管桩基础处理支架方案

16～19跨现浇箱梁管桩基础处理及支架搭设方案

一、方案说明

第九大街特大桥位于津秦铁路滨海车站西侧的站场咽喉边缘，为上跨规划海德路、津秦铁路客运专线及上跨预留环渤海城际铁路而设。桥跨16#～19#墩现浇预应力混凝土连续箱梁为预留环渤海城际铁路下穿而设。第九大街特大桥施工图设计中16#～19#墩现浇箱梁地基处理采用清淤后换填山皮土，回填二灰土，浇筑砼垫层的处理方案。该处地理环境较复杂，距承台左侧约2m为泰达自来水公司φ800mm的管道及绿化用水管道，施工中需采取防护措施，该管道的存在使制定施工方案受到了局部性。

采用施工图设计中的地基处理方法，施工便道被支架占用后，现浇箱梁施工时各种材料的垂直运输、吊车占位、混凝土泵车支设、砼车的运输通道均不能设在分隔带便道处，需考虑在左幅桥左侧设置施工便道。桥梁左侧距承台外侧约2.0m为泰达自来水公司所属通往西区的唯一一条供水通道，如在此处修建施工便道会占用该供水管道上方，泰达自来水公司明确表示在管道经过地方严禁动土施工，如必须在此处修建便道则应在管道上方铺设钢板，现管道埋深约0.8m，如铺设钢板还应对管道两侧进行加固以防止管道受力不均匀造成损坏，一旦管道受损会造成该段落施工不能正常进行。

在此处修建便道，原考虑在现有津秦客专已建成的箱涵内通过，但箱涵内已埋设切改的自来水管道，在对管道上方处理后，净高不能满足大型设备的通行，现只能考虑在箱涵外侧修建施工便道，但便道需占用津秦客专主线部分场地，势必会影响津秦主线的施工。

综合现场实际情况制定了采取钢管桩进行地基处理的方案。

二、管桩基础处理及支架结构

16#～19#（40+60+40）现浇箱梁施工采用钢板桩基础处理及钢管桩支架，其上为碗扣支架。16#至19#墩长度140m，现浇箱梁采用φ600mm钢管桩作为基础及支架结构，横向宽为现浇箱梁梁底宽度8.5m。φ600mm管桩横向布置，4根为一排，中心间距为2.83m；桥梁纵向设置48根，纵向中心间距为3m，钢管桩总数量为192根。钢管桩入土深度为10m，地上钢管桩支架高度为11m，桩顶上部横向为700H型钢与钢管桩焊接连接，长度为12m。纵向采用36b工字钢平铺在700H型钢上并与其焊接连接，其布置方式为中心间距0.5m。为保证钢管支架的整体钢度，在距地面5m位置及顶部设置水平杆，并在该处设置剪刀撑，700H型钢悬臂处设置斜撑，采用的材料为20#槽钢。对在沉桩施工过程中如果地质条件较差，沉桩速度过快地段，根据现场情况需做加密管桩处理，以确保地基承载力满足荷载要求。

三、地基承载力计算

管桩基础处理属沉桩类型，按《桥涵地基处理设计规范》计算，单桩轴向受压承载力容许值（KN）。根据该桥设计时地质资料的基础数据确定相关系数数值，计算轴向受压承载力。

沉桩的承载力容许值：

[Ra]=1/2（uαLqk＋αrApqrk）

式子中u桩身周长（m）=1.884m

ααr各土层侧摩阻力和桩端承载力的影响系数

本方案沉桩属锤击，静压沉桩取值均为1.0

L沉桩范围内各土层的厚度：根据地质柱状图及地质纵断面图显示，沉桩范围内各土层厚度平均为：

填筑土       1.9m   

粘土         1.4m   

粉土         2.8m   

淤泥质粘土   3.9m   

qr桩端承载力标准值，取最小值1000KPa

n土层数

qk （按设计提供的地质基础资料及数据确定以下各土层的承载力）

      填筑土      IL=0.41  摩阻力  取值65KPa

      粘土        IL=1.25  摩阻力  取值25KPa

      粉土        IL=0.71  摩阻力  取值50KPa

      淤泥质粘土  IL=1.25  摩阻力  取值25KPa

[Rα]=1/2[1.884×（1×1.9×65+1×1.4×25+1×2.8×50+1×3.9×25）＋（1×0.0185×1000）]=382.282KN

支架面积为140×8.5=1190㎡

箱梁总荷载为：49.035KN/㎡×1190㎡=58351.65KN

单桩荷载：58351.65÷192=304KN桩基处理满足承载力要求

四、管桩基础验算

横向700H型钢验算：

选现浇箱梁梁高3.5m处，管桩支架最不利截面验算700H型钢一跨，取700H型钢验算截面30cm，上部碗扣支架最高3.5m。

1、计算各种参数取值

1）、木材：γ＝8KN/m3     

2）、酚醛覆膜：γ＝12KN/m3

3）、钢材

[σ]＝145Mpa＝145×103 KN/㎡

E=2.1×105KN/㎡

4）、支架钢杆自重：33.3N/m

5）、700H型钢自重：4.72KN/2.83m

2、荷载组成

G砼：钢筋混凝土容重γ＝25KN/m3

G活：施工人员和施工料具行走的荷载，取2.5KN/㎡

G振：振捣混凝土对水平模板产生的荷载，取2.0KN/㎡

G倾：倾倒混凝土对水平模板产生的荷载，取2.0KN/㎡

31.53KN/m

2.83m

△                               △

15mm

X

16mm

C

h  660mm

700mm H

20mm  d

B

300mm

                    700H型钢截面

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G木+ G杆+ G700H

=25×0.3×2.83×3.5+6.5×0.3×2.83+12×0.0122×0.3×2.83+8×0.12×0.15×0.3×2.83+8×0.1×0.1×0.3×2.83+（3.5×12+0.6×10×2.9+0.3×6×2.9）×0.033+4.72=.224KN

q=ΣG/L=.224/2.83=31.53KN/m

Mmax=qL2/8=31.53×2.832/8=31.57KN.m

I=(hc3＋2dB3)/12

=（660×163+2×20×3003）/12=9.022528×107mm4

Wm=I/340=9.022528×107/340=265368.4706mm3

查表得A3钢容许弯曲应力[σ]=145MPa

计算弯曲应力：σmax＝M/Wm=31.57×106/265368.4706=118.97MPa＜[σ]=145MPa

挠度：f=5qL4/384EI=5×31.53×（2.83×103）4/384×2.1×105×9.022528×107=1.39mm＜L/600=4.72mm满足设计要求

纵向I36b工字钢验算

选现浇箱梁梁高3.5m处，管桩支架最不利截面验算工字钢一跨，取I36b工字钢验算截面13.8cm，上部碗扣支架最高3.5m。

1、计算各种参数取值

1）、木材：γ＝8KN/m3     

2）、酚醛覆膜γ＝12KN/m3

3）、钢材

[σ]＝145Mpa＝145×103 KN/㎡

E=2.1×105KN/㎡

4）、支架钢杆自重：33.3N/m

5）、I36b工字钢自重：65.5KN/m

2、荷载组成

G砼：钢筋混凝土容重γ＝25KN/m3

G活：施工人员和施工料具行走的荷载，取2.5KN/㎡

G振：振捣混凝土对水平模板产生的荷载，取2.0KN/㎡

G倾：倾倒混凝土对水平模板产生的荷载，取2.0KN/㎡

23.81KN/m

3m

△                               △

12mm

360mm 

138mm

                    I36b工字钢截面

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G木+ G杆+ G36b

=25×0.138×3×3.5+6.5×0.138×3+12×0.0122×0.138×3+8×0.12×0.15×0.138×3+8×0.1×0.1×0.138×3+（3.5×12+0.6×10×2.9+0.3×6×2.9）×0.138/0.3+2.62=71.415KN

q=ΣG/L=71.415/3=23.81KN/m

Mmax=qL2/8=23.81×32/8=26.79KN.m

查表得：

I=16574cm4

Wm=920.8cm3

查表得A3钢容许弯曲应力[σ]=145MPa

计算弯曲应力：σmax＝M/Wm=26.79×106/920.8×103=29.09MPa＜[σ]=145MPa

挠度：f=5qL4/384EI=5×23.81×（3×103）4/384×2.1×105×165674×104=0.072mm＜L/600=5mm满足设计要求

翼板悬壁端验算:（悬臂端采用斜撑加固，按梁两端固定进行验算）

计算应力为700H型钢外伸臂梁长度1.75m，梁截面见图

荷载组成（按梁高3.5m，支架高度为6.65m考虑）

1.323KN/m

1.75m

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G木 + G杆+ G700H+ G36b

=25×0.3×1.75×0.35+6.5×0.3×1.75+12×0.0122×0.3×1.75+8×0.12×0.15×0.3×1.75+8×0.1×0.1×0.3×1.75+（6.65×6+4×5.5+0.6×3×5.5）×0.0333×1/2+2.92+1.5×0.656=13.3KN

q=ΣG/L=13.3/1.75=7.6KN/m

Mmax=qLx/2- qL2/12-qx2/2

=7.6×1.75×0.15/2－7.6×1.752/12－7.6×0.152/2=-1.028KN.m

I=[BH3－（B－C）h3]/12

=（660×163+2×20×3003）/12=9.022528×107mm4

Wm=I/340=9.022528×107/340=265368.4706mm4

查表得A3钢容许弯曲应力[σ]=145MPa

计算弯曲应力：σmax＝M/Wm=-1.028×106/265368.4706=-3.87MPa＜[σ]=145MPa

挠度：f=qL4/384EI=7.6×（1.75×103）4/384×2.1×105×9.022528×107=9.79×10-3mm＜L/600=2.92mm满足设计要求

五、碗扣式支架钢管支架验算：

   1、荷载组成：

G砼：钢筋混凝土容重γ＝25KN/m3

G活：施工人员和施工料具行走的荷载，取2.5KN/㎡

G振：振捣混凝土对水平模板产生的荷载，取2.0KN/㎡

G倾：倾倒混凝土对水平模板产生的荷载，取2.0KN/㎡

2、计算各种参数取值：

     1）、木材：γ＝8KN/m3

[σ]＝13Mpa＝13×103 KN/㎡（采用落叶松、红杉）

E=1.0×107KN/㎡

2）、酚醛覆膜

γ＝12KN/m3

[σ]＝40Mpa＝40×103 KN/㎡

E=4.0×106KN/㎡

3）、钢材

[σ]＝170Mpa＝170×103 KN/㎡

E=2.06×108KN/㎡

4）、10×10方木

惯性矩：

I=bh3/12＝0.1×0.13/12=0.8×10－5m4

抗弯截面模量：

W＝bh2/6＝0.1×0.12/6=1.66×10－4m3

5）、12×15cm方木

惯性矩：

I=bh3/12＝0.12×0.153/12=3.38×10－5m4

抗弯截面模量：

W＝bh2/6＝0.12×0.152/6=4.5×10－4m3

6）、5cm木板

惯性矩：

I=bh3/12＝1×0.053/12=1.04×10－5m4

抗弯截面模量：

W＝bh2/6＝1×0.052/6=4.17×10-4 m3

7)、碗扣式钢管支架单根承载力：[N]＝31.7KN

3、碗扣式钢管支架验算

5cm厚木板验算：

由于底模为5cm木板满铺、所以只要木板满足使用要求即可，将5cm厚木板简化为连续梁计算，计算截面取1m，梁高3.5m，考虑混凝土不利断面；L=0.3m

荷载计算：

30

30

30

110.3KN/m

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板

=25×1×0.3×3.5+6.5×1×0.3+12×0.0122×1×0.3+8×0.05×1×0.3

=33.1KN

q=ΣG/L=33.1/0.3=110.3KN/m

5cm木板跨中弯矩：M=1/8 q L2=1/8×110.3×0.32=1.24KN.m

抗弯截面模量：W＝1×0.052/6=4.16×10-4 m3

弯曲强度：σ＝M/W=1.24×106/4.16×10-4×109= 2.98 Mpa =＜[σ]＝13Mpa

挠度：f＝5qL4/384EI=5×110.3×0.34/384×1.0×107×（1×0.053/12）=1.12×10-4m=0.112mm＜L×103/400＝0.3×103/400＝0.75mm满足要求。

10×10方木验算：

10×10方木间距30cm，取方木上0.3m为计算截面，考虑不利断面L=0.6m。

荷载计算：

28.45KN/m

60

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板+ G木

=25×0.3×0.6×3.5+6.5×0.3×0.6+12×0.0122×0.3×0.6+8×0.05×0.3×0.6＋8×0.6×0.1×0.1

=17.07KN

q=ΣG/L=17.07/0.6=28.45KN/m

M=1/8 q L2=1/8×28.45×0.62=1.28KN.m

W=0.1×0.12/6=1.67×10-4m³

弯曲强度：σmax＝M/W=1.28×106/1.67×10－4×109=7.66 Mpa＜[σ]＝13Mpa

挠度：f＝5q L4/384EI＝5×28.45×0./384×1.0×107×（0.1×0.13/12）=5.76×10－4m＝0.58mm＜L×103/400＝0.6×103/400＝1.5mm满足要求。

12×15方木验算：

纵梁位置：

12×15方木间距60cm，取方木上0.6m为计算截面，进行验算：

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板+ G10×10木+ G12×15木

=25×0.6×0.6×3.5+6.5×0.6×0.6+12×0.0122×0.6×0.6+8×0.05×0.6×0.6＋8×0.6×0.1×0.1×4＋8×0.6×0.12×0.15

=34.32KN

q=ΣG/L=34.32/0.6=57.2KN/m

Mmax=1/8×q×L2=57.2×0.62/8＝2.574 KN.m

W=0.12×0.152/6=4.5×10-4m³

弯曲应力：σmax＝M/W=2.574×106/4.5×10－4×109=5.7 Mpa＜[σ]＝13Mpa

挠度：f＝5qL4/384EI＝5×56.95×0./384×1.0×107×（0.12×0.153/12）=2.86×10-4m＝0.286mm＜L/400＝0.6×103/400＝1.5mm满足要求。

梁高3.5m箱室位置：

12×15方木间距0.6m，考虑不利断面L=0.6m：

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板+ G10×10木+ G12×15木

=25×0.6×0.6×1.15+6.5×0.6×0.6+12×0.0122×0.6×0.6+8×0.05×0.6×0.6＋8×0.6×0.1×0.1×3＋8×0.6×0.12×0.15

=13.12KN

q=ΣG/L=13.12/0.6=21.87KN/m

Mmax=1/8×q×L2=21.87×0.62/8＝0.98 KN.m

W=1/6×0.12×0.152=4.5×10-4m³

弯曲强度：σmax＝M/W=0.98×106/4.5×10－4×109=2.18 Mpa＜[σ]＝13Mpa

挠度：f＝5qL4/384EI＝5×21.87×0./384×1.0×107×（0.12×0.153/12）=1.09×10－4m＝0.109mm＜L/400＝0.6×103/400＝1.5mm满足要求。

梁高3.5m，横梁位置：

12×15方木间距0.3m，考虑不利断面，L=0.3m：

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板+ G10×10木+ G12×15木

=25×0.3×0.3×3.5+6.5×0.3×0.3+12×0.0122×0.3×0.3+8×0.05×0.3×0.3＋8×0.3×0.1×0.1×2＋8×0.3×0.12×0.15

=8.6KN

q=ΣG/L=8.6/0.3=28.67KN/m

Mmax=1/8×q×L2=28.67×0.32/8=0.32KN.m

W=1/6×0.12×0.152=4.5×10-4m³

弯曲强度：σmax＝M/W=0.32×106/4.5×10－4×109=0.71Mpa＜[σ]＝13Mpa

挠度：f＝5qL4/384EI＝5×28.67×0.34/384×1.0×107×（0.12×0.153/12）=8.96×10－6m＝0.006mm＜L/400＝0.3×103/400＝0.75mm满足要求。

碗扣式钢管支架内力验算：

梁高2m，纵梁位置：按0.6×0.6m考虑

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板+ G10×10木+ G12×15木

=25×0.6×0.6×2+6.5×0.6×0.6+12×0.0122×0.6×0.6+8×0.05×0.6×0.6＋8×0.6×0.1×0.1×3＋8×0.6×0.12×0.15

=20.8KN＜[N]=31.7KN满足要求。

梁高2m，箱室位置：按0.6×0.9m考虑

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板+ G10×10木+ G12×15木

=25×0.6×0.9×0.55+6.5×0.6×0.9+12×0.0122×0.6×0.9+8×0.05×0.6×0.9＋8×0.6×0.1×0.1×3＋8×0.9×0.12×0.15=11.3KN＜[N]=31.7KN满足要求。

梁高1.8m，纵梁位置：按0.6×0.6m考虑

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板+ G10×10木+ G12×15木

=25×0.6×0.6×1.8+6.5×0.6×0.6+12×0.0122×0.6×0.6+8×0.05×0.6×0.6＋8×0.6×0.1×0.1×3＋8×0.6×0.12×0.15

=19KN＜[N]=31.7KN满足要求。

梁高1.8m，箱室位置：0.9×0.9m考虑

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板+ G10×10木+ G12×15木

=25×0.9×0.9×0.5+6.5×0.9×0.9+12×0.0122×0.9×0.9+8×0.05×0.9×0.9＋8×0.9×0.1×0.1×4＋8×0.9×0.12×0.15

=16.3KN＜[N]=31.7KN满足要求。

梁高1.8m，横梁位置：按0.6×0.6m考虑

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板+ G10×10木+ G12×15木

=25×0.6×0.6×1.8+6.5×0.6×0.6+12×0.0122×0.6×0.6+8×0.05×0.6×0.6＋8×0.6×0.1×0.1×3＋8×0.6×0.12×0.15

=19KN＜[N]=31.7KN满足要求。

梁高3.5m，纵梁位置：按0.3×0.3m考虑

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板+ G10×10木+ G12×15木

=25×0.3×0.3×3.5+6.5×0.3×0.3+12×0.0122×0.3×0.3+8×0.05×0.3×0.3＋8×0.3×0.1×0.1×2＋8×0.3×0.12×0.15

=8.6KN＜[N]=31.7KN满足要求。

梁高3.5m，箱室位置：按0.6×0.6m考虑

ΣG = G砼+( G活+ G振+ G倾)+ G模+ G板+ G10×10木+ G12×15木

=25×0.6×0.6×1.15+6.5×0.6×0.6+12×0.0122×0.6×0.6+8×0.05×0.6×0.6＋8×0.6×0.1×0.1×2＋8×0.6×0.12×0.15=13.1KN＜[N]=31.7KN满足要求。

梁高3.5m，横梁位置：按0.3×0.3m考虑，验算结果同梁高3.5m，纵梁位置0.3×0.3m验算结果。

立杆稳定性计算：（采用钢管Φ48mm×3mm）

横杆步距为1.2m；即立杆高度：ι=1.2m=1200mm

回转半径为I=15.95：

长细比λ=ι/I=1200/15.95=75.2

查表得：轴心受压件的稳定系数φ=0.681

截面积A=π（242－212）=424mm2

钢管强度极限值[σ]=215 Mpa

立杆轴向荷载[N]=A×φ×[σ]=424×0.681×215=62080N=62.1KN

按箱梁截面荷载最大值N为20.8KN＜[N]=62.1KN

所以支架稳定性能满足要求。

综上，支架受力要求满足要求。 

支架抗倾覆验算：

钢筋混凝土自重：2.5T/㎡=25KN/㎡

浇筑混凝土时水平冲击荷载2Kpa/㎡

水平风荷载：2KN/m         支架钢杆自重：33.3N/m

G混

N风

N冲击

B

A

取横截面计算，顺桥向0.6m为一计算单元，支架宽：14.4m，按支架最高点：14.5m。

1、梁高1.8m截面积： 7.62㎡

2、G混=25×7.62×0.6=114.3KN

3、N冲击=2×0.6×1.6=1.92KN

4、N风=2×15.6=31.2KN

5、G杆=（3.5×4+0.6×2×3+0.9×2×3）×33.3=765.9N=0.7659KN

   MA= G混×7.2+ G杆×7.2－N冲击×（7.2+1.6）－N风×14.5

    =114.3×7.2+0.7659×7.2－1.92×3－31.2×14.5

=370.31KN.m≥0    支架稳定，不会发生倾覆。

经验算钢管桩基础、钢管桩支架及碗扣支架均满足各种荷载的要求。