桥梁方案主桥深水基础施工方案含主桥承台防撞设施计算书.docx
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桥梁方案主桥深水基础施工方案含主桥承台防撞设施计算书
青田县瓯江四桥（步行桥）工程
深水基础（含防撞墩）施工方案计算书
第一章深水基础围堰施工方案计算书
1计算依据
1.1《青田县瓯江四桥（步行桥）工程单壁钢围堰布置图》；
1.2《建筑施工计算手册》；
1.3《钢结构设计规范》（GB500017-2003）；
1.4《midasCivil2015版》；
1.5《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）
1.6《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）
1.7《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》（TB10002.3-2005）
1.8《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10002.5-2005）
1.9《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005）
1.10《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）
2工程概况
主桥P6、P7号桥墩桩基所处水中构筑物、桥墩、承台、桩基基础环境作用等级为Ⅱ类环境，桩基采用水下C30混凝土、承台混凝土标号均C30混凝土；承台顶高程+3.0m，承台位于河道内区域，围堰基坑挖深2m。
水下封底混凝土厚度为1.0m。
防撞墩采用高桩墩式结构，上部墩体采用C30钢筋砼墩体结构，墩顶高程为9.28m，直径5.5m，高4m。
防撞墩下部结构采用桩长为38m的φ1200mm灌注桩基础。
桩中心距墩体边缘均为1.1m。
呈等边三角形布置。
（1）河床高程：
+0.0m，枯水期施工。
（2）围堰施工期间常水位：
+3.00m，围堰顶高程为+4.0m，围堰底高程-2.0m。
（3）河水流速：
施工期间3.8m/s。
（一般泄洪最大流速）
（4）河床地质：
河床覆盖层由上至下为卵漂石层、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩。
（5）承台底面高程+3.00m，承台高度3.5m，承台平面尺寸15×7m圆端形设置。
（6）钻孔桩直径1.8m，2×3行列式布置。
3地质情况
根据工程地质勘测报告，P6、P7#承台处的地质情况如表1。
表3.1承台地质情况
底层序号
底层名称
层厚（m）
层顶高程（m）
桩侧摩阻力标准值qik（Kpa）
备注
①
素填土
0
30
②
卵漂石
24.7
-18.62
100
②-1
夹粉砂
0.9
-19.25
30
③
含粘土卵石
100
④-1
全风化花岗岩
4.9
-24.42
70
④-2
强风化花岗岩
3.9
-28.32
160
④-3
中风化花岗岩
3
-31.32
④-4
微风化花岗岩
8
-39.32
P6、P7#墩处地质情况详见表2.5.3-1。
地质层名称
地质层层底高程
地质层层厚
地基承载力
②卵（漂）石（Q4al）
-14.25
14.1
350
③含粘土卵石（Q3al-pl）
-23.95
9.7
320
④-3中风化花岗岩（γ53
（2））
-29.85
5.9
1500
④-3微风化花岗岩（γ53
（2））
-37.35
7.5
3000
4设计施工方案概述
4.1围堰构造
主墩承台钢围堰设计：
两端为半圆形；面板为最外侧布置；长×宽=17.6m×8.6m。
单壁钢套箱结构设计：
由内向外依次为：
5mm厚钢板面板，横肋-∠100×63×8mm角钢30cm间距，I20a工字钢竖肋布置间距为60cm，背杠-2[25a槽钢100cm间距，套箱顶部下50cm布置一道围囹，围囹及内支撑设计为双榀I40a工字钢，钢围堰总高度为6m。
图5.1-1钢围堰平面布置图
图5.1-2钢围堰立面布置图
4.4封底
封底混凝土的厚度1.0m。
模型采用实体单元结构。
5围堰结构计算
5.1设计计算参数
表5.1.1-1基坑支护结构所需材料表
序号
材料名称
抗压强度
（MPa）
抗拉强度
（MPa）
抗剪强度（MPa）
弹性模量（MPa）
备注
1
Q235
215
215
125
2.0×105
表5.1.1-2基坑支护结构所需材料截面特性表
序号
部位
规格
项目
极限应力[σ]
（MPa）
备注
1
外面板
8mm
外侧
215
2
竖向加劲
I20
组合应力
215
3
围囹
I40
组合应力
215
4
水平环向加劲
10#槽钢
组合应力
215
5
钢管支撑
Φ529×8
组合应力
215
5.2荷载取值及分配系数
5.2.1自重
钢结构自重78.5kN/m3，混凝土自重25kN/m3，计算时荷载分项系数取1.2。
5.2.2静水压力
静水压力随着水深的增加呈线性分布，P=γh
计算水位标高为4.8m，计算水位深度为3.8m。
围堰底部静水压力最大P=γh=9.8×3.8=37.24kN/m2，计算时荷载分项系数取1.4。
5.2.3流水压力
当非汛期水位最高4.8m时，作用于围堰的流水压力可按下式计算（公路桥涵设计通用规范）：
式中：
围堰抗水流冲击检算主要是其抗倾覆性和抗滑移的检算。
取K=0.73,g=9.81
=3.8m/s,A=52.5m2则：
故最大动水压力F=0.73*10*3.8*3.8/（2*9.81）=5.37kN/m2其合力作用于水面下1/3水深处,，计算时荷载分项系数取1.4。
5.2.4土压力
土压力荷载是河床以下土体对围堰的挤压产生的主动土压力，土压力计算按郎肯土压力计算，河床土质有设计图纸及实际调查可知河床处均是卵漂石，卵漂石的容重γsat=22kN/m3内摩擦角取ψ=350。
河床底距钢围堰脚底2m。
主动土压力P=（γsat-γw）htan2（450-ψ/2）
单壁钢围堰脚底处P=（22-10）×2×tan227.50=6.5KN/m2，计算时荷载分项系数取1.4。
5.3有限元模型分析
对浇筑封底混凝土的不利工况进行分析，采用midas建立空间有限元模型，内支撑采用梁单元模拟，水平加劲、竖向加劲采用梁单元模拟，封底混凝土用实体单元模拟，面板采用用板单元模拟、背肋采用梁单元模拟。
钢围堰底部采用全方向约束支撑，封底混凝土采用Z轴方向约束支撑。
荷载组合为自重+静水压力+土压力+流体压力，荷载分项系数分别为1.2、1.4和1.4。
有限元模型如下：
详见下图5.3-1、2所示。
图5.3-1单壁钢围堰整体模型结构图
图5.3-2单壁钢围堰整体模型荷载分布图
5.3.2整体结构变形分析
根据仿真计算结果，单壁钢围堰最大位移11.6mm，满足要求。
根据仿真计算结果，单壁钢围堰短边最大应力
，满足要求。
5.3.4模拟计算结果分析
1、内壁板应力
内壁板应力范围：
8.6MPa~86MPa
2、角钢应力
角钢应力范围：
-65.4MPa~58.3MPa
3、竖肋应力
竖肋应力范围：
-146.7MPa~132.4MPa
4、背杠应力
背杠应力范围：
-67.4MPa~42.1MPa
5、围囹应力
双榀I40工字钢围囹应力范围：
-84.8MPa~90.6MPa
双榀I40工字钢围囹最大位移：
5.38mm
6、内支撑应力
内支撑应力范围：
-52.9MPa~-58.3MPa
双榀I40工字钢围囹最大位移：
0.39mm
5.3.5结论
钢围堰应力检算结果汇总如下表
表5.3.5-1钢围堰应力检算汇总表
部位
规格
项目
最大值
（MPa）
允许应力[σ]
（MPa）
是否
满足
外面板
5mm
组合应力
86
215
满足
横肋
100*63*8mm
组合应力
58.3
215
满足
竖向加劲
I20
组合应力
132.4
215
满足
背杠
2]25
组合应力
67.4
215
满足
围囹
2I40
组合应力
90.6
215
满足
钢管支撑
Φ529×8
轴向压应力
58.3
215
满足
（1）计算结果显示，围堰内壁及竖肋应力集中趋近极限值。
（2）围堰计算考虑最不利工况：
当水位满至围堰顶20cm时的荷载计算，在施工过程选择在枯水期，枯水期水位一般不超过3.5m，如果水位连续上涨，考虑在施工过程中将围堰内进行注水，保证内外水压力平衡。
6吊放系统计算
吊耳、钢丝绳、卸扣的选择
根据梁的截面尺寸、分段的长短和吊装工况，选择用4个吊耳起吊。
吊耳设在钢梁纵横板交点处，端部用钢板加强，保证局吊部稳定，吊耳采用坡口焊接。
6.1、吊耳强度验算
吊耳选择25吨吊耳，，材质为Q345B钢，主板厚25mm，外侧加强侧板厚12mm。
吊耳详图如下。
6.1.1、吊耳强度核算
4个吊耳：
最重段按62吨计算，分项系数取1.1，动力系数取1.2，钢丝绳夹角最大按60度计算，各设置了4个吊耳。
每个吊耳所承受的拉力为：
N=62×1.1×1.2×9.8/3.46=802.032/3.46=231.801KN
经上述计算，当采用4个吊耳进行吊装时单个吊耳承受的拉力为231.8KN，由于吊装时钢丝绳角度大于60度，因此吊耳主要承受竖向拉力引起的剪应力，受剪截面积为：
A=20*200=4000mm2
吊耳承受的剪应力为：
F=231.8*1000/4000=57.95N/mm26.1.2、吊耳角焊缝应力校核
角焊缝面积：
计算公式
角焊缝的拉应力：
计算公式σ=F/A=231.8*1000*1.73/（2*3360）=59.67MPa
角焊缝的剪应力：
计算公式
Τ=F/A=231.8*1000/（2*3360）=34.49MPa
组合应力：
计算公式σ=68.92MPa
角焊缝的许用应力：
计算公式
角焊缝应力满足要求。
6.2、钢丝绳选择
本工程最大重量节段62T
钢丝绳强度计算（起吊点4个）
根据钢丝绳允许拉力计算公式S=P/K
钢丝绳作吊索使用取安全系数K=8
钢丝绳允许拉力S=62/4/cos（60/2）=17.89t=178.9KN
计算钢丝绳破断拉力P＝S*K=178.9*8=1431.2KN
查钢丝绳技术表选用以下标准的钢丝绳：
6*37（股1+6+12+18），抗拉强度1850Mpa，直径56mm的钢丝绳换算系数（6×37）=0.82
查表得钢丝绳破断拉力P=ΣN*α=2175*0.82=17833.5KN＞1431.2KN
6.3卡环卸甲计算
考虑起吊钢箱梁节段最大重量为62t，由4个卡环卸甲扣钢丝绳吊起，进行计算。
Fg=G/4cosβ=620KN/4*cos30°=178.9KN
根据卸甲的允许荷载公式[Fk]≈3.5d2202≈3.5d2d≈7.6cm
即取销子为7.6cm以上的卸甲作为吊装联结使用（取25t的卸甲）。
7封底混凝土检算
检算最不利工况下的围堰抗浮稳定性，围堰受水浮力时可能的失稳形式有三种：
①封底砼抗浮失稳；②封底砼连同钢围堰一起上浮失稳；③钢围堰自身上浮失稳。
根据围堰实际结构情况，围堰内混凝土封底按1.0m厚度进行验算复核，具体如下：
7.1封底混凝土抗浮失稳计算
水浮力
F1=（10*3.8）*（9*8.6+3.14*（4.3）^2-6*3.14*1^2）
=4431KN
封底混凝土的重量
F2=（（9*8.6+3.14*（4.3）^2-6*3.14*1^2）*1*23=2682KN
混凝土与钢护筒摩擦力
F3=6*3.14*2.3*1*120=5199KN
混凝土与钢围堰内壁摩擦力
F4=（9+8.6*3.14*0.5）*2*1*120=5400KN
抗浮稳定系数
K=（F2+F3+F4）/F1=（2682+5199+5400）/4431=2.99>1.3
满足规范要求
7.2封底混凝土连同围堰一起失稳
钢围堰浮力：
F6=（10*3.8）*（9*4.3+3.14*（4.3）^2-6*3.14*1^2）
=4431KN
钢围堰结构重量
F7=622KN
抗浮稳定系数
K=（F2+F3+F4+F7）/（F6）
=（2682+5199+5400+622）/（4431）
=3.13>1.3
满足规范要求
7.3钢围堰自身上浮失稳
钢套箱浮力：
F6=（10*3.8）*（9*4.3+3.14*（4.3）^2-6*3.14*1^2）
=4431KN
抗浮稳定系数
K=（F4+F7）/（F6）
=（5400+622）/（4431）
=1.35>1.3
满足规范要求
8承重牛腿计算
承重牛腿采用I32a工字钢，作为套箱组拼临时承重结构。
牛腿上翼缘及腹板位置与钢护筒均采用贴脚焊焊接，焊缝焊角尺寸hf=10mm，焊缝有效高度he=0.7hf=7mm，上翼缘及腹板均与钢护筒满焊连接，上翼缘顶部焊缝长度lw1=130mm，上翼缘底部焊缝长度lw2=60mm，腹板焊缝长度lw3=283mm，采用手工焊，焊条采用J502焊条，查《钢结构设计规范》可知，焊缝强度设计值ffw=200Mpa。
钢套箱自重60t，考虑人员、施工机具荷载，取65t，则单根牛腿承重
P=1.2⨯650/10=78KN，按集中荷载加载，与钢护筒距离e=1600mm。
计算荷载：
弯矩M=78⨯1.6=124.8KN⋅m；
剪力V=P=78KN。
水平牛腿焊缝计算
根据钢结构设计规范要求，
焊脚尺寸
不得小于1.5
t为较厚焊件厚度。
不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍。
锚板尺寸与平托尺寸，易知6.7mm<
<12mm。
故本次设计中取
=10mm。
计算内力剪力Q=78kN,弯矩M=124.8kN.m
平联杆件端部沿周边全部施焊
a、根据工字钢受力特点，考虑其剪力全部由腹板处角焊缝承受
<
为角焊缝计算厚度，取为o.7
=7mm
为角焊缝计算长度，取为实际焊缝长度减去2
。
有
=
=19.6Mpa<
=160Mpa
b、拉力与弯矩由全部焊缝承担
<
式中、
为焊缝截面对中性轴的截面模量.
为强度设计值增大系数，对承受静力荷载与间接动力荷载，取为
=1.22
有
=55.7Mpa<
=195.2Mpa
在综合作用处有
<
有
=49.6Mpa<
=160Mpa满足要求
结论：
采用
=10mm完全能够满足设计规范要求。
第二章防撞墩施工方案计算书
1工程概况
防撞墩采用高桩墩式结构，上部墩体采用C30钢筋砼墩体结构，墩顶高程为9.28m，直径5.5m，高4m。
防撞墩下部结构采用桩长为38m的φ1200mm灌注桩基础。
桩中心距墩体边缘均为1.1m。
呈等边三角形布置。
主墩防撞墩托架设计：
防撞墩底模板支撑系统采用焊接在防撞墩钢管上的型钢托架，型钢采用I32a工字钢，托架为15道斜支撑与桩基钢护筒焊接，斜撑上焊接I32工字钢横梁。
托架上满铺底模板，底模板采用整体式桥面板三块，为I14工字钢与10mm钢板焊接而成。
图1.1-1防撞墩托架布置图
2设计计算原则
（1）在满足结构受力情况下考虑挠度变形控制；
（2）综合考虑结构的安全性；
（3）采取比较符合实际的力学模型；
（4）尽量采用已有的构件和已经使用过的支撑方法；
3计算依据
（1）《建筑施工模板安全技术规范》（JGJ162-2008）；
（2）《建筑施工计算手册》（第三版）江正荣编著；
（3）《钢模板技术规范》GB50214-2001；
（4）《钢结构设计规范》（GB500017-2003）；
（5）《midasCivil2015版》；
4计算荷载
4.1荷载计算
（1）新浇砼自自重荷载（γ=25KN/m3）：
q1=61.7KN/m2
（2）模板、方木及内模支架q2=1.0KN/m2
（3）施工人员及机料荷载q3=3.0KN/m2
（4）混凝土振捣时产生的荷载q4=2.0KN/m2
4.2荷载分项系数
计算脚手架及模板支撑架强度时的荷载设计值，取其标准值乘以下列相应的分项系数：
（1）永久荷载的分项系数，取1.2；计算结构倾覆稳定时，取0.9。
（2）可变荷载的分项系数，取1.4；
（3）计算构件变形（挠度）时的荷载设计值，各类荷载分项系数，均取1.0。
4.3荷载组合
计算底模板及托架强度时，荷载组合
（1）为：
（1）模板、支架自重+
（2）新浇筑钢筋砼自重+（3）施工人员及设备荷载标准值+（4）振捣混凝土时产生的荷载；
验算底板模板及托架的刚度时，荷载组合
（2）为：
（1）模板、支架自重+
（2）新浇筑钢筋砼自重。
5计算模型
对浇筑封底混凝土的不利工况进行分析，采用midas建立空间有限元模型，钢构件采用梁单元模拟，托架底板采用板单元模拟。
斜撑、主横梁与管桩交叉焊接部位采用全方向约束支撑。
有限元模型如下：
详见下图5.1-1、2所示。
图5.1-1防撞墩托架整体模型
图5.1-2防撞墩托架整体模型
图5.1-3防撞墩托架模型边界条件
图5.1-4防撞墩托架模型荷载布置
6整体模型计算分析结果
图6.1-1组合荷载1防撞墩托架整体强度
图6.1-2组合荷载2防撞墩托架整体强度
由以上两种荷载组合分析可知，荷载组合作用下防撞墩托架最大应力
，故防撞墩托架整体强度满足要求。
7单元模型计算分析结果
7.18mm厚面板计算
（1）面板强度计算
图7.1-1组合荷载1面板强度
图7.1-2组合荷载2面板强度
由以上两种荷载组合分析可知，荷载组合作用下防撞墩托架最大应力
，故防撞墩托架面板整体强度满足要求。
（1）面板刚度计算
图7.1-3组合荷载1面板刚度
图7.1-4组合荷载2面板刚度
由计算结果可知：
荷载组合1作用下I32a工字钢最大位移向下，最大位移为
，满足要求。
7.2I32a工字钢斜撑计算
（1）强度计算
图7.2-1组合荷载1下I32a工字钢斜撑强度
由计算结果可知：
荷载组合1作用下防撞墩托架最大应力
，故防撞墩托架I32a工字钢斜撑强度满足要求。
（2）刚度计算
图7.2-2组合荷载1下I32a工字钢斜撑刚度
由计算结果可知：
荷载组合1作用下I32a工字钢最大位移向下，最大位移为
，满足要求。
7.3I32a工字钢横梁计算
（1）强度计算
图7.3-1组合荷载1下I32a工字钢横梁强度
图7.3-2组合荷载2下I32a工字钢横梁强度
由计算结果可知：
荷载组合1作用下防撞墩托架最大应力
，故防撞墩托架整体强度满足要求。
图7.3-3组合荷载1下I32a工字钢横梁应力图
（2）刚度计算
图7.3-4组合荷载1下I32a工字钢横梁刚度
图7.3-5组合荷载2下I32a工字钢横梁刚度
由计算结果可知：
荷载组合1作用下I32a工字钢最大位移向下，最大位移为
，满足要求。
7.4I14工字钢分配梁计算
（1）强度计算
图7.4-1组合荷载1下I14工字钢分配梁强度
图7.4-2组合荷载2下I14工字钢分配梁强度
由计算结果可知：
荷载组合1作用下防撞墩托架最大应力
，故防撞墩托架I14工字钢强度满足要求。
（2）刚度计算
图7.4-3组合荷载1下I14工字钢分配梁刚度
图7.4-4组合荷载2下I14工字钢分配梁刚度
由计算结果可知：
荷载组合1作用下I14工字钢最大位移向下，最大位移为
，满足要求。
7.5结论
1、防撞墩检算结果汇总如下表
表8.1-1防撞墩托架强度检算汇总表
部位
规格
项目
最大值
（MPa）
允许应力[σ]
（MPa）
是否
满足
面板
8mm
组合应力
60.2
215
满足
斜撑
I32
组合应力
57.8
215
满足
横梁
I32
组合应力
39.9
215
满足
分配梁
I14
组合应力
52.29
215
满足
表8.1-2防撞墩托架刚度检算汇总表
部位
规格
项目
最大值
（mm）
允许位移
（mm）
是否
满足
面板
8mm
组合应力
3.18
4
满足
斜撑
I32
组合应力
0.34
1
满足
横梁
I32
组合应力
1.62
2.5
满足
分配梁
I14
组合应力
3.18
10
满足
7.6.钢护筒计算
护筒长8m、直径1.4m、壁厚10mm，防撞墩托架与桩基钢护筒进行焊接，护筒与混凝土摩擦承受荷载作用力。
即F=2.75*2.75*3.14*4*23*1.2=2621KN。
每根护筒承受的压力F=873KN。
护筒计算按照压杆稳定进行计算。
查五金手册可知i=49.145cm，
，故护筒受力模型属于小柔度杆件。
，满足要求。
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