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双壁钢围堰桁架支撑模型试验与适用计算方法土木工程研究

论文编号:lw201802252108067936 所属栏目:土木工程论文 发布日期:2018年02月26日 论文作者:www.51lunwen.com
摘要:本文是土木工程论文,土木工程是指除房屋建筑以外,为新建、改建或扩建各类工程的建筑物、构筑物和相关配套设施等所进行的勘察、规划、设计、施工、安装和维护等各项技术工作及其完成的工程实体。(以上内容来自百度百科)今天无忧论文网为大家推荐一篇土木工程论文,供大家参考。

第一章 绪论

1.1 双壁钢围堰简介
克服较大的静水压力是桥梁深水基础工程施工的关键[1]。桥梁深水基础工程与深基坑工程类似,其主要思想是把挡土结构抵挡水压力,并在基础底部设置抵挡向上涌水的结构,为基础工程提供一个安全干燥的施工环境。在桥梁浅水基础工程中,一般采用土围堰、木桩围堰和钢板桩围堰等防水施工技术,而在深水基础工程中则不能采用以上施工技术。近现代发展而来的桩基础、管柱基础、沉井基础等施工技术则非常适合深水基础工程,其中,桩基础可分为钻孔灌注桩基础、预应力混凝土管桩基础和钢管柱基础。武汉军山长江大桥则采用的是双壁钢围堰钻孔灌注桩施工方案。本文要介绍的双壁钢围堰(如图 1-1~图 1-2)是桥梁深水基础施工技术的一种,该技术的难点主要是克服巨大水压力和封底后结构所受浮力。近年来在深水、流急、覆盖层厚的水文、地质条件下修建桥梁基础时,设计了该种双壁钢围堰防水结构。结构底部为高强度和大刚度的刃脚,双壁钢围堰是一个带有单斜面刃脚的双壁全焊水密钢结构,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。围堰内、外壁之间即钢壳以刚性支撑联结,并设有竖向隔舱板,把环状圆筒的钢壳等分成若干个互不相通的隔舱,以保证钢围堰在水中悬浮阶段于钢壳内注水下沉时围堰的稳定,以及着河床时能分舱注水或灌注混凝土,以适应河床面的高差和调整围堰的倾斜度。双壁钢围堰刃脚根据墩位处岩层面倾斜情况可做成高低刃脚形状,以使钢围堰下沉到岩层面时,围堰刃脚同岩层面接触留下的缝隙减小,使之吻合密贴。根据施工条件围堰全高可分节制造,每节又对称分数个单元制成单元体。通常施工时,将已拼就的底节围堰运送到位、下水,然后接高并在围堰钢壳内注水下沉,围堰落入河床后,视需要在围堰钢壳内灌注混凝土或注水以增加围堰重量并在围堰内吸泥使其渐渐均匀地下沉到设计高程。
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1.2 双壁钢围堰应用现状
在 1985 年建成的九江长江大桥基础工程中,首次独创性地采用了双壁钢沉井围堰钻孔桩基础施工。双壁钢围堰与双壁内的封底混凝土可以共同抵抗较大的径向水压力,可以全年抽水施工。由于双壁钢围堰施工有诸多优势,特别是围堰内无支撑,简化了工序,改善了施工条件,并且围堰结构形式单一,制造及拼装都很方便,因此国内有多座桥梁在其深水基础施工中使用了这一结构形式。据不完全统计,目前国内使用双壁钢围堰施工的桥梁见下表 1.1。苏通长江公路大桥[2]全长 34.2 公里,于 2008 年 6 月 30 号建成通车。其中,苏通大桥主跨径达到 1088m,是世界位居第二大跨径的斜拉桥。该桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥。其中,#6 墩为主塔墩,承台外部结构尺寸为52 m   32.5m,承台厚度范围达 4.0m 至 10.3m。该承台基础施工采用双壁钢围堰的施工方案,钢围堰作为承台施工的阻水结构,也作为桥塔的永久防撞结构体系。围堰长55.0m,宽36.0m,高 13.8m,重大近 1500t,并采用拼装焊接整体吊装施工工艺,其吊装重量及规模在国内同类工程中名列前茅。2012 年 10 月开工的武汉青山长江大桥主跨长 938m,该桥桥型为双塔双索面斜拉桥,全桥为双向八车道,桥面宽 41m 至 46m。其中,#2 桥塔基础采用 60 根直径 2.5m 的钻孔灌注桩,水下桥塔基础施工采用半自浮式哑铃形双壁钢围堰。哑铃式双壁钢围堰外周长为 103.9m、围堰外筒直径达 43.5m、总高 37.5m、内外壁板间距 2.0m,双壁钢围堰垂直方向总共分为底节、中节和顶节,这三节围堰高分别为 18.5m、15.0m 和 4.0m。采用双壁钢围堰底节整体水平横移半自浮式下水技术。公安长江公铁两用特大桥[3]于 2012 年 10 月在荆州市开工建设,大桥全长1080m,采用双塔刚桁架斜拉桥。其中,主桥塔 4 号深水墩基础施工工程采用双壁钢围堰作为施工方案。双壁钢围堰为矩形结构,长 68.2m,宽 40.0m,高 23.5m,内外壁板间距 2.0m,围堰主体结构包括内外壁板、底隔舱、水平环板、底龙骨、内支架和吊杆等。围堰采用分节预制的方法,在岸边施工场地对底节围堰完成拼装,采用浮运法(如图 1-3),运用拖船拖运至围堰设计位置,调整精度后整体下放至设计标高,运用此方法对围堰进行逐节拼装接高(如图 1-4)。
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第二章 双壁钢围堰强度和稳定性理论研究

2.0 引言
双壁钢围堰一般是作为大跨径桥梁深水基础施工工程中的一个临时设施,其强度和稳定性设计都需要理论知识作为支撑。由于本文主要以双壁钢围堰中的水平横撑作为研究对象,所以压弯杆件的强度理论、平面内和平面外稳定性理论是必须掌握的基础理论。
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2.1 双壁钢围堰水平横撑强度理论
压弯构件不但承受轴心压力,同时承受弯矩作用,兼顾梁和柱的双重作用。它的承载能力的极限状态通常有丧失整体稳定性来确定的,但是当杆端的弯矩大于跨中弯矩时,有可能因为弯矩过大的截面达到强度极限而不能再继续承载。虽然,水平横撑与作用力存在一定的夹角,但一般两组水平横撑组合为倒 V 型,能在水平方向抵消分力,另一作用分力与横撑轴心平行。这样水平横撑也就是一个压弯杆件。受压并绕单轴受弯的构件,有两种可能失稳的形式,即在弯矩作用平面内的平面形式失稳和在弯矩作用平面外的空间形式失稳。后一形式为弯钮屈曲。这两种失稳形式虽然都属于构件整体承载能力问题,但性质不同,需要分别进行分析。分析压弯构件的稳定问题,和分析轴心压杆和梁一样,以最简单的情况为对象,即两端饺支、且均匀受弯,如图 2-1(a)所示。然而,即使最简单的情况,问题还是比较复杂[15]。还设构件没有原始的几何缺陷,荷载施加以后开始出现挠度,随荷载的增长而非线性增加。如果材料是完全弹性的,则荷载挠度曲线有如图中的 0AGD 曲线。
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第三章 双壁钢围堰桁架支撑模型设计及试验方案设计............18
3.1 引言............18
3.2 桁架支撑模型设计 .......18
3.3 桁架支撑模型试验反力架设计 .......34
3.4 本章小结 ....40
第四章 桁架支撑模型仿真分析及试验对比研究 ............41
4.1 有限元基础理论 ...........41
4.2 Midas FEA 软件简介......43
4.3 双壁钢围堰 Midas FEA 模型 ...........44
4.4 公式计算应力与有限元应力对比分析 .....48
4.5 模型稳定性计算与有限元屈曲对比分析 ..........55
4.6 有限元计算与试验屈曲对比分析 ............59
4.7 试验测试应力与公式计算应力对比分析 ..........68
4.8 水平横撑按压弯构件和轴心受压构件对比分析 ........71
4.9 本章小结 ....72
第五章 双壁钢围堰整体模型与桁架支撑模型对比研究..........74
5.1 引言............74
5.2 设计依据 ....74
5.2.1 设计技术参数........ 74
5.3 模型计算及计算结果....75
5.4 计算模型 ....81
5.5 计算结果 ....82
5.6 双壁钢围堰水平横撑简化计算 ........97
5.7 本章小结 ....98

第五章 双壁钢围堰整体模型与桁架支撑模型对比研究

5.1 引言
双壁钢围堰作为桥梁深水基础施工中的临时结构[35,37],除需要分析双壁钢围堰桁架支撑有限元模型,还要对双壁钢围堰整体有限元模型进行分析,对比两者水平横撑的受力情况,以检验桁架支撑有限元模型能否正确模拟整体有限元模型。

5.2 设计依据
本文双壁钢围堰整体模型是以某长江大桥深水基础施工围堰工程作为依托工程,双壁钢围堰的原始设计技术参数、围堰各部分材料及型号和本文所用的围堰计算工况均以依托工程为蓝图。尽可能使双壁钢围堰整体有限元模型还原双壁钢围堰在长江中的实际受力情况。
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结论

双壁钢围堰是大跨度桥梁在深水基础施工重要的临时结构,在结构自重、静水压力、流水压力、波浪压力以及风压等多重因素组合影响下,再加之围堰设计和施工过程不够严谨和规范,易出现围堰结构失稳破坏,发生重大安全与质量工程事故,造成人员伤亡与财产损失。鉴于此,本文完成的主要结论如下:
(1)通过有限元模型的水平横撑的等效应力值分别与该模型水平横撑采用《钢结构设计规范》和《公路钢结构桥梁设计规范》压弯构件强度计算公式的计算值对比研究,发现两项对比的偏差分别在 9.1%和 12.7%以内,且计算值都大于等效应力值,由此可知,压弯杆件强度计算公式适用于有限元桁架支撑模型的水平横撑强度计算。
(2)在桁架支撑模型中,水平横撑强度计算按照压弯构件考虑,其计算值比按轴心受压的计算值大 36%,如双壁钢围堰水平横撑按轴心受压设计计算,为安全考虑,应对该计算值进行修正,修正系数一般为 1.4。
(3)通过水平横撑应力测试值与有限元支撑模型的水平横撑的yyf (注:yyf为轴向应力)应力值对比分析,水平横撑应力测试值与yyf 应力值的偏差范围在7.2%~18.3%内;在实测位移值和有限元模型相对应位置的位移对比分析中,3