某大桥钢板桩围堰受力计算说明书
一、某工程7#、8#水中墩采用钢板桩围堰施工，围堰施工图详见另附图。略
二、已知资料：7#墩承台尺寸为9.1m×9.1m×2.0m，顶面高程为+2.072m，围堰尺寸为11.2m×11.2m,8#墩承台尺寸为9.1m×9.1m×2.0m, 顶面高程为+0.835m，围堰尺寸为11.2m×11.2m。施工水位按+7. 35m考虑， 7#和8#墩河床标高测时为约+3.15m，则水深均为4.2m。
地质情况自上而下依次为淤泥质粉质粘土、粉土、粉细砂、粉质粘土等。
水文资料：秦淮河地段桥址设计行洪水位11.35m，河段现状流量为：1400m3，行洪流速为1.24~1.3m/s。目前施工水位为7.35m。
根据河床地质和水文情况及施工要求，7#墩和8#墩均采用长15m、宽0.4m、厚15.5cm的拉森IV型钢板桩， W=2037cm 。其内支撑7#墩和8#墩均设置三道（详见另附图 略），所有围囹均采用2I45a和2I40a工字钢，水平撑及斜撑采用2I40a工字钢，节点采用焊接（施工中严格执行钢结构施工规范）。
三、受力计算：
因7# 和8#围堰尺寸相同，而内支撑材料一样，受力情况相差很小， 故可只分析验算其中受力最大的8#墩围堰受力情况。 1、荷载计算：
河床底部地质为粉细砂、粉质粘土，较为密实，假定钢板桩底部嵌固于承 台底封底砼或垫层砼顶标高以下0.5米处，取1米宽板桩计算其侧面荷载，计 算至封底砼顶面标高以下0.5米处即-1.665 米处，封底砼厚度根据后计 算为1.0米）。-1.665米处水压力为：ρwh=8.515*10=85.15KN/m2,
3
-1.665米处土压力为：ρwh=4.815*10=48.15KN/m2
故-1.665米处总侧面荷载为：p=133.3KN/m2,
2、迎水面侧额动水压力计算（流速按1.3m/s考虑，不考虑水流速沿水深方向的变化）：
每延米板桩壁上动水压力总值：P=10KHV2×B×D/2g=10×2.0×4.2×1.32×1.0×10/（2×9.81）=72.4KN（B按围堰侧面即迎水面1米长度计算）。
假定此力平均作用于钢板桩围堰的迎水面一侧，经检算钢板桩自身强度就能远远满足动水压力受力要求和抗倾覆能力要求。
3、钢板桩竖向承载力验算： ①内支撑自重：500KN； ②钢板桩自重：1260KN； ③其他施工荷载：150KN；
以上合计：1820KN。
上述竖向全部荷载靠钢板桩侧摩阻力及其桩尖反力承担，查相规 范和地质报告资料，计算如下：
桩侧摩阻力P1=（11.2+11.2）×2×4.58×24=4924KN， 桩尖反力：P2=0（安全考虑，不计）， 合计：P=P1+P2=4924KN。
安全系数为：N=4924/1820=2.7，承载力满足要求。 4、钢板桩围堰坑底涌砂检算和封底砼计算： 根据公式 Ks*i*ρw= Ksh’*ρw/( h1+h2)< ρb
取Ks=2.0，h’=8.515, h1 =9.9 ，h2=4.585
则 Ksh’*ρw/(h1+h2)=2.0*8.515*1.0/（9.9+4.585）=1.17﹥ρb=1.0
故坑底涌砂可能性很大，为了保证能够及时抽干完围堰内水进行干作业，加快施工进度，保证施工安全及质量，宜选择进行水下砼封底，封底厚度经计算建议取1.0米。封底砼厚度简算如下：
水下封底砼承受的荷载应按施工中最不利的情况考虑，即在围堰封底以后，围堰内的水被排干，封底素砼将受到可能产生的向上最大水压力的作用，现以此荷载（即为水头高度减去封底砼的重量）作为计算值。
由于水中封底砼质量较普通砼差，封底砼不应出现拉应力。矩形围堰封底，与各桩基连成一个整体，封底砼视作简支梁，承受均布荷载时，则封底砼承受的最大弯矩Mmax按下式计算：
Mmax＝1/8×q×l12
封底砼按简支梁计算简图
式中q－静水压力形成的荷载 （ｋN/ｍ2）；l1－简支梁的计
算跨度（ｍ）(按最大跨l1) l1 所需简支梁的截面矩w为：
W＝Mmax/ fct l2 l2
式中fct为砼抗拉强度设计值（N·ｍｍ2）
根据求得的截面矩W按下式计算封底砼的厚度：
ｈ＝ 6k W
b
式中 ｈ－封底砼厚度（ｍｍ）；
K－安全系数，按抗拉强度计算的受压、受弯构件为2.0； Mmax－板的最大弯矩（N·ｍｍ）； ｂ－梁宽，单位长度取1000ｍｍ；
fct－砼抗拉强度设计值（N·ｍｍ2）。C20取1.1MPa。
8#墩：
l1=3.4ｍ,l2=3.1ｍ,fct=1.1N·ｍｍ2，H水深＝9.515ｍ。 q =ρgh=1000kg/m3×10N/kg×9.515m=95.15kN/ｍ2； Mmax =1/8×95.15kN/ｍ2×(3.4ｍ)2×1ｍ=138.02 kN·ｍ
W =138.02 kN·ｍ÷（1.1×103 ）kN/ｍ2＝0.125ｍ3 h = 6×0.125ｍ3×2.0÷1ｍ=1.22ｍ
因计算未许多考虑有利因素，故根据多次总结经验，可取h=1.0米，围堰水下封底应全断面一次连续浇注完成。 5、围堰的抗浮稳定性计算
围堰封底后，整个围堰受到被排水的向上浮力作用，应验算其抗浮系数K。
按围堰外没有沉积土，不计抗浮的外壁与侧面土反摩擦力的作用，即按最不利的情况验算：
K＝G/F＞1
式中 G－钢板桩重量（含内支撑）＋封底砼自重＋桩基砼总重量之
和（KN）；
F－河水向上的浮力（KN）。
8#墩围堰钢板桩自重112片×15ｍ/片×0.75 KN/ｍ＝1260 KN；内支撑：500 KN；封底砼自重11.2ｍ×11.2ｍ×1.0ｍ×23 KN/ｍ3＝2885KN；φ1200桩基砼总重8×135.6ｍ3×24 KN/ｍ3=26044KN；
由此可得围堰自重 G＝30509KN；
河水向上的浮F＝ρgV排＝1000kg/m3×10N/kg×1193.6m3=11935kN。
K＝G/F＝（30509/11935=2.55＞1.0
满足抗浮条件。（偏于安全考虑，未考虑有上浮趋势时土体对围堰的向下摩阻力和钢板桩自重的作用于封底混凝土的抗浮力及钻孔桩提
供的侧摩阻力）
6、钢板桩入土深度验算：
钢板桩总长为15米，围堰外入河床9.9米，围堰内入河床为5.585米（承台底至桩底端距离），由于围堰坑底可能发生涌砂，现选择采取水下砼封底，故板桩下端在围堰抽水吸泥开挖过程中不会向围堰内位移弯曲（受封底砼支撑作用）。据墩位处地质资料，桩入土范围为粘土层，比较密实，持力层中又无承压水，如经计算各道支撑的受力满足要求，在此可不验算钢板桩的入土深度。（另：查«桥涵»施工手册 图5-45板桩计算图（四） 曲线6-6 ：最小入土深度h=аH=0.55*9.515=5.2m，也能满足要求）。 7、围堰整体稳定性验算：
钢板桩围堰的整体稳定性仅表现在围堰动水压力作用下的抗倾覆能力。该动水压力与钢板桩入土深度范围所受的土压力相平衡。因钢板桩围堰底部嵌入地基中达5.585米，且地质为粘土层，较密实不透水，在动水压力作用下所能承受的土压力比动水压力大很多，此处可不必验算，其整体稳定性能得到很好的保证。
8、内支撑受力计算：
在确保安全的前提下，基坑支撑的施工与基坑内水位的下降按“先支撑后降水，分层支撑分层降水”的原则进行，结合本基坑工程的特点，共分四层支撑。基坑支撑的顺序如下：加入第一层导梁（围囹）→进行第一层支撑→抽水至第二层支撑处→加入第二层导梁→进行第二层支撑→抽水至基坑底（封底砼顶面）→加入第三层导梁→进行第三层支撑支撑结构的内力计算。
在支撑结构的土压力、支撑力和钢板桩的插入深度确定后，即可根据静力平衡条件确定任意截面上的支撑结构所受的弯矩。
8#墩共设置三道内支撑，围囹为2I55和2I45工字钢及2I40工字钢，水平支撑及斜撑采用2I40工字钢及2I36工字钢,其受力工况分析如下图：
σ=35.4σ=654547.54.815354.06544.815247.5砼砼砼钢板桩σ=48.15σ=48.15σ=90.15σ=48.15第一层支撑受力图第二层支撑受力图第三层支撑受力图注：图中尺寸标注单位为厘米。内支撑各层工况受力分析图示上图中的各工况可按多跨连续梁，用力矩分配法计算出各支点的支反力及各点各跨中的弯矩并找出最大弯矩以验算钢板桩的截面。支反力即为作用于横向支撑上的荷截，进而验算支撑的强度和刚度。
①第一层受力：根据第一层支撑受力图，即围堰抽水至第二道支撑下50cm时为最不利状态，第一层支撑受力最大，求得：F1=125.75KN，F1砼=246.65KN，M1max=359.01KN.M (取1m宽钢板桩计算侧面受力所得数据，假定钢板桩底部嵌固于承台底封底砼顶标高以下0.5米处，且封底砼达到90%以上强度，受力按简支连续梁进行计算)；
②第二层受力：根据第二层支撑受力图，即围堰抽水至第三道支撑下50cm时为最不利状态，第二层支撑受力最大，求得：
4.815F1=-55.64KN，F2=333.40KN， F2砼=262.8KN，M2max=335.20KN.M；
③第三层受力：根据第三层支撑受力图，即围堰抽水至第四道支撑即封底砼顶面时为最不利状态，第三层支撑受力最大， 求得：F1=9.57KN，F2=82.33KN，F3=143.64KN ，F3砼=295.90KN，M3max=92.67KN.M；
比较以上计算结果，可知： F1max=125.75KN， F2max=333.40KN, F3max=295.90KN； F砼max=262.8KN=F2砼； Mmax= M1max=359.01KN.M。 则：
钢板桩抗弯最大拉应力σ=Mmax/W=359.01×103/2037=176.2MPa＜180MPa（容许应力），满足要求。
第二、三层支撑材料形式基本一致，第一层受力小显然能够满足要求；只需验算第二和第三层受力即可。
第二层支撑受力检算：
弯矩检算：围堰围囹2I45a工字钢最大弯矩 (围堰轴线对称，受力两边对称，此向受力大)：
围堰一边方向最大弯矩（自由长度按4.5米计算）Mmax=322.31KN.M，σ=Mmax/W=322.31/2/1430×103=113.0MPa﹤200MPa，满足受力要求。
轴向受力检算（围堰轴线对称）：
第二道支撑最大支撑反力计算结果为：围堰一边方向斜支撑最大受力R1max=1470.31KN，而2I40a工字钢斜支撑允许受力为[R]=200×172.2 /1.4×102/103=2460KN，考虑纵向挠曲，系数取ξ=1.5，此时其允许承载力为2460/1.5=1640KN＞1470.31KN，安全系数为1.12，满足受力要求。
第三层支撑受力检算：
弯矩检算：围堰围囹2I45a工字钢最大弯矩 (围堰轴线对称，受力两对边一样)：
围堰一边方向（自由长度按3.35米计算）M1max=152.03KN.M ，另一相邻边M2max=138.63KN.M,M1max＞M2max,
σ
max=M1max/W=152.03/2/1430×103=53.2MPa﹤200MPa，
满足受力要求。
轴向受力检算（围堰轴线对称，受力两对边一样）：
第三道支撑最大支撑反力计算结果为：围堰一边方向支撑最大受力R1max=991.31KN，另一相邻边支撑最大受力R2max=910.87KN，而2I40a工字钢斜支撑允许受力为[R]=200×172.2/1.4×102/103=2460KN，考虑纵向挠曲，系数取ξ=1.5，此时其允许承载力为2460/1.5=1640KN＞991.31KN=R1max＞R2max，安全系数为1.65，满足受力要求。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容