【正文】 wall steel confferdam finite element analysis construction scheme 目 錄 第 1 章 緒論 1 國內(nèi)外現(xiàn)狀 1 工程背景 4 鋼圍堰施工工藝簡介 5 雙壁鋼圍堰受力分析 8 第 2 章 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計 ——結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 9 圍堰構(gòu)造 9 設(shè)計荷載 10 荷載種類 10 流水壓力 10 靜水壓力 10 波浪力 11 土壓力 11 計算工況 12 結(jié)構(gòu)設(shè)計 12 荷載組合 12 圍堰總體尺寸擬定 12 工況 1 設(shè)計 13 隔艙板尺寸 13 土壓力計算 14 每個隔艙板的抗彎能力計算 15 豎向隔艙鋼板工字型組合梁加勁肋布置 15 工況 2 設(shè)計 15 荷載計 算 15 隔艙板受力檢算 16 內(nèi)支撐受力檢算 17 水平環(huán)板受力檢算 18 水平桁架的斜桿受力計算 20 加勁肋受力驗算 21 面板折算應(yīng)力驗算 22 檢算懸臂根部應(yīng)力 22 檢算承臺澆筑完成后可否拆除內(nèi)支撐 24 圍堰整體抗浮驗算 25 圍堰下沉系數(shù)計算 25 計算圍堰自重 25 計算鋼圍堰所受浮力 26 計算圍堰與土體摩阻力 27 豎向抗浮力計算 27 鋼圍堰自重 27 豎向抗浮力計算 27 封底混凝土強(qiáng)度驗算 27 封底混凝土彎曲應(yīng)力驗算 27 封底混凝土抗浮力驗算 28 第 3 章 圍堰施工工藝 29 圍堰加工工藝 29 雙壁鋼圍堰的錨碇系統(tǒng)布置 30 錨型選擇 30 錨重計算 31 錨錠系統(tǒng)布置簡介 31 圍堰接 高 34 圍堰下沉工藝 34 封底混凝土施工 35 圍堰的封底厚度分析 35 封底混凝土施工工藝 36 圍堰封底 36 封底后抽水 37 第 4 章 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計 ——有限元分析方法 38 有限元分析方法簡介 38 圍堰有限元模型 39 單元類型 39 約束類型 42 荷載施加 42 計算結(jié)果 44 面板 44 應(yīng)力 44 變形 45 豎肋 46 應(yīng)力 46 變形 47 水平環(huán)板 48 水平桁架 49 內(nèi)支撐 49 結(jié)果比較與分析 50 第 5 章 結(jié)論 51 參考文獻(xiàn) 52 致謝 53 附錄 54 第 1 章 緒論 國內(nèi)外現(xiàn)狀 橋梁深水基礎(chǔ)的修建，關(guān)鍵是如何克服深水的影響。同時，雙壁鋼圍堰的使用方法有了新的變化，已不局限于先將雙壁鋼圍堰下沉就位封底混凝土，接著施工鉆孔樁，最后再抽水施工樁基承臺這一傳統(tǒng)施工工藝了?，F(xiàn)在的雙壁鋼圍堰的高度累計可達(dá) 25m，寬度可達(dá) 30m，甚至更多。橋梁基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰施工技術(shù)就是深水施工中的一種新技術(shù)。 二、基本要求 (1)論文中語言要通順、書寫要規(guī)范、結(jié)構(gòu)要合理； (2)畢業(yè)設(shè)計中 包括不少于 3000 字的外文翻譯 (與橋梁有關(guān) )； (3)繪制 A3 圖紙 3 張 (其中手工繪制不少于 1 張 )； (4)設(shè)計過程中嚴(yán)格按照規(guī)定時間獨立完成相關(guān)的設(shè)計任務(wù)； (5)其他未盡事宜請參照畢業(yè)設(shè)計有關(guān)要求； (6)本設(shè)計可以手算，也可以利用大型有限元軟件 (ansys、 midas 或橋梁博士 )進(jìn)行計算。 雙壁鋼圍堰施工技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢： (1)有強(qiáng)度更高的雙壁鋼殼，可受更大的圍堰內(nèi)外水位差； (2)施工時，在圍堰混凝土封底以前的工序簡單；抽水及渡洪均不受施工水位限制，任何季節(jié)都能施工； (3)雙壁鋼圍堰施工基本上不受墩位處水深的限制，若配合使用空氣幕下沉工藝，還可將圍堰下沉到更深的覆蓋層內(nèi)。 如位于美國加利福尼亞州的海峽大橋 (Carquinez StraitBridge)采用了在陸地上預(yù)先制作雙壁鋼圍堰，然后采用駁船浮運就位來施工橋墩基礎(chǔ)。 三 .論文的主要工作： (1)結(jié)合工程實際，根據(jù)有關(guān)規(guī)范規(guī)定，確定雙壁鋼圍堰的主要尺寸各施工工況荷載計算 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 (2)鋼圍堰面板、豎肋、環(huán)板、橫向桁架及封底混凝土設(shè)計，保證其強(qiáng)度、穩(wěn)定性方面的要求 (3)圍堰抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定性驗算及抗浮穩(wěn)定性驗算 (4)圍堰加工及下沉施工工藝 四 .論 文采用的方法手段： (1)查閱相關(guān)資料，依據(jù)有關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計運用結(jié)構(gòu)力學(xué)及相關(guān)知識對各施工工況下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行簡化計算 (2)運用 Midas 有限元軟件對雙壁鋼圍堰進(jìn)行精確計算 五 .預(yù)期達(dá)到的結(jié)果： (1)雙壁鋼圍堰設(shè)計任務(wù)書一份 (2)雙壁鋼圍堰總體布置圖 A3 圖紙一張及施工圖 3 張 (3)各節(jié)圍堰施工工藝一份 (4)不少于 3000 字與橋梁有關(guān)的外文翻譯 指導(dǎo)教師簽字 時 間 年 月 日 摘 要 近年來我國修建了不少跨越大江大河甚至跨越海灣的深水基礎(chǔ)，取得了很大的成績。然而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，解決深水施工的技術(shù)措施亦得到迅速地提高和發(fā)展。即雙壁鋼圍堰能在深水、厚覆蓋層的條件 下采用； (4)雙壁鋼圈堰完全下沉就位后，不僅可作為鉆孔樁基礎(chǔ)的施工輔助設(shè)施，也可作為大面積承載的直接基礎(chǔ)； (5)在同一座橋上，在不同地質(zhì)條件情況下，也可以用相同的施工方法修建深水基礎(chǔ)。 該結(jié)構(gòu)在承臺施工高水位差 (圍堰內(nèi)外設(shè)計水位差為 22m)的情況下為圓形結(jié)構(gòu)受力，這樣就充分發(fā)揮了圓形鋼圍堰結(jié)構(gòu)受力條件好的特點。圍堰易趨于穩(wěn)定，輔助措施少、費用低。有效縮短施工工期。 10 號墩圍堰采用平刃腳，圍堰高 ， 11 號墩圍堰采用高低刃腳，圍堰高 (～ )m，封底混凝土厚度為 9m。考慮到上避隋況，圍堰采用高低刃腳。使用的類型有兩種，一是我們國內(nèi)普遍采用的 即上述介紹的用鋼板圍焊的雙壁鋼圍堰，只是使用比較少而已；另一種是鋼板樁雙壁鋼圍堰，即將打入水中平行的兩列鋼板樁進(jìn)行橫向以及縱向連接和鎖定，并在兩層之間的間隙填人砂石或其他合適的材料就成了雙壁鋼圍堰。 深水基礎(chǔ)施工方案 主要取決于當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件。 圖 16 先成樁后施工鋼圍堰流程圖 本設(shè)計圍堰施工為分節(jié)下沉，雙壁鋼圍堰修建的施工程序為： (1)在拼船上拼裝底節(jié)鋼殼； (2)將拼船和導(dǎo)向船拖拽到墩位拋錨定位； (3)吊起底節(jié)鋼殼撤除拼裝船，將底節(jié)鋼殼吊放下水，漂浮在水中； (4)逐層 (焊接 )接高鋼殼，并向中空的鋼殼雙壁內(nèi)灌注素混凝土，使它下沉到河床定位； (5)在圍堰內(nèi)吸泥使它下沉，直到刃腳下沉到設(shè)計標(biāo)高； (6)潛水工下水將刃腳底空隙用墊塊填塞并清基； (7)在圍堰頂部安裝施工平臺，在底部安裝鉆孔鋼護(hù)筒； (8)灌注水下封底混凝土； (9)鉆孔嵌巖，在孔內(nèi)安裝 鋼筋籠，再在孔內(nèi)灌注水下混凝土； (10)圍堰內(nèi)抽水后灌注基礎(chǔ)混凝土，再修筑墩身。鋼圍堰的穩(wěn)定性包括抗滑、抗傾覆和抗浮穩(wěn)定性驗算。圍堰要為承臺和墩 (塔 )身施工創(chuàng)造無水作業(yè)條件；因此，圍堰的平面形狀應(yīng)與承臺相協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和 水密性應(yīng)與施工條件相適應(yīng)。當(dāng)下沉著床偏差較大時，還可減載上浮，重新著床。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。 圖 21 動水壓力示意圖 (單位： m) 靜水壓力 靜水壓力見圖 22。 結(jié)構(gòu)設(shè)計 荷載組合 工況一：主動土壓力 +被動土壓力。 圍堰分節(jié)： 4m+4m+5m+5m+(5 節(jié) ),圍堰分節(jié)見圖 24。 土體壓力合力值： ， ， 。 (2)工況 2 荷載 工況 2 荷載見圖 28。 圖 211 內(nèi)支撐反力結(jié)果 (單位： kN) 反力 ， ， 。 滿足要求。對于簡支梁 ；對于連續(xù)梁的正彎矩段可近似地取 ；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)； 2. 適用于梁的正彎矩圖為拋物線圖形， 適用于梁的負(fù)彎矩圖近似地取為三角形。 (2)求斜桿力 ， 斜桿采用角鋼 , ，則 。 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 )。 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。 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 。 ， ， 則 可。 分塊是 “鋼堰 ”制作的第一道工序，也是施工質(zhì)量的首道關(guān)口。常用的組拼方法有： (1)在墩位附近岸側(cè)設(shè)浮式拼裝平臺拼裝成節(jié)，起重船整節(jié)起吊就位； (2)在兩導(dǎo)向船間設(shè)浮式平臺，用導(dǎo)向船上的起重設(shè)備起吊塊體拼裝成節(jié)， 在導(dǎo)向船上設(shè)吊架吊起，退出浮式平臺下放就位； (3)在兩導(dǎo)向船間架設(shè)臨時拼裝平臺，用導(dǎo)向船上的起重設(shè)備起吊塊體拼裝成節(jié)，在導(dǎo)向船上設(shè)吊架吊起，拆除臨時拼裝平臺，下放就位； (4)在墩附近岸側(cè)修建簡易滑道，在滑道上拼裝成節(jié)后下滑人水，拖運至導(dǎo)向船組就位。組裝壁板、環(huán)板、水平桁架等構(gòu)件按由外壁逐漸組拼到內(nèi)壁的順序進(jìn)行組裝。一般情況下，如果水流是單流向的，可以只在上游設(shè)置定位船，并同時設(shè)置導(dǎo)向船；如果施工區(qū)域受潮汐等因素影響，水流速度、方向時而發(fā)生變化，應(yīng)同時在上下游設(shè)置定位船。確保施工期鋼圍堰的安全，是錨錠系統(tǒng)布 置的首要出發(fā)點和歸宿。其特點 :對各種土質(zhì) (淤泥、砂性土、礫石、粘性土 )均適合，但對巖石效果較差。 圖 31 黃石大橋 5 號墩錨錠系統(tǒng)布置 圖 32 是武漢軍山長江公路大橋 B 標(biāo)主墩施工錨纜系統(tǒng)的布置圖。根據(jù)承臺設(shè)計的幾何形狀， “鋼堰 ”按削角長方形 ( m，削角 )制作。還要根據(jù)水流與接高情況，及時安設(shè)下兜纜，控制 “鋼堰 ”的垂直度。 當(dāng) “鋼堰 ”著床范圍的覆蓋層較薄，其下的巖面高差在 以內(nèi)，著床時其覆蓋層可能被沖光，也可能殘留無幾，著床時 “鋼堰 ”的垂直度能保持在施工規(guī)范允許范圍，著床后稍作處理即可達(dá)到下沉的設(shè)計要求，及時采取拋石或石籠圍護(hù)，保證基腳穩(wěn)定，即可進(jìn)行封底工序。經(jīng)實踐，順利完成了著床下沉任務(wù)，創(chuàng)造了大巖面差、深水、大流速條件下，下沉異形刃腳“鋼堰 ”的施工范例。在確保封底混凝土強(qiáng)度和圍堰抗浮的前提下，應(yīng)盡量減小封底混凝土的厚度，降低工程投資。澆注施工的方法可以參考鉆孔灌注樁施工規(guī)范。隨著計 算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真分析產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 ⑤ 應(yīng)用邊界條件、初值條件和負(fù)荷。有時簡化方法并不一定正 確，由于有限元的理論比較復(fù)雜，而且有限元理論和工程結(jié)構(gòu)都是不斷發(fā)展和變化的，所以許多結(jié)構(gòu)行為和模擬方法要不斷去認(rèn)識和提高。圍堰全結(jié)構(gòu)有限單元計算分析模型建立的好壞會直接影響以后的分析計算，因此，在模型中必須完全反映結(jié)構(gòu)形狀、材料特性、荷載狀況、邊界條件等因素，單元的劃分要過渡平滑，避免病態(tài)問題的出現(xiàn)。 圖 41 鋼圍堰整體模型三維視圖 圖 42 面板模型三維視圖 圖 43 鋼圍堰豎肋三維視圖 圖 44 豎肋細(xì)部三維視圖 圖 45 水平環(huán)板三維視圖 圖 46 水平環(huán)板平面圖 圖 47 水平桁架三維視圖 圖 48 水平桁架平面圖 圖 49 內(nèi)支撐三維視圖 圖 410 內(nèi)支撐平面圖 約束類型 圍堰底由于受到土體各個方向的約束，故圍堰底建 立各個方向均約束的固結(jié)模型，圍堰固結(jié)模型見圖 411。 圖 416 外壁面板位移分析結(jié)果 圖 417 內(nèi)壁面板位移分析結(jié)果 外壁 面板最大位移為 ，內(nèi)壁面板最大位移 ，其位移基本符合要求，不會發(fā)生變形破壞，故面板安全。 水平桁架 水平桁架應(yīng)力分析結(jié)果見圖 424。 第 5 章 結(jié)論 綜上所述，就橋梁深水基礎(chǔ)雙壁鋼圍堰的設(shè)計得出如下一些結(jié)論： (1)雙壁鋼圍堰適合于橋梁深水基礎(chǔ)施工，我國已具有豐富的工程實踐經(jīng)驗。有限元軟件可以方便的對實際結(jié)構(gòu)建立模型并快速得出結(jié)果，但是應(yīng)用有限元軟件必須理解有限元分析的基本概念，否則有限元只是一個提供仿真的黑匣子，若不理解軟件所包含的內(nèi)容和一些程序中提供的選項內(nèi)涵，分析者將十分被動。 同組同學(xué)在資料的搜集和查尋上對論文工作給予了熱情幫助，在此，也向他們表示感謝。橋址處受海洋氣候和條件影響巨大，象風(fēng)、浪、水流、暴風(fēng)、霧和雨等，因此，施工時間 240 天用于下部結(jié)