【正文】 元通過節(jié)點聯(lián)系起來，不存在線或面的連接。 ④ 構(gòu)造總體剛度矩陣。這部分內(nèi)容會有許多的求解選擇，一種不恰當選擇會導致不正確的結(jié)果。最好是對要分析的結(jié)構(gòu)在荷載作用下的結(jié)構(gòu)行為有一個比較清楚地認識，再去做假定。在模型建立的初期，模型的單元劃分可能存在不合理之處，甚至出現(xiàn)大量的畸形單元 。 圍堰有限元模型 本文對雙壁鋼圍堰進行了結(jié)構(gòu)上的具體設計 ,在橋梁結(jié)構(gòu)有限單元計算分析的模型化原則基礎上 ,詳細闡明了圍堰結(jié)構(gòu)有限單元計算分析數(shù)學模型的建立過程。 鋼圍堰整體模型三維視圖見圖 41，面板模型三維視圖見 42。 內(nèi)支撐三維視圖見圖 49，內(nèi)支撐平面圖見圖 410。 內(nèi)壁豎肋線荷載見圖 413。 變形 外壁面板位移分析結(jié)果見圖 416，內(nèi)壁面板位移分析結(jié)果見圖 417。 圖 420 外壁豎肋位移分析結(jié)果 圖 421 內(nèi)壁豎肋位移分析結(jié)果 內(nèi)外壁豎肋與面板共同受力，故其位移基本相同，所以豎肋位移也是基本符合要求了。同時環(huán)板折角處應力集中時大應力的主要來源。 圖 425 內(nèi)支撐應力分析結(jié)果 滿足要求。從前面的各構(gòu)件應力及變形分析說明，本設計中圍堰時安全的，強度和穩(wěn)定性均符合要求。 (2)在考慮自重、水流力，風荷載及漂浮物對圍堰的撞擊力等外力的基礎上，應對圍堰的抗滑移、抗傾覆和抗浮穩(wěn)定性進行驗算 。 (4)本設計除采用簡化的手算方法外，運用了 MIDAS 有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進行整體建模，并對有限元計算結(jié)果與手算結(jié)果進行對比分析。當然設計的完成與指導老師的辛勤工作以及同學們的熱心幫助是分不開的。在此，謹向張老師致以最衷心的感謝 ! 另外，在本次畢業(yè)設計中，牛潤明老師教我們學會了 軟件的使用，不僅加快了畢業(yè)設計的進度，更重要的是學會以中軟件將對我們未來無論是工作和學習將大有裨益。東海大橋起于上海蘆潮港跨越大海與洋山港連接，工程規(guī)模決定了東海大橋有以下特點：施工環(huán)境惡劣，技術難度高，工期緊。 關鍵詞：東海大橋 非航道跨 打入鋼管樁 預制橋墩 全跨預制 斜拉橋 組 合箱梁 工程概要 施工條件 大橋位于超過 130mm 厚第四紀松散地層，有 26 公里海水深度達 10—20m，橋址處水流流速約為 ～ ，最大浪高為百年一遇的 ，最大風速 。設計者們制定了保證海上安全有效施工方案和技術。 最后，向所有在學習、生活上給予我關心和幫助的各位老師和同學表示深深的謝意。三個多月來，張老師不僅在設計工作上對我大力幫助，生活上也非常關心、照顧。也就是說，學會使用軟件本身固然重要，同時要求分析者重視對有限元概念的理解。 (3)在確定圍堰封底混凝土厚度時，既要考慮強度要求，也要滿足抗浮穩(wěn)定性。在圍堰構(gòu)造設計時，要與基礎承臺的構(gòu)造相協(xié)調(diào)，避免尺寸過大。 結(jié)果比較與分析 手算的方法是簡化受力模式，采用結(jié)構(gòu)力學的方法進行計算，其優(yōu)點是方法簡便，但僅僅將某一構(gòu)件單獨隔離出來計算，不考慮與其余構(gòu)件的關系，更不考慮整體的影響。 圖 424 水平桁架應力分析結(jié)果 水平桁架應力基本符合要 求，大部分桿件居于 200MPa以下，但在桁架節(jié)點處產(chǎn)生應力集中，應力較大。 圖 422 外壁環(huán)板應力分析結(jié)果 圖 423 內(nèi)壁環(huán)板應力分析結(jié)果 水平環(huán)板計算結(jié)果 。 豎肋 應力 外壁豎肋應力分析結(jié)果見圖 418，內(nèi)壁豎肋應力分析結(jié)果見圖 419。 圖 414 外壁面板應力分析結(jié)果 圖 415 內(nèi)壁面板應力分 析結(jié)果 手算面板 ，符合要求。 圖 411 圍堰底固結(jié)模型 荷載施加 圍堰的 控制性工況為工況 2，故模型中荷載為工況 2 的荷載， 由于面板豎肋間距較小，僅為 ，故水壓力簡化成豎肋上的線荷載。 水平環(huán)板三維視圖見圖 45，水平環(huán)板平面圖見圖 46。此外，在分析計算過程中，將進一步優(yōu)化模型，這是組合有限單元計算分析中的一個重要環(huán)節(jié)。這就需要在分析計算過程中，不斷地修改優(yōu)化模型，并且要在不失精度的前提下，減少單元的數(shù)量。 如果計算結(jié)果和平時經(jīng)驗的差別比較大，要仔細分析結(jié)構(gòu)在不同荷載下的行為，找到計算結(jié)果和平時經(jīng)驗的差別究竟在哪，時模型有問題，還是對復雜結(jié)構(gòu)的行為認識還不夠。 結(jié)構(gòu)分析的最終目的是使用最簡單的方法得到最精確的結(jié)果，因此分析者就要預見和評價簡化后的結(jié)果。 (2)求解階段 求解線性或非線性微分方程組，以得到節(jié)點的值，例如得到不同節(jié)點的位移。 ② 假設代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設代表單元解得近似連續(xù)函數(shù)。 有限元法是用于求解工程中各類問題的數(shù)值方法。如果有漏水或者變形的地方，應注意暫停抽水，待處理完畢并觀察不再變形及漏水以 后再繼續(xù)抽水。需要特別注意的是，由于圍堰底部比鉆孔樁要大，因此第一盤封管混凝土特別重要。 封底混凝土主要作用是為了保證圍堰抽水后的安全、不透水，因此按照設計要求，封底混凝土的厚度不小于 2m，本設計封底混凝土厚度為 3m。 封底混凝土施工工藝 圍堰封底 對鋼圍堰水下大面積封底混凝土灌注工序，采用混凝土攪拌站集中拌和，混凝土罐車運輸至施工現(xiàn)場，混凝土泵車輸送進人導管漏斗的施工方法。如工程樁作用于封底混凝土的抗浮作用 。 封底混凝土施工 圍堰的封底厚度分析 封底混凝土厚度主要由兩個因素決定 :(1)鋼圍堰封底排水后，封底混凝土底面上受到向 上作用的水壓力 Pw，封底混凝土猶如一種周邊支承的板結(jié)構(gòu)，在 Pw 的作用下，其厚度要保證板有足夠的強度以抵擋向上的水壓力而不破壞。這一方案的優(yōu)點是直觀，下沉著床易于控制，難點是深水清除砂礫層難度大、功效低，貽誤長江枯水黃金季節(jié)的可能性甚大，加之該河段是滑坡的敏感區(qū)， 5 號墩位又臨近岸邊 100 余米，水下挖砂和爆破有損江堤的安全，未予采用。武漢軍山長江公路大橋 6 號主墩 “鋼堰 ”施工就是這一情況的實例。 外部助沉措施有：當采用簡易的助沉措施計算的下沉系數(shù)與規(guī)范要求相差不大時，可以采取射水助沉或 “鋼堰 ”上部堆放型鋼、鋼錠之類；當下沉系數(shù)的計算相差甚大時，可以考慮空氣幕或泥漿套助沉。 圍堰下沉工藝 “鋼堰 ”的著床與下沉是極其重要的施工環(huán)節(jié)，必須在施工組織設計中對不同地質(zhì)條件進行穩(wěn)定與下沉系數(shù)的驗算，并據(jù)以采取相應的預挖措施，以免貽誤工期。接高的方法有； (1)利用起重船將成節(jié) “鋼堰 ”吊人接高； (2)以首節(jié)為拼裝平臺、利用導向船上的起重設備將分塊吊人組拼接高； (3)以首節(jié)為拼裝平臺，現(xiàn)場拼焊成節(jié)接高。如果在 “鋼堰 ”兩側(cè)設導向船組，其船長應在 70m以上，按此船長，其船寬均大于 15m，則導向船組的外側(cè)寬度將達 60m，不僅增大了主錨纜阻力，更主要的是影響了施工期航道的暢通。 圖 32 武漢軍山長江大橋 B 標主墩錨錠系統(tǒng)布置圖 (2)雙向流速的錨纜系統(tǒng)布置 在江河出海區(qū)或受潮汐影響較大的河段，其流速、流向在漲落潮期間將發(fā)生大小、方向的變化。該橋址位于武漢長江大橋上游 50 余 km，該河段河道順直，主墩中距 460m,航道較寬， “鋼堰 ”下沉處覆蓋層較薄 (3～4m)，基巖表面平整 (巖面高差 20～ 30cm)。 錨錠系統(tǒng)布置簡介 (1)單向流的錨碇系統(tǒng)布置 圖 31 時長江黃石長江公路大橋 5 號墩 “鋼堰 ”錨錠系統(tǒng)布置圖。這種錨安放與起錨必須用起重船完成，其重量隨起吊沉放能力而定。 霍爾錨屬于無干錨，又稱山字錨，錨頭與兩個錨爪為整體鑄件，由錨桿穿過錨頭以小軸和橫銷連接，錨爪與錨桿可以轉(zhuǎn)動，抓力約為錨重的 ～ 4 倍，錨的拋起方便，易于收存。 錨型選擇 橋梁工程施工所用的錨型，常用航運部門的鑄鐵錨 (海軍錨、霍爾錨 )或鋼筋硅蛙 式錨。如果上下游均設景定位船，可以不設導向船，但需在圍堰左右兩側(cè)設置邊錨以保持圍堰的穩(wěn)定與平衡。定位船的作用是抵抗圍堰所承受的水流力，導向船的作用則是用來穩(wěn)定和調(diào)整鋼圍堰。雙壁鋼圍堰分塊加工完成后，按拼裝順序編號，并依次先后運至試拼場進行出廠前的試拼，試拼廠設在施工臨時碼頭附近。 (4)焊接加工。 (2)鋼圍堰下料。 本設計鋼圍堰的制作流程如下： (1)胎架設置。運輸堆放時，要存放均勻，綁扎牢固，確保運輸過程的安全。為使塊體幾何尺寸準確和具有互換性，應在特制的胎架上進行組裝。 (3)安全系數(shù) ，滿足要求。 (由于本結(jié)構(gòu)為臨時結(jié)構(gòu)，故混凝土容許彎拉應力應取 的安全系數(shù) )。 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。 (2)圍堰所受浮力計算 在水中圍堰體積： ， 則水浮力： 。 (4)橫撐重 隔艙板有 8 個，豎向隔艙板重 ， 內(nèi)支撐重 。 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 。 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。 荷載組合見圖 217。 圖 216 面板參與角鋼受力有效寬度 (單位： mm) 壁板 ， 。 水平桁架桿件本身無受力問題。 圖 214 面板參與環(huán)板受力有效寬度 (單位： mm) ， 則 可。 圖 212 面板有效寬度示意圖 (2)對于連續(xù)梁中負彎矩段或懸臂段，面板的有效寬度應按下式取用： (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 。 則 。 yy 軸方向由于有兩點支撐， ， 查得 ， 則 可。 可。 其中 R R2 分別表示第一層、第二層支撐的內(nèi)力。 則隔艙板所受彎矩 。 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力 (風荷載與波浪力不同時考慮 )。 工況 2 設計 荷載計算 (1)計算風荷載 風荷載公式： (21) 式中， K1——體形系數(shù)； K2——高度變化系數(shù)； K3——條件系數(shù)； W0——風壓值 (Pa)， ； 計算 。 對圍堰下層支撐點求矩： 主動力矩： ， 被動力矩： 。 圖 26 隔艙板尺寸 (單位： mm) 截面特性： ， ， 。 平面分塊：平面上由 隔艙板分為 8 塊，圍堰平面分塊見圖 25。 圍堰內(nèi)壁長 B1=10+2(H/50+)+2=10+2+=13m,取 B1=13m。 工況二：靜水壓力 +流水壓力 +波浪 力 +風力。 被動土壓力系數(shù)： 。 圖 22 靜水壓力示意圖 (單位： m) 波浪力 波浪力作用高度取 ，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。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。圍堰豎向總高 ，考慮到浪高最大為 ，圍堰高出水面部分為 2m，圍堰豎向分為 5 節(jié) (+5m+5m+4m+4m)，井壁底部設置刃腳有利于切土下沉。當滿足施工要求時，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。 鋼圍堰高度的設計主要決定于施工區(qū)域的水深和圍堰嵌入土層的厚度。 大型深水雙璧鋼圍堰是焊接鋼結(jié)構(gòu)，設計時要盡量發(fā)揮材料的承載能力，使圍堰造價降到最低。實際工程中雙壁鋼圍堰在平面上較多設計成圓形，一部分也設計成其他形狀，如矩形、扇形及各種多邊形等。否則，應謹慎考慮。當驗算圍堰的穩(wěn)定性時，如果底面位于水中或透水性地基上，應考慮設計水位的浮力。鋼圍堰受力的主要計算荷載有水流力、風荷載、船舶撞擊力、施工 荷載等，在冰凍地區(qū)還包括冰壓力。 雙壁鋼圍堰受力分析 所有圍堰構(gòu)件均采用 Q235 鋼材，鋼圍堰在下沉到位后，承受靜水壓力和流水壓力，入土部分外壁板承受主動土壓力，內(nèi) 壁板承受被動土壓力，圍堰超出水面部分會承受可能的波浪力和風力，風力采用規(guī)范中標準值進行計算，波浪高取 ，波浪力水壓采用均布。 圖 15 先下鋼圍堰后施工鉆孔樁方案流程圖 (2)先成樁后施工鋼圍堰方案 先成樁后施工鋼圍堰具有以下優(yōu)點： ① 施工快，從施工鉆孔平臺鋼管樁、架設平臺至開鉆時間短； ② 可降低鋼圍堰高度，節(jié)省工期，降低造價；減少雙壁鋼圍堰夾壁混凝土量； ③ 避免巖面高 低不平時，鋼圍堰不規(guī)律的高低刃腳著巖難度； ④ 清除鉆渣難度減少； ⑤ 封底混凝土量可減少。從施工方面看，鉆孔灌注樁基礎的施工有分為先下鋼圍堰后成樁和先成樁后下鋼圍堰兩種施工方案。 工程背景