
在广州的城市建设与市政工程中,拉森钢板桩作为一种高效、经济且可重复使用的支护结构材料,广泛应用于基坑支护、河道整治以及临时隔离围挡等场景。特别是在需要设置临时隔离围挡的施工现场,拉森钢板桩因其良好的抗弯性能和快速安装特性,成为首选方案之一。然而,在实际施工过程中,必须充分考虑风荷载对钢板桩围挡结构的影响,确保其在各种工况下的稳定性与安全性。因此,进行科学合理的风荷载计算与结构验算是保障施工安全的关键环节。
根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)的相关规定,作用于临时围挡结构上的风荷载标准值 $ w_k $ 可通过以下公式计算:
$$ w_k = \beta_z \cdot \mu_s \cdot \mu_z \cdot w_0 $$
其中:
以某市政工程为例,拟在广州市区设置一道高6米的拉森钢板桩临时隔离围挡,钢板桩型号为SP-IV型,长度9米,入土深度3米,桩间距按0.8米布置,顶部设通长钢围檩并辅以斜撑加固。围挡位于城市主干道旁,周边无高层建筑遮挡,属开阔地带,地面粗糙度类别为B类。
首先计算风荷载标准值。取阵风系数 $ \beta_z = 1.2 $,体型系数 $ \mu_s = 1.3 $,高度6m处的风压高度变化系数 $ \mu_z = 0.94 $,基本风压 $ w_0 = 0.50 \, \text{kN/m}^2 $,代入公式得:
$$ w_k = 1.2 \times 1.3 \times 0.94 \times 0.50 = 0.733 \, \text{kN/m}^2 $$
该风荷载将作为均布荷载施加于钢板桩迎风面。每根钢板桩承受的水平风力为:
$$ F_w = w_k \times h \times s = 0.733 \times 6 \times 0.8 = 3.52 \, \text{kN} $$
其中 $ h $ 为围挡高度,$ s $ 为桩间距。
接下来需对单根拉森钢板桩进行受力分析与稳定性验算。将钢板桩视为竖向悬臂梁,上部自由,下部嵌固于土中。风荷载以均布荷载形式作用于桩身,最大弯矩出现在地面处(即土面位置)。计算得地面处弯矩为:
$$ M_{\max} = \frac{1}{2} \times w_k \times s \times h^2 = \frac{1}{2} \times 0.733 \times 0.8 \times 6^2 = 10.56 \, \text{kN·m} $$
SP-IV型拉森钢板桩的截面模量 $ W = 2040 \, \text{cm}^3 = 2.04 \times 10^{-3} \, \text{m}^3 $,钢材设计强度 $ f = 215 \, \text{MPa} = 215 \times 10^3 \, \text{kN/m}^2 $,则其抗弯承载力为:
$$ M_u = f \times W = 215 \times 10^3 \times 2.04 \times 10^{-3} = 438.6 \, \text{kN·m} $$
显然,$ M_{\max} = 10.56 \, \text{kN·m} \ll M_u $,满足抗弯要求。
此外,还需验算钢板桩的抗倾覆稳定性。将钢板桩及其后方土体视为整体,风荷载产生倾覆力矩,由桩前被动土压力和桩身嵌固段提供抗倾覆力矩。广州地区典型地质条件为粉质黏土,内摩擦角 $ \phi = 20^\circ $,黏聚力 $ c = 20 \, \text{kPa} $,重度 $ \gamma = 18 \, \text{kN/m}^3 $。
根据朗肯土压力理论,被动土压力系数:
$$ K_p = \tan^2(45^\circ + \phi/2) = \tan^2(55^\circ) \approx 2.04 $$
桩前3米深度内的被动土压力合力近似为:
$$ P_p = \frac{1}{2} \gamma h^2 K_p + 2c h \sqrt{K_p} = \frac{1}{2} \times 18 \times 3^2 \times 2.04 + 2 \times 20 \times 3 \times \sqrt{2.04} \approx 496.6 \, \text{kN/m} $$
考虑作用点位于底部1/3高度处,抗倾覆力臂约为1米,则单位宽度抗倾覆力矩约为496.6 kN·m/m。而风荷载产生的倾覆力矩为:
$$ M_{\text{倾}} = F_w \times \frac{h}{2} = 3.52 \times 3 = 10.56 \, \text{kN·m} $$
折算至单位宽度(0.8m),倾覆力矩为 $ 10.56 / 0.8 = 13.2 \, \text{kN·m/m} $,远小于抗倾覆力矩,安全系数大于30,满足稳定要求。
综上所述,在广州地区设置拉森钢板桩临时隔离围挡时,尽管风荷载是不可忽视的水平外力,但通过合理选型、规范计算与构造措施(如设置斜撑、加强连接节点等),结构整体具备足够的强度与稳定性。建议在施工期间定期检查围挡状态,尤其在台风季节加强监测与维护,确保临时设施的安全可靠。同时,应结合现场地质条件与周边环境动态调整设计方案,实现安全、经济与高效的统一。
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