【正文】 構(gòu)件進行簡化計算 (2)運用 Midas 有限元軟件對雙壁鋼圍堰進行精確計算 五 .預(yù)期達到的結(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。雙壁鋼圍堰具有結(jié)構(gòu)強度高，防水性能好的特點，在橋梁深水基礎(chǔ)中得到了廣泛應(yīng)用，并且它能承受較大的水壓力，結(jié)構(gòu)簡單，施工簡便。 根據(jù)承臺尺寸 ( )及水深 ( )擬定圍堰結(jié)構(gòu)尺寸，在不同的施工工況荷載作用下對圍堰的刃腳、壁板、豎肋、隔艙板、水平桁架等圍堰各組成部分進行受力分析和驗算，若不合格重新擬定尺寸，然后運用 MIDAS 有限元分析軟件對圍堰建模進行整體計算并將結(jié)果與手算結(jié)果進行對比分析，最后合理確定圍堰分節(jié)下沉的施工方案。因為深水環(huán)境不僅對它產(chǎn)生許多直接影響，還對其設(shè)計理論和施工技術(shù)都會提出一些特殊問題。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。雙壁鋼圍堰是一個帶有單斜面刃腳的圓形雙壁全焊水密鋼結(jié)構(gòu)圓筒，有自浮力，有強度更高的雙壁鋼殼，圓筒的內(nèi)、外壁形成的空間稱之鋼殼。雙壁鋼圍堰同其它基礎(chǔ)施工方法和工藝相結(jié)合，優(yōu)勢互補，也是橋梁基礎(chǔ)施工的一個重大突破。圍堰易趨于穩(wěn)定，輔助措施少、費用低。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)。這也是為什么雙壁鋼圍堰技術(shù)這些年來運用越來越多的主要原因。山長江大橋已使用異型雙壁鋼圍堰和矩形雙壁鋼圍堰。由于橋面很寬，對于索塔基礎(chǔ)的設(shè)計方案，若按常規(guī)設(shè)計，鋼圍堰的直徑將達到 44m。 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?，F(xiàn)在有些做法已改成先施工鉆孔樁，用鉆孔樁的鋼護筒，作為雙壁鋼圍堰定位下沉的導(dǎo)向、支撐裝置，最后再做混凝土封底、抽水施工樁基承臺，杭州下 沙大橋即是如此。 圖 11 異形鋼圍堰結(jié)構(gòu)平面圖 (單位： mm) 該橋的鋼圍堰平面尺寸為 ，壁厚 (鋼殼厚 )。雙壁鋼圍堰同其它基礎(chǔ)施工方法和工藝相結(jié)合，優(yōu)勢互補，也是橋梁基礎(chǔ)施工的一個重大突破。圍堰易趨于穩(wěn)定，輔助措施少、費用低。高壓旋噴樁結(jié)合鋼圍堰施工承臺的優(yōu)點，一是施工簡便，止水效果好、加固地基穩(wěn)定，一次成形，未出現(xiàn)涌砂、穿底、漏水等意外問題，避免了為解決圍堰下沉困難而采取的其它措施。排水后干處挖土，工效高、速度快，井壁不用支撐。施工對環(huán)境不產(chǎn)生污染、無噪音。有效縮短施工工期。而旋噴樁方案圍堰僅下沉人土 ，旋噴樁施工同主墩樁基施工同步，縮短工期 60d。旋噴樁方案減少一節(jié) (人土 )及水下混凝土封底的費用，可節(jié)約成本 70萬元，高壓旋噴成本 30萬元，兩項相抵，還節(jié)省 40 萬元。因此，只要我們因地制宜，廣開思路，雙壁鋼圍堰再結(jié)合其它的地基基礎(chǔ)處理方法會有新的收獲。 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。其北航道主塔采用削角矩形 (八角形 )雙壁鋼圍堰，長邊 m，短邊 m，削角 ，圍堰高 。采用水平刃腳，封底混凝土厚度 3m。其 2 號～ 5 號墩采用外徑 28 m、壁厚 、高 的圓形雙壁鋼圍堰?？紤]到上避隋況，圍堰采用高低刃腳。 榆懷鐵路印家坡梅江 1 號大橋為 932m+24m 簡支梁橋，其 3 號、 4 號墩位于深水中，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁加雙壁鋼圍堰。由于 3 號墩處基巖高差大。 在國外，越來越多的施工業(yè)者采用雙壁鋼圍堰來建設(shè)深水橋梁基礎(chǔ)、長度較短的碼頭和其他水中結(jié)構(gòu)物的施工。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。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)。此外，圍堰不僅用于結(jié)構(gòu)物的新建，而且也經(jīng)常用于既有結(jié)構(gòu)物的修復(fù)。本設(shè)計承臺基礎(chǔ)平面圖如圖 13 所示，鋼圍堰平面圖如圖 14 所示。 深水基礎(chǔ)施工方案主要取決于當?shù)氐刭|(zhì)條件。 (1)先下鋼圍堰后施工鉆孔方案 先下鋼圍堰后施工鉆孔樁方案具有以下優(yōu)點： ① 鋼護筒厚度及長度減少易于準確定位 ； ② 節(jié)省鉆孔平臺鋼管樁鋼材也可節(jié)省加工焊接及施工樁的的費用； ③ 節(jié)省鉆孔平臺的穩(wěn)定措施費。 先下鋼圍堰后施工鉆孔樁方案流程如圖 15 所示。 因此，先成樁后施工鋼圍堰方案常被用于覆蓋層較厚，且覆蓋層較軟、承載能力較小，工期和造價有要求的工程中。 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。圍堰為水工建筑物，本設(shè)計中材料容許應(yīng)力取值和有效寬度計算所用參數(shù)均取自《水利水電工程鋼閘門設(shè)規(guī)范》。 鋼圍堰的受力分析包括下沉階段和承臺施工前堰內(nèi)抽水狀態(tài)。圍堰自重包括其本身重量、填充物重量、圍堰上搭設(shè)的工作平臺重量及其他附屬重量。鋼圍堰的穩(wěn)定性包括抗滑、抗傾覆和抗浮穩(wěn)定性驗算。圍堰嵌入不透水性地基時，不考慮水的浮力。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)定性驗算。 第 2 章 圍堰結(jié)構(gòu)設(shè)計 ——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。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)的強度和水密性應(yīng)與施工條件相適應(yīng)。圓形結(jié)構(gòu)在早期得到較多應(yīng)用。綜合考慮圍堰的力 學(xué)性能、施工方便性及工程造價等幾方面的因素，在雙壁鋼圍堰結(jié)構(gòu)選形時，應(yīng)首先考慮圓形方案，然后再根據(jù)承臺結(jié)構(gòu)提出其他方案，進行技術(shù)和經(jīng)濟綜合比較，從而選定最佳結(jié)構(gòu)形式。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。當下沉著床偏差較大時，還可減載上浮，重新著床。 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。 本設(shè)計中深水承臺尺寸為 ，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。 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。面板豎向加勁肋采用角鋼，角鋼與面板共同承受外荷載。 設(shè)計荷載 荷載種類 流水壓力 水流流速 ，動水側(cè)壓力 , ， 則動水壓強 。 圖 21 動水壓力示意圖 (單位： m) 靜水壓力 靜水壓力見圖 22。 圖 23 波浪力示意圖 (單位： m) 土壓力 河底為密實細砂： 飽和土容重： 。 主動土壓力系數(shù)： 。 計算工況 工況一：雙壁鋼圍堰壁腔在水下封底混凝土未灌注前。 結(jié)構(gòu)設(shè)計 荷載組合 工況一：主動土壓力 +被動土壓力。 圍堰總體尺寸擬定 承臺尺寸 10103，圍堰高 H=。 圍堰施工誤差為 H/50+=，且 H/50=,立模作業(yè)寬度 。 鋼圍堰隔艙厚擬為 。 圍堰分節(jié)： 4m+4m+5m+5m+(5 節(jié) ),圍堰分節(jié)見圖 24。 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 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驗算。 隔艙板尺寸 隔艙板尺寸見圖 26。 土壓力計算 土壓力形式見圖 27。 土體壓力合力值： ， ， 。 每個隔艙板的抗彎能力計算 設(shè)計中隔艙板將圍堰平面上分為 8 塊，圍堰每個邊長被兩個隔艙板均分成 3 塊，兩個隔艙板間距為 ，將面板上的承受的均布荷載向隔艙板上簡化成線荷載： 則每個隔艙受到彎矩 。 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)計規(guī)范，當時，不需要配置縱向加勁肋，按構(gòu)造配置橫向加勁肋。 由公式 (21)得 。 (2)工況 2 荷載 工況 2 荷載見圖 28。 (1)受力模式 受力模式見圖 29。 圖 210 隔艙板內(nèi)力圖 (單位： kN?m) 單寬 。 , 可。 圖 211 內(nèi)支撐反力結(jié)果 (單位： kN) 反力 ， ， 。 第二層支撐的受力最大 (單寬 )， 。 截面特性： 。 在 xx軸方向，由鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范附錄三 (b 類 )。 滿足要求。 水平環(huán)板受力檢算 鋼圍堰設(shè)計為五節(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。 ，桁架的計算跨度取兩隔艙板間距，為 ，取水深 14m 處水壓力， p=140kN/m2。 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)計規(guī)范》，計算與環(huán)板共同作用的壁板截面。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， 適用于梁的負彎矩圖近似地取為三角形。 圍堰壁板構(gòu)造見圖 213。 由 (22) ，取較小值 ，見圖 214。 水平桁架的斜桿受力計算 水平桁架平面如圖 215 所示。 (2)求斜桿力 ， 斜桿采用角鋼 , ，則 。 (3)焊縫長度計算 角鋼厚度 t=5mm， ， ，取 ， ， ， 則 ， 取 ， ， 取 ， ， ， 滿足要求。 (2)加勁肋受力驗算 ， 采用角鋼 ， 則 ， 由公式 (22) ， 取較小值 ，見圖 216。 對， ， ， ， ， ， ， 則 可。 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 217 荷載組合 (單位： m) (2)受力模式 受力模式見圖 218。