【文章內(nèi)容簡介】 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(shí)際上是個(gè)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(gè)隔艙板，在平面上將圍堰分為 8 塊，隔艙板將圍堰分為 8 個(gè)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(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(shí)在進(jìn)行受力計(jì)算時(shí)，環(huán)板與參與受力面板作為桁架的弦桿進(jìn)行受力計(jì)算。 設(shè)計(jì)荷載 荷載種類 流水壓力 水流流速 ，動(dòng)水側(cè)壓力 , ， 則動(dòng)水壓強(qiáng) 。 動(dòng)水壓力見圖 21。 圖 21 動(dòng)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。 圖 23 波浪力示意圖 (單位： m) 土壓力 河底為密實(shí)細(xì)砂： 飽和土容重： 。 摩擦角： 。 主動(dòng)土壓力系數(shù)： 。 被動(dòng)土壓力系數(shù)： 。 計(jì)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(jì) 荷載組合 工況一：主動(dòng)土壓力 +被動(dòng)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(tái)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=,立模作業(yè)寬度 。 圍堰內(nèi)壁長 B1=10+2(H/50+)+2=10+2+=13m,取 B1=13m。 鋼圍堰隔艙厚擬為 。 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(jì) 雙壁鋼圍堰壁腔 (隔艙厚 )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(shí)驗(yàn)算。 在工況一，圍堰內(nèi)外均有水壓且水壓基本相同，無需驗(yàn)算圍堰各構(gòu)件受力，僅需計(jì)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(jì)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(diǎn)求矩： 主動(dòng)力矩： ， 被動(dòng)力矩： 。 每個(gè)隔艙板的抗彎能力計(jì)算 設(shè)計(jì)中隔艙板將圍堰平面上分為 8 塊，圍堰每個(gè)邊長被兩個(gè)隔艙板均分成 3 塊，兩個(gè)隔艙板間距為 ，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(gè)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(jì)規(guī)范，當(dāng)時(shí)，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(jì) 荷載計(jì)算 (1)計(jì)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(jì)算 。 由公式 (21)得 。 風(fēng)荷載遠(yuǎn)小于波浪力可忽略不計(jì)。 (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(tái)前驗(yàn)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(shí)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(jì)算隔艙板所受內(nèi)力 利用 MIDAS，彎矩計(jì)算結(jié)果見圖 210。 圖 210 隔艙板內(nèi)力圖 (單位： kN?m) 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(jì)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 R R2 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(jì)規(guī)范附錄三 (b 類 )。 ，查得 。 滿足要求。 yy 軸方向由于有兩點(diǎn)支撐， ， 查得 ， 則 可。 水平環(huán)板受力檢算 鋼圍堰設(shè)計(jì)為五節(jié)： +5m+5m+4m+4m，第 一節(jié)為 4m，平面桁架豎向間距為 ，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(jì)算跨度取兩隔艙板間距，為 ，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(jì)規(guī)范》，計(jì)算與環(huán)板共同作用的壁板截面。 《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》 面板參與梁系有效寬度計(jì)算： (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(jì)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(shí)為上翼緣寬度； 表 21 面板有效寬度系數(shù) 1 3 4 5 6 8 10 20 注： 1. 為主次梁彎矩零點(diǎn)之間的距離。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。 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(jì)算 水平桁架平面如圖 215 所示。 圖 215 水平桁架 (單位： m) (1)計(jì)算桁架節(jié)點(diǎn)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(jì)算 角鋼厚度 t=5mm， ， ，取 ， ， ， 則 ， 取 ， ， 取 ， ， ， 滿足要求。 加勁肋受力驗(yàn)算 (1)計(jì)算封底混凝土面以上外壁水壓力 。 (2)加勁肋受力驗(yàn)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(yàn)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(shí)， ， ， ， ， (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(jì) )。 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(jì)算結(jié)果 計(jì)算結(jié)果見圖 219。 圖 219 彎矩圖 (單位： kN?m) 計(jì)算得懸臂根部單寬彎矩 ， 則總彎矩 ， ， 檢算承臺(tái)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： kN?m) 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(yàn)算 圍堰下沉系數(shù)計(jì)算 計(jì)算圍堰自重 鋼材容重 ，圍堰高 。 (1)計(jì)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(jì)算環(huán)板重 。 (3)計(jì)算水平桁架重 每層桁架共有角鋼 28 個(gè)，每個(gè)角鋼重 ， 平面桁架重 。 (4)橫撐重 隔艙板有 8 個(gè)，豎向隔艙板重 ， 內(nèi)支撐重 。 (5)計(jì)算豎肋重量 外壁豎肋間距 ，平面上豎肋共有 個(gè)， 角鋼 密度為 ， 外壁豎肋重量為 ， 內(nèi)壁豎肋間距取 m，平面上豎肋共有 個(gè)， 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(jì)算鋼圍堰所受浮力 (1)圍堰各部分體積計(jì)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(jì)算 在水中圍堰體積： ， 則水浮力： 。 計(jì)算圍堰與土體摩阻力 圍堰壁內(nèi)外在土中沉降時(shí)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(jì)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(jì)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(qiáng)度驗(yàn)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(diǎn)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(jì)算。 封底混凝土彎曲應(yīng)力驗(yàn)算 取 1m 寬封底混凝土計(jì)算： ， 按簡支近似計(jì)算，跨度 。 ， ， 則 可。 (由于本結(jié)構(gòu)為臨時(shí)結(jié)構(gòu)，故混凝土容許彎拉應(yīng)力應(yīng)取 的安全系數(shù) )。 封底混凝土抗浮力驗(yàn)算 圍堰系統(tǒng)在水中受到浮力作用，在分析中還應(yīng)進(jìn)行圍堰抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。 (1)浮力 。 (2)抗浮力 封底混凝土自重 ， 封底混凝土與圍堰內(nèi)壁摩阻力取 ， 則 ， 抗浮力： 。