拉森钢板桩围堰的设计

拉森钢板桩围堰的设计

作者：王铁林

来源：《装饰装修天地》2016年第07期

摘要：因北京市通州区运河核心区市政配套工程北关大道工程需修建桥梁跨越北运河，桥梁墩台及河底护砌施工需修建围堰实现无水作业。为减少修建围堰对河道的污染，决定采用钢板桩围堰。围堰形式采用双层拉森钢板桩，水面以下部分中间铺设防渗膜，并用编织袋装土填芯防渗，填筑高度超出常水位1.0米。为防止填土袋后上口撑开，拉森钢板桩每隔一定距离设一道横向拉杆。为保证钢板桩围堰的正常实施，需修建钢栈桥。使用钢板桩围堰，实现了河水的零渗漏，保证了河道内作业的安全，突出了河道零污染。现将拉森钢板桩围堰基本设计介绍给大家。

关键词：北运河内施工；拉森钢板桩围堰；钢栈桥 一、应用工程简介

北运河为城市主要河流，河道内长年有水，为减少围堰施工对河道的污染，根据河道管理部门的要求，改常用土围堰为钢板桩围堰。

北运河河宽180m、河底高程15.5m，两侧采用混凝土重力式挡墙护岸，挡墙顶高程18.5m，北运河设计常水位18.0m，两岸大堤顶高程23.0m，坡岸进行景观绿化。

北关大道跨北运河桥桥面宽度约60m，基础为钢筋砼灌注桩180棵，砼约12000m3，钢筋砼承台4座，砼约8000m3。河底混凝土护砌施工范围，顺河方向总长190m，混凝土厚50cm，约17100m3，下部回填30cm级配砂石，约10260m3。两端为铅丝石笼护底，长度各为10m。

经过反复论证，本工程导流围堰决定采用拉森钢板桩围堰。 二、拉森钢板桩围堰及栈桥的设计 1.拉森钢板桩围堰设计 1.1 拉森钢板桩勘固深度计算

本工程常水位水面高度2.5米（安全系数取1.2，即按3米计算），支护类型为悬臂式板桩。计算过程如下：

水密度：ρ水=1000kg/m3 ；

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查地质报告得：本工程施工范围场地砂性土密度取值： ρ土=2000kg/m3；

则土容重：γ=2000×9.8=19.6kN/m3 ； 土内摩擦角：φ=26°；

查表得：SP-Ⅳ型拉森板桩每延米截面抵抗矩为：2270cm3/m； 主动土压力系数： Ka=tan2（45°-26°/2）=0.39 被动土压力系数： Kp=tan2（45°+26°/2）=2.56

1）由d点为土压力合力零点，可得： ρ水gH+γ×Hbd×Ka=γ×Hbd×Kp

所以Hbd=ρ水gH /（γ（Kp-Ka））=0.7m 设埋入深度为t，取防倾覆安全系数为2，则

2（ρ水gH×H/2×（H/3+t）+ρ水gH*Hbd/2*（t-Hbd/3））=γ（t-Hbd）（Kp -Ka）×（t-Hbd）/2×（t-Hbd）/3 计算得：t=5.22m

则最小勘固深度取：t×（1+15%）=6.0m。 1.2 拉森钢板桩长度选择

水面高度3米，出水部分2米，6+3+2=11米，拉丝钢板桩长度尺寸为定尺9米和12米两种，本工程采用定尺12米拉森钢板桩。 1.3 应力验算

g点为剪应力零点，则

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（H+Hbd）×ρ水gH/2-（γ（Kp-Ka ）t2-ρ水gH）×（t2-Hbd）/2=0 计算得：t2=2.29m

则：每延米拉森板桩承受最大弯矩值：

M=0.5×ρ水gH*H*（H/3+ t2）+0.5×ρ水gH×Hbd ×（t2- Hbd/3）-（γt2（Kp-Ka）-ρ水gH ）×（t2- Hbd ）/2×（t2- Hbd）/3=137.67kN·m 容许应力

σ=M/W=137.67/2270×106=60647.6KPa=60.6MP 1.4 型号选择

根据以上计算，查“U型钢板桩截面尺寸、截面面积、理论重量及截面特性”图表选择型号为400×170

1.5 拉森钢板的布置

本工程围堰形式采用双层拉森钢板桩，间距1.2m，水面部分中间铺设复合防渗膜，出拉森钢板桩弯曲长度两侧各1m，并用编织袋装土填芯防渗，填筑高度4米（根据以上计算，最小勘固深度为6米，外露6米，根据水位高度及安全起见，勘固深度施工取8米，外露4米）。

为防止填土袋后上口撑开，拉森钢板桩每隔3m设一道横向拉杆，拉杆采用Ф25钢筋制作，每根长2.5m。在与原河岸挡墙接触面设置2块1cm厚L型钢板，短边长1m、长边长2m，短边紧贴挡土墙，长边插入拉森钢板桩内，内侧同样铺设防渗布、编织袋装土填芯。里层拉森钢板桩在栈桥外侧0.5m处布置。 拉森钢板桩平面、断面如图2-1所示。 拉森钢板桩平面、断面图 2.钢栈桥设计 2.1 钢栈桥的布置

根据拉森钢板桩施工需要，设置施工栈桥。为方便机械进出作业，栈桥高度与入河处原挡墙顶高程同高。

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栈桥在河道拉森钢板桩范围外0.5m处布置，桥面宽度6m，栈桥桩基采用Φ600（厚12mm）钢管桩，单根长度12m，入土约8m。横向布置为每排4根钢管桩，间距2m，纵向布置间距5.5m，为加快施工进度，便于施工车辆安全施工，在栈桥直角转弯处对栈桥进行加宽，顺河方向设置机械错车及材料设备堆放平台。

管桩顶面横桥向架设36b型双拼工字钢横梁，每排桩布置1道，在其上方沿纵桥向架设36b型单拼工字钢纵梁，单拼工字钢横向间距为0.5m。单拼工字钢纵梁工字钢架设完毕后，在其上铺设20mm厚钢板.栈桥桥面采取在钢板上焊接钢筋的防滑措施， 钢板上焊接Ф16螺纹钢筋，长6m，间距0.1m，垂直栈桥布置，与钢板焊接。并在栈桥两侧设置防护围栏，结构形式为工字钢立柱，间距1.5m，每侧3根通长钢管横向连接（钢管外径50mm，壁厚5mm）。 2.2 钢管桩栈桥工作平台承载力计算（12根桩基） ①单桩承载力验算 1）计算公式 Qu=λsUΣqsuili

qsui、-桩周第i层土的极限侧阻； li-桩周第i层土的厚度； λs-侧阻挤土效应系数； 2）基本参数

参照设计图纸及《建筑施工手册第四版》可知： qsu2=30kPa（粉砂） l2=8m，λs=0.8 3）单桩承载力 Qu=λsUΣqsuili

=0.8×3.14×0.6×30×8=361.73kN

考虑0.5的安全系数，单桩承载力为241.2kN

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②纵向钢梁受力计算

本施工平台分配梁上铺设单拼36#b工字钢，其计算跨径为5.5m。

取最不利情况做受力计算（7棵工字钢中5棵受力，最边两棵工字钢不受力），所以单跨单棵工字钢受力为：70吨（整个施工平台）/2（两跨）/5（5棵工字钢受力）=7吨=70kN 1）抗弯强度计算 ①跨中最大弯矩计算 Mx=ql2/8

l-计算跨径，l=5.5m

q-均布荷载，q=70/5.5=12.73kN/m Mx=（12.73×5.5×5.5）/8=48.14kN·m ②强度计算

Mx/Wnx≤f——由《钢结构设计规范》中查得 Mx-最大计算弯矩，Mx=48.14kNm f-钢材抗弯强度设计值，f=215N/mm2 Wnx-工字钢的截面抵抗矩，取920.8mm3

则：Mx/nWnx=（48.14×1000）/920.8=52.28N/mm2 2）抗剪承载力计算 ①最大剪力

Vmax=0.5×q×l=0.5×48.14×5.5=132.39kN l-计算跨径，l=5.5m ②抗剪计算 Τmax=VS/Itw≤fv

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V-计算截面沿腹板平面作用的剪力，V=132.39kN fv-钢材抗剪强度设计值，fv=125N/mm2 S-36b工字钢面积矩541.2cm4 I-36b工字钢的截面惯性矩16574cm3 I/S=16574cm4/541.2cm3=31cm tw-腹板厚度，取12mm

Τmax=VS/Itw=（132.39×1000）/（31×10×12）=35.59/mm2 3）型钢变形计算

5ql4/n384EI≤[f] ——由《建筑施工脚手架实用手册》中查得 q-荷载，q=48.14kN/m l-工字钢的跨径，l=5.5m。 E-钢材的弹性模量，E=2.0×105MPa

I-截面惯性矩，由《建筑施工脚手架实用手册》中查得，其值为16574cm4 [f]-允许挠度，其值为L/400

5ql4/n384EI=[5×48.14×（5.5×100）4]/ 384×2.0×105×16574×104） =1.73mm≤[f]= L/400=13.75mm ③横向分配梁承载力验算

施工平台钢管柱上铺设双拼36b工字钢作为分配梁，其计算跨径为2m：单跨横向分配梁上受力为70/2/3=11.7吨=117KN 1）抗弯强度计算 ①跨中最大弯矩计算 Mx=ql2/8

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l-计算跨径，l=2m q-均布荷载，q=117kN n-参与受力的型钢根数n=2 Mx=（117×2×3）/8=87.75kN·m ②强度计算

Mx/Wnx≤f——由《钢结构设计规范》中查得 Mx-最大计算弯矩，Mx=87.75kNm f-钢材抗弯强度设计值，f=215N/mm2 Wnx-型钢的截面抵抗矩，取920.8mm3

则：Mx/nWnx=（87.75×1000）/（2*920.8）=47.65N/mm2 2）抗剪承载力计算 ①最大剪力

Vmax=0.5×q×l=0.5×117×2=117kN l-计算跨径，l=2m q-均布荷载，q=117kN/m ②抗剪计算 Τmax=VS/nItw≤fv

V-计算截面沿腹板平面作用的剪力，V=117kN fv-钢材抗剪强度设计值，fv=125N/mm2 S-型钢面积矩 I-型钢的截面惯性矩

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I/S=31cm

tw-腹板厚度，取13mm

Τmax=VS/nItw=（117×1000）/（2×31×10×13）=14.52N/mm2 3）型钢变形计算

5ql4/n384EI≤[f] ——由《建筑施工脚手架实用手册》中查得 q-均布荷载，q=117kN/m L-型钢的跨径，l=2m。

E-钢材的弹性模量，E=2.0×105MPa

I-截面惯性矩，由《建筑施工脚手架实用手册》中查得，其值为16530cm4 [f]-允许挠度，其值为L/400

5ql4/n384EI=[5×117×（2×100）4]/（2×384×2.0×105×16574×104） =0.037mm≤[f]=L/400=0.5mm

所以，本施工平台的桩基、纵向、横向分配梁的验算，均满足承载力要求。 三、结论

本工程严格按照施工方案进行实施，拉森钢板桩围堰阻水性能良好，钢管桩栈桥工作平台稳定性良好，实现了围堰内无水作业的预期效果，工程质量情况良好。拉森钢板桩围堰设计中使用土方量少，且采用土方装填在编制土袋中回填防渗，施工完毕可以全部收回，基本杜绝了对河道的污染。 参考文献：

[1]《本工程设计图纸》. [2]《建筑施工手册第四版》. [3]GB 50017-2014.钢结构设计规范[S].