双壁钢围堰计算书

州河特大桥5#、6#墩

双壁钢围堰计算书

编制人： 复核人： 审核人：

中铁建工集团州河特大桥项目经理部

二O一O年八月

目 录

1 双壁钢围堰设计概况 ....................................................................... 1 2 检算内容 ........................................................................................... 2 2.1双壁钢围堰施工检算内容 ...................................................... 2 2.2力学性能参数 .......................................................................... 2 3 检算过程 ........................................................................................... 2 3.1加工阶段 .................................................................................. 2 3.2浮运阶段 .................................................................................. 2 3.3 壁内砼浇筑阶段 ................................................................. 18 3.4 下沉阶段 ............................................................................. 19 3.5 承台施工阶段 ....................................................................... 19

州河特大桥

5#、6#墩双壁钢围堰计算书

1 双壁钢围堰设计概况

1.1双壁钢围堰结构设计

州河特大桥5#、6#墩双壁钢围堰采用圆形双薄壁钢结构，钢围堰内直径为25.4m（较承台对角线每侧大100cm），外径27.4m，壁间厚度100cm。钢板厚度为6mm，竖向主龙骨采用∠75×50×8角钢，横向主龙骨采用∠63×6角钢，横向主龙骨间采用10mm扁钢加强，壁间斜撑采用∠75×8角钢。平面分八块，块间用6mm厚钢板设置隔仓板，底节预制高度为3m，以上节预制高度为4.5m。单块钢围堰吊装最大重量约7.5t。块与块之间、节与节之间相连均采用焊接。

州河特大桥5#、6#墩双壁钢围堰统计表

为保证双壁钢围堰有足够的钢度和下沉重量，5#、6#墩双壁钢围堰内壁填充河砂。 1.4施工方法

由于5#、6#墩承台位于州河河道中，河沙覆盖层厚度为0.5-2米，根据水下摸底情况得知地势较为平坦，方便了钢围堰的下沉。

2 检算内容

2.1双壁钢围堰施工检算内容

(1) 加工阶段

(2) 浮运阶段结构强度、刚度、稳定性和围堰的整体稳定性 (3) 就位后壁内填筑阶段 (4) 下沉阶段 (5) 承台施工阶段

2.2力学性能参数

本方案中所选用钢材钢号均为A3（Q235A），力学性能按以下规定计算： （1）弹性模量E=210GPa

（2）抗弯容许应力1.3[σw]=1.3x145=188.5MPa （3）抗剪容许应力1.3[τ]=1.3x85=110.5MPa （4）轴向容许应力1.3[σ]=1.3x140=182MPa

3 检算过程 3.1加工阶段

双壁钢围堰在岸边加工场制作加工，并设四座胎模，以保证加工精度。钢围堰底节在临时码头上拼装焊制成形后，采用2台浮吊和2台汽车吊整体起吊下水。不需进行检算。

3.2浮运阶段

钢围堰壁内为8块空腔，围堰下水后，利用其自身浮力悬浮在水面上，其在水中的受力状态如下图所示：

图1 浮运阶段受力图

3.2.1工况分析

考虑到5#、6#墩均采用围堰分节拼装法施工，钢围堰浮运可分为 3种工况：  工况一：3m底节双壁钢围堰浮运至设计墩位处，即3m底节围堰浮运计算；  工况二：3节双壁钢围堰拼装完毕开始浮运，即13.5m高双壁钢围堰浮运计算；  工况三：4节双壁钢围堰在基坑中漂浮状态，即16.5m高双壁钢围堰浮运计算； 下面就这三种工况分别进行检算。 3.2.2 3m底节钢围堰浮运计算

设围堰内壁内注水高度ｈ，围堰壁内外水位差为h1,重心离底边的距离为h2，浮心离底面的距离为h3，如下图所示：

(1)①壁内外水位差计算：

底3m节钢围堰自重为：554.27KN F浮＝G，即：ρgｖ排＝G ρg(π（R2－ｒ2）ｈ1)＝G 上式中：

R：围堰外壁半径，r为围堰内壁半径，ｈ1为围堰壁内外水位差 经计算得ｈ1＝0.69m ②重心位置计算

m55.427103

0.308103kg/m3 围堰的平均密度1

V179.82

假设围堰厚度为b,则重心高度为:

13b1.5水hah/2

h2

13a水ha

1.3860.5h2

经过计算其重心高度为：h2

0.924h

③浮心位置计算 浮心高度为：h3h④定倾半径计算：

围堰的定倾半径计算，围堰排开水的体积如下图所示：

h1

h0.345 2

定倾半径

J279.25.1m V55.15

J：围堰浮正位置的吃水线包围的面积对其纵轴的惯性矩， V：围堰排开水的体积 ⑤整体稳定性计算

根据浮体的稳定条件，需满足以下条件：

h2h3

将以上结果代如上式可得： h2+12.074h+5.384>0

bb24ac

解上述方程得，h>-0.60m (x=)

2a即当底节围堰壁内不注入水都可保证其稳定。 所以底节双壁钢围堰整体稳定性完全可以满足要求。 (2)结构计算：

围堰悬浮于水中时，其受力如图一所示，围堰壁内水面以下受水的均布压力，内外壁上的压强为P＝ρgh＝0.69×104Pa

围堰结构如下图：

A-A

断面

图二 围堰结构示意图

①竖肋N2计算：

竖肋N2受两侧钢板的水压力，如右图： 压力F＝PS＝0.47×104×0.5×0.582＝2.01 kN N2杆件为∠75×50×8角钢 计算模型如右图：

ｑ＝F/L=2.01/0.5＝4.02kN/m

跨中弯矩为：

M＝ｑL2/8=0.126kN·m 跨中处应力

M0.126103

11.98MPa1.3[W]188.5MPa（满足要求） 6

wx10.5210支座反力RA=1.00kN ②横肋N5计算

双壁钢围堰为圆形结构，横肋各截面仅受压力，不受剪力，满足受力要求。 ③斜撑N6计算：

钢围堰内N6杆件受力可为简化为一桁架，B节点处受力如下图： F＝Ps=0.69×104×2×0.582×1＝8.03kN

AB、BC杆为∠75x8角钢，AC杆件均为∠63×6角钢。

B

A

计算受力模型输入可得桁架受力如上图：

由以上计算结果可知，AC杆件受拉力，AB、BC杆所受相同压力，故需对此二根杆件进行检算。

a)AC杆：

N2.00103

2.74MPa1.3[]182Mpa（满足要求） 最大正应力

A728.8106

此杆件只受拉力，为二力杆件，无需检算其他项目。 b)AB杆：

此杆为受压杆件，需检算稳定性。 组合截面的性质计算

rx

Ix59.962.28cm ryA11.503

IyA



59.96

2.28cm

11.503

稳定性检算

自由长度：面内：lx＝0.8l0＝0.8*90＝72cm， 面外：ly＝l0＝90cm i.

对x轴压弯稳定性检算

自由长度lx=72cm x

lx7231.6 查表得：0.908 rx2.28

N3.40103

故得： 3.26MPa1.3[W]188.5MPa（满足要求）4

A0.90811.50310ii.

对y轴压弯稳定性检算

自由长度ly=90cm y

lyry



90

39.5 查表得：0.871 2.28

N3.40103

故得： 3.39MPa1.3[W]188.5MPa（满足要求）4

A0.87111.50310(3)围堰内外壁钢模板计算： a) 强度验算

按内外水头差0.5m计算，取围堰内模板最大侧压力Px5kPa 选用模板区格中三面固结、一面简支的最不利情况进行计算。

lylx58.250

1.1640.86 ly50lx58.2其中lx--为围堰壁模板竖肋间距

ly--为围堰壁模板横肋间距

查《路桥施工计算手册》附录二可得：

Km00.0683 Km0.0711 Km0.0225 Km0.0255

x

y

xy

取1mm宽的板条作为计算单元，荷载q为：

q0.004710.0047N/mm

求支座弯矩：

Km0ql20.06830.0047500280.3Nmm Mx

x

Km0ql20.07110.0047500283.5Nmm My

y

式中l取lx和ly中的较小者 设计钢围堰底节面板厚度为6mm， 截面系数:W求跨中弯矩：

MxKmxql20.02250.0047500226.4Nmm MyKmql20.02550.0047500230Nmm

y

121

bh1626mm3 66

式中l取lx和ly中的较小者 钢板的泊松比0.3，故需换算为:

()

MxMxMx26.40.326.434.3Nmm

() MyMyMy300.33039Nmm

跨中应力检算：

max

Mmax39

6.5MPa1.3[σW]188.5MPa （满足要求） W6

3.2.3 12m节钢围堰浮运计算 (1)整体稳定性计算

设围堰内壁内注水高度ｈ，围堰壁内外水位差为h1,重心离底边的距离为h2，浮心离底面的距离为h3，如下图所示

12m钢围堰自重为：1730.02KN

Ｆ浮＝G，即：ρgｖ排＝G ρg(π（R2－ｒ2）ｈ1)＝G 上式中：

R：围堰外壁半径，r为围堰内壁半径，ｈ1为围堰壁内外水位差 经计算得ｈ1＝1.56m ②重心位置计算

m173.0103

0.192103kg/m3 围堰的平均密度1

V899.2

ρ1×12×（6-h2）＝ρ水×h（h2-0.5h）

9.790.5h2

经过计算其重心高度为：h2

1.63h

③浮心位置计算 浮心高度为：h3h④定倾半径计算：

围堰的定倾半径计算，围堰排开水的体积如下图所示：

h1

h0.78 2

定倾半径

J631.15.1m V124.7

J：围堰浮正位置的吃水线包围的面积对其纵轴的惯性矩， V：围堰排开水的体积 ⑤整体稳定性计算

根据浮体的稳定条件，需满足以下条件：

h2h3

将以上结果代如上式可得： h2+15.02h-0.39>0 解上述方程得，h>-0.03m

即当13.5m高钢围堰壁内不注水都可以保证其浮运过程中整体稳定性。

(2)结构计算：

围堰悬浮于水中时，其受力如图一所示，围堰壁内水面以下受水的均布压力，内外壁上的压强为P＝ρgh＝1.56×104Pa

围堰结构如下图：

A-A

断面

图二 围堰结构示意图

①竖肋N1计算：

杆件N1受两侧钢板的水压力，如右图： 压力F＝PS＝1.56×104×0.5×0.582＝4.54KN 计算模型如右图：

ｑ＝F/L=4.54/0.5＝9.08kN/m 计算跨中弯矩为：

ql29.080.52

M0.28kNm跨中处应力

88

M0.28103

42.5MPa1.3[W]188.5MPa（满足要求）

wx6.83106支座反力RA=4.54KN ②横肋N2计算

双壁钢围堰为圆形结构，横肋各截面仅受压力，不受剪力，满足受力要求。 ③N4龙骨计算：

钢围堰内N4杆件受力可为简化为一桁架，B节点处受力如下图： F＝Ps=1.56×104×2×0.582＝18.2KN

AB、BC杆为∠75x8角钢，AC杆件均为∠63×6角钢。

B

计算受力模型可得桁架受力如上图：

由以上计算结果可知，AC杆件受拉力，AB、BC杆所受相同压力，故需对此二根杆件进行检算。

a)AC杆：

N6.6103

9.06MPa1.3[]182Mpa（满足要求） 最大正应力6

A728.810

此杆件只受拉力，为二力杆件，无需检算其他项目。 b)AB杆：

此杆为受压杆件，需检算稳定性。 组合截面的性质计算

rx

Ix59.962.28cm ryA11.503

IyA



59.96

2.28cm

11.503

稳定性检算

自由长度：面内：lx＝0.8l0＝0.8*90＝72cm， 面外：ly＝l0＝90cm i. 对x轴压弯稳定性检算 自由长度lx=72cm x

lx7231.6 查表得：0.908 rx2.28

N11.2103

故得： 10.72MPa1.3[W]188.5MPa（满足要求）

A0.90811.503104ii. 对y轴压弯稳定性检算

自由长度ly=90cm y

lyry



90

39.5 查表得：0.871 2.28

N11.2103

故得： 11.17MPa1.3[W]188.5MPa（满足要求）4

A0.87111.50310（3）围堰内外壁钢模板计算： a) 强度验算

按内外水头差1.56m计算，取围堰内模板最大侧压力Px15.6kPa 选用模板区格中三面固结、一面简支的最不利情况进行计算。

llx58.250

1.164y0.86 ly50lx58.2其中lx--为围堰壁模板竖肋间距

ly--为围堰壁模板横肋间距

查《路桥施工计算手册》附录二可得：

Km00.0683 Km0.0711 Km0.0225 Km0.0255

x

y

xy

取1mm宽的板条作为计算单元，荷载q为：

q0.015910.0159N/mm

支座处弯矩：

02

Km0qlx0.06830.01565002266.4Nmm Mx

x

02Km0qly0.07110.01565002277.3Nmm My

y

式中l取lx和ly中的较小者 设计面板厚度为3mm，截面系数:W求跨中弯矩：

MxKmxqlx20.02250.0156500287.7Nmm

2

0.02550.0156500299.5Nmm MyKmyqly

121

bh1321.5mm3 66

式中l取lx和ly中的较小者 钢板的泊松比0.3，故需换算为:

()

MxMxMx87.70.387.7114.0Nmm

() MyMyMy99.50.399.5129.4Nmm

跨中应力检算：

max

Mmax129.4

86.2MPa1.3[W]188.5MPa （满足要求） W1.5

3.2.3 16.5m节钢围堰浮运计算 (1)整体稳定性计算

设围堰内壁内注水高度ｈ，围堰壁内外水位差为h1,重心离底边的距离为h2，浮心离底面的距离为h3，如下图所示

①壁内外水位差计算： 16.5m钢围堰自重为：284.2KN Ｆ浮＝G，即：ρgｖ排＝G ρg(π（R2－ｒ2）ｈ1)＝G 上式中：

R：围堰外壁半径，r为围堰内壁半径，ｈ1为围堰壁内外水位差 经计算得ｈ1＝2.12m ②重心位置计算

m284.2103

0.226103kg/m3 围堰的平均密度1

V1258.8

ρ1×12×（6-h2）＝ρ水×h（h2-0.5h）

9.360.5h2

经过计算其重心高度为：h2

1.56h

③浮心位置计算 浮心高度为：h3h④定倾半径计算：

围堰的定倾半径计算，围堰排开水的体积如下图所示：

h1

h1.06 2

定倾半径

J857.75.25m V163.4

J：围堰浮正位置的吃水线包围的面积对其纵轴的惯性矩， V：围堰排开水的体积 ⑤整体稳定性计算

根据浮体的稳定条件，需满足以下条件：

h2h3

将以上结果代如上式可得： h2+15.74h+0.97>0 解上述方程得，h>-0.1m

即当16.5m双壁钢围堰壁内不注水都可保证其浮运过程中整体稳定性。 (2)结构计算：

围堰悬浮于水中时，其受力如图一所示，围堰壁内水面以下受水的均布压力，内外壁上的压强为P＝ρgh＝2.12×10Pa

围堰结构如下图：

4

A-A

断面

图二 围堰结构示意图

①竖肋N1计算：

杆件N1受两侧钢板的水压力，如右图： 压力F＝PS＝2.12×104×0.5×0.582＝6.17KN 计算模型如右图：

ｑ＝F/L=6.17/0.5＝12.34kN/m 计算跨中弯矩为：

ql212.340.52

M0.39kNm跨中处应力

88

M0.39103

57.1MPa1.2[W]188.5MPa（满足要求） 6

wx6.8310支座反力RA=6.17KN ②横肋N2计算

双壁钢围堰为圆形结构，横肋各截面仅受压力，不受剪力，满足受力要求。 ③N4龙骨计算：

钢围堰内N4杆件受力可为简化为一桁架，B节点处受力如下图： F＝Ps=2.12×104×2×0.582＝24.7KN

AB、BC杆为∠75x8角钢，AC杆件均为∠63×6角钢。

B

计算受力模型可得桁架受力如上图：

由以上计算结果可知，AC杆件受拉力，AB、BC杆所受相同压力，故需对此二根杆件进行检算。

a)AC杆：

N9.0103

12.3MPa1.2[]174Mpa（满足要求） 最大正应力6

A728.810

此杆件只受拉力，为二力杆件，无需检算其他项目。 b)AB杆：

此杆为受压杆件，需检算稳定性。 组合截面的性质计算

rx

Ix59.962.28cm ryA11.503

IyA



59.96

2.28cm

11.503

稳定性检算

自由长度：面内：lx＝0.8l0＝0.8*90＝72cm， 面外：ly＝l0＝90cm i.

对x轴压弯稳定性检算

自由长度lx=72cm x

lx7231.6 查表得：0.908 rx2.28

N15.2103

故得： 14.57MPa1.3[W]188.5MPa（满足要求）4

A0.90811.50310ii. 对y轴压弯稳定性检算 自由长度ly=90cm y

lyry



90

39.5 查表得：0.871 2.28

N15.2103

故得： 15.16MPa1.3[W]188.5MPa（满足要求）4

A0.87111.50310 (3)围堰内外壁钢模板计算： ①强度验算

按内外水头差2.12m计算，取围堰内模板最大侧压力Px21.2kPa 选用模板区格中三面固结、一面简支的最不利情况进行计算。

llx58.250

1.164y0.86 ly50lx58.2其中lx--为围堰壁模板竖肋间距

ly--为围堰壁模板横肋间距

查《路桥施工计算手册》附录二可得：

Km00.0683 Km0.0711 Km0.0225 Km0.0255

x

y

xy

取1mm宽的板条作为计算单元，荷载q为：

q0.021210.0212N/mm

支座处弯矩：

02

Km0qlx0.06830.02125002361.99Nmm Mx

x

02Km0qly0.07110.02125002376.8Nmm My

y

式中l取lx和ly中的较小者 设计面板厚度为3mm，截面系数:W求跨中弯矩：

MxKmxqlx20.02250.02125002119.3Nmm

2

0.02550.02125002135.2Nmm MyKmyqly

121

bh1321.5mm3 66

式中l取lx和ly中的较小者 钢板的泊松比0.3，故需换算为:

()

MxMxMx119.30.3119.3155.1Nmm

()

MyMyMy135.20.3135.2175.76Nmm

跨中应力检算：

max

Mmax175.76

117.2MPa1.3[W]188.5MPa （满足要求） W1.5

3.3 壁内砼浇筑阶段

壁内填充采用泵送砼，向壁内中供料方式采用导管水下灌注： 1) 新浇砼对模板的侧压力：

P1＝0.22γct0β1β

2

＝0.22×15×10×1.2×1×0.625 ＝31.3KN/m2

γc：新浇砼在水中的容重； t0：新浇砼的初凝时间（h）； β1：外加剂影响修正系数； β2：坍落度影响修正系数；

V：砼浇筑速度（m/h）,按每小时供应砼50方，取0.625；

又： P1＝γcH

H：为有效压头高度；

0.0.0250.035

0.843

H0.2224.9Fmax150.84312.6kN/m2 按规范取其中的较小值P1=12.6kN/m2

2) 倾倒混凝土时对垂直面板的侧压力：P22.0kPa 由此可计算出每个框架单元上砼的侧压力F F=(P1+ P2)×S=14.6×0.582×0.5=4.2kN

S：框架单元面积,取最大框架单元为最不利

①焊缝计算

初拟框架单元钢板与角钢采用角焊缝满焊连接；

a) 焊脚尺寸hf的选择：

hfmin1.5max1.563.7mm

hfmax1.2tmin1.233.6mm

tmax6mm hfmaxt6mm

要满足hfminhfhfmax 取hf6mm

b) 焊缝长度l的计算：

框架四周角钢及扁钢与围堰钢板之间焊接采用焊十留八的原则，即每间隔8cm焊

（0.510cm。l210100.582）1.202m1202mm 1818

c) 焊缝强度的检算：

F4.2103

（满足要求） f0.83MPa160MPa0.7hfl0.76120210-6

3.4 下沉阶段

由于5#、6#墩钢围堰不存在岩土层的摩阻问题,所以下沉阶段无需计算。

3.5 承台施工阶段

双壁钢围堰抽干水进入施工承台阶段，双壁钢围堰需进行两方面的检算，即抗浮检算和自身强度检算。

钢围堰抗浮检算

5#、6#按全浮力检算。

F浮＝ρgV排＝1.0×103×10×π×16.32×15.5＝129376.9KN

双壁钢围堰及壁内砂重量：

G1=(284.166+2.5x3.14x(16.32-15.52)x16.5)x10=35792.82KN

封底砼重量：

G2=2.5x3.14x15.5x15.5x2.5x10=47149KN

钢围堰所受浮力与(G1+G2)差值:

△G= F浮-G1-G2=46435KN

20根桩基钢护筒内外壁与桩基砼和封底砼之间的极限摩阻力：

20[F]=20Ulτi=12*3.14*2.8*2.5*1*106=439600KN

钢围堰抗浮安全系数:

12[F]/ △G=439600/46435=9.4

钢围堰强度检算

当双壁钢围堰抽干水后施工承台时，受压力最大处即封底砼顶面处双壁钢围堰外壁。此位置围堰壁内填筑了砂，所以只需检算砼抗拉强度,围堰壁均布荷载由水压力和主动土压力两部分组成：

压强为P1＝P水＋P土＝ρgh＋γhKa

＝1.0×103×10×13.5＋（20-9.8）×103×4.983×0.4

＝1.55×105Pa



2F2Prsind可得：

02

F1=P1r=1.55×105×16.3＝2527KN

F12527103

9.6MPa为C25砼计算抗压强度。 13.2MPa9.6MPa(满足要求）S110.8

因此双壁钢围堰抽干水后受压稳定安全系数为3。