钢管桩计算书

一、计算何载（单幅）

1、直线段梁重：15#、16#、17#混凝土方量分别为22.26、25.18、48m3。端部1.0范围内的重量，直接作用在墩帽上，混凝土方量为：

V=1×[6.25×2.5+2×3×0.15+2×2×0.25／2+2××1－1.2×1.5]=16.125 m3

作用在支架的荷载：

G1=（22.26+25.18+48－16.125）×22800×10=1957.78 KN

2、底模及侧模重（含翼缘板脚手架）： 估算G2=130KN

3、内模重：   估算G3=58KN

4、施工活载： 估算G4=80KN

5、合计重量： G5=1957.78+130+58+80=2226KN

二、支架形式

支架采用Φ800mm（壁厚为10mm）作为竖向支承杆件。纵桥向布置2排，横桥向每排2根，其中靠近10#（13#）墩侧的钢管桩支承在承台上，与墩身中心相距235cm，第二排钢管桩与第一排中心距为550cm，每排2根排的中心距离为585cm。钢管桩顶设置砂筒，砂筒上设纵横向工字钢作为分配梁，再在纵梁上敷设底模方木及模板。钢管桩之间及钢管桩与墩身之间设置较强的钢桁架梁联系，在平面上形成框架结构，以满足钢管桩受载后的稳定性要求，具体详见“直线段支架结构图”。

根据支架的具体结构，现将其简化成力学计算模型，如下图所示：

三、支架内力及变形验算

1、 横梁应力验算：横梁有长度为12.4m，采用2I56a工字钢，其上承托12根I45a工字钢。为简化计算横梁荷载采用均布荷载。

（1）纵梁上面荷载所生的均布荷载：

Q1=2226÷2÷12.25=90.86KN/m

（2）纵梁的自重所生的均布荷载：

Q2=0.8038×(1.15+5.5/2)×11÷12.25=2.815N/m

（3）横梁自身的重量所生的均布荷载：

Q3=2×1.0627=2.125N/m

（4）横梁上的总均布荷载：

Q=90.86+2.815+2.125=95.8N/m

      λ=m／L=3.2／5.85=0.54

fC = fD=（-1+6λ2+3λ3）

   = (-1+6×2+3×3)

=0.9285×1.286

=1.194cm 

fE =(5-24λ2)

 =(5-24×2)    

   =0.1061×(-2.18)=-0.393cm(向上)

通过以上计算可知，横梁在均布荷载作用下，跨中将出现向上的拱度。虽然实际上是中部受力大，悬臂端受力小，使理论计算值出现了假象，但仍有必要将跨距作适当调整，以期受力更加合理。

        fE =(5-24λ2)

=(5-24×2)   

 =0.1214×(-1.301)

=-0.1579cm             

通过强度及刚度计算,可见I56a较富余,为更趋合理,将横梁由2I56a为2I50a

fC=fD=0.9739×65576／472=1.37 cm

fE=-0.1579×65576／472= - 0.22 cm

3.纵梁的强度与刚度计算

(1)纵梁上面荷载所生的均布荷载:

q1=2226÷12.25÷7.8×1.2=27.956kN/m≈28 kN/m

考虑到腹板下的纵梁受力较大,故乘以不均匀系数1.2

q1=28×1.2=33.6 kN/m

(2)纵梁的自重

q2=0.804 kN/m

(3)纵梁上的总均布荷

q= q1 +q2 =33.6+0.804=34.4 kN/

(5)应力验算

σmax==

              =74.9Mpa <

τmax===213.4kg/cm2 =21.3Mpa <

(6)刚度验算

λ=m/L=1.15/5.5=0.2091

fC=fD=(-1+6×2+3×3)

=0.40505×(-0.7102)

=-0.2877cm   (向上)

fmax=(5－24×2)

     =0.1211×3.9507=0.4782cm<

通过计算证明选用型钢的安全储备过大,拟将I45a改为I40a进行第二次试算,为简化计算, Qmax 、 Mmax及q均沿用改变前的数值。

σmax==98.86 Mpa<

τmax==26.1Mpa <

fC=fD=-0.2877×32241／21714 =－0.4272cm  （向上）

fmax=0.4782×32241／21714 =0.71 cm <

四、钢管桩设计与验算

钢管桩选用Ф800，δ=10mm的钢管，材质为A3，E=2.1×108 Kpa,I=(4－4)=1.936×10-3M4。依据10#或13#墩身高度和周边地形，钢管桩最大桩长按30m考虑。

1、桩的稳定性验算

      桩的失稳临界力Pcr计算

         Pcr==

           =4458kN＞R=586.78 kN

2、桩的强度计算

     桩身面积          A=（D2－a2）

                        =（802－782）=248.18cm2

钢桩自身重量

                      P=A.L.r=248.18×30×102×7.85

                       =5844kg=58.44kN

桩身荷载         p=586.78+58.44=5.22 kN

б=p／A=5.22×102／248.18=259.98kg／cm2=25.998 Mpa

3、桩的入土深度设计

通过上述计算可知，每根钢管桩的支承力近660kN，按规范取用安全系数k=2.0，设计钢管桩入土深度，则每根钢管桩的承载力为660×2=1320kN，管桩周长 U=πD=3.1416×0.8=2.5133m。依地质勘察报告，河床自上而下各层土的桩侧极限摩擦力标准值为：

第一层  砂砾土  厚度为3.4m， 标贯 N=8.1～12.3；估推τ=30～40 Kpa

第二层  砂粘土  厚度为6～23m，黄褐色、湿、硬塑，标贯N=23；

τ=75 Kpa

第三层  强风化石英片岩   厚度为4～6m，黄褐色 ，标贯N25～43；τ=75 Kpa

N=∑τiu hi

 N =30×2.5133×3.4+75×2.5133×6+80×2.5133×h3=1320 kN

     =256.36+1086.0+201 h3 =1320 kN`

解得 h3=-0.11m

证明钢管桩不需要进入第三层土，即满足设计承载力，此时桩尖标高为：

                       .12－3.4－6.0=54.72 m

钢管桩实际入土深度：     ∑h=3.4+6=9.4 m

4、打桩机选型

拟选用DZ150，查表得知激振动900 kN，空载振幅≮0.8mm，桩锤全高4.2 m，电机功率150kw。

5、振动沉桩承载力计算

按前苏联b.π塔尔尼科夫，根据所耗机械能量计算桩的容许承载力

={+Q}

m—安全系数，临时结构取1.5

m1—振动体系的质量    m1=Q/g=90000/981=91.74 

Q1—振动体系重力 N    

g—重力加速度=981 cm /s2

 AX—振动沉桩机空转时振幅  AX = M/Q=2800×102／90000=3.11 cm

      M—振动沉桩机偏心锤的静力矩  N. cm

     μ—振动沉桩机振幅增大系数   μ= An/ Ax

 An－振动体系开始下沉时振幅  取1.2 cm

     f—振动频率  f=n/60=800/60=13.33   转/S

 a—振动沉桩机最后一击的实际振幅   取1.0 cm

ν—沉桩最后速度   取5 cm/min

α1—土性质系数，查表得α1=20

β1—影响桩入土速度系数， 查表得β1=0.17

[p]={+9×104}

          ={+9×104}

=×1.123616×106

=749077N=749KN ＞ N=5.22KN

通过上述计算及所选各项参数说明：

1）DZ150型振动打桩机，是完全能够满足本设计单桩承载力的。

2）DZ120型振动打桩机，也是可以满负荷工作，达到本设计要求的。

6、钢管桩加工质量控制

虽是临时结构，但钢管桩是边跨直线段现浇支架的重要受力构件，它的加工制作及安装质量好坏，直接关系到能否顺利沉桩及支架的使用安全，故有必要按有关国家规范和文献资料提及的技术标准，作如下要求：

（1）钢管的材质为Q235，可以是直缝焊接管也可以是螺旋焊缝管，但所用材质的力学性能都应符合国家相关标准。

（2）直焊缝管采用平板卷制加工。加工时两侧边缘须予弯头，以消除平板在卷板机上卷制时，两侧边缘的直线段。

（3）钢管桩的轴线方向应和钢板轧制的方向一致。

（4）钢管接长时，两侧纵向焊缝应有较大的距离，切忌十字焊缝。

（5）需采取有效措施保证并检查焊缝质量。

钢管制作允许偏差

7、沉桩施工中须注意的问题：

  （1）沉桩施工中，桩的垂直度至关重要，在开始沉桩时，往往依靠桩体自身重量及锤体重量缓慢下沉，当不能继续下沉时，桩体已插入土中一定深度，检查桩身垂直度合格后，再振动下沉。

          （2）振动锤和桩帽与桩顶法兰盘应连接牢固。当有射水配合下沉时，可振动射水交替进行，一气呵成，在下沉过程中切忌打“空锤”

          （3）振动的持续时间随土质情况和不同机械而异，一般不要超过10mm～15mm，否则锤体部件易损。应经常注意机电的检查与修理。

   （4）桩尖在接近设计标高之前（1.0m），就应停止射水，干振。

 （5）与桩尖虽未到达标高（已接近标高），下沉速度小于5cm/mm，且振幅

较大（大于15mm）时，如能排涂桩顶的接头松动，即认为合格了。

   （6）为保证钢管桩的整体稳定，每隔6m左右，设置一道纵，横向支撑并和墩柱联结，形成平面框架，在墩柱施工时应注意预埋件的准确预埋。

8、钢管桩沉桩基础评述：

    根据本桥10#墩的地勘报告揭示，较好的承力层埋深（河床向下）在3.5m以下。与深基础及换填方案相比较，沉桩方案是较为经济合理的施工方案。但考虑至沉桩必须有较大型的沉桩设备和专业的施工队伍且本工程沉桩工作量很少（只有两根桩）故在实施过程中，可能具有相当难度，而不得不考虑其它的基础方案。

五、明挖扩大基础设计

按地质报告，河床向下0～3.4m，标准贯入为Nmin=8，容许承载

[R]=0.12  Mpa=12T/m2

基础面积        A===5.373m2   采用 6.0m2 

基础边长         b==2.45m         采用2.6m

按扩散角45°计算基础厚度

                   h=(2.6-0.8)/2=0.9m        采用h=1.0m

可以预估，在底模放样时抛高，所以该支架毋庸预压，所需要预压的是10# 墩   的直线段支架。

     1、预压荷载：按实际荷载的1.3倍超载预压。

∑G=2226×1.3=23KN

     2、预压方式：加载预压时，工字钢上铺设10×10cm木方，似用砂袋作为压重，砂袋用汽车倒运并过磅称量，按施工时荷载实际分布情况摆放,在有条件的情况下也可考虑用浮箱注水预压

3、预压控制：采用时间和沉降量双控的方式进行预压控制。

（1）时间控制：静压5天以上，稳定状态2天。

（2）沉降控制：在支架的工字钢上分别布设10个测点，用于沉降观测。在加载前、加载完每12小时观测一次，直到24小时的累计沉降量≯2mm卸载，卸载后，按测得的弹性和非弹性沉降量及设计标高，确定立模标高，作为底模放样依据，报验上级及监理批准。

七、边跨合扰段对支架的影响：合扰段的实际施工荷载是平均分担在支架及悬臂端上的，分配在支架上的重量约为230KN。该荷载按支架计算简图，将完全由靠河心的两根钢管桩承受。

但此时，现浇直线段上的侧模，内模及支撑脚手，已经拆涂，对支架钢管起到减载作用，估算每根桩可减载60KN，所以合拢段实际上对每根桩增加荷载50～60KN。在支架预压时,我们超载了30%,钢管桩的承载能力已远超过由于合拢段所增加的份额,故在支架钢管桩设计时,未考虑合拢段的荷载.

八、模板选择，安装及加固：在正文中已阐明，此处不再赘述。