專利名稱：一種適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型公開了一種鋼板樁圍堰，特別是一種適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰。
背景技術(shù)：
近年來隨著交通需求的增長(zhǎng)，橋梁跨度的增大以及基礎(chǔ)入水深度的增加，尤其是 近年來海灣海峽、跨江河大橋不斷建設(shè)，對(duì)深水基礎(chǔ)施工的要求也不斷提高，由最初的沉 箱、沉井基礎(chǔ)，發(fā)展到管柱基礎(chǔ)、各種組合基礎(chǔ)，再到各類樁基礎(chǔ)、雙承臺(tái)管柱基礎(chǔ)、多柱基 礎(chǔ)、地下連續(xù)墻基礎(chǔ)等形式，以適應(yīng)紛繁復(fù)雜的建設(shè)條件。最新統(tǒng)計(jì)表明，沉箱、沉井基礎(chǔ)應(yīng) 用十分突出，而在水深流急的大江大河或潮涌浪高的近、淺海中常常采用圍堰法進(jìn)行承臺(tái) 和墩柱施工。橋梁承臺(tái)和墩柱的修建，主要困難在于防水、方土，有時(shí)還要防沖刷、滑坡等，目前 在這種條件下橋梁承臺(tái)和墩柱的施工常常采用圍堰法進(jìn)行施工。圍堰是指施工的圍堰結(jié)構(gòu) 形式和施工方法。相對(duì)而言，鋼板柱圍堰所用鋼板在土木工程建設(shè)中，是為建造永久性設(shè) 施，修建的臨時(shí)性圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其作用是防止水或土進(jìn)入待建結(jié)構(gòu)物的修建位置，以便在圍堰 內(nèi)排水，開挖基坑，修筑結(jié)構(gòu)物。一般主要用于土木工程中，除作為正式結(jié)構(gòu)物的一部分外， 圍堰一般用完后拆除。目前在大跨度、基礎(chǔ)入水深度大的跨海橋梁施工中一般采用雙臂鋼 套箱圍堰，鑒于在海水中使用鋼板圍堰受潮汐影響，鎖口處于擠壓、無壓循環(huán)周期中，止水 效果差，抽水受人工控制無規(guī)律、水泵故障等因數(shù)的影響造成海水過早與海工混凝土接觸， 降低海工混凝土的防腐性能。在跨河橋梁施工中也會(huì)遇到同樣的問題，并且受到橋位處水 文、航道等條件的影響，圍堰的施工方法缺乏普及性，同時(shí)橋梁的施工的基礎(chǔ)工作量大，施 工量較大，并且在我國(guó)所使用鋼板柱目前全部從國(guó)外進(jìn)口，一次性投資較大。鋼板樁圍堰是最常用的一種板樁圍堰。鋼板樁是帶有鎖口的一種型鋼，其截面有 直板形、槽形及Z形等，有各種大小尺寸及聯(lián)鎖形式，常見的有拉爾森式，拉克萬納式等。其 優(yōu)點(diǎn)為強(qiáng)度高，容易打入堅(jiān)硬土層；可在深水中施工，必要時(shí)加斜支撐成為一個(gè)圍籠，防 水性能好；能按需要組成各種外形的圍堰，并可多次重復(fù)使用，因此，它的用途廣泛。而鋼 板樁圍堰的鋼板樁以及內(nèi)部支撐的選型與布設(shè)會(huì)直接影響到鋼板樁圍堰的防水、防土的性 能，進(jìn)而會(huì)影響到圍堰內(nèi)部待建結(jié)構(gòu)物的建設(shè)。
發(fā)明內(nèi)容為解決上述問題，本實(shí)用新型公開了一種適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，通 過圍堰鋼板樁與圍堰內(nèi)部支撐的設(shè)計(jì)，在保證了圍堰強(qiáng)度與性能的同時(shí)，還簡(jiǎn)化了圍堰的 結(jié)構(gòu)，節(jié)約了施工成本和施工的建設(shè)周期。本實(shí)用新型公開了一種適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，所述的鋼板樁圍堰包 括圍堰、承臺(tái)和基坑，承臺(tái)在基坑中，圍堰設(shè)置在承臺(tái)與基坑周圍，圍堰為采用型鋼連接鋼 板樁形成的整體，所述是圍堰從鋼板樁上部至基坑以上設(shè)有多道支撐，所述的圍堰設(shè)有第一道支撐和第二道支撐，所述的第一道支撐設(shè)置在水面高度附近，第二道支撐設(shè)置在承臺(tái) 頂面以上，第二道支撐在第一道支撐下方，所述的承臺(tái)中部設(shè)有第三道支撐，所述的承臺(tái)為 左右承臺(tái)合并而成，所述的鋼板樁圍堰采用左右承臺(tái)合并在一起的全封閉圍堰平面布置形 式，所述的第一道支撐、第二道支撐和第三道支撐中設(shè)有內(nèi)部水平支撐和邊框支撐，所述的 內(nèi)部水平支撐為雙拼槽鋼，所述的邊框支撐為雙拼工字鋼，并采用鋼板焊接連接，所述的邊 框支撐和內(nèi)部水平支撐的連接處下方設(shè)有牛腿。本實(shí)用新型公開的適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，簡(jiǎn)化了圍堰鋼板樁的結(jié) 構(gòu)，保證了圍堰的施工強(qiáng)度，降低了施工成本，提高了施工效率，并節(jié)約工時(shí)。

圖1 一種適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰結(jié)構(gòu)圖；圖2本實(shí)用新型公開的適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰的第一道支撐平面布 置圖；圖3本實(shí)用新型公開的適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰的第二道支撐平面布 置圖；圖4鋼板樁的標(biāo)高控制示意圖；圖5鋼板樁土壓力及水壓力分布示意圖；圖6 AE段梁的受力模型圖；圖7AE段梁的剪力圖；圖8AE段梁的彎矩圖；圖9工況(一)條件下，第一道支撐支點(diǎn)的受力模型圖；圖10工況(一)條件下，第一道支撐支點(diǎn)的剪力圖。附圖標(biāo)記列表1、承臺(tái)；2、基坑；3、內(nèi)部水平支撐；4、牛腿；5、邊框支撐；6、第一道支撐；7、第二道支撐；8、圍堰。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
，進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型，應(yīng)理解下述具體實(shí)施方 式僅用于說明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍，在閱讀了本實(shí)用新型之后，本 領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的 范圍。本實(shí)用新型公開了一種適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，所述的鋼板樁圍堰包 括圍堰8、承臺(tái)1和基坑2，承臺(tái)1在基坑2中，圍堰8設(shè)置在承臺(tái)1與基坑2周圍，圍堰8 為采用型鋼連接鋼板樁形成的整體，所述是圍堰8從鋼板樁上部至基坑2以上設(shè)有多道支 撐，所述的圍堰設(shè)有第一道支撐6和第二道支撐7，所述的第一道支撐6設(shè)置在水面高度附 近，第二道支撐7設(shè)置在承臺(tái)1頂面以上，第二道支撐7在第一道支撐6下方，所述的承臺(tái) 1中部設(shè)有第三道支撐，所述的承臺(tái)為左右承臺(tái)合并而成，所述的鋼板樁圍堰采用左右承臺(tái) 合并在一起的全封閉圍堰平面布置形式，所述的第一道支撐6、第二道支撐7和第三道支撐中設(shè)有內(nèi)部水平支撐3和邊框支撐5，所述的內(nèi)部水平支撐3為雙拼槽鋼，所述的邊框支撐 5為雙拼工字鋼，并采用鋼板焊接連接，所述的邊框支撐5和內(nèi)部水平支撐3的連接處下方 設(shè)有牛腿4。實(shí)施例以無錫市內(nèi)環(huán)西線I標(biāo)京杭運(yùn)河大橋掛籃懸澆箱梁主墩承臺(tái)鋼板樁圍堰 的方案設(shè)計(jì)為例，無錫內(nèi)環(huán)西線I標(biāo)京杭運(yùn)河大橋?yàn)樽兘孛骖A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，單箱 雙室、左右分幅結(jié)構(gòu)，跨徑組成為66+105+66m，采用掛籃懸澆工藝施工。下部結(jié)構(gòu)為灌注樁 基礎(chǔ)、現(xiàn)澆承臺(tái)、墩柱。單個(gè)主墩承臺(tái)幾何尺寸為1 6. 9 m(長(zhǎng))* 1 O . 3 m(寬)* 3. O m (高)，其底標(biāo)高為-4. 85 m，頂標(biāo)高為-1.85m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，運(yùn)河南側(cè)054 #主橋墩的承臺(tái)絕大部分位于陸域，運(yùn)河北側(cè) 055 #主墩的承臺(tái)大部分位于水中，055 #主橋墩外側(cè)的現(xiàn)狀是吳橋西路路幅較窄，但過 往車輛較多。根據(jù)主橋墩承臺(tái)底標(biāo)高較深，考慮水壓力、土壓力及車行荷載等外力影響， 擬采用左右承臺(tái)合并在一起，形成的全封閉圍堰平面布置形式，其施工范圍為橫橋向長(zhǎng) 度41. 6m，順橋向?qū)挾?2m。根據(jù)鋼板樁圍堰的一般設(shè)計(jì)原則，初步確定鋼板樁樁頂標(biāo)高 +2. 5m，并設(shè)內(nèi)部支撐3，第一道支撐6設(shè)置在水面附近，第二道支撐6設(shè)置在承臺(tái)1頂面以 上部位，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定是否在承臺(tái)中部設(shè)第三道支撐。圍堰伸入航道5 13米，占用岸線寬度50米，運(yùn)河通航凈寬85米。在鋼板樁圍堰 靠航道側(cè)設(shè)置Φ 8 O O mm鋼管樁以防止過往船只對(duì)圍堰造成影響，鋼管樁間采用型鋼 連接形成整體。(一)水文及地質(zhì)條件水位情況洪水位+2. 5m ；一般情況下水位+1. 5m ；船舶通航引起的浪高為0. 5m ； 計(jì)算時(shí)水位按+2. 0m。河床底標(biāo)高-0. 5mο水深情況洪水位水深——3. Om ； —般情況下水深——2. Om ；船舶通航水深為 2.5m (此水深為鋼板樁計(jì)算水深)。地質(zhì)情況以標(biāo)高1. 5m向下描述2. 5m水+0. 5m淤泥+; 亞粘土 +亞砂土(6. Om以下)。亞粘土②1-1 比重取1. 99t/m3,內(nèi)摩擦角Φ取8. 8度，粘聚力取7. 2t/m2。亞砂土②2 比重取1. 87t/m3,內(nèi)摩擦角Φ取觀.8度，粘聚力取0. 53t/m2。(二)用“等值梁法”計(jì)算鋼板樁的入土深度1繪制土壓力分布圖施工過程分兩種工況工況(一):第一道支撐6設(shè)置完畢，抽水并開挖到第二道支撐7下50cm處，準(zhǔn)備架 設(shè)第二道支撐7，此時(shí)可假定鋼板樁下端支撐于鋼板樁土壓力強(qiáng)度等于零的點(diǎn)，上端支撐于 第一道支撐6，鋼板樁按簡(jiǎn)支梁計(jì)算。工況(二)即第二道支撐7設(shè)置完畢，圍堰內(nèi)泥面標(biāo)高開挖承臺(tái)1底標(biāo)高下25cm (25cm基坑底封底混凝土)，此時(shí)可假定鋼板樁下端支撐于鋼板樁土壓力強(qiáng)度等于零的點(diǎn)， 鋼板樁按二跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算入土深度時(shí)，取最不利狀況，即按照工況(二)進(jìn)行計(jì)算如下鋼板樁的控制標(biāo)高如圖4所示，其中樁頂標(biāo)高為+2. 5，第一道支撐6(計(jì)算水位)標(biāo)高為+2. 0，河床標(biāo)高-0. 5，第二道支撐7標(biāo)高為-1. 3，承臺(tái)1頂標(biāo)高為-1. 85，承臺(tái)1底標(biāo)高 為-4. 85，基坑2底標(biāo)高為-5. 1，樁底標(biāo)高待定，鋼板樁土壓力及水壓力分布如圖5所示，其 中第一道支撐6A (計(jì)算水位)標(biāo)高為+2. 0，河床B標(biāo)高-0. 5，第二道支撐7C標(biāo)高為-1. 3， 基坑2底D標(biāo)高為-5. 1，鋼板樁上土壓力強(qiáng)度等于零點(diǎn)E，樁底F標(biāo)高待定。2計(jì)算鋼板樁上土壓力強(qiáng)度等于零點(diǎn)離挖土面距離y按朗金土壓力理論，河床底土壓力與水壓力分開，河床底水平且有均布水荷載模 式下進(jìn)行計(jì)算。主動(dòng)土壓力的土取自然狀態(tài)下的平均容重P= (1.99+1. 87)/2=19. 3KN/ m3，內(nèi)摩擦角Ψ取18. 8° = (8. 8+28. 8)/2，被動(dòng)土壓力的土取亞砂土②2比重取18. 7ΚΝ /m3,內(nèi)摩擦角Φ取28. 8° (參照《工程地質(zhì)縱斷面圖》中的23#孔)。因土處于飽和水狀 態(tài)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮土的粘聚力，及土對(duì)鋼板樁的豎向摩擦力。B 點(diǎn)處水壓力強(qiáng)度 eBw= wH=10X2. 5=25 KN/m2主動(dòng)土壓力系數(shù)ka=tg2 (45-Φ/2)= tg2 (45-18. 8/2) =0. 513被動(dòng)土壓力系數(shù)kp=tg2 (45+Φ/2) = tg2 (45+28. 8/2) =2. 86水的當(dāng)量土高度h=eBw/ ( aw*ka) = 25/ (19X0. 513) ^ 2. 5m基坑底處土壓力強(qiáng)度eDs= as*H*ka=19. 3X (2. 5+4. 6) X0. 513=70. 3 KN/m2鋼板樁上土壓力強(qiáng)度等于零點(diǎn)離挖土面距離y=eDs/[ ps* (kp-ka) ] =1. 6m3將AE段梁當(dāng)作鋼板樁的等值梁，按兩跨連續(xù)梁計(jì)算其支點(diǎn)反力和最大彎距根據(jù)將AE段梁當(dāng)作鋼板樁的等值梁的鋼板樁受力計(jì)算采用清華大學(xué)開發(fā)的結(jié)構(gòu) 力學(xué)計(jì)算“SMS0LVER”軟件，計(jì)算圖式如圖6至圖8所示，得到如下的計(jì)算結(jié)果RA=20. 75KNRC=153. 3+75. 07=228. 37KNRE=98. 59KNMmax=-128. 34 ΚΝ. M4根據(jù)RE和墻前被動(dòng)土壓力相等的原理，求χ值，確定鋼板樁的長(zhǎng)度RE= ^ps氺(kp-ka)98.59=18.7* (2. 86-0. 513) * χx=2. 246m入土深度t=l. IX (x+y) =1. IX (1. 6+2. 246) =4. 23m樁長(zhǎng)L=5. 1+4. 23+2. 246=11. 83m，擬選用樁長(zhǎng) 12m 的鋼板樁。5驗(yàn)算鋼板樁的強(qiáng)度鋼板樁擬選用德國(guó)拉森III型鋼板樁每Im寬對(duì)b邊(長(zhǎng)邊)截面模量W=1363cm3 ； 鋼板樁允許抗彎應(yīng)力取[σ容]=170MPa ；鋼板樁允許抗剪應(yīng)力取[τ容]=95Mpa。拉應(yīng)力 σ =Mmax/ff= (128. 34*103)/(1363*10-6)=94. 16Mpa<[ σ 容]=170Mpa剪應(yīng)力τ =1. 5Qmax/A=l. 5*153. 3*103/0. 01=23 Mpa<[ τ 容]=95Mpa所以，采用德國(guó)拉森III型鋼板樁強(qiáng)度滿足要求。(三)支撐計(jì)算[0071]1計(jì)算第一道支撐6、第二道支撐7處最大支點(diǎn)反力工況(一)條件下，第一道支撐6支點(diǎn)的受力計(jì)算采用清華大學(xué)開發(fā)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì) 算“SMS0LVER”軟件，得到如圖9和圖10所示計(jì)算圖式，得到如下的計(jì)算結(jié)果第一道支撐6支點(diǎn)反力RA=34. 59KN根據(jù)工況(一)、工況(二)的計(jì)算結(jié)果，得出第一道支撐6的邊框支撐5最大支點(diǎn)反力q=34. 59KN/m ；第二道支撐7的邊框支撐5最大支點(diǎn)反力q=228. 37KN/m。2第一道支撐6強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算根據(jù)第一道邊框6支撐處的支點(diǎn)反力，初步確定第一道支撐6的布置形式為邊框 支撐5采用雙拼2 [32a型槽鋼，內(nèi)部水平支撐3采用雙拼2 [25a槽鋼，形成口對(duì)口組合斷面 []形式，并用鋼板焊接連接。按3跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，跨徑按6m計(jì)。1)邊框支撐5強(qiáng)度驗(yàn)算雙拼2 [32a 槽鋼，ff=474. 897cm3, 1=7598. 06 cm4 Mmax =0. Iql2=0. 1 X 34. 59 X 62=124. 524 ΚΝ. Mδ max=Mmax/ff= (124. 524X103)/ (474.897X2X 10-6)=131.1 MPa<170 MPa，強(qiáng)度滿足要求。2)邊框支撐5剛度驗(yàn)算f =0. 677 q 1
10057= (0. 677*34. 59*103*64)/(100*2. 1*105*106*7598. 06 X 2 X10-8)=9. 4X10-3m=9. 4 mm <L/400=6000/400=15 mm,剛度滿足要求。3)內(nèi)部水平支撐3軸心抗壓穩(wěn)定性驗(yàn)算采用雙拼槽鋼，形成[]斷面形式，軸心力Ν=34· 59 X 6=207. 54ΚΝi=0. 44b=0. 44X15. 6=6. 864cm1=12-0. 32X2=11. 36mλ =l/i=ll. 36/0. 06864=166查表(《鋼結(jié)構(gòu)》上、下冊(cè)，中國(guó)工業(yè)出版社，2002. 7，附錄C軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系 數(shù)，表C-I a類截面軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù))得，軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)Φ=0.282δ =N/Φ A=207. 54X103/ (0. 282X34. 91X10-4X2)=105. 4MPa<170 MPa，滿足要求。如圖1所示A處的牛腿由一塊水平鋼板和兩塊豎直鋼板組成，牛腿與圍堰的鋼板 樁之間焊接連接。3第二道支撐7強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算根據(jù)第二道支撐7的邊框支撐5處的支點(diǎn)反力，初步確定第二道支撐7的布置形 式為邊框支撐5采用雙拼213 型工字鋼，內(nèi)部水平支撐3采用雙拼2[32c槽鋼，形成口對(duì)口組合斷面[]形式，并用鋼板焊接連接。按3跨連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算，跨徑按: 計(jì)。1)邊框支撐5強(qiáng)度驗(yàn)算雙拼2132a 槽鋼，ff=692. 5cm3, 1=11080 cm4Mmax =0. Iql2=0. 1X228. 37X32=205. 53 ΚΝ. Mδ max=Mmax/ff= (205. 53X 103)/ (692. 5X2X 10-6)=148. 4MPa<170 MPa，強(qiáng)度滿足要求。2)邊框支撐5剛度驗(yàn)算
權(quán)利要求1.一種適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，其特征在于所述的鋼板樁圍堰包括圍堰 (8)、承臺(tái)(1)和基坑(2)，承臺(tái)(1)在基坑(2)中，圍堰(8)設(shè)置在承臺(tái)(1)與基坑(2)周圍， 圍堰(8)為采用型鋼連接鋼板樁形成的整體，所述是圍堰(8)從鋼板樁上部至基坑(2)以上 設(shè)有多道支撐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，其特征在于所述的圍 堰設(shè)有第一道支撐(6)和第二道支撐(7)，所述的第一道支撐(6)設(shè)置在水面高度附近，第 二道支撐(7)設(shè)置在承臺(tái)(1)頂面以上，第二道支撐(7)在第一道支撐(6)下方。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，其特征在于所述的承 臺(tái)(1)中部設(shè)有第三道支撐。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，其特征在于所述的承 臺(tái)為左右承臺(tái)合并而成，所述的鋼板樁圍堰采用左右承臺(tái)合并在一起的全封閉圍堰平面布 置形式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，其特征在于 所述的第一道支撐(6)、第二道支撐(7)和第三道支撐中設(shè)有內(nèi)部水平支撐(3)和邊框支撐 (5)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，其特征在于所述的內(nèi) 部水平支撐(3)為雙拼槽鋼。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，其特征在于所述的邊 框支撐(5)為雙拼工字鋼，并采用鋼板焊接連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，其特征在于所述的邊 框支撐(5)和內(nèi)部水平支撐(3)的連接處下方設(shè)有牛腿(4)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種適用于橋梁主墩承臺(tái)的鋼板樁圍堰，本實(shí)用新型所解決的技術(shù)問題是鋼板樁以及內(nèi)部支撐的選型與布設(shè)在保證質(zhì)量的同時(shí)，降低成本與提高施工效率，所述的鋼板樁圍堰包括圍堰、承臺(tái)和基坑，承臺(tái)在基坑中，圍堰設(shè)置在承臺(tái)與基坑周圍，圍堰為采用型鋼連接鋼板樁形成的整體，所述是圍堰從鋼板樁上部至基坑以上設(shè)有多道支撐，通過圍堰鋼板樁與圍堰內(nèi)部支撐的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了圍堰鋼板樁的結(jié)構(gòu)，保證了圍堰的施工強(qiáng)度，降低了施工成本，提高了施工效率，并節(jié)約工時(shí)。
文檔編號(hào)E01D21/00GK201915415SQ20112003204
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2011年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月30日
發(fā)明者吳維莉, 曹志鄧, 魏德新 申請(qǐng)人:中交三航局第三工程有限公司