鋼板樁圍堰結構計算書

1、土體特性粉質粘土的天然容重加權平均值γ為：18.5KN/m3；內摩擦角加權平均值φ=200；粘聚力C：33KPa。2、日本富士制鐵FSPⅣ型拉森鋼板樁參數寬度B=400mm、高度h=170mm、厚度t=15.5mm，一根樁截面積A=96.99cm2、重量W=76.1kg/m。每延米樁墻重量W=190kg/m、截面模量Wx=2270cm3/m。鋼板樁材質按Q345鋼材，抗彎應力：=310MPa3、圍檁支撐參數特性圍檁采用2I56工字鋼，支撐采用Ф630*8mm螺旋鋼管。Q235鋼材的抗彎應力：=215MPa，鋼材重度：78.5kN/m3,素混凝土重度：24kN/m3。4、其他參數封底混凝土C30抗拉強度設計值=1.43。素砼重度：24kN/m3、混凝土與鋼材的粘結力[τ]=150Kpa，水重度：γw=10kN/m3。1、土壓力系數計算根據《簡明施工計算手冊》中國建筑工業(yè)出版社，P180\P184頁公式得：主動土壓力系數：K=tan2(450?)=0.49被動土壓力系數：K=tan2(450+)=2.042、入土深度計算用盾恩近似法計算鋼板樁入土深度根據假定作用在鋼板樁AB段上的荷載ABCD，一半傳至A點上，另一半由坑底土壓力EBF承受，由圖4.1所示，幾何關系根據《簡明施工計算手冊》中國建筑工業(yè)出版社，P212頁(4-50）公式得：(?)2??5=0(2.04-0.49)x2-0.49×7.52x-0.49×7.52×3.5=0解得x=4.31m故鋼板樁的總長度至少為LZ=4.31+11.52=15.83m，入土深度為4.31m時能保證樁體本身的穩(wěn)定性，選用16m鋼板樁，實際入土深度為4.49m?；炷量估瓚π璺弦?guī)范要求，封底厚度1m。圍堰抽干水時為砼最不利受力狀態(tài)。封底混凝土以鋼護筒作為支點，按單向板計算。取b=1m寬的封底混凝土分別計算兩相鄰護筒之間混凝土梁的彎應力。需驗算封底混凝土抗拉強度是否能承受最大的水壓力，此時圍堰處于抽干水的最不利受力狀態(tài)。此荷載即水頭高度減去封底混凝土的重量。封底混凝土采用C30混凝土澆注，經過查《混凝土結構設計規(guī)范》表4.1.4，封底混凝土強度達到80%時的設計強度的容許抗拉應力ft=1.43×0.8=1.14MPa。查圍堰設計圖可知，相鄰護筒之間的凈跨為=3.9m。水頭高度:h=11m根據《簡明施工計算手冊》中國建筑工業(yè)出版社第三版P284表4-44算法。安全系數K取2.65，考慮水下混凝土可能與基坑底部摻混的增加厚度，D取30cm。計算封底混凝土抽水后承受的向上水壓力線荷載：q1=ρgh?b=1000kg/3×10N/kg×11m×1m=110kN/m封底混凝土1m寬的自重荷載;q2=γ?b?h1=24kN/3?12=24/計算荷載p=q1-q2=110-24=86kN/m不考慮泊松比，則最大彎矩M=a1??2=0.0429×86kN/m×(3.9m)2=56.1kN?m封底混凝土厚度h1=√+=√+0.3=0.98設計封底厚度采用1m厚C30混凝土，以混凝土作為受力截面，跨中最大拉應力為σ====336.6kPa=0.34MPa＜ft=1.14MPa，故封底混凝土受力是安全的，封底混凝土不會出現裂縫。砼厚度1m可滿足受力要求。1、鋼板樁圍堰受力工況分析圍堰采用極限應力法計算分析，材料材質極限應力取值參照《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）采用。由于鋼板樁采用干封底法施工工藝，鋼板樁圍堰有兩個工況受力較為不利：工況1是鋼板樁圍堰開挖至封底底面標高-6.685m時。工況2是承臺第一次澆筑完畢，承臺與鋼板樁之間填筑砂礫石，承臺頂部側面30cm澆筑C30砼，砼達到強度后拆除第三道支撐時。依據2008年《注冊結構工程師專業(yè)考試應試指南》（施嵐青主編）P896頁，對于滲透性小的土層計算土壓力時采用“水土合算”法，即在計算土壓力時將地下水位以下的土體重度取為飽和重度，水壓力不再單獨疊加；對于滲透性大的土層計算土壓力時采用“水土分算”法，即在計算土壓力時將地下水位以下的土體重度取為浮容重，水力單獨疊加。粉質粘土的飽和重度取γ=18.85kN/m3，粉質粘土當含水量大于11.37%時，隨著含水量的增加，土中的弱結合水進一步增加，形成一層較厚的結合水膜，增大了土粒子間的距離，吸引力減弱，從而導致粘聚力隨含水量的增加逐漸減小。圍堰周圍土體在河床頂考慮成飽和粉質粘土，不考慮其粘聚力，其他部位計算均考慮其粘聚性。粉質粘土層承載力為120kPa，此粉質粘土層為不透水層。故粉質粘土層采用水土合算法計算。粉質粘土層作為鋼板樁底部支撐，坑底被動土壓力的合力作用點在離坑底處，假定這一點為鋼板樁入土部分的固定點，近似的計算鋼板樁的受力狀態(tài)。封底施工按干封工藝，所以鋼板樁最下面一層的跨度為：FC=+5=×4.3+3.5=6.372、工況1鋼板樁受力計算工況1是鋼板樁圍堰內水下清除覆蓋層至封底底面標高-6.685m時。在圍堰進入到粉質粘土層2.87m處對鋼板樁施加固結約束，取1m寬鋼板樁進行受力分析。圍堰長寬比13.3/13.2=1.01，故取CW=1.5。水流速度按設計圖紙取V=1.5m/s。工況1鋼板樁計算簡圖如圖7.11-3。B點外側水壓力：Pw=γwH=10×3.52=35.2kN/m2A點外側流水壓力：P′==2=1.5××1.52=1.7/2B點主動土壓力：Pa′=γh=γ==35.2×0.49=17.2kN/m2C點主動土壓力：Pa=γH+γh?2C√=γH+γ?2C√=γH+?2C√ =18.85×7.5×0.49+17.2-2×33×√0.49=40.3kN/m2D點被動土壓力：Pp=γH+2C√ =18.85×2.87×2.04+2×33×√0.49=156.6kN/m2荷載組合。恒載包括：1、支護結構自重（代號①），2、主動土壓力荷載（代號②），3、被動土壓力荷載（代號③）?；钶d包括：1、流水壓力荷載（代號④），2、水壓力荷載（代號⑤）。工況1：1.2×①+1.4×②+1.0×③+1.4×④+1.4×⑤圍堰整體建模，鋼板樁分析結果綜上述分析，鋼板樁在工況1作用下受力更不利，因此整體建模以工況1加載計算。工況1作用下鋼板樁整體應力分析結果如下圖。最大應力為=136.3MPa<=310MPa，滿足要求。整體分析變形結果如下圖。最大撓度為8.2mm，小于L/400=6373/400＝15.9mm，滿足要求。3、工況2鋼板樁受力計算工況2是承臺第一次澆筑完畢，承臺與鋼板樁之間填筑砂礫石，承臺頂部側面30cm澆筑C30砼，砼達到強度后拆除第四道支撐時。在回填混凝土底面對鋼板樁施加固結約束，取1m寬鋼板樁，對回填混凝土底面以上鋼板樁進行受力分析。圍堰長寬比13.3/13.2=1.01，故取CW=1.5。水流速度按設計圖紙取V=1.5m/s。工況2鋼板樁計算簡圖如圖7.11-6。B點外側水壓力：Pw=γwH=10×3.52=35.2kN/m2A點外側流水壓力：P′==2=1.5××1.52=1.7/2B點主動土壓力：Pa′=γh=γ==35.2×0.49=17.2kN/m2C點主動土壓力：Pa=γH+γh?2C√=γH+γ?2C√=γH+?2C√ =18.85×4.5×0.49+17.2-2×33×√0.49=12.6kN/m2D點被動土壓力：Pp=γH+2C√=18.85×2×2.04+2×33×√0.49=64.7kN/m2荷載組合。恒載包括：1、支護結構自重（代號①），2、主動土壓力荷載（代號②），3、被動土壓力荷載（代號③）?；钶d包括：1、流水壓力荷載（代號④），2、水壓力荷載（代號⑤）。工況2：1.2×①+1.4×②+1.0×③+1.4×④+1.4×⑤（1）鋼板樁彎應力計算鋼板樁應力圖如下：最大應力為=39.5MPa<=310MPa，滿足要求。鋼板樁的彎應力是能滿足要求的。（2）鋼板樁撓度驗算：采用Midascivil計算單根鋼板樁的撓度曲線圖如下：最大撓度為2mm，小于L/400=1515*2/400＝7.6mm，撓度驗算能夠滿足要求。第1、2層支撐圍檁每延米荷載分別為：48.7kN、110kN。7.11.6圍檁與內部支撐結構驗算圍檁計算采用Midascivil7.9有限元分析軟件整體建模分析。由本計算書第六節(jié)對鋼板樁受力工況的分析，分兩種工況建立模型。鋼板樁、圍檁、支撐均采用梁單元模擬。圍檁采用雙拼I56a工字鋼、支撐采用Φ630*8mm螺旋鋼管，具體布置詳見圍堰設計圖紙。圖7.11-7工況1整體模型示意圖1、工況1圍檁計算（1）荷載計算固定約束點取用之前計算出的基底以下2.87m，單根日本拉森Ⅳ鋼板樁受力寬度0.4m，將1m板寬壓力轉換成0.4m板寬的線荷載。荷載組合：工況1×0.4。（2）分析結果圍檁及支撐最大應力=1807MPa<=215MPa，圍檁及支撐在工況1作用下滿足要求。圍檁變形值為DXYZ方向的綜合值。雙拼I56a工字鋼圍檁撓度最大值3.5mm＜==31.6，滿足要求。Φ630*8mm螺旋鋼管支撐撓度最大值2、工況2圍檁計算（1）荷載計算荷載組合=工況2,根據7.11.5節(jié)計算結果，第1、2層支撐圍檁每延米荷載分別為：46.9kN、106.4kN，取最大值第二層圍檁計算。建模采用分層加載分層計算，梁單元模擬圍檁及支撐。（2）分析結果第二層圍檁及支撐應力分析等值線示意如圖7.11-10。圍檁及支撐最大應力=47.8MPa<=215MPa，第二層圍檁及支撐在工況2作用下滿足要求。圍檁變形值為DXYZ方向的綜合值。雙拼I56a工字鋼圍檁撓度最大值1.6mm＜==31.58，滿足要求。Φ630*8mm螺旋鋼管支撐撓度最大值1.4mm＜==22.39，滿足要求。1、圍堰整體抗浮驗算由于鋼板樁底面打入到了粉質粘土層，粉質粘土層屬不透水土層，理論講鋼圍堰底部應不會產生浮力作用，但為安全起見，下面還是對鋼圍堰的抗浮穩(wěn)定性進行驗算,只需抗浮力大于浮力即可。護筒、鋼板樁與封底混凝土之間粘結力均按150KPa考慮，鋼板樁與粉質粘土粘聚力取33KPa。單根鋼板樁截面周長1.5m。對于鋼板樁與封底混凝土之間的粘結力取值：按“封底混凝土自重”與“鋼板樁與封底混凝土的粘結力”兩者中間取小值。封底混凝土厚度為1m，水位標高為4.33m，封底混凝土底面標高為總浮力=13.2*13.2*11*10=19166.4kN封底混凝土重量=13.2*13.2*1*24=4181.8kN鋼護筒與封底混凝土的粘結力=3.14*1.5*1*9*150=6358.5kN鋼板樁與封底混凝土的粘結力=2*(13.2+13.2)*1*150=7920kN鋼板樁與土體摩擦力F=AC=1.5*132*4.5*33=29403kN鋼板樁圍堰自重＝217.5t=2175kN（根據圍堰數量表）封底混凝土自重<鋼板樁與封底混凝土的粘結力,兩者間取小值?？垢》€(wěn)定系數K=(4181.8+6358.5+29403+2175)/19166.4=2.2，抗浮穩(wěn)定系數大于1.25，故鋼板樁的抗浮穩(wěn)定性滿足要求。2、基坑底部隆起驗算項目所處地質為粉質粘土，土的