桥梁围堰结构毕业设计.docxVIP

目 录第1章 绪论11.1 国内外现状11.2 工程背景41.3 钢围堰施工工艺简介51.4 双壁钢围堰受力分析8第2章 围堰结构设计结构力学方法92.1 围堰构造92.2 设计荷载102.2.1 荷载种类102.2.1.1 流水压力102.2.1.2 静水压力10 2.2.1.4 土压力112.2.2 计算工况122.3 结构设计122.3.1 荷载组合122.3.2 围堰总体尺寸拟定122.3.3 工况1设计132.3.3.1 隔舱板尺寸132.3.3.2 土压力计算142.3.3.3 每个隔舱板的抗弯能力计算152.3.3.4 竖向隔舱钢板工字型组合梁加劲肋布置152.3.4 工况2设计152.3.4.1 荷载计算152.3.4.2 隔舱板受力检算162.3.4.3 内支撑受力检算172.3.4.4 水平环板受力检算182.3.4.5 水平桁架的斜杆受力计算202.3.4.6 加劲肋受力验算212.3.4.7 面板折算应力验算222.3.4.8 检算悬臂根部应力222.4 围堰整体抗浮验算252.4.1 围堰下沉系数计算252.4.1.1 计算围堰自重252.4.1.2 计算钢围堰所受浮力262.4.1.3 计算围堰与土体摩阻力272.4.2 竖向抗浮力计算272.4.2.1 钢围堰自重272.4.2.2 竖向抗浮力计算272.4.3 封底混凝土强度验算272.3.3.1 封底混凝土弯曲应力验算272.4.3.2 封底混凝土抗浮力验算28第3章 围堰施工工艺293.1 围堰加工工艺293.2 双壁钢围堰的锚碇系统布置303.2.1 锚型选择303.2.2 锚重计算313.2.3 锚锭系统布置简介313.3 围堰接高343.4 围堰下沉工艺343.5 封底混凝土施工353.5.1 围堰的封底厚度分析353.5.2 封底混凝土施工工艺363.5.2.1 围堰封底363.5.2.2 封底后抽水37第4章 围堰结构设计有限元分析方法384.1 有限元分析方法简介384.2 围堰有限元模型394.2.1 单元类型394.2.2 约束类型424.2.3 荷载施加424.3 计算结果444.3.1 面板444.3.1.1 应力444.3.1.2 变形454.3.2 竖肋464.3.2.1 应力464.3.2.2 变形474.3.3 水平环板484.3.4 水平桁架494.3.5 内支撑494.4 结果比较与分析50第5章 结论51参考文献52致谢53附录54第1章 绪论1.1 国内外现状桥梁深水基础的修建，关键是如何克服深水的影响。因为深水环境不仅对它产生许多直接影响，还对其设计理论和施工技术都会提出一些特殊问题。从近代的沉井、沉箱技术措施，到现代的桩基础、管柱基础、钢板桩围堰技术的应用，再到当代的双承台钢管桩基础，甚至设置基础等，核心问题都是如何去克服因深水而带来的一系列问题。然而随着科学技术的发展，解决深水施工的技术措施亦得到迅速地提高和发展。桥梁基础双壁钢围堰施工技术就是深水施工中的一种新技术。双壁钢围堰是一个带有单斜面刃脚的圆形双壁全焊水密钢结构圆筒，有自浮力，有强度更高的双壁钢壳，圆筒的内、外壁形成的空间称之钢壳。内、外壁由钢板围焊而成，圆筒上、下均不设底板或盖板，钢壳下口以环形单斜面刃脚封闭，钢壳上口敞开，以方便施工时往钢壳内灌注混凝土或注水。双壁钢围堰同其它基础施工方法和工艺相结合，优势互补，也是桥梁基础施工的一个重大突破。双壁钢围堰施工的优势是深水、岩石河床，并且河床覆盖层薄，这样。围堰易趋于稳定，辅助措施少、费用低。双壁钢围堰施工技术有着明显的优势：(1)有强度更高的双壁钢壳，可受更大的围堰内外水位差；(2)施工时，在围堰混凝土封底以前的工序简单；抽水及渡洪均不受施工水位限制，任何季节都能施工；(3)双壁钢围堰施工基本上不受墩位处水深的限制，若配合使用空气幕下沉工艺，还可将围堰下沉到更深的覆盖层内。即双壁钢围堰能在深水、厚覆盖层的条件下采用；(4)双壁钢圈堰完全下沉就位后，不仅可作为钻孔桩基础的施工辅助设施，也可作为大面积承载的直接基础；(5)在同一座桥上，在不同地质条件情况下，也可以用相同的施工方法修建深水基础。这不仅有利干设备的利用，还能重复使用双壁钢围堰的上部，可充分发挥材料的利用率，降低成本，也便于施工管理。这也是为什么双壁钢围堰技术这些年来运用越来越多的主要原因。在国内，双壁钢围堰的施工方法，仍以浮运施工和缆索吊机吊运施工最为常见，尤其是浮运法施工。利用双壁钢围堰施工方法进行而建成的工程案例有许多，如：芜湖长江大桥为公铁两用桥，其主桥为180m+312m+180m斜拉索加劲的连续钢桁梁桥，l0号和11号主墩采用外径30.5m，壁厚1.4m的圆形双壁钢围堰。10号墩围堰采用平刃脚，围堰高53.2m，11号墩围堰采用高低刃脚，围堰高(41.444.4)m，封底混凝土厚度为9m。温州瓯江二桥主桥为双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主孔跨径270m。其北航道主塔采用削角矩形(八角形)双壁钢围堰，长边55.5 m，短边29.0 m，削角7.172m，围堰高20.5m。内外壁板间距2.0m。采用水平刃脚，封底混凝土厚度3m。黄石长江大桥主桥为162.5m+3245m+162.5m五跨预应力混凝土连续刚构桥。其2号5号墩采用外径28 m、壁厚1.5m、高39.0m的圆形双壁钢围堰。在5号墩处，堰面最大高差达4.78m。考虑到上避隋况，围堰采用高低刃脚。封底厚度设计为7m，为了使围堰在无嵌岩桩的情况下安全渡洪，实际封底厚度为10.2m。榆怀铁路印家坡梅江1号大桥为932m+24m简支梁桥，其3号、4号墩位于深水中，基础采用钻孔灌注桩加双壁钢围堰。钢围堰外径14.0m，壁厚1.0m，高16.80m。由于3号墩处基岩高差大。围堰下沉到基岩后，对围堰底面进行支垫并采用外钢插板堵漏，确保围堰稳定并防止封底混凝土外漏。目前相对于传统的施工结构类型国内已进行了一些异形双壁钢围堰的实际工程案例。如松花江大桥35#墩异形双壁钢围堰的构造，本工程35#墩承台设计为六边形(见图1)，其横桥向尺寸达295 m。若钢围堰采用圆形结构，则其直径及重量太大，既不经济，施工难度也大，明显不合理，经过方案比较，本工程钢围堰采用“8”字形(异形)双壁双圆组合结构。双壁双圆组合形构造的受力情况较矩形和圆端形更为合理，整体结构的稳定性也更强。 图1 双壁钢围堰结构平面示意图（单位：mm）在国外，越来越多的施工业者采用双壁钢围堰来建设深水桥梁基础、长度较短的码头和其他水中结构物的施工。现在的双壁钢围堰的高度累计可达25m，宽度可达30m，甚至更多。使用的类型有两种，一是我们国内普遍采用的即上述介绍的用钢板围焊的双壁钢围堰，只是使用比较少而已；另一种是钢板桩双壁钢围堰，即将打入水中平行的两列钢板桩进行横向以及纵向连接和锁定，并在两层之间的间隙填人砂石或其他合适的材料就成了双壁钢围堰。钢板桩双壁钢围堰作为双壁钢围堰的一种类型在欧洲和美洲，以及亚洲的日本和中国的台湾地区应用最为广泛。如位于美国加利福尼亚州的海峡大桥(carquinez straitbridge)采用了在陆地上预先制作双壁钢围堰，然后采用驳船浮运就位来施工桥墩基础。该双壁钢围堰就是上述的第一种类型。此外，围堰不仅用于结构物的新建，而且也经常用于既有结构物的修复。1.2 工程背景秋浦河大桥工程#56桥墩深水承台采用双壁钢围堰施工方法，承台承台尺寸如图1-1所示。承台厚度5m，河床为粉质粘土。图1-1 承台平面图 （单位：cm）设计钢围堰平面尺寸如图1-2所示，1.3 钢围堰施工工艺简介双壁钢围堰主要由井壁、隔舱、刃脚、顶部支座和一些其他配置组成，其主要施工工序为:在拼装船上拼装双壁钢围堰、浮运、起吊下沉、钢围堰接高、并在钢壳内灌水、浇筑承台及墩身、拆除上部钢围堰。深水基础施工方案主要取决于当地地质条件。从施工方面看，钻孔灌注桩基础的施工有分为先下钢围堰后成桩和先成桩后下钢围堰两种施工方案。(1)先下钢围堰后施工钻孔方案先下钢围堰后施工钻孔桩方案具有以下优点：钢护筒厚度及长度减少易于准确定位；节省钻孔平台钢管桩钢材也可节省加工焊接及施工桩的的费用；节省钻孔平台的稳定措施费。若无覆盖层或覆盖层很浅时宜采用先下钢围堰后施工钻孔桩方案。先下钢围堰后施工钻孔桩方案流程如图1-3所示。图1-3先下钢围堰后施工钻孔桩方案流程钢围堰分块制作分块运输至现场定位锚锭系统施工首节钢围堰水下定位吸泥除土下沉沉至设计深度水上接高、下沉钢围堰着床清基、堰内封堵围堰封底钻孔桩施工施工承台分节对接接高图1-3先下钢围堰后施工钻孔桩方案流程(2)先成桩后施工钢围堰方案先成桩后施工钢围堰具有以下优点：施工快，从施工钻孔平台钢管桩、架设平台至开钻时间短；可降低钢围堰高度，节省工期，降低造价；减少双壁钢围堰夹壁混凝土量；避免岩面高低不平时，钢围堰不规律的高低刃脚着岩难度；清除钻渣难度减少；封底混凝土量可减少。因此，先成桩后施工钢围堰方案常被用于覆盖层较厚，且覆盖层较软、承载能力较小，工期和造价有要求的工程中。先成桩后施工钢围堰施工流程如图1-4所示。钢管桩制作平台拼装施打钢管桩搭设钻孔平台下沉钢护筒钻孔桩施工施工平台拆除首节钢围堰安装围堰接高(下沉)围堰封底施工承台钢围堰制作图1-4先成桩后施工钢围堰施工流程本设计围堰施工为分节下沉，双壁钢围堰修建的施工程序为：(1)在拼船上拼装底节钢壳；(2)将拼船和导向船拖拽到墩位抛锚定位；(3)吊起底节钢壳撤除拼装船，将底节钢壳吊放下水，漂浮在水中；(4)逐层(焊接)接高钢壳，并向中空的钢壳双壁内灌注素混凝土，使它下沉到河床定位；(5)在围堰内吸泥使它下沉，直到刃脚下沉到设计标高；(6)潜水工下水将刃脚底空隙用垫块填塞并清基；(7)在围堰顶部安装施工平台，在底部安装钻孔钢护筒；(8)灌注水下封底混凝土；(9)钻孔嵌岩，在孔内安装钢筋笼，再在孔内灌注水下混凝土；(10)围堰内抽水后灌注基础混凝土，再修筑墩身。1.4 双壁钢围堰受力分析所有围堰构件均采用q235钢材，钢围堰在下沉到位后，承受静水压力和流水压力，入土部分外壁板承受主动土压力，内壁板承受被动土压力，围堰超出水面部分会承受可能的波浪力和风力，本方案暂不考虑波浪力和风力。围堰为水工建筑物，本设计中材料容许应力取值和有效宽度计算所用参数均取自水利水电工程钢闸门设规范。对于围堰而言，它一般是由桁架和钢板组成的壳体结构,其传力途径如下：水压力 围堰侧板 侧板角钢加劲肋 桁架。钢围堰的受力分析包括下沉阶段和承台施工前堰内抽水状态。钢围堰受力的主要计算荷载有水流力、风荷载、船舶撞击力、施工荷载等，在冰冻地区还包括冰压力。围堰自重包括其本身重量、填充物重量、围堰上搭设的工作平台重量及其他附属重量。有时，也要计及封底混凝土的重量。钢围堰的稳定性包括抗滑、抗倾覆和抗浮稳定性验算。当验算围堰的稳定性时，如果底面位于水中或透水性地基上，应考虑设计水位的浮力。围堰嵌入不透水性地基时，不考虑水的浮力。封底混凝土的重量是否参与围堰稳定性验算，取决于其与围堰结合的紧密程度。如果在浇注封底混凝土前，在围堰封底段内壁上焊接一些钢筋或铁件，使其与围堰紧密结合，则封底混凝土应参与围堰稳定性验算。否则，应谨慎考虑。第2章 围堰结构设计结构力学方法2.1 围堰构造从力学角度来说，双壁钢围堰的形状以圆形最优，且制作与下沉着床都易于控制。但受承台形状限制，为便于施工，可能造成围堰尺寸过大，从而提高造价。围堰要为承台和墩(塔)身施工创造无水作业条件；因此，围堰的平面形状应与承台相协调，结构的强度和水密性应与施工条件相适应。实际工程中双壁钢围堰在平面上较多设计成圆形，一部分也设计成其他形状，如矩形、扇形及各种多边形等。圆形结构在早期得到较多应用。随着桥梁建设事业的不断发展，其他结构形式也日益受到重视。综合考虑围堰的力学性能、施工方便性及工程造价等几方面的因素，在双壁钢围堰结构选形时，应首先考虑圆形方案，然后再根据承台结构提出其他方案，进行技术和经济综合比较，从而选定最佳结构形式。大型深水双璧钢围堰是焊接钢结构，设计时要尽量发挥材料的承载能力，使围堰造价降到最低。围堰内外壁之间的空间，应通过设置若干隔板，组成相互封闭的隔舱。这样，在围堰施工下沉时可以采取充水、填砂或灌注混凝土等措施，分舱加载，维持其平衡或助沉。当下沉着床偏差较大时，还可减载上浮，重新着床。钢围堰高度的设计主要决定于施工区域的水深和围堰嵌入土层的厚度。围堰的顶高程一般应在水下结构施工水位以上1.5m2.0m。围堰顶面标高过高，会造成费用增加并可能导致桩基础施工困难。围堰的底高程应按基础受力要求和施工期稳定等要求来确定。当满足施工要求时，可以在确保围堰稳定、具有足够的竖向和横向承载能力、能保证合理的封底厚度等条件下，尽可能提高其底高程。本设计中深水承台尺八边形，围堰平面形状为矩形，外壁尺寸为20.5m19.5m，内壁尺寸为17.5m16.5m，内外壁板均为10mm，壁腔厚1.5m。围堰本身实际上是个浮式钢沉井，井壁钢壳是由有加劲肋的内外壁板和若干层水平钢桁架组成，中空的井壁提供的浮力可使围堰在水中自浮，使双壁钢围堰在自浮状态下分层接高下沉。围堰内外壁间设置16个隔舱板，在平面上将围堰分为16块，隔舱板将围堰分为16个互不连通的密封隔舱，利用向隔舱不等高灌水来控制双钢围堰下沉及调整下沉时的倾斜。围堰竖向总高18m，围堰高出水面部分为1.5m，围堰竖向分为4节(4.5m+4.5m+4.5m+4.5m)，井壁底部设置刃脚有利于切土下沉。由于水深较大，为了保证围堰的整体刚度和稳定，在围堰内部设置五层截面形式为工字型内支撑。水平桁架的竖向间距为0.5m。面板竖向加劲肋采用角钢，角钢与面板共同承受外荷载。水平环板采用钢板，钢板也与面板共同承受外荷载，同时在进行受力计算时，环板与参与受力面板作为桁架的弦杆进行受力计算。2.2 设计荷载2.2.1 荷载种类2.2.1.1 流水压力水流流速2.0m/s，动水侧压力,p1=kagv2/2g =1.3310.9320.59.822/(29.8)596.0 kn则动水压强为：qmax=2p1/bh=2596.0/(20.510.93)=5.32 kpa ,动水压力见图2-1。图2-1 动水压力示意图2.2.1.2 静水压力静水压力见图2-2。图2-2 静水压力示意图2.2.1.3 土压力河底为粉质粘土：饱和土容重：。摩擦角：=13主动土压力系数：ka=tg245-2。被动土压力系数：kp=tg245+2。2.2.2 计算工况工况一：双壁钢围堰壁腔在水下封底混凝土未灌注前。工况二：双壁钢围堰壁腔在水下封底混凝土灌注完毕后。2.3 结构设计2.3.1 荷载组合工况一：主动土压力+被动土压力。工况二：静水压力+流水压力。2.3.2 围堰总体尺寸拟定围堰高h=18m，内外壁板均为10mm厚。围堰施工误差为h/50+0.25=0.61m，且h/50=18/50=0.360.2m,立模作业宽度0.8m。围堰内壁长b1=13.6+2(h/50+0.25)+20.8=13.6+20.61+1.6=16.4m,取b1=16.5m。b2=14.7+2h50+0.25+20.8=14.7+20.61+1.6=17.5m，取b2=17.5m。钢围堰隔舱厚拟为1.5m。外壁边长b1=16.5+3=19.5， b2=13+1.32=15.6m。围堰分节：4.5m+4.5m+4.5m+4.5m(4节),围堰分节见图2-3。 图2-3 围堰竖向分节 （单位：m）平面分块：平面上由隔舱板分为16块，围堰平面分块见图2-4。图2-4 围堰平面分块 （单位：m） 2.3.3 工况1设计双壁钢围堰壁腔(隔舱厚1.5m)水下封底混凝土未灌注前(不抽水)堰内泥土清理到封底混凝土底时验算。在工况一，围堰内外均有水压且水压基本相同，无需验算围堰各构件受力，仅需计算入土部分在土压力作用下的隔舱板受力检算。2.3.3.1 隔舱板尺寸隔舱板尺寸见图2-5。图2-5隔舱板尺寸（单位：mm）截面特性：ix=5001480312-22441456312=9.55109mm4 wx=ixh2=9.5510914802=1.29107mm3 a=0.50.0122+14.560.012=0.029m2 2.3.3.2 土压力计算土压力形式见图2-6 图2-6 土压力 （单位：kpa）外围主动土压力:pa= z tg245-2-2c tg45-2=10.25.570.63-2100.79=20knm2ea=0.5h2tg245-2-2chtg245-2+2c2=0.510.25.5720.63-2105.570.63+20010.2=49.11kn作用点：ha=13h-z=0.333.08=1.03m内围被动土压力：pp= z tg245+2-2c tg45+2 = 10.21.371.58+2101.26=47.29knm2ep=0.5h2tg245+2-2chtg245+2=0.510.21.3721.58+2101.371.58=49.61kn作用点：hp=0.615m对围堰下层支撑点求矩：主动土力矩：m1=49.113-1.03=96.75knm被动土力矩：m2=49.613-0.615=118.32knm2.3.3.3 每个隔舱板的抗弯能力计算设计中隔舱板将围堰平面上分为16块，两个隔舱板最大间距为4.0m，将面板上的承受的均布荷载向隔舱板上简化成线荷载：则每个隔舱板受到的最大弯矩：mmax=118.32-96.754.0=88.437knm=mw=88.43712.9106=6.85mpa=160mpa满足要求。2.3.3.4 竖向隔舱钢板工字型组合梁加劲肋布置，htw=145612=121.3由于隔舱板上下翼缘均与围堰面板焊接，其扭转受到约束，根据桥梁钢结构设计规范，当时，不需要配置纵向加劲肋，按构造配置横向加劲肋。2.3.4 工况2设计 2.3.4.1 荷载计算工况2荷载见图2-7。图2-7 工况2荷载图示2.3.4.2 隔舱板受力检算工况2隔舱板受力检算即双壁钢围堰壁腔在水下封底混凝土灌注完毕后浇筑承台前验算此种情况下竖向隔舱工字钢组合梁上下翼缘应力（不考虑风力和波浪力）。(1)受力模式受力模式见图2-8。图2-8 隔舱板受力模式(单位：kpa)(2)计算隔舱板所受内力利用midas，弯矩计算结果见图2-9。图2-9 隔舱板内力图(单位：knm)单宽mmax=67.6knm则隔舱板所受弯矩m=67.64=270.4knm则max=mw=270.410612.9106=20.96mpa=160mpa2.3.4.3 内支撑受力检算内支撑反力即图2-8受力模式，支座反力计算结果见图2-10。图2-10 内支撑反力结果（单位：kn）反力rmax=258.0kn (单宽) n=258.04=1032.0kn选用hw250250914型钢。截面特性：as=9.21810-3m2 ix=1.0810-4m4 ix=108mm iy=3.6510-5m4 ix=62.9mm=na=10329.218=111.95mpa=160mpa 满足要求 。 在x-x轴方向，由钢结构设计规范附录三(b类)。=x=l0ix=0.54000108=18.519查表得=0.973y=l0iy=0.5400062.9=32查表得=0.932则=na=10320000.9329218=120.1mpa=160mpa满足要求。2.3.4.4 水平环板受力检算钢围堰设计为四节：4.5m+4.5m+4.5m+4.5m，平面桁架竖向间距为0.5m。水平桁架环板为10mm200mm。=arctan1.50,5=72桁架的计算跨度取两隔舱板间距4m，取水深12.629m处水压p=123.76kpa,则m=18ql2=0.125123.7642=247.52knm水平桁架轴向拉力n=247.521.5=165kn按水利水电工程钢闸门设计规范，计算与环板共同作用的壁板截面。水利水电工程钢闸门设计规范g1.0.2面板参与梁系有效宽度计算：(1)面板兼作主(次)梁翼缘的有效宽度b,对于简支梁或连续梁中正弯矩段，可按下列公式计算，取其中较小值： (2-1)(q235钢) (2-2)(16锰钢) (2-3)式中，主次梁的间距，；有效宽度系数，按表2-1采用；面板宽度；梁肋宽度，当梁上另有翼缘时为上翼缘宽度；表2-1 面板有效宽度系数0.511.52.02.53456810200.20.400.580.700.780.840.900.940.950.970.981.000.160.300.420.510.580.640.710.770.790.830.860.92注：1.为主次梁弯矩零点之间的距离。对于简支梁；对于连续梁的正弯矩段可近似地取；对于其负弯矩段可近似地取，其中为主次梁的跨度(见图2-12)；2.适用于梁的正弯矩图为抛物线图形，适用于梁的负弯矩图近似地取为三角形。图2-11 面板有效宽度示意图(2)对于连续梁中负弯矩段或悬臂段，面板的有效宽度应按下式取用： (2-4)有效宽度系数，按表2-1采用；面板与环板焊接，属连续梁形式，故有效跨度取。围堰壁板构造见图2-12。图2-12 围堰壁板图示(单位：mm)b60+b1=6010+10=610mm l0b=0.640.5=4.8查表得：1=0.90由（2-1）b=1b=0.9500=450mm取较小值b=450mm图2-13 面板参与环板受力有效宽度(单位：mm)a=45010+20010=6500mm2 则：=na=1650006500=25.4mpa=160mpa满足要求。2.3.4.5 水平桁架的斜杆受力计算水平桁架平面如图2-14所示。图2-14 水平桁架(单位：m)(1)计算桁架节点上的荷载力f=10.5123.76=61.88kn (2)求斜杆力f0sin722=61.88，f0=32.61kn 斜杆采用角钢,a=4800mm2，则=f0a=326104800=6.79mpa=160mpa(3)焊缝长度计算角钢厚度t=5mm,a=4800mmhfmin=1.5tmax=1.55=3.4mm hfmax=1.2tmin=1.25=6mm取hf=5mmn1=0,7n=0.732.61=22.83kn n2=0.3n=0.332.61=9