水中主墩鋼板樁圍堰力學(xué)計(jì)算13頁

1、某某大橋6、7號(hào)墩鋼板樁圍堰受力計(jì)算書一、計(jì)算依據(jù)1、某某大橋6、7號(hào)墩承臺(tái)鋼板樁圍堰設(shè)計(jì)圖；2、注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師專業(yè)考試應(yīng)試指南（2008年施嵐青主編）3、路橋施工計(jì)算手冊(cè)4、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB-50017-2003）5、 板樁法 中國(guó)水利出版社6、 公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范 人民交通出版社二、基本資料:1、Q235鋼材的允許應(yīng)力：Q235=145Mpa2、鋼材重度：78.5kN/m3、素砼重度：24kN/m3、水重度：w=10kN/m33、封底混凝土C30抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值4、混凝土與鋼的粘結(jié)力=150Kpa5、原裝日本日鐵SKSP-型拉森鋼板樁參數(shù)寬度B=400mm、高度h=185mm、厚度t=16

2、.1mm、一根樁截面積A=94.2cm2、重量W=76.1kg/m、慣性矩Ix=5300cm4、截面模量W x=400cm3、每延米樁墻重量W=185kg/m、慣性矩Ix=41600cm4/m、截面模量W x=2250cm3/m。三、水土壓力計(jì)算1、基本計(jì)算數(shù)據(jù)6號(hào)墩地質(zhì)柱狀圖(圍堰標(biāo)高范圍內(nèi)）數(shù)據(jù)如下： 3.25m-0.54m為水，天然容重0為10KN/m3。-0.54-9.64m為淤泥（地質(zhì)柱狀圖中為-3.0m，因下面的粉質(zhì)粘土層作為嵌固端支點(diǎn)位置位于淤泥層以下，故取計(jì)算時(shí)取淤泥層底標(biāo)高為-9.64m），淤泥層承載力為40KPa，其內(nèi)摩擦角1取5°，粘結(jié)力c1為10kPa，天然容

3、重1為18KN/m3。-10.3-14.0m為粉質(zhì)粘土，內(nèi)摩擦角2為20°，粘結(jié)力c2為20kPa，天然容重2為18KN/m3。2、水壓力及土壓力計(jì)算2.1 土壓力系數(shù)計(jì)算水土壓力計(jì)算方法：河床以下鋼板樁深度范圍依次為透水性差的淤泥、不透水的粉質(zhì)粘土層。依據(jù)2008年注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師專業(yè)考試應(yīng)試指南（施嵐青主編）P896頁，對(duì)于滲透性小的土層計(jì)算土壓力時(shí)采用“水土合算”法，即在計(jì)算土壓力時(shí)將地下水位以下的土體重度取為飽和重度，水壓力不再單獨(dú)疊加；對(duì)于滲透性大的土層計(jì)算土壓力時(shí)采用“水土分算”法，即在計(jì)算土壓力時(shí)將地下水位以下的土體重度取為浮容重，水壓力單獨(dú)疊加。淤泥層承載力為40KPa

4、，此淤泥層為不透水層。故淤泥層采用水土合算法計(jì)算，粉質(zhì)粘土層作為鋼板樁底部支撐用，不參與土壓力計(jì)算。主動(dòng)土壓力系數(shù)計(jì)算 依據(jù)簡(jiǎn)明施工計(jì)算手冊(cè)（第三版）P180頁公式4-1b， Pa=Htg2(450-)-2ctg(450-) =HKa-2c 其中Ka1= tg2(450-) 計(jì)算淤泥層主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka1： Ka1=tg2(450-)= tg2(450-)=0.84 被動(dòng)土壓力系數(shù)計(jì)算 依據(jù)簡(jiǎn)明施工計(jì)算手冊(cè)（第三版）P184頁公式4-7， Pp=Htg2(450+)+2ctg(450+) =HKp+2c 其中Kp= tg2(45+) 計(jì)算淤泥層的被動(dòng)土壓力系數(shù)Kp1：Kp2=tg2(450+)

5、= tg2(450+)=1.19 2.2 主動(dòng)與被動(dòng)水土壓力計(jì)算 2.2.1 主動(dòng)水土壓力計(jì)算 河床面水壓力=10×3.79=37.9KPa 淤泥層主動(dòng)水土壓力計(jì)算：淤泥層采用水土合算法：淤泥層頂面水土壓力=Ka1-2c1=37.9*0.84-2*10*=13.54KPa。淤泥層底面水土壓力=（+）Ka1-2c1 =（37.9+18*9.64）*0.84-2*10* =165.4KPa。2.2.2 被動(dòng)水土壓力計(jì)算 根據(jù)施工工序安排，本鋼板樁圍堰準(zhǔn)備采用水下封底施工，水下混凝土厚度為100cm，水下砼底標(biāo)高為-2.8m，水下封底混凝土澆筑之前圍堰外土體比圍堰內(nèi)土體高8.0m。由于封底

6、砼澆筑圍堰內(nèi)抽水后圍堰內(nèi)無水壓力作用，故只需計(jì)算圍堰內(nèi)清除覆蓋層至封底底面標(biāo)高時(shí)的被動(dòng)水土壓力。 下面對(duì)被動(dòng)水土壓力計(jì)算如下： 圍堰內(nèi)淤泥層頂面水壓力=10*11.3=112.3KPa。淤泥層被動(dòng)水土壓力計(jì)算：淤泥層采用水土合算法：-2.8m處淤泥層水土壓力=10*11.3*1.19+2*10*=156.3KPa。-9.64m淤泥層底面水土壓力= =（10*11.3+18*1.0）*1.19+2*10* =178KPa四、鋼板樁入土深度計(jì)算及基底抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算由于鋼板樁底已打入到粉質(zhì)粘土層6米左右，查閱橋涵（2000年版)上冊(cè)P172頁，板樁尖支撐情況表，對(duì)“密實(shí)土，但可能被水?dāng)_動(dòng)，入坑底超

7、過2m”，可按打入到粘土層中50cm處按樁端嵌固計(jì)算。既然樁端嵌固，顯然鋼板樁底的入土深度是能夠滿足要求的。對(duì)于樁端嵌固的鋼板樁，鋼板樁底顯然是不會(huì)發(fā)生隆起現(xiàn)象的，故可認(rèn)為圍堰內(nèi)基底的抗隆穩(wěn)定性能夠滿足要求。五、鋼板樁圍堰受力計(jì)算 由于鋼板樁采用水下封底法施工工藝，鋼板樁圍堰有三個(gè)工況受力較為不利：工況1是鋼板樁圍堰內(nèi)水下清除覆蓋層至封底底面標(biāo)高-2.8m時(shí)。工況2是圍堰內(nèi)抽干水時(shí)。工況3是承臺(tái)澆筑完畢，承臺(tái)與鋼板樁之間填筑砂礫石，承臺(tái)頂部側(cè)面30cm澆筑C30砼，砼達(dá)到強(qiáng)度后拆除第二道內(nèi)撐時(shí)。1、 工況1圍堰受力計(jì)算在圍堰進(jìn)入到粉質(zhì)粘土層50cm處對(duì)鋼板樁施加固結(jié)約束，取1m寬鋼板樁進(jìn)行受力

8、分析，鋼板樁計(jì)算簡(jiǎn)圖如下：（1）、鋼板樁彎應(yīng)力計(jì)算鋼板樁彎矩圖如下：最大彎矩為29725493N.mm考慮采用日本型鋼板樁，其W=2250000mm3，W值考慮0.7倍折減系數(shù)，容許應(yīng)力=200MPa則最大應(yīng)力max=Mmax/W/0.7=29725493/2250000/0.7=18.9MPa<=200MPa。顯然，鋼板樁的彎應(yīng)力是能滿足要求的。（2）、鋼板樁撓度驗(yàn)算：采用清華大學(xué)求解器求得的撓度曲線圖如下：最大撓度值如下：最大撓度為0.12mm，小于L/400=7500/40018.8mm，撓度驗(yàn)算能夠滿足要求。（3）、支點(diǎn)反力計(jì)算： 采用清華大學(xué)求解器求得的支點(diǎn)反力如下：約束反力值

9、 ( 乘子 = 1)- 結(jié)點(diǎn)約束反力 合力 支 座 - - 結(jié) 點(diǎn) 水平 豎直 力矩 大小 角度 力矩- 2 0.00000000 -15173.1312 -0.00000001 15173.1312 -90.0000000 -0.00000001 4 0.00000000 -32341.5783 0.00000002 32341.5783 -90.0000000 0.00000002 10 0.00000000 -9516.29040 -29725492.5 9516.29040 -90.0000000 -29725492.5-第1、2層內(nèi)撐圍檁每延米荷載分別為：-15173N、-32341

10、N，負(fù)值表示拉力。實(shí)際上，由于被動(dòng)土壓力是由于主動(dòng)土壓力產(chǎn)生的，被動(dòng)土壓力在以上計(jì)算值范圍以內(nèi)與主動(dòng)土壓力的力矩是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，以上反力為負(fù)值說明被動(dòng)土壓力的儲(chǔ)備是足夠的，實(shí)際受力時(shí)被動(dòng)土壓力的值在小于以上計(jì)算值時(shí)即能達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。故采用水下封底工藝施工時(shí)，圍堰內(nèi)水下清除覆蓋層至-8.8m時(shí)鋼板樁的受力是能夠滿足要求的。2、 工況2圍堰受力計(jì)算工況2為封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，圍堰內(nèi)抽干水時(shí)。取封底砼底面以上鋼板樁進(jìn)行分析，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如下：(1)、鋼板樁彎應(yīng)力驗(yàn)算采用清華大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器求得的彎矩圖如下：最大彎矩為105568342N.mm考慮采用日本型鋼板樁，其W=2250000mm3，

11、W值考慮0.7倍折減系數(shù)，容許應(yīng)力=200MPa則最大應(yīng)力max=Mmax/W/0.7=159236858/2250000/0.7=101.1MPa<=200MPa。顯然，鋼板樁的彎應(yīng)力是能滿足要求的。（2）、鋼板樁撓度驗(yàn)算：采用清華大學(xué)求解器求得的撓度曲線圖如下：最大撓度值如下：最大撓度為0.16mm，小于L/400=4500/40011.3mm，撓度驗(yàn)算能夠滿足要求。（3）、支點(diǎn)反力計(jì)算：約束反力值 ( 乘子 = 1)- 結(jié)點(diǎn)約束反力 合力 支 座 - - 結(jié) 點(diǎn) 水平 豎直 力矩 大小 角度 力矩- 2 0.00000000 51210.5550 0.00000001 51210.

12、5550 90.0000000 0.00000001 4 0.00000000 252427.538 0.00000000 252427.538 90.0000000 0.00000000 6 0.00000000 660880.059 0.00000000 660880.059 90.0000000 0.00000000 7 0.00000000 -439915.613 -0.00000010 439915.613 -90.0000000 -0.00000010 8 0.00000000 202717.653 -0.00000010 202717.653 90.0000000 -0.0000

13、0010 9 0.00000000 7013.30777 0.00000000 7013.30777 90.0000000 0.00000000-第1、2層內(nèi)撐圍堰每延米荷載分別為：51211N、252428N。3、 工況3圍堰受力計(jì)算工況3為承臺(tái)澆筑完畢，承臺(tái)與鋼板樁之間填筑砂礫石，承臺(tái)頂部側(cè)面30cm澆筑C30砼，砼達(dá)到強(qiáng)度后拆除第二道內(nèi)撐時(shí)。取封底砼底面以上鋼板樁進(jìn)行分析，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如下：(1)、鋼板樁彎應(yīng)力驗(yàn)算采用清華大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器求得的彎矩圖如下：最大彎矩為120168737N.mm考慮采用日本型鋼板樁，其W=2250000mm3，W值考慮0.7倍折減系數(shù)，容許應(yīng)力=200MPa

14、則最大應(yīng)力max=Mmax/W/0.7=120168737/2250000/0.7=76.3MPa<=200MPa。顯然，鋼板樁的彎應(yīng)力是能滿足要求的。（2）、鋼板樁撓度驗(yàn)算：采用清華大學(xué)求解器求得的撓度曲線圖如下：最大撓度值如下：最大撓度為0.1mm，小于L/400=4000/40010.0mm，撓度驗(yàn)算能夠滿足要求。（3）、支點(diǎn)反力計(jì)算：約束反力值 ( 乘子 = 1)- 結(jié)點(diǎn)約束反力 合力 支 座 - - 結(jié) 點(diǎn) 水平 豎直 力矩 大小 角度 力矩- 2 0.00000000 61699.9165 0.00000003 61699.9165 90.0000000 0.00000003

15、 5 0.00000000 270146.947 0.00000000 270146.947 90.0000000 0.00000000 6 0.00000000 533698.714 0.00000000 533698.714 90.0000000 0.00000000 7 0.00000000 -314897.624 0.00000000 314897.624 -90.0000000 0.00000000 8 0.00000000 171463.156 0.00000000 171463.156 90.0000000 0.00000000 9 0.00000000 12222.3906 0

16、.00000000 12222.3906 90.0000000 0.00000000-第1層內(nèi)撐圍堰每延米荷載分別為：61699N。綜合工況13，內(nèi)撐1、2每延米最不利受力分別為：61699N、252428N。六、內(nèi)撐系統(tǒng)的組成及受力計(jì)算根據(jù)以上計(jì)算可知，內(nèi)撐1、2最不利均布線荷載分別為：61699N/1000mm=61.7N/mm、252428N/1000mm=252.4N/mm。根據(jù)各內(nèi)撐受力情況和內(nèi)撐結(jié)構(gòu)形式，第1、2層內(nèi)撐均采用2I56b。下面采用ansys有限元軟件對(duì)內(nèi)撐系統(tǒng)進(jìn)行受力計(jì)算。1、第一層內(nèi)撐受力計(jì)算第一層內(nèi)撐最不利荷載為61.7N/mm，采用ansys計(jì)算的應(yīng)力云圖如下：

17、最大應(yīng)力=82.8Mpaf=145MPa，應(yīng)力符合要求。變形云圖如下：最大變形=10.1mmL/400=23200/400=58mm。結(jié)果表明：第一道內(nèi)撐采用2I56b，其強(qiáng)度、剛度均能滿足規(guī)范要求。第一層內(nèi)撐對(duì)撐桿件壓桿穩(wěn)定驗(yàn)算：由于拆除第二層內(nèi)撐后，第一層內(nèi)撐對(duì)撐桿件豎向無側(cè)向約束，其穩(wěn)定性需進(jìn)行驗(yàn)算。 2I56b對(duì)撐桿件壓桿穩(wěn)定計(jì)算：從ansys軟件中查得 2I56b對(duì)撐桿件最大軸力N為428408N。 2I56b對(duì)撐桿件長(zhǎng)度為968cm，偏安全的將其兩端連接方式視為鉸接，則計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取為1.0，計(jì)算長(zhǎng)度=1*L=1*968=968cm?？蓮腃AD軟件中查得2I56b對(duì)撐桿件弱軸截面慣

18、性矩I=23533cm4，A=147*2=294cm22I56b對(duì)撐桿件對(duì)弱軸的回轉(zhuǎn)半徑i=8.9m2I56b對(duì)撐桿件長(zhǎng)細(xì)比=968/i=968/8.9=108.7查B類截面軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)表得其穩(wěn)定系數(shù)=0.501。則鋼管樁壓桿穩(wěn)定應(yīng)力=29.1MPa，遠(yuǎn)小于145MPa，故2I56b對(duì)撐桿件壓桿穩(wěn)定性滿足要求。2、第二層內(nèi)撐受力計(jì)算第二層內(nèi)撐最不利荷載為252.4N/mm，采用ansys計(jì)算的應(yīng)力云圖如下：最大應(yīng)力=145.6Mpa，稍大于f=145MPa，但超標(biāo)率=（145.6-145）/145*100%=0.4%，在5%以內(nèi)，故應(yīng)力符合要求。變形云圖如下：最大變形=5.3mmL/400=23200/400=58mm。結(jié)果表明：第二