桥梁墩基础围堰法施工中钢板桩受力

PAGE9桥梁墩基础围堰法施工中钢板桩受力分析摘要：钢板桩具有防水性能好、可重复利用、施工速度快等诸多优点，钢板桩围堰法在深水基础施工中极具优势，因此在桥梁建设中被广泛应用。本文以XX河特大桥为工程背景，采用有限单元数值分析法分析了17#主墩基础钢板桩围堰法施工时钢板桩在四种工况下的受力情况。关键词：钢板桩围堰法施工数值分析一、工程概况XX河特大桥位于XX县XX镇和XX镇口交界处，桥梁中心里程为K49+373，起讫里程为K48+676.4～K50+069.6，桥长1393.2m。该桥以主跨(68+120+68)m连续梁跨越XX河。XX河规划为五级航道,通航净空80×8m，最低通航水位29.58m。XX河特大桥上部结构型式为：（5×30m）装配式预应力砼箱梁＋2×（4×30m）装配式预应力砼箱梁＋（35＋60＋35m）悬浇连续箱梁＋（68＋120＋68m）悬浇连续箱梁＋（50＋90＋50m）悬浇连续箱梁＋（4×30m）装配式预应力砼箱梁＋2×（5×30m）装配式预应力砼箱梁，全桥共九联。17#主墩基础位于XX河河道内，采用桩基础，空心墩。XX河特大桥桩基础设计均为摩擦桩，φ1.2m桩基176m/8根，φ1.5m桩基120m/4根，φ1.8m桩基7344m/200根。上部结构30m装配式预应力砼箱梁216片。二、结构概况17#墩基础施工采用钢板桩围堰法。钢板桩采用拉森Ⅵ型钢板桩，材质SY295，单根长度为20m，围堰平面尺寸为28.8×13.2m，共设置两道内支撑。围堰顶高程为+31.82m，围堰底高程为+11.82m，封底混凝土厚2.5m。立面布置如图一所示。图一17#墩钢板桩立面布置如图三、基本参数钢板桩截面特性如表一所示，土层参数如表二所示：单根钢板桩每延米钢板桩宽侧厚壁厚面积惯性矩截面矩BHtAIXZXmmmmmmcm2/mcm4/mcm3/m60021018225.5567002700表一钢板桩截面参数特性值土层名称层顶标高层底标高重度（kN/mm3）内摩擦角（°）粘聚力（kPaa）粉砂27.525.7920.922.56.8粉质粘土25.799.3919.621.411.5粉土9.391.3918.826.38.5表二17#墩土层参数表四、计算分析由于钢板桩围堰的入土深度较大，土体对入土部分的围堰起到了嵌固作用，此时围堰上端受到内撑的支撑作用，下端受到土体的嵌固支承作用。在计算中，先假设内撑对钢板桩为刚性支撑，计算出钢板桩作用于圈梁的反力，将该反力作用在内撑上计算出钢板桩与内撑连接处的最大位移，最后对钢板桩施加强制支座位移，得出钢板桩的内力和应力。等值梁法计算钢板桩围堰，为简化计算，常用土压力等于零点的位置来代替正负弯矩转折点的位置。计算土压力强度时，应考虑板桩墙与土的摩擦作用，将板桩墙前和墙后的被动土压力分别乘以修正系数（为安全起见，对主动土压力则不予折减），如表三所示。本文计算作出如下假设：1.假设计算时取1m宽单位宽度钢板桩。2.因土处于饱和水状态，为简化计算且偏安全考虑，不考虑土的粘聚力（c=0）。3.弯矩为零的位置约束设置为铰接，故等值梁相当于一个简支梁，方便计算。4.假设钢板桩在封底砼面以下0.5m处固结。5.土压力计算采用不考虑水渗流效应的水土分算法，即钢板桩承受孔隙水压力、有效主动土压力及有效被动土压力。土层名称KaKp被动土修正系数k粉砂0.4460.6682.2401.4971.65粉质粘土0.4650.6822.1491.4661.628粉土0.3860.6212.5911.6091.72表三钢板桩极限土压力修正系数工况一：第一道内支撑安装后，围堰内清淤至24.908m，计算模型如图二所示，计算结果如图三、图四所示。图二工况一钢板桩计算模型图三工况一钢板桩弯矩图(kN.m)图四工况一钢板桩反力图(kN)由图三、图四可知，钢板桩最大的弯矩为195.3kN.m，作用于第一道内支撑的反力为63.0kN。工况2：第二道内支撑安装后，围堰内加水至围堰外水位，水下吸泥、清淤至18.908m。计算模型如图五所示，计算结果如图六、图七所示。图五工况二钢板桩计算模型图六工况二钢板桩弯矩图(kN.m)图七工况二钢板桩反力图(kN)由图六、图七可知，钢板桩最大的弯矩为187.8kN.m，作用于第一道内支撑的反力为-13.8kN,作用于第二道内支撑的反力为162.2kN。工况3：封底砼达到强度后，围堰内抽光水。计算模型如图八所示，计算结果如图八、图九所示。图八工况三钢板桩计算模型图九工况三钢板桩弯矩图(kN.m)图十工况三钢板桩反力图(kN)由图九、图十可知，钢板桩最大的弯矩为170.9kN.m，作用于第一道内支撑的反力为4.9N,作用于第二道内支撑的反力为223.3kN。工况4：承台、墩身施工后向钢板桩与承台间回填砂土并在顶部浇注40cm厚C25砼冠梁，拆除第二道内支撑。本工况下假设等值梁下嵌固点位于砼冠梁1/2厚度处，即24.708m。计算模型如图十一所示，计算结果如图十二、图十三所示。图十一工况四钢板桩计算模型图十二工况四钢板桩弯矩图(kN.m)图十三工况四钢板桩反力图(kN)由图十二、图十三可知，钢板桩最大的弯矩为88.3kN.m，作用于第一道内支撑的反力为17.2N。根据上述工况计算，将钢板桩内力及内支撑支撑反力计算结果汇总如下表三所示。计算工况钢板桩最大弯矩(kN.m))第一道内支撑反力(kN)第二道内支撑反力(kN)工况一195.363-工况二187.8-13.8162.2工况三170.94.9223.3工况四88.317.2-表三钢板桩内力及内支撑支撑反力小结：在整个钢板桩围堰施工过程中，钢板桩最大弯矩及第一道内支撑最大反力均出现在工况一。随着工况的推进，钢板桩最大弯矩逐渐减小，第一道内支撑反力由正变负