專利名稱：一種適用于橋梁主墩承臺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的鋼板樁圍堰。
背景技術(shù)：
近年來隨著交通需求的增長，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 和墩柱施工。橋梁承臺和墩柱的修建，主要困難在于防水、方土，有時還要防沖刷、滑坡等，目前 在這種條件下橋梁承臺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，同時橋梁的施工的基礎(chǔ)工作量大，施 工量較大，并且在我國所使用鋼板柱目前全部從國外進(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，必要時加斜支撐成為一個圍籠，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)會直接影響到鋼板樁圍堰的防水、防土的性 能，進(jìn)而會影響到圍堰內(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，還簡化了圍堰的 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的鋼板樁圍堰，所述的鋼板樁圍堰包 括圍堰、承臺和基坑，承臺在基坑中，圍堰設(shè)置在承臺與基坑周圍，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 頂面以上，第二道支撐在第一道支撐下方，所述的承臺中部設(shè)有第三道支撐，所述的承臺為 左右承臺合并而成，所述的鋼板樁圍堰采用左右承臺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的鋼板樁圍堰，簡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。

圖1 一種適用于橋梁主墩承臺的鋼板樁圍堰結(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；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)人員對本實(shí)用新型的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(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的鋼板樁圍堰，所述的鋼板樁圍堰包 括圍堰8、承臺1和基坑2，承臺1在基坑2中，圍堰8設(shè)置在承臺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 1中部設(shè)有第三道支撐，所述的承臺為左右承臺合并而成，所述的鋼板樁圍堰采用左右承臺 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、墩柱。單個主墩承臺幾何尺寸為1 6. 9 m(長)* 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)場實(shí)際情況，運(yùn)河南側(cè)054 #主橋墩的承臺絕大部分位于陸域，運(yùn)河北側(cè) 055 #主墩的承臺大部分位于水中，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 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1頂面以 上部位，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定是否在承臺中部設(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1底標(biāo)高下25cm (25cm基坑底封底混凝土)，此時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，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1頂標(biāo)高為-1. 85，承臺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)，為簡化計(jì)算，不考慮土的粘聚力，及土對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主動土壓力系數(shù)ka=tg2 (45-Φ/2)= tg2 (45-18. 8/2) =0. 513被動土壓力系數(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和墻前被動土壓力相等的原理，求χ值，確定鋼板樁的長度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L=5. 1+4. 23+2. 246=11. 83m，擬選用樁長 12m 的鋼板樁。5驗(yàn)算鋼板樁的強(qiáng)度鋼板樁擬選用德國拉森III型鋼板樁每Im寬對b邊(長邊)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，中國工業(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(1)和基坑(2)，承臺(1)在基坑(2)中，圍堰(8)設(shè)置在承臺(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(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的鋼板樁圍堰，其特征在于所述的承 臺(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的鋼板樁圍堰，其特征在于所述的承 臺為左右承臺合并而成，所述的鋼板樁圍堰采用左右承臺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，降低成本與提高施工效率，所述的鋼板樁圍堰包括圍堰、承臺和基坑，承臺在基坑中，圍堰設(shè)置在承臺與基坑周圍，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。
文檔編號E01D21/00GK201915415SQ20112003204
公開日2011年8月3日 申請日期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 申請人:中交三航局第三工程有限公司