【文章內(nèi)容簡介】 入土部分外壁板承受主動(dòng)土壓力，內(nèi) 壁板承受被動(dòng)土壓力，圍堰超出水面部分會(huì)承受可能的波浪力和風(fēng)力，風(fēng)力采用規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，波浪高取 ，波浪力水壓采用均布。圍堰為水工建筑物，本設(shè)計(jì)中材料容許應(yīng)力取值和有效寬度計(jì)算所用參數(shù)均取自《水利水電工程鋼閘門設(shè)規(guī)范》。 對于圍堰而言，它一般是由桁架和鋼板組成的殼體結(jié)構(gòu) ,其傳力途徑如下：水壓力 圍堰側(cè)板 側(cè)板角鋼加勁肋 桁架。 鋼圍堰的受力分析包括下沉階段和承臺(tái)施工前堰內(nèi)抽水狀態(tài)。鋼圍堰受力的主要計(jì)算荷載有水流力、風(fēng)荷載、船舶撞擊力、施工 荷載等，在冰凍地區(qū)還包括冰壓力。圍堰自重包括其本身重量、填充物重量、圍堰上搭設(shè)的工作平臺(tái)重量及其他附屬重量。有時(shí)，也要計(jì)及封底混凝土的重量。鋼圍堰的穩(wěn)定性包括抗滑、抗傾覆和抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。當(dāng)驗(yàn)算圍堰的穩(wěn)定性時(shí)，如果底面位于水中或透水性地基上，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)水位的浮力。圍堰嵌入不透水性地基時(shí)，不考慮水的浮力。封底混凝土的重量是否參與圍堰穩(wěn)定性驗(yàn)算，取決于其與圍堰結(jié)合的緊密程度。如果在澆注封底混凝土前，在圍堰封底段內(nèi)壁上焊接一些鋼筋或鐵件，使其與圍堰緊密結(jié)合，則封底混凝土應(yīng)參與圍堰穩(wěn)定性驗(yàn)算。否則，應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。 第 2 章 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ——結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 圍堰構(gòu)造 從力學(xué)角度來說，雙壁鋼圍堰的形狀以圓形最優(yōu)，且制作與下沉著床都易于控制。但受承臺(tái)形狀限制，為便于施工，可能造成圍堰尺寸過大，從而提高造價(jià)。圍堰要為承臺(tái)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(tái)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)。實(shí)際工程中雙壁鋼圍堰在平面上較多設(shè)計(jì)成圓形，一部分也設(shè)計(jì)成其他形狀，如矩形、扇形及各種多邊形等。圓形結(jié)構(gòu)在早期得到較多應(yīng)用。隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，其他結(jié)構(gòu)形式也日益受到重視。綜合考慮圍堰的力 學(xué)性能、施工方便性及工程造價(jià)等幾方面的因素，在雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)選形時(shí)，應(yīng)首先考慮圓形方案，然后再根據(jù)承臺(tái)結(jié)構(gòu)提出其他方案，進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)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(jì)時(shí)要盡量發(fā)揮材料的承載能力，使圍堰造價(jià)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(shí)，還可減載上浮，重新著床。 鋼圍堰高度的設(shè)計(jì)主要決定于施工區(qū)域的水深和圍堰嵌入土層的厚度。 圍堰的頂高程一般應(yīng)在水下結(jié)構(gòu)施工水位以上 ～ 。圍堰頂面標(biāo)高過高，會(huì)造成費(fèi)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(shí)，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(jì)中深水承臺(tái)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(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