中山小榄特大桥桥墩围堰设计报告简化版.docx
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中山小榄特大桥桥墩围堰设计报告简化版
广珠城际快速轨道小榄特大桥196＃、197＃桥墩钢板桩围堰设计报告
中铁三局广珠城际轨道交通
二00六年十二月
目录
1．工程概况1
1.1工程概况1
1.2工程地质条件概况2
1.3钢板桩围堰分析计算模式2
2、196＃桥墩钢板桩围堰分析计算5
2.1工程地质条件5
2.2钢板桩围堰布置5
2.3钢板桩围堰设计计算分析6
2.4稳定性及强度校核8
2.5小结11
2.6附图12
3、197＃桥墩钢板桩围堰分析计算17
3.1工程地质条件17
3.2钢板桩围堰布置17
3.3钢板桩围堰设计计算分析18
3.4稳定性及强度校核20
3.5小结23
3.6附图24
1、前 言
1.1工程概况
拟建广珠城际快速轨道小榄特大桥北侧起点位于中山市东凤镇永益村，跨小榄水道进入中山市小榄镇。
大桥近南北走向，设计起点里程DK42+807.57，设计终点里程DK43+229.27，全长422m。
根据施工场地现场观测，小榄水道近期水位范围在0.49m～1.8m（本报告中所有高程均采用85黄海高程），本设计中设计水位采用2.0m，又根据该场地附近横海水闸的水文资料，其五年一遇水位为4.48m，所以在设计中采用4.5m水位时作为校核工况。
广珠城际快速轨道小榄特大桥水上桥墩2座（196#和197#），桥墩承台高6m，承台底面高程均为-4.413m，下铺一层0.3m垫层，垫层底标高-4.713m。
为完成承台施工任务，必须修筑围堰，将水位降至承台底面以下。
根据地质情况、现场环境及工期要求，设计采用钢板桩+钢支撑支护体系。
该桥所在处河床面以下的主要地层为淤泥及部分粉砂质淤泥，淤泥层较厚，平均厚度为13.4米，场地淤泥层质软，强度不高；同时，由于围堰位于水道中，必须考虑水位涨落、水流冲击、施工船只对围堰体系的撞击等不利因素的影响，如何保证整个围堰体系的强度及变形稳定，这是本工程要解决的主要问题。
1.2工程地质条件概况
根据《广珠城际快速轨道小榄特大桥围堰工程岩土勘察报告》的勘察结果（该报告中共提供两个钻孔资料，其中196＃墩场地处对应ZK2钻孔，197＃墩场地处对应ZK1钻孔），场地属于珠江三角洲海陆交互相堆积平原地貌，地层为第四纪海陆交互相堆积层，岩土分层特征自上而下简述如下：
1.细砂
场地分布广泛，各孔均揭露到，厚度较小。
最薄处为0.90米，见于ZK1号孔；最厚处为1.7米，见于ZK2号孔；平均厚度为1.30米，层面最高处标高为－3.60米，见于ZK2号孔；层面最低处标高为－4.70米，见于ZK1号孔，平均标高为－4.15米。
呈灰浅色，灰黄色，砂粒成份为石英，亚圆形，级配较好，稍密状，饱和，顶部含少量粘性土胶结。
2.淤泥质土
全场分布广泛，各孔均揭露到，厚度较大，ZK2孔未揭穿。
最薄处为8.30米，见于ZK1号孔；最厚处为18.50米，见于ZK2号孔；平均厚度为13.40米，层面最高处标高为－5.30米，见于ZK2号孔；层面最低处标高为－5.60米，见于ZK1号孔，平均标高为－5.45米。
呈深灰色，灰黑色，流塑状，饱和，土质较均匀，含腐殖质及大量贝克碎屑，局部呈淤泥质粉砂或淤泥出现。
3.粉质粘土
仅ZK1揭露到，厚度较大，未揭穿。
顶板埋深19.90米，揭露层厚10.90米。
呈土黄色，灰黄色，可塑状，湿～很湿，土质较均匀，含中细砂。
上述岩土层埋深分布特征详见附图部分的钻孔柱状图及工程地质剖面图。
1.3钢板桩围堰分析计算模式
1.3.1钢板桩内力变形计算方法
设计计算时假定的水位为2.0m。
计算中所取的土层工程性质指标值基于《广珠城际快速轨道小榄特大桥围堰工程岩土勘察报告》并结合以前在该地区所做类似工程的经验确定，具体的值见后面设计说明中。
计算以陆培炎的“横向荷载作用下桩土共同作用的简化法”方法为基础，以加虚拟拉力的全量方法模拟施工中加支撑的过程。
土弹簧的刚度由土的变形模量
和泊松比μ确定；被动土压力以土的有效重度γ、内摩擦角
、凝聚力
确定；当土弹簧的受力大于相应位置土能够提供的最大抗力即被动土压力时取被动土压力。
若某个支撑设置前，支撑点已发生位移s0，设置后继续开挖，位移为s，支撑刚度为k，则支撑轴力为F=k（s-s0），将虚拟拉力ks0加在支撑点，用全量方法计算可得ks，进而算出s与F。
1.3.2支撑稳定性及强度计算方法
由1.3.1的计算结果可以得到围檩上的均布荷载，整个支护体系各个部分的内力可以按照弹性支座连续梁进行计算。
1.3.3钢板桩、支撑材料参数及强度分析
以上的计算的结果与下面确定的材料的强度及稳定标准进行比较，以确定方案的安全性、合理性。
1）钢板桩
采用FSPⅢ钢板桩，钢板桩参数由厂家提供，其截面及强度设计见表1.1：
表1.1FSPⅢ型钢板桩参数
fy设计值
（N/mm2）
I1
（单根）
（mm4）
I
（桩墙）
（mm4）
ymax
（单根）
（mm）
ymax
（桩墙）
（mm）
Mmax
（单根）
（kN-m）
M
（复合桩墙）
（kN-m/m）
300
2.22E+07
1.68E+08
99.6
125
66.9
402
计算中钢板桩刚度的确定方法：
由于钢板桩接缝以摩擦力控制，在受弯变形时刚度介于桩墙和单根之间，参考在中山东河水利枢纽、新光大桥及猎德大桥钢板桩围堰实测数据反算结果，按复合桩墙刚度的50%计算与实测数据吻合较好，故本报告FSPⅢ型钢板桩计算中取折减50%后桩墙截面惯性矩I2＝8.4E+07mm4。
计算中钢板桩强度确定方法：
方法一：
以等曲率的原则考虑刚度折减50%确定强度
刚度折减后，以桩墙受弯时等曲率的原则确定桩墙弯矩M2的设计值，即：
以单根钢板桩弯矩设计值计算板桩的设计曲率：
M1/（EI1）=1/ρ；
以刚度比确定板桩弯矩设计值：
M2=M1I2/I1；
对FSPⅢ型钢板桩，I2=8400cm4/m，M2=M1I2/I1=66.9*（8.4/2.22）=255
方法二：
考虑强度直接折减70%确定其强度（一般工程方法）
桩墙弯矩设计值M2=M*70%=281.4
。
由上所述，设计中桩墙弯矩值取二种方法中的较小值
。
2）支撑
对撑采用φ530×7mm钢管和2I32a，角撑采用2I32a组合支撑（工字钢按照水平和竖直两向稳定性相同的原则确定其间距）。
由于φ530×7mm钢管为已使用过而在本工程中周转利用，从偏安全角度考虑，设计计算时其壁厚取6mm。
3）围檩
围檩采用2I32a或2I40a工字钢组合围檩（第三层围檩局部采用2I40a加钢板的形式），工字钢之间有缀板连接组成格构式梁。
由于组成围檩的工字钢之间有缀板连接，且在荷载作用面与钢板桩直接接触，受钢板桩的约束，所以整体稳定问题可以不考虑，由强度确定其可承受的最大弯矩和轴力。
按弹性支座连续梁校核其强度。
经过以上的过程分析了各种方案的可行性，最后综合考虑设计的安全、合理及经济的因素，最终确定两个桥墩的设计方案。
2、196＃桥墩钢板桩围堰分析计算
小榄特大桥196＃桥墩由12根桩及承台构成，承台尺寸为17.6
22.6
6.0m（顺桥向×横桥向×高），承台底面高程-4.413m，下铺一层0.3m厚混凝土垫层，垫层底标高-4.713m。
2.1工程地质条件
根据《广珠城际快速轨道小榄特大桥围堰工程岩土勘察报告》196＃桥墩地层组成至上而下主要为：
细砂层和淤泥质土层。
根据现场实测，196＃墩河床平均高程为-3.5m左右。
地层情况按岩土分层特征自上而下描述如下：
细砂：
呈浅灰色，灰黄色，砂砾成分为石英，亚圆形，级配较好，稍密状，饱和，顶部含少量粘性土胶结。
厚度1.7m左右。
淤泥质土：
呈深灰色，灰黑色，流塑状，饱和，土质较均匀，含腐殖质及大量贝壳碎屑，局部呈淤泥质粉砂或淤泥出现。
地质钻孔平面布置图见图2.1，地质剖面详见图2.2，钻孔柱状图见2.3。
2.2钢板桩围堰结构体系选材及布置
考虑到钢板桩围堰支撑围檩的宽度和将来浇筑承台工人施工空间的因素，平面布置围堰与承台边线的距离为1.5m，所以钢板桩围堰横桥向为25.6m，顺桥向为20.6m。
2.2.1钢板桩
采用18m长的FSP-Ⅲ型钢板桩，用45Kw振动锤打入，打至-13m高程。
钢板桩强度见表1.1。
2.2.2支撑
支撑系统采取顺桥对撑的方案，支撑平面布置图见图2.4。
支撑体系由三层支撑组成：
支撑第一层采用2I32a工字钢组为横向对撑，2I32a工字钢为角部支撑，支撑第二、三层采用φ530×7mm钢管为横向对撑，2I32a工字钢为角部支撑。
各层支撑的高程分别为：
+2.0m、-0.2m和-2.4m。
工字钢及钢管计算参数具体见下表2.1：
表2.1支撑计算参数
类型
Ix
W
A
fy
L
φ
N
惯性矩
抵抗矩
面积
设计值
计算长度
稳定系数
允许轴力值
（cm4）
（cm3）
（cm2）
（N/mm2）
（m）
（kN）
Φ530×6
33888
1279
98.72
215
10.0
0.838
1779
2I32a
22160
1385
134.24
215
10.0
0.7
2026
2I32a①
22160
1385
134.24
215
5.43
0.89
2569
2I32a②
22160
1385
134.24
215
5.2
0.897
2589
注：
①为角撑1，②为角撑2（角撑1、2位置示意见附图2.4）。
2.2.3围檩
第一、二层围檩2I32a工字钢组合围檩，第三层采用2I40a组合围檩（局部采用2I40a加钢板组合的形式）。
2.3钢板桩围堰结构体系强度计算分析
2.3.1土层参数选取
土层参数的选取的原则一般以地质条件较差的钻孔柱状图作为依据，196＃墩土层厚度的确定应以钢板桩围堰四周最新的地质钻孔资料为准，目前参考《广珠城际快速轨道小榄特大桥围堰工程岩土勘察报告》中提供的土工参数并结合工程经验确定各层土的
、
、E和
值。
土层参数如表2.2。
表2.2196＃墩土层参数
类型
γ（kN/m3）
C（kPa）
φ（º）
E（MPa）
μ
淤泥
16.5
7
6
1.0
0.45
2.3.2钢板桩围堰体系强度计算结果汇总
计算时选取ZK2作为典型地质情况，采用1.3.1中提到的钢板桩内力变形计算方法，计算钢板桩弯矩及位移，具体结果见表2.3和图2.5。
对撑按照轴心受压构件计算，其计算结果见表2.4；角撑由于轴力较小，未对其进行强度校核，在2.4节中对其进行稳定校核，即可满足设计要求。
表2.3钢板桩计算结果汇总表
工况
开挖面高程（m）
钢板桩最大位移
钢板桩弯矩最大值
位移（mm）
高程（m）
M＋
高程
M－
高程
（kN-m）
（m）
（kN-m）
（m）
1
-0.7
41.7
-2.31
27
-6.2
105
-1.2
11%
41%
2
-2.9
53.98
-2.4
23.7
-7.2
116.9
-2.3
9%
45%
3
-4.7
67
-4.1
19.4
-9.2
115.3
-4.3
8%
44%
4
-2.8
68.21
-4.1
19.3
-9.2
98.2
-2.7
8%
39%
5
-0.6
67.74
-4.1
18.9
-9.2
90.2
-4.3
7%
35%
注：
单元格中的百分数为计算值与设计值的比较值，灰色底纹的工况为回填施工。
表2.4对撑计算结果汇总表
工况
开挖面高程（m）
支撑轴力（kN）
注：
单元格中的百分数为计算值与设计值的比较值，第一层对撑采用2I32a，允许轴力为2886kN，第二三层对撑采用Φ530×7mm，允许轴力为2123kN；钢板桩弯矩设计值为255kN-m。
灰色底纹的工况为回填施工。
第一层
（2.0m）
第二层
（-0.2m）
第三层
（-2.4m）
1
-0.7
138.6
5%
2
-2.9
64.2
204.6
2%
10%
3
-4.7
66.2
55.8
445.1
2%
3%
21%
4
-2.8
16.5
270.9
1%
13%
5
-0.6
101.1
4%
工况说明：
工况1为安装第一层水平支撑（2.0m），抽水至-0.7m；
工况2为安装第二层水平支撑（-0.2m），抽水至-2.9m；
工况3为安装第三层水平支撑（-2.4m），抽水至河床底，开挖至-4.713m；
回撑各工况及浇筑混凝土情况如下：
工况4为分块浇筑垫层后，浇筑承台的第一层1.6m（-4.413～-2.8m）厚混凝土，拆除第三层水平支撑；
工况5为浇筑承台的第二层2.2m（-2.8～-0.6m）厚混凝土，拆除第二层水平支撑。
2.4钢板桩围堰体系稳定性计算分析
2.4.1围檩
按节2.3的计算结果，围檩按弹性支座连续梁进行强度校核。
顺、横桥向二个方向各层围檩均取其支撑轴力最大时的工况进行校核，两端铰支，钢支撑用弹性支座代替。
由于围檩与钢板桩接触的外侧受钢板桩墙的约束，使其强度得以加强，其破坏发生在内侧，所以取内侧的弯矩进行校核。
同时围檩受轴力作用，以压弯构件对围檩进行校核，围檩压弯复核主要依据下式：
复核所用的参数见表2.5（塑性发展系数γx取1.05，等效弯矩系数βmx取0.85）。
表2.5 围檩压弯复核参数表
压弯计算参数
形式
计算长度l
回转半径ix
长细比λ
抵抗矩Wx
稳定系数φx
欧拉临界力Ncr
注：
分别取围檩上轴力与弯矩都比较大的部分进行压弯验算，①②③分别为不同取段的参数。
（m）
（cm）
（cm3）
（kN）
2I32a①
2
12.85
15.6
1384.4
0.982
1.13E+05
2I32a②
2.175
12.85
16.9
1384.4
0.978
9.52E+04
2I32a③
1.8
12.85
14
1384.4
0.985
1.39E+05
2I40a①
2
15.88
12.2
2171.4
0.989
3.23E+05
2I40a②
2.175
15.88
13.3
3986.0
0.986
2.73E+05
2I40a③
1.8
15.88
11.0
3986.0
0.991
3.99E+05
上表中2I40a围檩②③段参数选取时，由于这两段围檩上用16mm厚钢板局部加强，使得该段围檩结构偏心，其抵抗弯矩计算过程参数如下：
围檩结构形式
2I40a+16mm厚钢板
形心位置
25.64cm
形心轴移动距离
5.64cm
板形心离截面形心距离
15.16cm
惯性矩
63626.19cm4
面积
236.14cm2
截面抵抗矩
3985.94cm3
根据弹性支座连续梁程序计算得到的角撑弹性支座反力求和得到轴力，取轴力及弯矩都较大的围檩部分复核，复核结果见下表2.6。
表2.6压弯计算复核
围檩短边压弯验算
形式
层位
取段长度L＝4.0m
取段长度L=4.35m
弯矩M
轴力N
压弯应力
弯矩M
轴力N
压弯应力
（kN-m）
（kN）
（MPa）
（kN-m）
（kN）
（MPa）
2I32a
第一层围檩
24.6
228.3
31.73
46.6
414.66
58.7
2I32a
第二层围檩
36.3
337
46.84
68.8
612.1
86.73
2I40a
第三层围檩
78.7
726.6
72.14
155
1308.9
86.11*
校核工况
（2I40a）
第三层围檩
147
1357.4
134.89
289
2445.1
161.82*
围檩长边压弯验算
形式
层位
取段长度L＝4.0m
取段长度L＝3.60m
弯矩M
轴力N
压弯应力
弯矩M
轴力N
压弯应力
（kN-m）
（kN）
（MPa）
（kN-m）
（kN）
（MPa）
2I32a
第一层围檩
30.00
223.60
34.53
33.30
428.16
52.13
2I32a
第二层围檩
44.30
330.10
51.01
49.20
632.10
77.02
2I40a
第三层围檩
100.00
710.20
79.14
107.00
1357.30
78.67*
校核工况
（2I40a）
第三层围檩
187.00
1326.60
148.05
200.00
2535.40
147.02*
注：
打星号数值是该段围檩局部加强处验算所得,校核工况是取设计水位4.5米时（五年一遇水位），对第三层围檩的验算。
2.4.2支撑
各工况下横向对撑进行验算，对撑稳定验算结果表2.7。
表2.7对撑稳定验算
层序
惯性矩（cm4）
回转半径（cm）
柔度
系数
Φ值
稳定允许应力（MPa）
允许轴力（kN）
安全
系数
一
22160.00
12.85
77.82
0.70
150.93
2026.08
14.62
二
33887.67
18.53
53.97
0.84
180.17
1778.67
8.69
三
33887.67
18.53
53.97
0.84
180.17
1778.67
4.00
按格构式轴心受压构件对钢支撑进行设计。
三层角撑的材料及尺寸都是一样的，故按轴力最大的第三层来设计；设较长角撑为角撑1，短角撑为角撑2（见平面图），由于角撑2的轴力大于角撑1，所以两角撑都要进行稳定验算。
又按照1.3.2节中所述方法按照弹性支座连续梁（围檩两端铰支，钢支撑用弹性支座代替）计算出角撑的轴力，角撑1轴力最大值为718kN，角撑2轴力最大值为788kN。
验算结果如表2.8～2.10。
表2.8角撑整体稳定验算
角撑整体稳定验算
绕实轴的整体稳定验算
格构式轴心受压钢支撑设计
斜撑1（2I32a）
斜撑2（2I32a）
最大轴力（kN）
915.00
1027.00
允许轴力（kN）
2568.68
2588.89
安全系数
2.81
2.52
绕虚轴的整体稳定验算
最大轴力（kN）
915.00
1027.00
允许压轴力（kN）
2490.76
2513.85
安全系数
2.72
2.45
表2.9角撑局部稳定验算
单肢截面板件局部稳定
单肢采用I32a，板件不会发生局部稳定
单肢自身稳定
单支长细比
22.90
22.90
长细比控制值
25.00
25.00
结论
满足要求
满足要求
缀
板
的
设
计
缀板正应力（MPa）
106.11
63.67
正应力控制值（MPa）
215
215
缀板的剪应力（MPa）
31.83
15.92
剪应力控制值（MPa）
125
125
结论
满足要求
满足要求
表2.10角撑焊缝设计
角撑焊缝设计
焊脚尺寸（mm）
10
10
端焊缝强度增大系数
1.22
1.22
焊缝应力（MPa）
78.4
55.9
焊缝强度设计值（MPa）
160
160
结论
满足要求
满足要求
2.4.3节点
在角撑与围檩连接处存在较大的剪力，由上面的计算可知，最大的剪力为355.8kN。
考虑到两倍的安全系数，即最大的剪力
711.6kN。
设计中取焊角尺寸
mm，角焊缝的强度
N/mm2，则侧焊缝的有效长度
应满足
，代入求得
≧682.9mm，又因为荷载不是沿焊缝长度均匀作用，一条侧焊缝最大的长度为
，当取
mm时，一条侧焊缝最大计算长度为600mm。
在考虑上述诸因素，同时考虑了垂直焊缝的抗剪强度基础上，设计角撑与围檩连接处的节点。
2.5小结
围堰结构系统计算结果小结见表2.11，可见该方案较为安全、经济、合理。
表2.1196＃墩围堰结构体系计算结果小结
序号
项目名称
实际
最大值
设计值
与设计值
比较
备注
1
钢板桩弯矩（kN-m）
116.9
255
45%
Q345：
fy＝300MPa，钢板桩弯矩设计值是在其刚度折减1/2得出，详见报告1.3.1节
2
水平支撑轴力（kN）
138.60
2886
4.80%
第一层支撑Q235：
fy＝215MPa
204.60
2123
9.64%
第二层支撑Q235：
fy＝215MPa
445.10
2123
20.97%
第三层支撑Q235：
fy＝215MPa
3
围檩复核（MPa）
33.66
215
15.66%
第一层围檩纯弯应力校核Q235：
fy＝215MPa
49.70
215
23.11%
第二层围檩纯弯应力校核Q235：
fy＝215MPa
74.64
215
34.72%
第三层围檩纯弯应力校核Q235：
fy＝215MPa
58.67
215
27.29%
第一层围檩压弯应力校核Q235：
fy＝215MPa
86.66
215
40.31%
第二层围檩压弯应力校核Q235：
fy＝215MPa
86.11
215
40.05%
第三层围檩压弯应力校核Q235：
fy＝215MPa
2.6附图
图2.1钻孔平面布置图
图2.2钻孔剖面图
图2.3ZK2钻孔柱状图
图2.4支撑平面布置图
图2.5a开挖过程中各个工况下的位移、弯矩和剪力图
图2.5b回撑过程中各个工况下的位移、弯矩和剪力图
3、197＃桥墩钢板桩围堰分析计算
小榄特大桥197＃桥墩由12根桩及承台构成，承台尺寸为17.6
22.6
6.0m（顺桥向×横桥向×高），承台底面高程-4.413m，下铺一层0.3m厚混凝土垫层，垫层底标高-4.713m。
3.1工程地质条件
根据《广珠城纪快速轨道小榄特大桥围堰工程岩土工程勘察报告》，197＃桥墩下分布地层主要为：
细砂层、淤泥质土层和粉质粘土层。
根据现场实测，197＃墩河床平均高程为-5.17m左右。
地层情况按岩土分层特征自上而下描述如下：
细砂：
呈浅灰色，灰黄色，砂砾成分为石英，亚圆形，级配较好，稍密状，饱和，顶部含少量粘性土胶结。
厚度0.9m左右。
淤泥质土：
呈深灰色，灰黑色，流塑状，饱和，土质较均匀，含腐殖质及大量贝壳碎屑，局部呈淤泥质粉砂或淤泥出现。
厚度8.3m左右。
粉质粘土：
呈土黄色，灰黄色，可塑状，湿～很湿，土质较均匀，含中细砂。
地质钻孔平面
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