不加大，如图锁口钢管桩平面图、剖面图见

第 3 页 共33页

3

4.2.1,4.2.2所示。

图4.2.1 锁口钢管桩围堰平面图

图4.2.2 锁口钢管桩围堰剖面图

4.3 工况三

工况三：按照钢管桩不能够打入到设计位置，钢管桩底标高57.6m，入土深度2.0m，围堰尺如图锁口钢管桩平面图、剖面图见4.3.1,4.3.2所示。

检算：干封底情况下,顶部两道支撑的位置，底层支撑位于河床面，对撑采用I56工字钢双拼，计算工字钢受力性能及围堰到开挖线之间的土体是否稳定，不封底是否可行。

4

第 4 页 共33页

图4.3.1 锁口钢管桩围堰平面图

图4.3.2 锁口钢管桩围堰剖面图

5 工况一检算

5.1 锁口围堰钢管桩结构检算

围堰采用锁口钢管桩形式，钢管桩为υ630mm×10mm钢管和角钢焊接组合，角钢形成锁口，单个锁口钢管桩各构件连接处采用钢板进行焊接，钢管桩桩长13m。围堰尺寸定42.82m×34.10m,设置两层内支撑，内支撑选用υ830mm×10mm钢管支撑，围囹为工字钢I45b双拼，钢管桩共55+55+42+42=194根。5#墩围堰施工时，设计水位为64.00m，设计水流速度2.0m/s，主墩处河床强风化泥岩层最低标高58.2m。围堰拼装完成后，围堰内开挖至高程53.428m，抽水并进行水下混凝土封底。锁口钢管桩围堰平面图、剖面图及围堰平面细部布置见图5.1-图5-3。

第 5 页 共33页

5

图5.1 锁口钢管桩围堰平面图

图5.2 锁口钢管桩围堰剖面图

图5.3 围堰平面细部布置图

第 6 页 共33页 6

5.1.1静力分析及荷载计算

围堰采用有水开挖、基坑内不排水，开挖时保证基坑内水头与堰外水头高度一致，水下浇筑封底混凝土后抽水至内部支撑位置处及时安装内撑，由此可知堰内水全部抽去时是锁口钢管桩围堰结构最不利情况，见图5-4。

图5.4 围堰最不利工况示意图

围堰水压力荷载分为静水压力和动水压力，静水压力作用于围堰的四周，动水压力作用于围堰迎水面，这里验算迎水面的钢管桩受力情况。设计水流速度2.0m/s。

静水压力水头差：64-58.2=5.8m 静水压力计算公式：ph10h

静水压力荷载在Midas中模拟时全部作用在υ630mm×10mm钢管桩上，不考虑角钢和焊接钢板受力的作用，只考虑它们阻水的作用。

动水压力计算公式：FKAV22g

式中：K为形状系数，取1.5；A为阻水面积，单根钢管桩计算单元0.79×5.8=4.58m2；V为水流速度，取2.0m/s，为河水容重，取10kN/m3。

故单根钢管桩计算单元动水压力F1.54.581/3水深处。

102.0210213.74kN，其作用于水面下

第 7 页 共33页 7

5.2.2 围堰结构构件检算

根据结构的受力情况，利用Midas软件对结构建模计算。1个锁口钢管桩只考虑υ630mm钢管受力，锁口钢管桩、围囹及内支撑用梁单元模拟，封底混凝土采用实体单元模拟。结构受到静水压力和动水压力，模型及荷载布置见图5.5和图5.6。

图5.5 围堰结构有限元模型

图5.6 围堰结构荷载分布

锁口钢管桩围堰的设计原则按下述的工作状态和非工作状态计算设计。“工作状态”是指有施工人员在围堰内，必须保证绝对的安全，设防标准最高。要求各构件应力小于容许值，临建结构容许应力可提高20%，则Q235钢材容许弯曲应力取170 MPa，容许剪切应力取102MPa，轴向容许应力170MPa；结构具有足够的耐疲劳性能；梁的允许跨中挠度按照桁架选取，为1/400的单跨跨径；结构上的任何连接不破坏。

围堰在自重、静水压力及动水压力组合下计算结果见下表5.1。

表5.1 围堰结构构件计算结果

第 8 页 共33页

8

结构构件 位移/mm 钢管桩弯曲应力/MPa 66.9 钢管桩剪应力/MPa 28.6 围囹弯曲应力/MPa 152.6 围囹剪应力/MPa 41.7 内撑组合应力/MPa 64.9 最大值 11.6 结果分析：经检算围堰结构构件最大位移发生在钢管桩中部，取封底砼顶面至钢管桩顶计算长度，容许位移值9.5/400 = 0.024m = 24mm，满足要求。Q235钢材容许弯曲应力取170MPa，容许剪切应力取102MPa，故围堰构件均满足设计要求。

计算结果详见图5.7-图5.12。

图5.7 结构位移图

图5.8 钢管桩弯曲应力图

第 9 页 共33页 9

图5.9 钢管桩剪应力图

图5.10 围囹弯曲应力图

图5.11 围囹剪应力图

第 10 页 共33页

10

图5.12 内支撑钢管组合应力图

5.2 封底混凝土检算

5.2.1抗浮力检算

封底混凝土等级C30，厚2.0m，最不利施工水位64m，封底混凝土底面高程53.428m，主墩处河床强风化泥岩层最低标高58.2m，则水头差h=10.572m。主墩承台下共有16根υ2m桩基，查路桥计算施工手册，取桩基与封底混凝土的摩阻力τ=120kPa。围堰内部尺寸42.82m×34.1m，其中16个钢护筒2.4m，则基底净面积是1460.16m2。

水浮力：PhA=10×10.572×1460.16 =154368.1kN； 封底混凝土自重：GV=24×2.0×1460.16=70087.7kN；

桩基与封底混凝土的摩阻力：FS=120×16×3.14×2.4×2.0=28938.2kN； 钢管桩对水浮力稳定作用取下两式计算的较小值： （1）钢管桩与封底混凝土的摩阻力

FS=120×(3.14×0.63/2+0.16)×194×2.0=53502kN

（2）钢管桩抗拔力（钢管桩与泥岩层摩阻力+钢管桩自重）

钢管桩与泥岩层摩阻力

F=194×1.5×（3.14×0.63+0.16×2）×40+194×（58.2-53.428）×

（3.14×0.63/2+0.16）×40=69303kN

钢管桩自重

F=194×[13×(155.3+33.4+12.56)+28.9+78.9] ×10/1000 =5284.9kN

抗拔力F=69303+5284.9=74587.9kN

第 11 页 共33页

11

锁口钢管桩数量194根，钢管桩与强风化泥岩层面摩阻力按1/3极限摩阻力计算取40kPa，封底混凝土底面下钢管入土深度2.0m，单个锁口钢管桩中钢管桩υ630mm×10mm，单重155.3kg/m；4个不等边角钢L100mm×80mm×6mm单重8.35×4=33.4kg/m；焊接钢板160mm×10mm单重12.56kg/m；三角加劲钢板80mm×60mm×10mm，单块0.19kg；位于钢管桩底部0.5m长补强圈，单重157.8 kg/m。

则抗浮系数：

kGFP70087.728938.253502154368.11.0

基本满足要求。

5.2.2强度检算

考虑水下混凝土表层质量较差、养护时间短等因素，取C30水下混凝土容许拉弯应力［σ］= 500 kPa，封底混凝土按均布荷载下的四边固结双向简支板计算，Lx = 3.0 m，Ly = 3.0m( 桩间距为3.0m) ，查《路桥施工计算手册》，当Lx /Ly = 1.0 时:

Mx = My = 0. 0176×qL2= 0.0368 ×105.72×3×9=105.04kNm 封底混凝土双向简支板W则:

MW105.04252.52kPabh6232622m

3<［σ］= 500 kPa

满足要求。

5.3 围堰整体稳定性检算

围堰在静水压力作用下，受力是对称的不会发生倾斜，只有在流水压力作用下才有可能发生倾斜，如果围堰发生整体倾斜，那么它的转动轴就是背水面的围堰脚趾处，稳定力矩是由桩基与封底混凝土的摩阻力G1、混凝土自重G2、钢管桩抗拔力G3 的合力与水浮力P的差值。倾覆力矩是由流水压力F产生的。围堰整体稳定性受力简图见图5.13。

第 12 页 共33页 12

G1RG2OPG3图5.13 围堰整体稳定性受力简图

稳定力矩：

MoFD

(G1G2G3P)L

=（28938.2+70087.7+69303-154368.1）×34.1 =4.76×105kNm

倾覆力矩：

MrFD=55×13.74×10.572×2/3

=5352.8kNm

式中：L——围堰重心位置到转动抽的距离； D——流水压力作用点到转动抽的距离。

稳定系数：

KaMMor=88.9>>1.5

围堰不存在倾覆的可能。

5.4 结论

经检算，XXX大桥5#墩锁口钢管桩围堰按工况一下施工安全性能得到保证。 建议：

（1）根据围堰结构构件受力计算结果，上下两道内支撑位置结合施工因素取上层中轴线标高64.35m，下层中轴线标高61.15m较合理，下层围囹宜采用3根I45b工字钢并排组成加强。

第 13 页 共33页

13

（2）根据围堰抗浮力检算结果，抗浮系数k=1.0偏小，钢管桩入土深度宜加深或加厚封底混凝土，满足k>1.15。

6 工况二检算

6.1 锁口围堰钢管桩结构检算

围堰采用锁口钢管桩形式，钢管桩为υ630mm×10mm钢管和角钢焊接组合，角钢形成锁口，单个锁口钢管桩各构件连接处采用钢板进行焊接，钢管桩桩长13m。围堰尺寸定28.55m×34.10m,设置两层内支撑和底部两层临时支撑，按两层支撑取不利状态计算，内支撑选用υ830mm×10mm钢管支撑，围囹为工字钢I45b双拼，钢管桩共37+37+42+42=158根。5#墩围堰施工时，设计水位为64.00m，设计水流速度2.0m/s，主墩处河床强风化泥岩层最低标高58.2m。围堰拼装完成后，围堰内开挖至高程53.428m，抽水并进行混凝土封底。锁口钢管桩围堰平面图、剖面图及围堰平面细部布置见图6.1-图6.2、图5.3。

图6.1 锁口钢管桩围堰平面图

第 14 页 共33页 14

图6.2 锁口钢管桩围堰剖面图

6.1.1静力分析及荷载计算

围堰采用有水开挖、基坑内不排水，开挖时保证基坑内水头与堰外水头高度一致，抽水至内部支撑位置处及时安装内撑待开挖至封底标高后浇筑封底混凝土，由此可知堰内水全部抽去时是锁口钢管桩围堰结构最不利情况，见图6.3。

图6.3围堰最不利工况示意图

围堰水压力荷载分为静水压力和动水压力，静水压力作用于围堰的四周，动水压力作用于围堰迎水面，这里验算迎水面的钢管桩受力情况。设计水流速度2.0m/s。

静水压力水头差：64-58.2=5.8m 静水压力计算公式：ph10h

静水压力荷载在Midas中模拟时全部作用在υ630mm×10mm钢管桩上，不考虑角钢和焊接钢板受力的作用，只考虑它们阻水的作用。

动水压力计算公式：FKAV22g

第 15 页 共33页 15

式中：K为形状系数，取1.5；A为阻水面积，单根钢管桩计算单元0.79×5.8=4.58m2；V为水流速度，取2.0m/s，为河水容重，取10kN/m3。

故单根钢管桩计算单元动水压力F1.54.581/3水深处。

6.2.2 围堰结构构件检算

根据结构的受力情况，利用Midas软件对结构建模计算。1个锁口钢管桩只考虑υ630mm钢管受力，锁口钢管桩、围囹及内支撑用梁单元模拟。结构受到静水压力和动水压力，模型及荷载布置见图6.4和图6.5。

102.0210213.74kN，其作用于水面下

图6.4围堰结构有限元模型

第 16 页 共33页

16

6.5围堰结构荷载分布

锁口钢管桩围堰的设计原则按下述的工作状态和非工作状态计算设计。“工作状态”是指有施工人员在围堰内，必须保证绝对的安全，设防标准最高。要求各构件应力小于容许值，临建结构容许应力可提高20%，则Q235钢材容许弯曲应力取170 MPa，容许剪切应力取102MPa，轴向容许应力170MPa；结构具有足够的耐疲劳性能；梁的允许跨中挠度按照桁架选取，为1/400的单跨跨径；结构上的任何连接不破坏。

围堰在自重、静水压力及动水压力组合下计算结果见下表6.1。

表6.1 围堰结构构件计算结果

结构构件 位移/mm 钢管桩弯曲应力/MPa 48.3 钢管桩剪应力/MPa 31.4 围囹弯曲应力/MPa 136.1 围囹剪应力/MPa 37.5 内撑应力/MPa 53.8 最大值

18.2 结果分析：经检算围堰结构构件最大位移发生在内支撑中部，容许位移值34.1/400 = 0.085m = 85mm，满足要求。Q235钢材容许弯曲应力取170MPa，容许剪切应力取102MPa，故围堰构件均满足设计要求。

计算结果详见图6.6-图6.11。

图6.6 结构位移图

第 17 页 共33页 17

图6.7 钢管桩弯曲应力图

图6.8 钢管桩剪应力图

图6.9 围囹弯曲应力图

第 18 页 共33页

18

图6.10 围囹剪应力图

图6.11 内支撑钢管组合应力图

6.2封底混凝土检算

6.2.1 抗浮力检算

封底混凝土等级C30，厚2.0m，施工水位64m，封底混凝土底面高程53.428m，主墩处河床强风化泥岩层最低标高58.2m，则水头差h=10.572m。主墩承台下共有16根υ2m桩基，查路桥计算施工手册，取桩基与封底混凝土的摩阻力τ=120kPa。围堰内部尺寸28.55m×34.1m，其中16个钢护筒2.4m，则基底净面积是973.55m2。

水浮力：PhA=10×10.572×973.55 =102923.7kN； 封底混凝土自重：GV=24×2.0×973.55=46730.4kN；

第 19 页 共33页

19

桩基与封底混凝土的摩阻力：FS=120×16×3.14×2.4×2.0=28938.2kN； 钢管桩对水浮力稳定作用取下两式计算的较小值： （1）钢管桩与封底混凝土的摩阻力

FS=120×(3.14×0.63/2+0.16)×158×2.0=43573.8kN

（2）钢管桩抗拔力（钢管桩与泥岩层摩阻力+钢管桩自重）

钢管桩与泥岩层摩阻力

F=158×1.5×（3.14×0.63+0.16×2）×40+158×（58.2-53.428）×

（3.14×0.63/2+0.16）×40 =56442.7kN 钢管桩自重

F=158×[13×(155.3+33.4+12.56)+28.9+78.9] ×10/1000 =4304.2kN

抗拔力F=56442.7+4304.2=60746.9kN

锁口钢管桩数量158根，钢管桩与强风化泥岩层面摩阻力按1/3极限摩阻力计算取40kPa，封底混凝土底面下钢管入土深度1.5m，单个锁口钢管桩中钢管桩υ630mm×10mm，单重155.3kg/m；4个不等边角钢L100mm×80mm×6mm单重8.35×4=33.4kg/m；焊接钢板160mm×10mm单重12.56kg/m；三角加劲钢板80mm×60mm×10mm，单块0.19kg；位于钢管桩底部0.5m长补强圈，单重157.8 kg/m。

则抗浮系数：

kGFP46730.428938.243573.8102923.71.16 >1.0

满足要求。 6.2.2强度检算

考虑水下混凝土表层质量较差、养护时间短等因素，取C30水下混凝土容许拉弯应力［σ］= 500 kPa，封底混凝土按均布荷载下的四边固结双向简支板计算，Lx = 3.0 m，Ly = 3.0m( 桩间距为3.0m) ，查《路桥施工计算手册》，当Lx /Ly = 1.0 时:

Mx = My = 0. 0176×qL2= 0.0368 ×105.72×3×9=105.04kNm 封底混凝土双向简支板W则:

MW105.04252.52kPabh6232622m

3<［σ］= 500 kPa

第 20 页 共33页 20

满足要求。

6.3 围堰整体稳定性检算

围堰在静水压力作用下，受力是对称的不会发生倾斜，只有在流水压力作用下才有可能发生倾斜，如果围堰发生整体倾斜，那么它的转动轴就是背水面的围堰脚趾处，稳定力矩是由桩基与封底混凝土的摩阻力G1、混凝土自重G2、钢管桩抗拔力G3 的合力与水浮力P的差值。倾覆力矩是由流水压力F产生的。围堰整体稳定性受力简图见图6.12。

GF1RDG2OPG3图6.12 围堰整体稳定性受力简图

稳定力矩：

Mo(G1G2G3P)L

=（28938.2+46730.4+60746.9-102923.7）×34.1 =1.14×106kNm

倾覆力矩：

MrFD=37×13.74×10.572×2/3

=3583kNm

式中：L——围堰重心位置到转动抽的距离； D——流水压力作用点到转动抽的距离。

稳定系数：

KaMoM=318>>1.5

r 围堰不存在倾覆的可能。

第 21 页 共33页

21

6.4 结论

经检算，XXX大桥5#墩锁口钢管桩围堰按工况二下施工安全性能得到保证。 建议：

根据围堰结构构件受力计算结果，取两层内支撑计算可行。上下两道内支撑位置结合施工因素取上层中轴线标高64.35m，下层中轴线标高61.15m，由于局部构件应力值偏大，下层增加两层临时支撑较合理。

7 工况三检算

7.1 锁口围堰钢管桩结构检算

围堰采用锁口钢管桩形式，钢管桩为υ630mm×10mm钢管和角钢焊接组合，角钢形成锁口，单个锁口钢管桩各构件连接处采用钢板进行焊接，钢管桩桩长8.73m，钢管桩打入强风化泥岩层2.0m深。围堰尺寸定28.55m×34.10m,设置三层内支撑，上部两层内支撑选用υ830mm×10mm钢管支撑，底层对撑采用I56b双拼支撑，围囹为工字钢I45b双拼，钢管桩共37+37+42+42=158根。5#墩围堰施工时，设计水位为64.00m，设计水流速度2.0m/s，主墩处河床强风化泥岩层最低标高58.2m。

根据设计文件给出的地质情况，围堰底为强风化泥岩，岩层厚度大于20m，其下为中风化泥岩，均为不透水岩层，可抽水后明挖，并浇筑1.0m厚砼垫层，垫层底标高54.428m，取强风化泥岩天然重度27kN/m3，内摩擦角20°，内聚力63.5kPa,泊松比0.232。。

由 《简明施工计算手册》，干封底应满足以下计算条件：

AhcuhA'wHw

式中：A——围堰底部面积（m2）；A=973.55m2

——土的浮重度（KN/m）；=27-10=17 KN/m

'3

'3

h——不透水层厚度（m）；h=20m c——土的粘聚力（KN/m）；c=63.5kPa u——围堰内壁周长（m）；u=125.3m

w——水容重（KN/m）；w=10 KN/m

Hw2

33

——透水层的水头高度（m）；Hw=64-54.428=9.572m

第 22 页 共33页

22

则：

左边：973.55×17×20+63.5×125.3×20=490138kN 右边：973.55×10×9.572=93188.2kN

左边＞右边

满足要求，故可采取干封底。

围堰拼装完成后，根据现场基坑渗水实际情况，经简单处理可封住水，故按不进行围堰内混凝土封底计算围堰不利状态，围堰内在承台位置按4:1放坡开挖至高程54.428m，抽水并进行承台底混凝土封底。锁口钢管桩围堰平面图、剖面图及围堰平面细部布置见图7.1和图7.2，图5.3。

图7.1 锁口钢管桩围堰平面图

图7.2 锁口钢管桩围堰剖面图

第 23 页 共33页 23

7.1.1静力分析及荷载计算

围堰采用有水开挖、基坑内不排水，开挖时保证基坑内水头与堰外水头高度一致，抽水至内部支撑位置处及时安装内撑待开挖至承台封底标高后浇筑封底混凝土，由此可知堰内水全部抽去时是锁口钢管桩围堰结构最不利情况，见图7.3。

图7.3 围堰最不利工况示意图

围堰水压力荷载分为静水压力和动水压力，静水压力作用于围堰的四周，动水压力作用于围堰迎水面，这里验算迎水面的钢管桩受力情况。设计水流速度2.0m/s。

静水压力水头差：64-58.2=5.8m 静水压力计算公式：ph10h

静水压力荷载在Midas中模拟时全部作用在υ630mm×10mm钢管桩上，不考虑角钢和焊接钢板受力的作用，只考虑它们阻水的作用。

动水压力计算公式：FKAV22g

式中：K为形状系数，取1.5；A为阻水面积，单根钢管桩计算单元0.79×5.8=4.58m2；V为水流速度，取2.0m/s，为河水容重，取10kN/m3。

故单根钢管桩计算单元动水压力F1.54.581/3水深处。

102.0210213.74kN，其作用于水面下

第 24 页 共33页 24

7.2.2 围堰结构构件检算

根据结构的受力情况，利用Midas软件对结构建模计算。1个锁口钢管桩只考虑υ630mm钢管受力，锁口钢管桩、围囹及内支撑用梁单元模拟。结构受到静水压力和动水压力及自重作用，模型及荷载布置见图7.4和图7.5。

图7.4 围堰结构有限元模型

7.5围堰结构荷载分布

锁口钢管桩围堰的设计原则按下述的工作状态和非工作状态计算设计。“工作状态”是

第 25 页 共33页

25

指有施工人员在围堰内，必须保证绝对的安全，设防标准最高。要求各构件应力小于容许值，临建结构容许应力可提高20%，则Q235钢材容许弯曲应力取170 MPa，容许剪切应力取102MPa，轴向容许应力170MPa；结构具有足够的耐疲劳性能；梁的允许跨中挠度按照桁架选取，为1/400的单跨跨径；结构上的任何连接不破坏。

围堰在自重、静水压力及动水压力组合下计算结果见下表3。

表3 围堰结构构件计算结果

结构构件 位移/mm 钢管桩弯曲应力/MPa 54.4 钢管桩剪应力/MPa 18.6 围囹弯曲应力/MPa 77.8 围囹剪应力/MPa 22.1 内撑应力/MPa 41.0 最大值

28.7 结果分析：经检算围堰结构构件最大位移发生在底层对撑工字钢I56b双拼支撑中部，容许位移值34.1/400 = 0.085m = 85mm，满足要求。Q235钢材容许弯曲应力取170MPa，容许剪切应力取102MPa，故围堰构件均满足设计要求。

计算结果详见图7.6-图7.11。

图7.6 结构位移图

第 26 页 共33页 26

图7.7 钢管桩弯曲应力图

图7.8 钢管桩剪应力图

图7.9 围囹弯曲应力图

第 27 页 共33页

27

图7.10 围囹剪应力图

图7.11 内支撑钢管组合应力图

7.2围堰抗浮力检算

7.2.1 抗浮力检算

根据实际地质渗水情况及计算分析，围堰内不浇筑封底混凝土，仅浇筑承台底部分垫层，施工水位64m，垫层混凝土底面高程54.428m，主墩处河床强风化泥岩层最低标高58.2m，钢管桩打入深度取2.0m，则水头差h=5.8m。主墩承台下共有16根υ2m桩基，查路桥计算施工手册，取桩基与封底混凝土的摩阻力τ=120kPa。围堰内部尺寸28.55m×34.1m，其中16个钢护筒2.4m，则基底净面积是973.55m2。

水浮力：PhA=10×5.8×973.55 =56465.9kN； 钢管桩与封底混凝土的摩阻力

第 28 页 共33页

28

FS=0

钢管桩与土体摩阻力

F=158×2.0×（3.14×0.63+0.16×2）×40+158×（58.2-54.428）×

（3.14×0.63/2+0.16）×40 =56442.7kN

钢管桩自重

F=158×[8.73×(155.3+33.4+12.56)+28.9+78.9] ×10/1000 =2946.4kN

锁口钢管桩数量158根，钢管桩与强风化泥岩层面摩阻力按1/3极限摩阻力计算取40kPa，封底混凝土底面下钢管入土深度2.0m，单个锁口钢管桩中钢管桩υ630mm×10mm，单重155.3kg/m；4个不等边角钢L100mm×80mm×6mm单重8.35×4=33.4kg/m；焊接钢板160mm×10mm单重12.56kg/m；三角加劲钢板80mm×60mm×10mm，单块0.19kg；位于钢管桩底部0.5m长补强圈，单重157.8 kg/m。

则抗浮系数：

kGFP56442.72946.456465.91.05 >1.0

基本满足要求。

7.3 围堰整体稳定性检算

围堰在静水压力作用下，受力是对称的不会发生倾斜，只有在流水压力作用下才有可能发生倾斜，如果围堰发生整体倾斜，那么它的转动轴就是背水面的围堰脚趾处，稳定力矩是由钢管桩与封底混凝土的摩阻力G1、钢管桩与土体摩阻力G2、钢管桩自重G3 的合力与水浮力P的差值。倾覆力矩是由流水压力F产生的。围堰整体稳定性受力简图见图7.12。

第 29 页 共33页 29

G1RG2OPG3图7.12 围堰整体稳定性受力简图

稳定力矩：

MoFD

(G1G2G3P)L•

=（0+56442.7+2946.4-56465.9）×34.1 =9.97×104kNm

倾覆力矩：

MrFD=37×13.74×5.8/3

=982.9kNm

式中：L——围堰重心位置到转动抽的距离； D——流水压力作用点到转动抽的距离。

稳定系数：

KaMMor>>1.5

围堰不存在倾覆的可能。

7.4 围堰内强风化泥岩层抗剪检算

如图7-3，围堰内强风化泥岩层在钢管桩处不浇筑封底混凝土情况下，需对泥岩层在不利工况下做水压对其抗剪切检算，验证不利工况下围堰施工安全性。

查阅资料，取强风化泥岩天然重度27kN/m，内摩擦角20°，内聚力63.5kPa,泊松比0.232。

现取单位宽度1.0m做计算：

第 30 页 共33页

30

3

根据钢管桩打入深度2.0m，相应围堰内强风化泥岩层边坡水平剪力计算作用长度4.0m，则强风化泥岩层受力面积S=4.0×1.0=4.0m，由抗剪强度的库仑定律，泥岩层抗剪强度：

ctan=63.5+54×tan20°

=83.2 kPa

式中：——剪切滑动面上的法向应力（kPa）

h=27×2.0=54 kPa

泥岩层抗剪承载力：

FS=83.2×4.0=332.8kN

设计施工水位下，水头差5.8m，单位宽度静水作用下的水压力：

PhA/2=10×5.8×1.0×5.8/2=168.2kN

2动水压力计算公式：FKAV2g

式中：K为形状系数，取1.5；A为阻水面积，单位宽度1.0×5.8=5.8m2；V为水流速度，取2.0m/s，为河水容重，取10kN/m3。

F1.55.8102.0210217.4kN

围堰内强风化泥岩层抗剪切安全系数k：

k507.8168.217.41.80 >1.5

满足要求。

7.5 结论

经检算，XXX大桥5#墩锁口钢管桩围堰按工况三下施工安全性能得到保证。 建议：

（1）根据围堰结构构件受力计算结果，上中下三道内支撑位置结合施工因素取上层中轴线标高64.35m，中层中轴线标高61.15m较合理，下层中轴线标高58.52m较合理，构件受力内力值符合要求。

（2）根据围堰抗浮力检算结果，干封底情况下，围堰整体抗浮系数k=1.05偏小，经讨论分析，可采用以下方法加强：

① 在锁口钢管桩内侧水下浇筑1.0m厚混凝土，增加钢管桩的摩阻力；

第 31 页 共33页

31

② 在顶层围囹和桩基钢筋笼间焊接钢筋，增大钢管桩抗拔力。

如下图7.13，内侧混凝土浇筑水平长3m，采用HRB335级钢筋，12根Φ28沿桩基均匀布置,钢筋与锁口钢管桩夹角约45°，计算结果如下：

图7.13 围堰抗浮力加强简图

钢管桩与混凝土的摩阻力

FS=120×(3.14×0.63/2+0.16)×158×1.0=21786.9kN

HRB3355级的Φ28钢筋抗拉压强度设计值f=280MPa，单根截面面积S=615.8mm2，则：单根钢筋破断力：

F=f×S=280×615.8=172.42kN

作用在锁口钢管桩上有：

F=61.27×cos45°=121.92kN

钢筋提供给锁口钢管桩最大抗拔力：

F=12×121.92=1463.04kN

则加强后的抗浮系数：

kGFP56442.72946.421786.9146356465.91.46 >1.15

满足要求。

第 32 页 共33页 32