钢管桩基础结构简要设计原理及应用实例设计分公司李小健2014年4月目录1.钢管桩基础适用范围及特点 (2)1.1适用范围 (2)1.2应用特点 (2)2.简要设计原理和计算内容 (2)2.1简要设计原理 (2)2.2主要计算内容 (2)3.应用实例（某跨河系杆拱桥梁施工支撑体系设计方案） (3)3.1项目简要情况 (3)3.1.1桥梁结构设计有关数据 (3)3.1.2桥梁总体施工方案 (3)3.2钢管桩基础结构设计及验算 (4)3.2.1设计计算依据 (4)3.2.2基础结构设计情况说明 (4)3.2.3数据收集整理 (5)3.2.4地层极限侧阻和端阻标准值确定 (6)3.2.5钢管桩承载力试算与分析： (7)3.2.6上部荷载值计算 (8)3.2.7钢管桩结构设计及验算： (9)3.3其它措施及要求： (10)1.钢管桩基础适用范围及特点 1.1适用范围钢管桩基础在施工技术领域应用广泛，如跨越河流的现浇桥梁施工临时支撑体系基础，水中施工栈桥基础，大型设备、构筑物的水中操作平台基础；软基地段桥梁采用桁架支撑体系的基础等。
1.2应用特点钢管桩承载力较高、施工工艺简单、施工速度快、材料可多次周转使用，桩与桩之间连接方式简单，稳定性较好，施工费用低。
2.简要设计原理和计算内容 2.1简要设计原理1）钢管桩基础设计的主要内容是单桩承载力计算，地面以上桩体结构的强度及稳定性计算。
2）单桩承载力计算主要依据设计提供的勘察报告中与施工部位对应的土层参数，参照《建筑地基基础设计规范》、《建筑桩基技术规范》中有关公式及表格参数计算桩侧阻及端阻，从而得到单桩承载力极限值。
3）桩体结构的强度及稳定性计算主要依据《钢结构设计规范》中的材料设计强度及轴心受力构件计算公式、压杆稳定计算公式等原理进行计算，使其达到规范所要求的标准。
2.2主要计算内容1）单桩竖向极限承载力标准值计算p pk p i sik pk sk uk A q l q Q Q Q λµ+=+=∑钢管桩敞口、带隔板数量及其闭口等情况对单桩极限承载力的端阻部分影响较大，使用时可利用其作用进行设计。
2）桩体结构的强度及稳定性计算轴心受压构件强度验算公式：f A Nn≤=σ 轴心受压构件稳定验算公式：f AN≤=ϕσ 如果构件端部或中部产生弯矩的话则需按照压弯构件公式验算。
压弯构件强度验算：f W M W M A Nnyy y nx x x n ≤++=γγσ压弯构件弯矩平面内稳定验算：f N NW M AN EXx x xmx x ≤−+=)8.01('1γβϕσ压弯构件弯矩平面外稳定验算：f W M ANx b x tx y ≤+=1ϕβηϕσ 稳定计算时注意构件计算长度的准确确定，其直接影响杆件长细比，进而影响稳定系数的数值；构件计算长度与支撑结构竖杆的间距、水平支撑杆件的刚度、竖向间距以及刚架有无侧移等情况确定，设计时要综合分析。
3.应用实例（某跨河系杆拱桥梁施工支撑体系设计方案） 3.1项目简要情况3.1.1桥梁结构设计有关数据1）该桥跨越河流，设计为1-96m 下承式钢管混凝土平行系杆拱桥。
2）上部结构由系梁和系杆拱组成，系梁截面为单箱三室截面，梁宽17.1m 、梁高2.5m ，梁长100.05m 。
底板厚30cm ，顶板厚30cm ，边腹板厚35cm ，中腹板厚度30cm 。
底板在2.8m 范围内抬0.5m 。
吊点处设横梁，横梁厚度为0.4~0.6m 。
3）梁两端底板上设进人孔，每个箱室均设检查孔。
拱脚顺桥方向8.0m 范围设成实体段。
4）拱脚混凝土分两次现浇，在现浇第一次混凝土前，将拱肋钢管、加劲钢材等安放到位，二期恒载施工完成后浇筑第二次混凝土。
3.1.2桥梁总体施工方案系梁采用现浇支架法施工，施工完成后安装拱部结构。
支架体系采用钢管、型钢结构。
3.2钢管桩基础结构设计及验算3.2.1设计计算依据1）《1-96m系杆拱桥施工图设计》2）《桥位处地质勘察报告》3）《建筑桩基技术规范》JGJ 94-20084）《建筑荷载设计规范》GB 50009-20125）《钢结构设计规范》GB 50017-20033.2.2基础结构设计情况说明1）以下钢管桩基础结构设计钢管桩承载力根据勘察报告及有关规范采用近似值计算，钢管桩正式施工前须进行试桩，依据所选用的打桩机械、锤击变形量确定钢管桩实际入土深度及承载力，数据确认后再对支撑体系的材料类型及间距等尺寸参数进行优化调整。
2）钢管桩采用Φ600*8mm钢管，桩横向布置间距3.6m，纵向布置间距4.5m。
钢管桩地面以上高度7.0m，上横梁采用40#工钢，与钢管桩顶部焊接形成横向刚架结构；钢管桩顶部纵向贯通设置25#工钢，两端并与桥台固定，使钢管桩与纵梁纵向形成无侧移刚架结构。
3）支撑结构横断面见下图示意：3.2.3数据收集整理依据勘察报告，桥位处地层有关物理力学指标如下：1）桥位处地基土物理力学指标：地层编号里程深度液性指数备注(1)3 DK976+186.9左5.5m3.15~3.45 0.98淤泥质粉质粘土(1)3 DK976+186.9左5.5m6.15~6.45 1.24淤泥质粉质粘土(1)3 DK976+186.9左5.5m9.15~9.45 1.13淤泥质粉质粘土(1)3 DK976+186.9左5.5m12.15~12.45 1.29淤泥质粉质粘土(1)5 DK976+186.9左5.5m17.65~17.95 0.13 粉质粘土(2)2 DK976+281右1.3m26.00~26.50 —— 砾砂(2)5 DK976+182右24.40~24.60 0.64 粉质粘土6.9m(2)5 DK976+182右6.9m25.40~25.60 0.87 粉质粘土(2)5 DK976+182右6.9m26.30~26.50 0.78 粉质粘土2）标贯成果数据：地层编号里程深度修正后锤击数备注(1)3 DK976+186.9左5.5m3.65~3.95 0.93淤泥质粉质粘土(1)3 DK976+186.9左5.5m6.65~6.95 1.73淤泥质粉质粘土(1)3 DK976+186.9左5.5m9.65~9.95 4.08淤泥质粉质粘土(1)3 DK976+186.9左5.5m12.65~12.95 2.32淤泥质粉质粘土(1)5 DK976+186.9左5.5m18.15~18.45 10.55 粉质粘土(2)2 DK976+281右1.3m25.45~25.75 19.6 细砂(2)4 DK976+186.9左5.5m22.15~22.45 15.4 中砂(2)4 DK976+281右1.3m22.90~23.20 23.10 中砂(2)5 DK976+186.9左5.5m24.15~24.45 4.9 粉质粘土(2)6 DK976+276.5右10.5m27.55~27.85 9.8 粉质粘土(4)2 粉砂岩3.2.4地层极限侧阻和端阻标准值确定地层承载力参数确定依据《建筑桩基技术规范》中有关土的物理指标与承载力参数之间的经验关系，砂层密实度采用标贯数据确定。
由于没有当地经验数据，计算结果有一定的误差。
按照勘察报告，DK976+186.9左5.5m钻孔处土工试验数据及标贯数据最接近施工处钢管桩承载力计算要求，故以此孔处数据为主要计算依据，其它附近位置钻孔处试验数据仅利用其作为补充参考。
1）(1)3层（0.96m~-11.75m）为淤泥质粉质粘土层，其液性指数均大于1，其极限侧阻标准值取值为：KPa q k s 0.213)1(=2）(1)5层（-11.75m~-14.90m ）为粉质粘土层，其液性指数为0.13，其极限侧阻标准值取值为：KPa q k s 3.8625.0/)8291(13.00.915)1(=−×−=3）(2)2层（-14.90m~-16.00m ）为细砂层，按照标贯资料修正后锤击数为19.6，按照《岩土工程勘察规范》确定其密实程度为中密状态。
按照《建筑桩基技术规范》其极限侧阻标准值取值为：KPa q k s 4.48)1530/()4263()156.19(422)2(=−−×−+=4）(2)4层（-16.00m~-18.30m ）为中砂层，按照标贯资料修正后锤击数为15.4，按照《岩土工程勘察规范》确定其密实程度为中密状态。
按照《建筑桩基技术规范》其极限侧阻标准值取值为：KPa q k s 6.42)1530/()4263()154.15(424)2(=−−×−+=由于桩入土深度介于16m~30m 之间，其极限端阻标准值取值为：KPa q k p 63004)2(=5）(2)5层（-18.30m~-19.70m ）为粉质粘土层，平均液性指数为0.76，其极限侧阻标准值取值为：KPa q k s 4.49)75.01/()3650()75.076.0(505)2(=−−×−−=由于桩入土深度介于16m~30m 之间，其极限端阻标准值取值为：KPa q k p 2350)75.01/()19002500()75.076.0(25005)2(=−−×−−=6）(4)2层（-19.70m~-30.70m ）为粉砂岩，其强度满足要求。
3.2.5钢管桩承载力试算与分析：1）假定钢管桩打入(2)5层底部，即钢管桩入土深度为20.66m ，其单桩竖向极限承载力标准值计算如下：p pk p i sik s pk sk uk A q )l (q u Q Q Q ××+×××=+=∑λλ桩端进入持力层深度1.4m 。
λs 取1.0。
373.00.16.04.116.0d h 16.0s s b p =××=××=λλ则单桩竖向极限承载力标准值计算为KN6.28504/6.014.32350373.04.494.16.423.24.481.13.8615.32171.126.014.30.1Q 2uk =×××+×+×+×+×+××××=）（安全系数取2。
单根钢管桩容许承载力计算为KN 3.142522850.6Q ==3.2.6上部荷载值计算 1）支撑体系承受静荷载计算（1）桥梁上构设计工程数量（见下表）：部位材料类型单位工程数量 备注 拱肋C55无收缩混凝土m3 430.2 此荷载不考虑钢材 t 227.77 拱脚C45混凝土m3 151.2 钢材及钢筋t 76.15 拱撑 钢材t 86.4 吊杆钢材及钢筋t 66.76 C45混凝土 m3 14.2 系梁C45钢筋混凝土m3 1981 钢筋 t 234.21 纵向预应力 钢绞线t 91.32 固定钢筋t 8.6 锚具 t 3.0（估） 横向预应力 钢绞线t 33.56 固定钢筋t 2.96 锚具t 5.4（估）其它附属 t20（2）上部结构静荷载标准值计算：按照设计图纸及工艺分析，拱肋安装完毕浇注拱内砼时，钢管拱已经可以承受砼产生的荷载，所以支撑体系承受荷载分析时可不考虑拱内砼产生的荷载。