关于桥梁深水围堰的设计

所属栏目：自动化论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:294

　　前言：深水围堰一般在长江或跨海大桥中经常见到，我们摘取吴淞桥施工中深水围堰的设计计算书

　　正文：

　　一、 特大桥主墩设计简介

　　我们取一座特大桥，根据设计图纸全桥长878.1米，分上、下两幅，主桥为60+100+60连续变截面箱式结构采用挂蓝施工。引桥为以30m空心箱梁为主的先简支后连续的结构形式。该江水航运比较繁忙，属于超五级航道，规划四级。为了使桥主跨与航道平行，保证通航宽度，该桥与江水成斜交形成角度为55。，其主桥上、下两幅桥墩设置的桩号不同，相差近12m左右。四个主墩均位于内陆江中，距岸边分别30m和70m，主墩桩基础是由8根Φ2.5m的群桩组成上接大体积砼承台，承台位于河床下4.0m，水深近5.0m，属于深水，长桩施工。

　　这座特大桥主墩编号为68号与69号，主墩都位于主河道内，距岸边分别为70米和40米，上游侧与便桥相临，相距7.0米，目前水深4.0m，水流较缓慢流速1.5m/s。江水涨落不大，在丰水期水深5.0m，涨幅1.0m，据统计没有海水的顶拖现象。主墩承台底标高上下游不同，68号墩承台底标高分别为-5.8m和-3.7m，下游幅较深。69号墩上下游承台底标高分别为-4.88m与-3.97m。根据设计提供的地质资料，河床地质为粘土和亚粘土相间分层，厚度不一，渗透力差。

　　二、 围堰的组成结构

　　钢板桩围堰是由封底砼、内支撑、围囹堰体、导向结构组成。根据图纸提供的资料，承台底标高在淤泥层下3.5m，而且淤泥质亚粘土层深为10.3m水深4.0m。因此设钢板桩穿过淤泥，进入亚砂土4.2m进行验算，内支撑按堰体等弯矩并结合承台施工的实际情况分布。水流及行船浪击堰体按动水压力考虑。封底砼用1.2m厚C20。

　　三、 围堰设计受力计算：

　　1. 根据地理、地质情况，对围堰的受力情况进行分析：

　　(1) 动水压力，取安全系数2。

　　A、 围堰受力分析

　　(1) 围堰施工时，捶打钢板桩，内外压力相等。当围堰合拢后，围堰将水体分成内外两部分，外侧水为流动水，内侧为静水，围堰受外侧动水压力和浪击压。

　　(2) 当围堰施工完成后，进行清淤到封底砼底标高，这时围堰除受外侧动水浪击压力外，还我内外淤泥压力差。而且堰体存在由内外压力形成的倾翻力矩作用，为施工安全起见考虑围堰合拢后第一道支撑。

　　(3) 当水位到第二道支撑标高时，围堰反支撑受力稳定情况。

　　(4) 清淤、抽水到第三道支撑标高时，围堰及支撑受力稳定情况验证。

　　(5) 封底砼施工完成后，等强度达到要求后，进行堰内抽水时，堰体的受力情况与支撑结构的验算。

　　(6) 封底稳定包括：水的浮力、动水压力与护筒围堰内侧的粘结情况，砼形成板的稳定。

　　B、 动水压力计算：

　　根据勘测设计资料提供的水流速度V=1.5m/s验算每米钢板村承受的力：

　　P=K•H•V2/2g×B×D

　　K为安全系数取2.0

　　H为水深

　　V=1.5m/s

　　g为重力加速度9.8m/s2

　　B桩板宽1.0m

　　D水的密度

　　P=2×4×1.52/(9.8×2)×1×1=0.918t

　　根据围堰设计资料及桥涵2-2-60资料，确定动水作用集中点为水面下水深1/3计算。Hc=1/3×4.0=1.33m，即：P作用于堰体标高为-0.1m位置处,根据结构在P作用下，围堰平衡只能由打入桩一定深度的被动土压力完成。

　　为了施工安全起见，施工时采用先由平台基础钢管桩加一层横梁作为临时内支撑。

　　C、 围堰板桩插打完成后，及时支顶最上一层#p#副标题#e#内支撑，内支撑的材料采用Φ80的钢管成425×425方格形式布置，然后再进行清淤，清淤结束后，验算由内外形成的压差及动水压力作用时围堰的受力情况。

　　计算外侧主动土村力及其作用点亚粘土的粘聚力5Kpa

　　容重=17KN/m3

　　内摩擦角：粘土、亚砂土φ=20°

　　淤泥质亚粘土：φ=5°

　　容重：γ1=17KN/m3

　　淤泥质亚粘土:C=2Kpa

　　将外侧淤泥层上的水视为当量厚度的淤泥质亚粘土厚

　　h1′=hw•γ2/γ水=4×10/17=2.35m

　　承台的底标高按-5.8米计，清淤底标高按-7.3米计。内外土层高差4.5米。

　　淤泥的强度压力

　　Pp=γ1•h•tg2(45°-φ/2)-2•C•tg(45°-φ/2)

　　=γ1•h•tg2(45°-5°/2)-2•C•tg(45°-5°/2)

　　=17×(2.35+4.5)×0.84-2×2×0.916

　　=94.15KN/m2

　　Pa=γ1•h1•Ka-2×2×Ka1/2=29.894KN/m2

　　全部主动土压力

　　Ea=1/2(29.894+94.15)×4.5=279.1KN/m

　　水压力Ea=1/2×10×8.5=361.2KN/m

　　主动土压力点离P点距离

　　yc=h/3•(a+2b)/(a+b)

　　=4.5/3×(94.15+2×29.89)/(94.15+29.89)

　　=1.86m

　　若将以上土压力计算时按粘土、亚砂土透水成饱和状态考虑，主动土压力应计算其

　　γ′=γ-γw浮容重：

　　Pa=γ1•h′1•Ka-2×c×Ka1/2

　　=(17-10)×2.35×0.84-2×2×0.916

　　=10.15KN/m2

　　Pb=γ′1•(h′1+h1)•tg2(45°-5°/2)-2•2•tg(45°-5°/2)

　　=(17-10)×6.85×0.84-2×2×0.916

　　=36.614KN/m

　　作用点距底:

　　yc=h/3•(a+2b)/(a+b)

　　=4.5/3×(36.614+2×10.15)/(36.314+10.15)

　　=1.827m

　　计算内侧被动土压力及其作用点:

　　将么层的淤泥层视为亚砂土上的均布荷载,计算亚砂土的被动土压力:

　　q=(9.1-7.3)×17=30.6KN/m2

　　将其换算为当量亚砂土层厚:

　　h′=q/=30.6/25=1.224mγ:亚砂土取17KN/m3

　　被动土村力强度:

　　Pa′=2×c×Kp1/2=2×5×tg(45°+20°/2)

　　=10×1.428

　　=14.428KN/m

　　Pb=γ•h•Kp1/2

　　=17×(h1+h11′)•Kp+2cKp1/2

　　=17×(4.2+1.224)×tg2(45+20/2)+2×5×tg(45+20/2)=202.4KN/m

　　被动土压力为:

　　Ep=1/2γ•h2•Kp+2c•h•Kp1/2

　　=1/2×17×5.424×2.04+2×5×5.424×1.428

　　=171.5KN

　　被动土压力作用点位置:

　　yc=h/3•(a+2b)/(a+b)

　　=5.4/3×{202+2×14.428｝/(202+14)=1.92m

　　根据主动土压力及位置，被动土压力及位置、动水压力及位置，验算钢板桩的入土深度，选择钢板桩截面。

　　∑Mo=E动×1.33+E主×6.7-E被×10.8

　　=0.918×1.33+105.219×6.7-215.7×10.8

　　=-1612.38KN•m

　　要求B支点为顶撑:

　　L=11.4+1.2=12.6m

　　L1=1.33m

　　L2=5.34m

　　L3=4.1m

　　求支反力RA、RB

　　根据计算的主动土压力与被动土压力，主动土压力及其作用位置，简化受力模式如下:

　　RA=(l1+l2)/(l1+l2+l3)×Ea+(l3+l2)/(l1+l2+l3)×E水

　　=55.6KN/m

　　RB=63KN/m

　　M=RAl3=22.79t•m

　　钢板桩型号的选定:

　　δ=Mmax/w

　　w=22.79t•m/140Mpa=1627.8cm3

　　查钢板桩规格、型号，可选用德国位森II型，t=15mmb=40mm槽型结构。

　　D、计算封底砼施工时，围堰的受力计算

　　根据变更后的地质情况和变更后的图纸，确定如右图标的情况。

　　E、封底砼结束后，抽水深3.2m时，即加焊第二道支撑时，围堰的受力分析：

　　围堰内侧抽水深为3.2米时到标高-2.0m，存在内外水压力差，与外侧主动土压力和封底混凝土承受的压力。

　　#p#副标题#e#　水压力：与以上的动水压力相等。

　　土压力：外侧土对围堰产生的主动土压力：

　　Pa=(γ•Z+q)•tg2(45-φ/2)-2c•tg(45-φ/2)

　　=(7×Z+0)•tg2(45-φ/2)-2c•tg(45-φ/2)

　　=7×Z×0.84-2×2×0.916

　　当Z=0时，Pa=-3.664t/m2

　　当Z=4.5时，Pb=22.796t/m2

　　求粘着力高度：

　　hc=(2c/γ)•tg(45-φ/2)

　　=4/17×0.916

　　=2.155m

　　内侧封底砼所受的压力：根据上述水压力与主动土压力：取1/2封底混凝土厚度做为支点。

　　E水1作用高度：标高为-0.93m

　　E水2作用高度：标高为-3.52m

　　Ea作用用高度：标高为-5.03m

　　R混凝土=(2.13+2.59+1.51)/7.75×E水2+2.13/7.75×E水1

　　=0.8038×1/2×22.796×2.155+0.609×1/2×3.2×0.2748×1/2×3.2×3.2=24.85t/m

　　δ=R/A=24.85t/1m2

　　满足要求。

　　验算嵌入土层深度

　　对顶支撑处取矩，水产生的力矩与主动土压力产生的力矩

　　Mw+M主=E水1×2.13+E水2×(2.59+2.13)+Ea

　　×(1.51+2.59+2.13)

　　=1/2×3.2×3.2×2.13+1/2×3.2×3.8×4.72+1/2×0.116×0.13×6.23=10.91+28.7+0.05=39.66t/m

　　封底混凝土产生的力矩：

　　M砼=5.117×7.75=39.656t•m

　　由于封底混凝土产生的力矩完全是由主动土压力与外侧水压力作用而产生，因此“+”“-”力矩相同。

　　当封底砼结束后，第一道支撑完成时，抽水到-2.0m时，钢板桩的受力验算：

　　由以上水压力、主动土压力计算可知，钢板桩受力如下情况：

　　钢板桩型号、规格选择：

　　按对B点取矩求支反力Ra

　　Ra=[E动水×1.33+E水1×3.46+E水2×6.05+Ea×7.57]/9.08=25.57t

　　Rb=9.86t

　　Mmax=25.57×1.51+2.262×1.52=42.05tm

　　Mmax=[δ]•W

　　W=42.05tm/160Mpa

　　=2628cm3<2962cm3

　　德国拉森V型满足要求。

　　F、抽水到封底砼时，即标高为-5.8m时，堰体在外侧水及淤泥的作用下，计算堰体与支撑受力情况：

　　水压力强度：P水=γ•h=1t/m3×7.75m=7.75t/m2

　　主动土压力强度：

　　由上计算可知：Pa=-3.664t/m2

　　Pb=22.796t/m2

　　外侧土主动土压力：

　　Ea=1/2×22.796×2.155=24.57t/m

　　荷载近似等量简化如图：

　　Pb=γ•h1=1×3.2=3.2t/m2

　　Pc水=γ•(h1+h2)=1×7.75=7.75t/m2

　　Pc2=22.796t/m2

　　q1=1/2Pb=1/2×3.2t/m2=1.6t/m2

　　q2=(Pc水-Pb)×1/2+3.2+1/2×22.796×2.045/2.25

　　=5.475+10.35=15.83t/m2

　　按两不等跨连续梁计算：

　　n=1.1875按1.2取值

　　Mbc=0.134×q2•l1

　　=0.134×15.83×3.82

　　=30.63t•m

　　Mb=-0.155×q2•l1=-0.155×15.83×3.82=-35.43t•m

　　钢板桩型号、规格的确定：

　　δ=Mb/ww=35.43/160=2214cm3

　　用拉森V型可以满足要求。

　　综合以上三种情况对钢板桩型号的计算，采用德国拉森V型才能满足要求。

　　VB左=K•q•l1=0.655×15.83×3.8=39.4t

　　VB右=K•q2•l2=0.729×1.6×3.2=3.73t

　　V=VB左+VB右=43.13t/m

　　因此第二层支撑每延米顶力要求Ra=43.13t/m

　　长边:20m

　　Rb正=20×43.13×=862.6t

　　短边：18mR′B正=18×43.13=776.34t

　　支撑按4.25m间距布设。

　　每根支撑力：N=4.25×43.13=183.3t

　　围堰四周用2H400b做为圈梁，中间用Φ80钢管，壁厚8mm焊成网状支撑结构，并将第一层与第二层通过20×20的方钢焊成整体空间结构，计算支撑稳定：

　　受压钢管按4.5m自由长度计，且安全系数取2.0，受压稳定验算：

　　长度系数按两端铰接μ=1

　　λ=μ•l/r=1×4.5/(1/4×d)=0.5

　　查表：=0.999

　　δ=N/(Aφ)=183.3t/0.017584m2=103.7Mp#p#副标题#e#a<140Mpa

　　顶撑圈梁验算：

　　根据上述计算结果，每根顶撑受压力为183.3t

　　说明每跨环梁受均布荷载作用力：q=N/1=43.13t/m2

　　按简支梁验算:

　　Mmax=ql2/8=43.13/16/8=86.26t•m

　　δ=86.26t•m/(2886×2cm3)=149.4Mpa

　　τ=N/A=183.3t/(197.8×2cm2)=46.3Mpa

　　δ总=(δ2+3τ2)1/2=169.56Mpa

　　封底砼结束后，抽堰内外的水、土压力差作用，验算封底砼所受作用力情况。

　　由于有封底砼，因此这时不考虑涌砂、管涌、基底隆起现象，只验算整体抗浮稳定和强度。

　　整体抗浮验算

　　由于围堰内抽干水后，内外水压力差形成的力将对其产生向上浮力，将由围堰自重、支护自重、围堰与土的摩阻力及混凝土自重来平衡。

　　a、计算安全系数：K=PK总抗浮力/Pf浮力

　　Pf上浮力=V混凝土+V空

　　=18×20×1.5×7.0×18×20=3060t

　　PK总抗浮力=G混凝土+P摩阴力+P锚力

　　=2.5t/m3×18×20×1.5+λ•L•∑fi•hi+C•πD•L

　　=1350+0.4×76×(4.3×10+35×4.2)+0.67×3.14×1.2×1.4×28

　　=1350+5776+99=7225

　　摩阻力按4KN/m2计

　　代入上式K=PK/Pf=7225/3060=2.36>1.05安全

　　b、封底混凝土强度验算

　　封底混凝土在水压作用下，可以视为简支单向板计算，封底层顶因下底面水压向上作用，产生弯曲拉应力。

　　取1.0m宽一条作为研究对象。根据液体压强理论，一定深度压强相同。

　　F=q•l2/8/w=l2•{γw×(1.2-(-7.3)-γc•d)/(1×d2/6/8)

　　=182×(1t/m3×8.5-2.5×1.5)/(2.25/6/8)

　　=513t/m2=5.31Mpa>1.2Mpa

　　考虑由于桩的间距比较小，将封底砼分切成若干片，按简支的双向板计算：

　　lx/ly=1.0，λ0=1

　　M=0.0368λ0×qclx2

　　=0.0368×λ0(γw×8.5-γc×1.5)×3.12×106

　　=0.0368×γ0×4.75×3.12

　　=1.6798t•m

　　δ=M/W=1.6798t•m/(1×1.52/6)=0.4479Mpa<1.2Mpa

　　满足要求。

　　结束语：关于深水桥台围堰的设计，不同于一般桥梁的围堰设计，深水围堰的技术要求相对较高，本文在实践中，根据地质水文资料现场计算而来。