钢板桩围堰结构计算书

1、土体特性粉质粘土的天然容重加权平均值γ为：18.5KN/m3；内摩擦角加权平均值φ=200；粘聚力C：33KPa。2、日本富士制铁FSPⅣ型拉森钢板桩参数宽度B=400mm、高度h=170mm、厚度t=15.5mm，一根桩截面积A=96.99cm2、重量W=76.1kg/m。每延米桩墙重量W=190kg/m、截面模量Wx=2270cm3/m。钢板桩材质按Q345钢材，抗弯应力：=310MPa3、围檩支撑参数特性围檩采用2I56工字钢，支撑采用Ф630*8mm螺旋钢管。Q235钢材的抗弯应力：=215MPa，钢材重度：78.5kN/m3,素混凝土重度：24kN/m3。4、其他参数封底混凝土C30抗拉强度设计值=1.43。素砼重度：24kN/m3、混凝土与钢材的粘结力[τ]=150Kpa，水重度：γw=10kN/m3。1、土压力系数计算根据《简明施工计算手册》中国建筑工业出版社，P180\P184页公式得：主动土压力系数：K=tan2(450−)=0.49被动土压力系数：K=tan2(450+)=2.042、入土深度计算用盾恩近似法计算钢板桩入土深度根据假定作用在钢板桩AB段上的荷载ABCD，一半传至A点上，另一半由坑底土压力EBF承受，由图4.1所示，几何关系根据《简明施工计算手册》中国建筑工业出版社，P212页(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故钢板桩的总长度至少为LZ=4.31+11.52=15.83m，入土深度为4.31m时能保证桩体本身的稳定性，选用16m钢板桩，实际入土深度为4.49m。混凝土抗拉应力需符合规范要求，封底厚度1m。围堰抽干水时为砼最不利受力状态。封底混凝土以钢护筒作为支点，按单向板计算。取b=1m宽的封底混凝土分别计算两相邻护筒之间混凝土梁的弯应力。需验算封底混凝土抗拉强度是否能承受最大的水压力，此时围堰处于抽干水的最不利受力状态。此荷载即水头高度减去封底混凝土的重量。封底混凝土采用C30混凝土浇注，经过查《混凝土结构设计规范》表4.1.4，封底混凝土强度达到80%时的设计强度的容许抗拉应力ft=1.43×0.8=1.14MPa。查围堰设计图可知，相邻护筒之间的净跨为=3.9m。水头高度:h=11m根据《简明施工计算手册》中国建筑工业出版社第三版P284表4-44算法。安全系数K取2.65，考虑水下混凝土可能与基坑底部掺混的增加厚度，D取30cm。计算封底混凝土抽水后承受的向上水压力线荷载：q1=ρgh∙b=1000kg/3×10N/kg×11m×1m=110kN/m封底混凝土1m宽的自重荷载;q2=γ∙b∙h1=24kN/3∙12=24/计算荷载p=q1-q2=110-24=86kN/m不考虑泊松比，则最大弯矩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设计封底厚度采用1m厚C30混凝土，以混凝土作为受力截面，跨中最大拉应力为σ====336.6kPa=0.34MPa＜ft=1.14MPa，故封底混凝土受力是安全的，封底混凝土不会出现裂缝。砼厚度1m可满足受力要求。1、钢板桩围堰受力工况分析围堰采用极限应力法计算分析，材料材质极限应力取值参照《钢结构设计规范》（GB50017-2003）采用。由于钢板桩采用干封底法施工工艺，钢板桩围堰有两个工况受力较为不利：工况1是钢板桩围堰开挖至封底底面标高-6.685m时。工况2是承台第一次浇筑完毕，承台与钢板桩之间填筑砂砾石，承台顶部侧面30cm浇筑C30砼，砼达到强度后拆除第三道支撑时。依据2008年《注册结构工程师专业考试应试指南》（施岚青主编）P896页，对于渗透性小的土层计算土压力时采用“水土合算”法，即在计算土压力时将地下水位以下的土体重度取为饱和重度，水压力不再单独叠加；对于渗透性大的土层计算土压力时采用“水土分算”法，即在计算土压力时将地下水位以下的土体重度取为浮容重，水力单独叠加。粉质粘土的饱和重度取γ=18.85kN/m3，粉质粘土当含水量大于11.37%时，随着含水量的增加，土中的弱结合水进一步增加，形成一层较厚的结合水膜，增大了土粒子间的距离，吸引力减弱，从而导致粘聚力随含水量的增加逐渐减小。围堰周围土体在河床顶考虑成饱和粉质粘土，不考虑其粘聚力，其他部位计算均考虑其粘聚性。粉质粘土层承载力为120kPa，此粉质粘土层为不透水层。故粉质粘土层采用水土合算法计算。粉质粘土层作为钢板桩底部支撑，坑底被动土压力的合力作用点在离坑底处，假定这一点为钢板桩入土部分的固定点，近似的计算钢板桩的受力状态。封底施工按干封工艺，所以钢板桩最下面一层的跨度为：FC=+5=×4.3+3.5=6.372、工况1钢板桩受力计算工况1是钢板桩围堰内水下清除覆盖层至封底底面标高-6.685m时。在围堰进入到粉质粘土层2.87m处对钢板桩施加固结约束，取1m宽钢板桩进行受力分析。围堰长宽比13.3/13.2=1.01，故取CW=1.5。水流速度按设计图纸取V=1.5m/s。工况1钢板桩计算简图如图7.11-3。B点外侧水压力：Pw=γwH=10×3.52=35.2kN/m2A点外侧流水压力：P′==2=1.5××1.52=1.7/2B点主动土压力：Pa′=γh=γ==35.2×0.49=17.2kN/m2C点主动土压力：Pa=γH+γh−2C√=γH+γ−2C√=γH+−2C√ =18.85×7.5×0.49+17.2-2×33×√0.49=40.3kN/m2D点被动土压力：Pp=γH+2C√ =18.85×2.87×2.04+2×33×√0.49=156.6kN/m2荷载组合。恒载包括：1、支护结构自重（代号①），2、主动土压力荷载（代号②），3、被动土压力荷载（代号③）。活载包括：1、流水压力荷载（代号④），2、水压力荷载（代号⑤）。工况1：1.2×①+1.4×②+1.0×③+1.4×④+1.4×⑤围堰整体建模，钢板桩分析结果综上述分析，钢板桩在工况1作用下受力更不利，因此整体建模以工况1加载计算。工况1作用下钢板桩整体应力分析结果如下图。最大应力为=136.3MPa<=310MPa，满足要求。整体分析变形结果如下图。最大挠度为8.2mm，小于L/400=6373/400＝15.9mm，满足要求。3、工况2钢板桩受力计算工况2是承台第一次浇筑完毕，承台与钢板桩之间填筑砂砾石，承台顶部侧面30cm浇筑C30砼，砼达到强度后拆除第四道支撑时。在回填混凝土底面对钢板桩施加固结约束，取1m宽钢板桩，对回填混凝土底面以上钢板桩进行受力分析。围堰长宽比13.3/13.2=1.01，故取CW=1.5。水流速度按设计图纸取V=1.5m/s。工况2钢板桩计算简图如图7.11-6。B点外侧水压力：Pw=γwH=10×3.52=35.2kN/m2A点外侧流水压力：P′==2=1.5××1.52=1.7/2B点主动土压力：Pa′=γh=γ==35.2×0.49=17.2kN/m2C点主动土压力：Pa=γH+γh−2C√=γH+γ−2C√=γH+−2C√ =18.85×4.5×0.49+17.2-2×33×√0.49=12.6kN/m2D点被动土压力：Pp=γH+2C√=18.85×2×2.04+2×33×√0.49=64.7kN/m2荷载组合。恒载包括：1、支护结构自重（代号①），2、主动土压力荷载（代号②），3、被动土压力荷载（代号③）。活载包括：1、流水压力荷载（代号④），2、水压力荷载（代号⑤）。工况2：1.2×①+1.4×②+1.0×③+1.4×④+1.4×⑤（1）钢板桩弯应力计算钢板桩应力图如下：最大应力为=39.5MPa<=310MPa，满足要求。钢板桩的弯应力是能满足要求的。（2）钢板桩挠度验算：采用Midascivil计算单根钢板桩的挠度曲线图如下：最大挠度为2mm，小于L/400=1515*2/400＝7.6mm，挠度验算能够满足要求。第1、2层支撑围檩每延米荷载分别为：48.7kN、110kN。7.11.6围檩与内部支撑结构验算围檩计算采用Midascivil7.9有限元分析软件整体建模分析。由本计算书第六节对钢板桩受力工况的分析，分两种工况建立模型。钢板桩、围檩、支撑均采用梁单元模拟。围檩采用双拼I56a工字钢、支撑采用Φ630*8mm螺旋钢管，具体布置详见围堰设计图纸。图7.11-7工况1整体模型示意图1、工况1围檩计算（1）荷载计算固定约束点取用之前计算出的基底以下2.87m，单根日本拉森Ⅳ钢板桩受力宽度0.4m，将1m板宽压力转换成0.4m板宽的线荷载。荷载组合：工况1×0.4。（2）分析结果围檩及支撑最大应力=1807MPa<=215MPa，围檩及支撑在工况1作用下满足要求。围檩变形值为DXYZ方向的综合值。双拼I56a工字钢围檩挠度最大值3.5mm＜==31.6，满足要求。Φ630*8mm螺旋钢管支撑挠度最大值2、工况2围檩计算（1）荷载计算荷载组合=工况2,根据7.11.5节计算结果，第1、2层支撑围檩每延米荷载分别为：46.9kN、106.4kN，取最大值第二层围檩计算。建模采用分层加载分层计算，梁单元模拟围檩及支撑。（2）分析结果第二层围檩及支撑应力分析等值线示意如图7.11-10。围檩及支撑最大应力=47.8MPa<=215MPa，第二层围檩及支撑在工况2作用下满足要求。围檩变形值为DXYZ方向的综合值。双拼I56a工字钢围檩挠度最大值1.6mm＜==31.58，满足要求。Φ630*8mm螺旋钢管支撑挠度最大值1.4mm＜==22.39，满足要求。1、围堰整体抗浮验算由于钢板桩底面打入到了粉质粘土层，粉质粘土层属不透水土层，理论讲钢围堰底部应不会产生浮力作用，但为安全起见，下面还是对钢围堰的抗浮稳定性进行验算,只需抗浮力大于浮力即可。护筒、钢板桩与封底混凝土之间粘结力均按150KPa考虑，钢板桩与粉质粘土粘聚力取33KPa。单根钢板桩截面周长1.5m。对于钢板桩与封底混凝土之间的粘结力取值：按“封底混凝土自重”与“钢板桩与封底混凝土的粘结力”两者中间取小值。封底混凝土厚度为1m，水位标高为4.33m，封底混凝土底面标高为总浮力=13.2*13.2*11*10=19166.4kN封底混凝土重量=13.2*13.2*1*24=4181.8kN钢护筒与封底混凝土的粘结力=3.14*1.5*1*9*150=6358.5kN钢板桩与封底混凝土的粘结力=2*(13.2+13.2)*1*150=7920kN钢板桩与土体摩擦力F=AC=1.5*132*4.5*33=29403kN钢板桩围堰自重＝217.5t=2175kN（根据围堰数量表）封底混凝土自重<钢板桩与封底混凝土的粘结力,两者间取小值。抗浮稳定系数K=(4181.8+6358.5+29403+2175)/19166.4=2.2，抗浮稳定系数大于1.25，故钢板桩的抗浮稳定性满足要求。2、基坑底部隆起验算项目所处地质为粉质粘土，土的