【正文】 技術(shù)和經(jīng)濟綜合比較，從而選定最佳結(jié)構(gòu)形式。大型深水雙璧鋼圍堰是焊接鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)計時要盡量發(fā)揮材料的承載能力，使圍堰造價降到最低。圍堰內(nèi)外壁之間的空間，應(yīng)通過設(shè)置若干隔板，組成相互封閉的隔艙。這樣，在圍堰施工下沉?xí)r可以采取充水、填砂或灌注混凝土等措施，分艙加載，維持其平衡或助沉。當(dāng)下沉著床偏差較大時，還可減載上浮，重新著床。鋼圍堰高度的設(shè)計主要決定于施工區(qū)域的水深和圍堰嵌入土層的厚度?！?。圍堰頂面標(biāo)高過高，會造成費用增加并可能導(dǎo)致樁基礎(chǔ)施工困難。圍堰的底高程應(yīng)按基礎(chǔ)受力要求和施工期穩(wěn)定等要求來確定。當(dāng)滿足施工要求時，可以在確保圍堰穩(wěn)定、具有足夠的豎向和橫向承載能力、能保證合理的封底厚度等條件下，盡可能提高其底高程。本設(shè)計中深水承臺尺寸為，圍堰平面形狀為正方形，外壁尺寸為，內(nèi)壁尺寸為，內(nèi)外壁板均為6mm，壁腔厚。圍堰本身實際上是個浮式鋼沉井，井壁鋼殼是由有加勁肋的內(nèi)外壁板和若干層水平鋼桁架組成，中空的井壁提供的浮力可使圍堰在水中自浮，使雙壁鋼圍堰在自浮狀態(tài)下分層接高下沉。圍堰內(nèi)外壁間設(shè)置8個隔艙板，在平面上將圍堰分為8塊，隔艙板將圍堰分為8個互不連通的密封隔艙，利用向隔艙不等高灌水來控制雙鋼圍堰下沉及調(diào)整下沉?xí)r的傾斜。，圍堰高出水面部分為2m，圍堰豎向分為5節(jié)(+5m+5m+4m+4m)，井壁底部設(shè)置刃腳有利于切土下沉。由于水深較大，為了保證圍堰的整體剛度和穩(wěn)定，在圍堰內(nèi)部設(shè)置兩層截面形式為工字型內(nèi)支撐。由于刃腳承受土壓力及水壓力較大，故刃腳段適當(dāng)加密水平桁架的豎向間距()，其余部分水平桁架豎向間距為1m。面板豎向加勁肋采用角鋼，角鋼與面板共同承受外荷載。水平環(huán)板采用鋼板，鋼板也與面板共同承受外荷載，同時在進行受力計算時，環(huán)板與參與受力面板作為桁架的弦桿進行受力計算。 設(shè)計荷載 荷載種類 流水壓力，動水側(cè)壓力,，則動水壓強。動水壓力見圖21。圖21 動水壓力示意圖(單位：m) 靜水壓力靜水壓力見圖22。圖22 靜水壓力示意圖(單位：m) 波浪力，波浪力為作用于高出水面圍堰壁板的均布荷載，其大小為，波浪力見圖23。圖23 波浪力示意圖(單位：m) 土壓力河底為密實細(xì)砂：飽和土容重：。摩擦角：。主動土壓力系數(shù)：。被動土壓力系數(shù)：。 計算工況工況一：雙壁鋼圍堰壁腔在水下封底混凝土未灌注前。工況二：雙壁鋼圍堰壁腔在水下封底混凝土灌注完畢后。 結(jié)構(gòu)設(shè)計 荷載組合工況一：主動土壓力+被動土壓力。工況二：靜水壓力+流水壓力+波浪力+風(fēng)力。 圍堰總體尺寸擬定承臺尺寸10103，圍堰高H=。內(nèi)外壁板均為6mm厚。圍堰施工誤差為H/50+=，且H/50=,。圍堰內(nèi)壁長B1=10+2(H/50+)+2=10+2+=13m,取B1=13m。外壁邊長B2=13+2=。圍堰分節(jié)：4m+4m+5m+5m+(5節(jié)),圍堰分節(jié)見圖24。平面分塊：平面上由隔艙板分為8塊，圍堰平面分塊見圖25。圖24 圍堰豎向分節(jié)(單位：m)圖25 圍堰平面分塊(單位：mm) 工況1設(shè)計雙壁鋼圍堰壁腔()水下封底混凝土未灌注前(不抽水)堰內(nèi)泥土清理到封底混凝土底時驗算。在工況一，圍堰內(nèi)外均有水壓且水壓基本相同，無需驗算圍堰各構(gòu)件受力，僅需計算入土部分在土壓力作用下的隔艙板受力檢算。 隔艙板尺寸隔艙板尺寸見圖26。圖26 隔艙板尺寸(單位：mm)截面特性：。 土壓力計算土壓力形式見圖27。圖27 土壓力(單位：m)各部分土壓力值：。土體壓力合力值：。對圍堰下層支撐點求矩：主動力矩：，被動力矩：。 每個隔艙板的抗彎能力計算設(shè)計中隔艙板將圍堰平面上分為8塊，圍堰每個邊長被兩個隔艙板均分成3塊，將面板上的承受的均布荷載向隔艙板上簡化成線荷載：則每個隔艙受到彎矩。則滿足要求。 豎向隔艙鋼板工字型組合梁加勁肋布置，由于隔艙板上下翼緣均與圍堰面板焊接，其扭轉(zhuǎn)受到約束，根據(jù)橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，當(dāng)時，不需要配置縱向加勁肋，按構(gòu)造配置橫向加勁肋。 工況2設(shè)計 荷載計算(1)計算風(fēng)荷載風(fēng)荷載公式： (21)式中，K1——體形系數(shù)；K2——高度變化系數(shù)；K3——條件系數(shù)；W0——風(fēng)壓值(Pa)，；計算。由公式(21)得。風(fēng)荷載遠(yuǎn)小于波浪力可忽略不計。(2)工況2荷載工況2荷載見圖28。圖28 工況2荷載圖示(單位：mm) 隔艙板受力檢算工況2隔艙板受力檢算即雙壁鋼圍堰壁腔在水下封底混凝土灌注完畢后澆筑承臺前驗算此種情況下豎向隔艙工字鋼組合梁上下翼緣應(yīng)力(風(fēng)荷載與波浪力不同時考慮)。(1)受力模式受力模式見圖29。圖29 隔艙板受力模式(單位：kPa)(2)計算隔艙板所受內(nèi)力利用MIDAS，彎矩計算結(jié)果見圖210。圖210 隔艙板內(nèi)力圖(單位：kNm)單寬。則隔艙板所受彎矩。, 可。 內(nèi)支撐受力檢算內(nèi)支撐反力即圖29受力模式，支座反力計算結(jié)果見圖211。圖211 內(nèi)支撐反力結(jié)果(單位：kN)反力。其中RR2分別表示第一層、第二層支撐的內(nèi)力。第二層支撐的受力最大(單寬)。選用Q235 400400H型鋼。截面特性：。 可。在xx軸方向，由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范附錄三(b類)。，查得。 滿足要求。yy軸方向由于有兩點支撐，查得，則 可。 水平環(huán)板受力檢算鋼圍堰設(shè)計為五節(jié)：+5m+5m+4m+4m，第一節(jié)為4m，第5節(jié)平面桁架間距均為1m。水平桁架環(huán)板為10mm200mm。，桁架的計算跨度取兩隔艙板間距，取水深14m處水壓力，p=140kN/m2。則。水平桁架的軸向拉壓力為(拉壓力)，按《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》，計算與環(huán)板共同作用的壁板截面?！端姽こ啼撻l門設(shè)計規(guī)范》：(1)面板兼作主(次)梁翼緣的有效寬度B,對于簡支梁或連續(xù)梁中正彎矩段，可按下列公式計算，取其中較小值： (22)(Q235鋼) (23)(16錳鋼) (24)式中，主次梁的間距，；有效寬度系數(shù)，按表21采用；面板寬度；梁肋寬度，當(dāng)梁上另有翼緣時為上翼緣寬度；表21 面板有效寬度系數(shù)1345681020注：。對于簡支梁；對于連續(xù)梁的正彎矩段可近似地??；對于其負(fù)彎矩段可近似地取，其中為主次梁的跨度(見圖212)；，適用于梁的負(fù)彎矩圖近似地取為三角形。圖212 面板有效寬度示意圖(2)對于連續(xù)梁中負(fù)彎矩段或懸臂段，面板的有效寬度應(yīng)按下式取用： (25)有效寬度系數(shù)，按表21采用；面板與環(huán)板焊接，屬連續(xù)梁形式，故有效跨度取。圍堰壁板構(gòu)造見圖213。圖213 圍堰壁板圖示(單位：mm)由(23)得，查得。由(22)，取較小值，見圖214。圖214 面板參與環(huán)板受力有效寬度(單位：mm)，則 可。 水平桁架的斜桿受力計算水平桁架平面如圖215所示。圖215 水平桁架(單位：m)(1)計算桁架節(jié)點上的荷載力。(2)求斜桿力，斜桿采用角鋼,，則。水平桁架桿件本身無受力問題。(3)焊縫長度計算角鋼厚度t=5mm，，取，，則，取，取，，滿足要求。 加勁肋受力驗算(1)計算封底混凝土面以上外壁水壓力。(2)加勁肋受力驗算，采用角鋼，則，由公式(22)，取較小值，見圖216。圖216 面板參與角鋼受力有效寬度(單位：mm)壁板。對，，，，則 可。 面板折算應(yīng)力驗算外壁最大水壓，面板邊長比，且長邊垂直于主梁軸線方向時，，， (滿足要求)。 檢算懸臂根部應(yīng)力(1)荷載組合檢算懸臂根部應(yīng)力屬工況二，故荷載組合為：靜水壓力+流水壓力+波浪力(風(fēng)荷載忽略不計)。荷載組合見圖217。圖217 荷載組合(單位：m)(2)受力模式受力模式見圖218。圖218 懸臂部分受力模式(單位：kPa)(3)計算結(jié)果計算結(jié)果見圖219。圖219 彎矩圖(單位：kNm)計算得懸臂根部單寬彎矩，則總彎矩， 檢算承臺澆筑完成后可否拆除內(nèi)支撐(1)荷載組合荷載組合見圖220。圖220 拆除第二層支撐后荷載組合(單位：m)(2)受力模式拆除第二層內(nèi)支撐后受力模式見圖221。圖221 拆除第二層支撐后受力模式(單位：kPa)(3)受力結(jié)果彎矩圖見圖222。圖222 彎矩內(nèi)力圖(單位：kNm)支反力見圖223。圖223 支反力(單位：kN)，拆除下支撐后隔艙板承受總彎矩：，不滿足故不能拆除下支撐。 圍堰整體抗浮驗算 圍堰下沉系數(shù)計算 計算圍堰自重鋼材容重，圍堰高。(1)計算壁板自重外壁板自重，內(nèi)壁板自重，平面桁架共26層。(2)計算環(huán)板重。(3)計算水平桁架重每層桁架共有角鋼28個，平面桁架重。(4)橫撐重隔艙板有8個，豎向隔艙板重，內(nèi)支撐重。(5)計算豎肋重量，平面上豎肋共有個，角鋼密度為，外壁豎肋重量為， m，平面上豎肋共有個，則內(nèi)壁豎肋重量為，則鋼圍堰自重為。圖224 首節(jié)圍堰立面圖(單位：m) 計算鋼圍堰所受浮力(1)圍堰各部分體積計算刃腳體積： 刃腳見圖224。刃腳以上高度，圍堰隔艙體積：，圍堰隔艙總體積：，圍堰隔艙內(nèi)填筑素混凝土，填到頂面為止，素混凝土，則素混凝土重。(2)圍堰所受浮力計算在水中圍堰體積：，則水浮力：。 計算圍堰與土體摩阻力圍堰壁內(nèi)外在土中沉降時所受到的摩阻力：砂性土摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值取15kPa，外壁：，內(nèi)壁：，式中U表示周長。鋼刃腳斜面的正面阻力：(地質(zhì)資料提供值乘以2，50為端阻力)，圍堰下沉系數(shù)。 豎向抗浮力計算 鋼圍堰自重鋼圍堰自重(包括隔艙內(nèi)素混凝土重量)，封底混凝土自重。 豎向抗浮力計算抽水后鋼圍堰受到的浮力為：，安全系數(shù)圍堰整體穩(wěn)定性滿足要求。 封底混凝土強度驗算采用C30水下封底混凝土封底，高度3m,混凝土在圍堰形成支點反力的情況下，承受圍堰抽水后產(chǎn)生的上浮力，封底混凝土底承受水壓面積，最大水頭差按計算。 封底混凝土彎曲應(yīng)力驗算取1m寬封底混凝土計算：，按簡支近似計算，跨度。，則可。(由于本結(jié)構(gòu)為臨時結(jié)構(gòu)，)。