【正文】 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。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。 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。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。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。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。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。 (4)本設計除采用簡化的手算方法外，運用了 MIDAS 有限元分析 軟件對結構進行整體建模，并對有限元計算結果與手算結果進行對比分析。 (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。 (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。在圍堰構造設計時，要與基礎承臺的構造相協(xié)調，避免尺寸過大。從前面的各構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。 結果比較與分析 手算的方法是簡化受力模式，采用結構力學的方法進行計算，其優(yōu)點是方法簡便，但僅僅將某一構件單獨隔離出來計算，不考慮與其余構件的關 系，更不考慮整體的影響。 圖 425 內支撐應力分析結果 滿足要求。 圖 424 水平桁架應力分析結果 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)點處產生應力集中，應力較大。同時環(huán)板折角處應力集中時大應力的主要來源。 圖 422 外壁環(huán)板應力分析結果 圖 423 內壁環(huán)板應力分析結果 水平環(huán)板計算結果 。 圖 420 外壁豎肋位移分析結果 圖 421 內壁豎肋位移分析結果 內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。 豎肋 應力 外壁豎肋應力分析結果見圖 418，內壁豎肋應力分析結果見圖 419。 變形 外壁面板位移分析結果見圖 416，內壁面板位移分析結果見圖 417。 圖 414 外壁面板應力分析結果 圖 415 內壁面板應力分析結果 手算面板 ，符合要求。 內壁豎肋線荷載見圖 413。 圖 411 圍堰底固結模型 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。 內支撐三維視圖見圖 49，內支撐平面圖見圖 410。 水平環(huán)板三維視圖見圖 45，水平環(huán)板平面圖見圖 46。 鋼圍堰整體模型三維視圖見圖 41，面板模型三維視圖見 42。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)。 圍堰有限元模型 本文對雙壁鋼圍堰進行了結構上的具體設計 ,在橋梁結構有限單元計算分析的模型化原則基礎上 ,詳細闡明了圍堰結構有限單元計算分析數(shù)學模型的建立過程。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。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 。 如果計算結果和平時經驗的差別比較大，要仔細分析結構在不同荷載下的行為，找到計算結果和平時經驗的差別究竟在哪，時模型有問題，還是對復雜結構的行為認識還不夠。最好是對要分析的結構在荷載作用下的結構行為有一個比較清楚地認識，再去做假定。 結構分析的最終目的是使用最簡單的方法得到最精確的結果，因此分析者就要預見和評價簡化后的結果。這部分內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。 ④ 構造總體剛度矩陣。 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)。每一個單元代表這個實際結構的一個離散部分，這些單元通過節(jié)點聯(lián)系起來，不存在線或面的連接。 有限元法是用于求解工程中各類問題的數(shù)值方法。 第 4 章 圍堰結構設計 ——有限元分析方法 有限元分析方法簡介 有限元分析是計算機輔助設計、制造和工程分析的基本組成部分，由于它提供了更快捷和低成本的方式評估設計的概念和細節(jié)，所以人們越來越多地應用有限元仿真的方法代替模型試驗。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。 圖 34 水下封底混凝土導管布置示意圖 封底后抽水 待混凝土強度達到設計強度的 70%以后即可抽水。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。澆注時要隨時掌握水下混凝土的高度，防止出現(xiàn)澆注過高或者過低的現(xiàn)象。 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。在灌注混凝土前 應對鋼圍堰內的河床地形情況進行詳細測量，并由潛水員沿鋼圍堰四周刃腳認真探察，對刃尖處有和外部穿通的現(xiàn)象，用麻袋混凝土或麻袋砂卵石堵漏，保證封底混凝土不外漏。 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。這些因素有時難以定量計算，但可以作為安全儲備來考慮。如工程樁作用于封底混凝土的抗浮作用 。 式中分別為封底混凝土最小厚度 (m)、面積 (m2)、容重 (kN/m3)、周長 (m)、封底混凝土與鋼圍堰接觸面上的單位粘著力 (MPa)、水的容重 (kN/m3)和堰內抽水深度 (m)。 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構，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。下沉過程中，采取糾偏、糾扭的技術措施，并利用著床前的水流沖刷清除覆蓋層，著床后采用液壓支撐，鋼支墩，水下不離析鹼阻塞空隙，確保 “鋼堰 ”刃腳支承面大于 60%的要求，并在外部四周拋筑鋼筋網石籠穩(wěn)定基腳。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。 黃石長江公路大橋 5 號墩的覆蓋層 ～ ，土質上部為中、粗砂，下部為卵石層， “鋼堰 ”著床在巖基上，巖面高差最大 ，施工時的水深 ，流速 。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。 泥漿套可分為膨潤土泥漿套與水下不離析泥漿套兩種，膨潤土泥漿套在陸上應用較好，在水下易于稀釋，降低了潤滑作用，效果較差。 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。首先對 “鋼堰 ”夾壁內采用加水、加砂等低成本及加入與排出簡易的材料的助沉措施驗算其下沉系數(shù)，如不能滿足要求，可換放砼塊或澆注砼 (澆注標高以不高于 “鋼堰 ”切割線為原則 )。 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。 節(jié)段接高過程中要對 “鋼堰 ”夾壁內灌注素混凝土加重，調整節(jié)段水平焊縫距操作平臺的高度在 左右，以便施焊人員操作。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。為了適應 “鋼堰 ”下沉調纜的需要，在 “鋼堰 ”上設置了多層錨纜平臺。如果在 “鋼堰 ”兩側設導向船組，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 33 浙江溫州大橋主墩施工錨錠系統(tǒng)布置圖 該橋址河段受不規(guī)則的半日潮影響，最大潮差 ，落潮的流速最大值 ，流向也往復變化，必須設雙向定位船。 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。 必須指出，圖 32 所示的簡化布置，是在河道順直、施工期通航航道較寬、流速較小 (實測施工期流速 ,～ )。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)。主墩中距 245m,航道較窄，通航船舶多，不同水位時期，流向的折角多變，最大流速 ～ ，為此加大了錨的重量 ((45t/個 )和數(shù)量，施工期雖然發(fā)生了多起船舶撞擊導向船的事故，但錨錠系統(tǒng)均未失控。 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。 錨重計算 對鑄鐵錨 :設錨在空氣中的重量為 GkN，當河床覆蓋層為卵石時， G=I＇ (4～ 5)；當河床覆蓋層為砂土時， G=(5～ 6)P；當河床 為粘土時， G=(8～ 12)P。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。 鋼筋砼蛙式錨屬于非定型產品，其尺寸可根據(jù)使用需要加工而成。 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，錨爪與錨桿可以轉動，抓力約為錨重的 ～ 4 倍，錨的拋起方便，易于收存。拔出橫桿楔子后可抽出與錨標緊貼，便于收藏，結構簡單。 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。“鋼堰 ”錨旋系統(tǒng)，由錨纜設施、定位船、導向船組三大部份組成，其布置與施工區(qū)的流向、流速和河床表層土質有關。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設置邊錨以保持圍堰的穩(wěn)定與平衡。如果在圍堰的一側設置導向船，則應在圍堰另一側設置拉纜，保持圍堰的平衡與穩(wěn)定。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)定和調整鋼 圍堰。錨固設備包括定位船、導向船、錨、錨纜和錨纜受力調節(jié)設備。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。為了減少各鋼圍堰分塊在組裝胎架上的焊接變形，內外壁板按每塊整片實行兩面自動焊來保證質量，各隔艙板上加勁肋在胎架上施焊以減少整體施焊工作量，并有效控制分塊外輪廓尺寸偏差。 (4)焊接加工。 (3)分塊組裝。 (2)鋼圍堰下料 。組裝胎架應有足夠的剛度，防止構件在組焊過程中變形。 本設計鋼圍堰的制作流程如下： (1)胎架設置。組拼方法與施工單位的設備、水上起重能力和習慣作法有關。運輸堆放時，要存放均勻，綁扎牢固，確保運輸過程的安全。制作時應選擇具有塊體翻轉技術措施和起重能力的專業(yè)廠家加工。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 。分塊時力求等分和對稱；分節(jié)高度則以制作、接高的起重能力而定，在條件允許時，節(jié)段越次數(shù)和水平焊縫的現(xiàn)場焊接量。 (3)安全系數(shù) ，滿足要求。 (1)浮力 。 (由于本結構為臨時結構，故混凝土容許彎拉應力應取 的安全系數(shù) )。 封底混凝土彎曲應力驗算 取 1m 寬封底混凝土計算： ， 按簡支近似計算，跨度 。 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。 鋼刃腳斜面的正面阻力： (地質資料提供值乘以 2， 50 為端阻力 )， 圍堰下沉系數(shù) 。 (2)圍堰所受浮力計算 在水中圍堰體積： ， 則水浮力： 。 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。 (4)橫撐重 隔艙板有 8 個，豎向隔艙板重 ， 內支撐重 。 (2)計算環(huán)板重 。 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 222 彎矩內力圖 (單位： kN?m)