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深水基础单壁钢围堰设计


深水基础单壁钢围堰设计 摘要:以准池铁路前窑子水库大桥为工程实例,运用有限元软件 ANSYS, 对深水基础施工中采用的单臂钢围堰建立有限元模型,进行受力分析,供类似工 程参考。 关键字:深水基础单臂钢围堰有限元设计 一、工程概况 新建准池铁路前窑子水库大桥全长 483.46m,孔跨布置为:2-32m 简支 T 梁 +(58+3× 96m+58m)连续梁,桥墩均为圆端形实体墩,最大墩高 23m。其中 3~6 号墩均位于前窑子水库中, 施工水位为 1210.5m。 5 号墩处水库底标高为 1199.9m, 承台底标高为 1200.9m,承台尺寸为 14.8m× 16.3m× 4.0m,承台横桥向两端为半 径 10.8m 的圆端形,桩基础为 14-φ2.0m 柱桩,梅花形布置,桩长 24.0m。桥址处 区地层主要为粗角砾土和片麻岩。 根据 5 号墩基础形式及现场施工环境, 水深超过 10m, 桩基的布置形式不利 于设置内支撑,拟采用单臂钢围堰进行基础施工,钢围堰封底混凝土厚度为 2.0m。钢围堰施工顺序为:首先在拼装平台上焊接拼装,然后下放钢围堰,钢围 堰下放就位后吸泥清底并浇筑封底混凝土,抽取围堰内水,最后施工承台。 图 1 钢围堰平面构造图(单位:mm) 图 2 钢围堰有限元模型 二、单臂钢围堰设计 钢围堰是桥梁基础水下施工的临时性挡水设施,一般由四大部分组成,分别 为侧板、纵横骨架、内支撑和封底混凝土,通过侧板和封底混凝土形成一个封闭 的施工空间,为承台施工提供一个无水的施工环境。 (一)围堰构造 本桥 5 号墩基础施工采用的单壁钢围堰结构形式为圆形,内径为 9.3m,总 高 12.0m,主要由侧板和封底混凝土组成,详见图 1 所示。其中,钢围堰壁板采 用 8mm 钢板,环向主梁采用 HN450X200 型钢,环向次梁采用[16 槽型钢,竖向 主梁采用 I32b 型钢,均为 Q235 钢材。围堰在高度方向上一次焊接成形,在环向 上分 16 块,在围堰拼装平台上进行分块焊接。 (二)设计参数 1、Q235 钢:[σw]=145MPa, [σv]=80MPa 2、钢弹性模量:Es=2.1× 105MPa; 3、C20 封底混凝土比重:23.0kN/m3; 4、钢围堰总重:100t。 三、结构模型建立 利用大型有限元软件 ANSYS 建立单壁钢围堰三维有限元模型,详见图 2 所 示。钢围堰侧板采用 shell63 板单元模拟,水平和竖向梁均采用 beam4 梁单元模 拟。为减少计算工作量,采用 1/4 模型进行计算,模型中板单元为 4000 个,梁 单元为 18000 个。钢围堰底部节点约束 3 个方向的平动自由度,1/4 模型连接处 约束 2 个方向的平动自由度。 四、检算工况及荷载 根据钢围堰施工时的工作时段,设计时主要考虑以下三种工况: 工况Ⅰ:钢围堰拼装下放阶段,对下放吊装系统的强度进行检算; 工况Ⅱ:底混凝土施工结束,抽干围堰内水时的状态,检算围堰的强度和刚 度。本文有限元计算以此种状态作为计算工况,计算中主要荷载为静水压力。荷 载采用梯度荷载的形式施加,即静水压力 F=ρgh。 其中:ρ 为水的密度,取 1× 103kg/m3;g 为重力加速度,取 9.81m/s2;h 为 计算点水深。 工况Ⅲ:钢围堰的抗浮检算,检算抗浮稳定性。 五、计算过程及结果 (一)工况Ⅰ检算 围堰由 4 个下放吊点组成,每个吊点的荷载为 25t,考虑 1.2 的不均匀系数, 按 30t 检算。 每个吊点由 2 根直径 32mm 精制螺纹钢组成, 钢管桩扁担梁

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