钢围堰毕业设计

桥梁临时结构设计

Design of Bridge Temporary Structure

2011 届学院

专业

学号

学生姓名

指导教师

完成日期2011年6月3日

毕业设计任务书

毕业设计开题报告

摘要

近年来我国修建了不少跨越大江大河甚至跨越海湾的桥梁，取得了很大的成就。桥梁深水基础的施工需要在无水环境下进行，通常采用双壁钢围堰和钢吊箱围堰来提供无水环境。双壁钢围堰构造简单，施工方便，能承受较大的水压力且防水性能好，因此在桥梁深水基础中得到了广泛应用。本设计就是对双壁钢围堰进行结构和施工的设计。根据承台尺寸及水深拟定围堰结构尺寸，在不同的施工工况荷载作用下对围堰的壁板、竖肋、水平环板和水平桁架等围堰各组成部分进行受力分析和验算，然后运用MIDAS软件对围堰建模进行有限元分析并将结果与手算结果进行对比分析，最终确定出围堰的各部件的尺寸。最后针对围堰的各步施工工艺进行了必要的说明。

关键词：双壁钢围堰有限元分析施工工艺深水基础

Abstract

In recent years many bridges overcrossing great rivers even the bay are constructed in China and reach great achievement. The bridge deep water foundation's construction needs to carry on under the anhydrous environment, Usually uses the double-wall steel cofferdam and the steel hangs the box cofferdam to provide the anhydrous environment. The double-wall steel cofferdam has some advantages, For example, the structure is simple, the construction is convenient, can withstand the big hydraulic pressure and the waterproof performance is good, therefore obtained the widespread application in the bridge deep water foundation. This design is carries on the structure and the construction design to the double-wall steel coffer dam. According to the caps size and the water depth draws up the cofferdam structure size, under the different construction operating mode load function to cofferdam each constituents and so on cofferdam stave sheet, vertical stroke rib, horizontal link board and horizontal truss carries on the stress analysis and the checking calculation, then carries on the finite element analysis and the result and the hand using the MIDAS software to the cofferdam modeling calculated that the result carries on the contrastive analysis, determines the coffer dam finally various parts' size. Finally, it carried on the essential explanation aimed at the cofferdam each step construction craft.

Key words: double-wall steel cofferdam finite element analysis construction craft deep water foundations

目录

第1章绪论 (1)

1.1国内外应用现状 (1)

1.2工程背景 (3)

1.3双壁钢围堰施工工艺简介 (3)

1.4双壁钢围堰受力分析 (6)

第2章双壁钢围堰设计——结构力学方法 (7)

2.1围堰构造及尺寸 (7)

2.2设计荷载 (8)

2.2.1动水压力 (8)

2.2.2静水压力 (9)

2.2.3波浪力 (9)

2.2.4土压力 (10)

2.2.5风荷载 (11)

2.3计算工况 (11)

2.4围堰设计 (11)

2.4.1围堰内支撑设计及检算 (12)

2.4.2水平环板设计及检算 (14)

2.4.3水平桁架的斜杆设计及检算 (14)

2.4.4竖肋设计及检算 (16)

2.4.5壁板应力验算 (16)

2.5围堰抗滑移验算 (17)

2.6围堰整体抗浮验算 (17)

2.6.1围堰下沉系数计算 (17)

2.6.2封底混凝土强度验算 (18)

2.6.3围堰的整体抗浮验算 (18)

第3章双壁钢围堰的有限元分析 (20)

3.1双壁钢围堰有限元模型 (20)

3.1.1单元类型 (20)

3.1.2约束类型 (21)

3.1.3荷载施加 (22)

3.2工况一下计算结果 (22)

3.2.1面板应力 (23)

3.2. 2竖肋应力 (23)

3.2.3水平环板 (24)

3.2.4水平桁架应力 (25)

3.2.5内支撑应力 (26)

3.2.6实体混凝土应力 (27)

3.2.7变形 (27)

3.3工况二下的计算结果 (28)

3.3.1面板应力 (28)

3.3.2竖肋应力 (29)

3.3.3水平环板 (30)

3.3.4水平桁架应力 (31)

3.3.5内支撑应力 (31)

3.3.6实体混凝土应力 (32)

3.3.7变形 (32)

3.4结果分析 (32)

第4章双壁钢围堰施工工序 (34)

4.1钢围堰加工 (34)

4.2钢围堰拼装 (34)

4.3钢围堰下沉接高 (35)

4.3.1规化河床 (35)

4.3.2首节下沉 (35)

4.3.3钢围堰接高 (35)

4.3.4着床后下沉 (35)

4.3.5钢围堰基础处理 (36)

4.4钢围堰封底 (36)

4.4.1施工前准备 (36)

4.4.2混凝土浇筑导管布置 (36)

4.4.3混凝土导管封口 (37)

4.4.4混凝土正常灌注 (37)

4.5钢围堰内抽水 (38)

4.6钢围堰切割回收 (38)

4.7围堰施工要求 (38)

4.7.1质量要求 (38)

4.7.2安全要求 (39)

第5章结论 (40)

参考文献 (41)

致谢 (42)

附录A 外文翻译 (43)

附录B 设计图纸 (58)

第1章绪论

1.1国内外应用现状

桥梁墩台基础大多位于水中，修建水中基础，最常用的方法就是围堰法。围堰的作用主要是防水挡土，使基础的施工能在排水或静水的环境中进行。围堰的发展主要经历了土石围堰、木板桩围堰和钢围堰这样的过程。土石围堰主要适用在2m水深以内、流速0.5m/s以下、河床土层不透水或渗水较小的情况。木板桩围堰适用于水深4m以内，河床为土层，且无防碍打板桩的大块石、树干等杂物的情况。钢围堰形式多样，在国内主要有拉森型钢板桩围堰、钢吊箱围堰和双壁钢围堰。由于钢围堰强度高，容易打入坚硬的土层，防水性能好，能按需要组合成各种外形，并可多次重复使用的优点，在桥梁施工中常用于沉井顶的围堰、管柱基础、桩基础等。

深水基础的修建，其核心问题在于防排水。因为深水环境对基础的设计理论和施工技术都会带来一些特殊问题。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。双壁钢围堰就是在这种情况下应运而生的。双壁钢围堰常为圆形，也有为适应基础形状而作成异形的。其堰壁钢壳由有加劲肋的内外壁板和多层水平桁架所组成。堰壁底端设刃脚，以利于切土下沉。在堰壁内腔，用隔舱板将其对称地分为若干个密封的隔舱，以便利于不平衡的灌水来控制其在下沉时的倾斜。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。

同其他深水基础施工技术相比双壁钢围堰施工有着明显的优势：

(1) 结构简单、刚度大，施工方便，工期短，可以在完全下沉就位后作为大面积承载的基础的一部分。

(2) 采用双壁钢壳其强度更高，可受更大的内外水位差产生的压力。

(3) 能适应各种基础的的形式，同时有更大的作业空间。

(4) 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等工艺，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；当岩面倾斜时，还可做成高低刃脚以防止其倾斜。

(5) 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，也不受季节限制。

(6) 适用于多种地质条件，切割后还可使用。这不仅有利干设备的利用，还能重

复使用双壁钢围堰的，可充分发挥材料的利用率，降低成本，也便于施工管理。

这就是双壁钢围堰技术这些年来运用越来越多的主要原因。

在我国，双壁钢围堰的施工方法，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。这事由于围堰主要用于深水基础的施工，大多数围堰在岸边设加工厂，然后通过浮运运至现场。

芜湖长江大桥9号～12号墩位于长江主河槽内，水深流急，基础采用的是圆形双壁钢围堰施工。其中，10号、11号墩钢围堰外径30.5m，内径27.7m，壁厚1.4m，10号墩钢围堰总高度52m，总质量862t；11号墩钢围堰总高度43.2m，总质量727t。9号、12号墩钢围堰外径22.8m，内径20.0m，壁厚1.4m，9号墩钢围堰总高度52m，总质量648t，12号墩钢围堰总高度36.2m，总质量454t。如此大型的钢围堰在当时首次采用，为此专门设计了一套针对该围堰的锚碇系统。

此外，为了适应承台的形式，达到节约材料的目的，许多异形围堰被应用于桥梁建设中。如汤溪河桥10号墩，河床为倾斜陡坡，基础施工范围内高差达9m，这对桩基施工带来很大困难。于是采用了异形高低刃脚钢围堰方案，钢围堰设计为矩形结构，平面尺寸为27.4m×27.4m，壁厚 1.2m。矩形钢围堰的受力状态较逊于常规的圆形钢围堰，因此在钢围堰内用型钢设置了纵横两道支撑，以加强钢围堰的刚度。另外在钢围堰内顺河向还设置了一道内壁，用以增加钢围堰刚度和减少封底混凝土浇注数量。内壁结构形式与外壁相同。钢围堰的高度和刃脚需按地形变化设置，其高度最大为14.7m，最小为3.9m。

南京三桥北主塔基础承台施工原设计采用双壁有底钢套箱，钢套箱的总高度为20.1m，总重达2261t。根据现场情况和历年水文资料进行深入分析，最终优化为北索塔承台钢围堰呈哑铃形（如图1-1），平面尺寸为84m×29m，围堰壁体为双壁空箱结构，除最下端1.4m高刃脚呈三角形外，其余均为等截面，厚1.5m。双壁钢围堰顶标高为+6.4m，底标高为-12.7m，分3节拼装，第1节高5.5m，第2节高6.0m，第3节高7.6m。钢围堰钢结构自重1709t，比原设计节约钢材552t。

同时，双壁钢围堰的施工方法也得到了不断的改进，可以先将双壁钢围堰下沉就位封底混凝土，接着施工钻孔桩，最后再抽水施工桩基承台；也可以先施工钻孔桩，用钻孔桩的钢护筒，作为双壁钢围堰定位下沉的导向、支撑装置，最后再做混凝土封底、抽水施工桩基承台，杭州下沙大桥就是采用了后者。

双壁钢围堰同其它基础施工方法和工艺相结合，优势互补，也是桥梁深水基础施工的一个重大突破。蚌埠市朝阳淮河公路大桥利用高压旋喷桩竖直帷幕止水技术加固地基，减少大型双壁钢围堰人土深度进行水中承台施工的技术就是一个成功的范例。高压旋喷桩结合钢围堰施工承台的优点是：施工简便，止水效果好、加固地基稳定，

一次成形，未出现涌砂、穿底、漏水等意外问题，避免了为解决围堰下沉困难而采取的其它措施，并且桩体、围堰有效堵水后，省去了水下混凝土封底，同时施工对环境不产生污染、无噪音；进度快，多工序平行作业能有效缩短施工工期；成本低，效益明显，可节约大量的材料。因此，只要真正懂得了各种施工工艺的精髓，然后因地制宜的将双壁钢围堰同其它的地基基础处理方法相结合，这样将会得到更优越的施工工艺。

图1-1 哑铃形钢围堰结构平面图及拼接顺序

在国外，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。并且很早以前就有施工者采用双壁钢围堰来建设桥梁深水基础、长度较短的码头和其他水中结构物。国外使用的双壁钢围堰类型主要有两种，一是我们国内普遍采用的用钢板围焊的双壁钢围堰，只是使用的比较少而已；另一种是钢板桩双壁钢围堰，就是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。

1.2工程背景

某桥梁深水承台双壁钢围堰，水深9m、水流速度为1.5m/s；承台为圆端形（如图1-2），长11.9m×宽14.4m×厚（2+4）m，圆端处半径为7.2m，桩径1.5m；河床面到承台顶高6.0m，河床面土质为密实细砂；围堰设计平面形状为圆端形（如图1-3）。

1.3双壁钢围堰施工工艺简介

根据桩基础施工的先后顺序，双壁钢围堰的施工分为先下钢围堰后成桩和先成桩

图1-2 承台平面图(单位：m)

图1-3 钢围堰平面图(单位：mm)

后下钢围堰两种施工方案。有时为了加快施工进度，在条件容许的情况下也会采用边下沉围堰边进行桩基础的施工工序。目前双壁钢围堰的施工工艺流程如图1-4。

施工要点说明：

（1）制造双壁钢围堰时立面分若干层，平面分若干块，其大小要根据制造设备、运输条件和安装起吊能力而定。条件许可时，块件宜大，以减少工地焊接，提高质量，加快施工进度。

（2）钢壳在水中靠灌水压重下沉，而在覆盖层中靠填充混凝土压重和堰内抽水取土下沉。

（3）下沉到位的钢围堰，其钢壳的刃脚应全部稳妥的支立于基岩面上，以保证清基和顺利钻孔。

（4）当墩身混凝土筑出水面后，就可拆除双壁围堰的上部，切割均在堰内进行，内壁在无水的环境下切割，外壁在灌水后的静水环境中切割。

图1-4 双壁钢围堰的施工工艺流程图

1.4双壁钢围堰受力分析

围堰在桥梁施工中属于临时结构，也有些被作为基础的一部分。它是一种水工建筑物，故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计规范》。双壁钢围堰构件均采用Q235钢材，钢围堰在下沉到位后，受到的荷载主要是：静水压力和动水压力，入土部分外壁板承受主动土压力，内壁板承受被动土压力，围堰超出水面的部分会承受可能的波浪力和风力。各种荷载的选取要参考相应的设计规范。对于双壁钢围堰而言，它一般是由桁架和钢板组成的壳体结构,其传力途径为：水压力→内外壁板→竖向角钢加劲肋→水平桁架内外环板→水平桁架斜杆。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。最后，还要考虑围堰的锚碇系统。

第2章双壁钢围堰设计——结构力学方法

2.1围堰构造及尺寸

从受力角度看，双壁钢围堰宜采用圆形，并且制作与下沉着床都易于控制。因此，圆形的双壁钢围堰结构在早期得到了较多应用。但是随着桥梁建设事业的不断发展，各种样式的承台不断的产生，如果继续采用圆形的结构形式，会造成围堰尺寸过大，造成材料的浪费，从而提高造价，这样对于实际应用是很不经济的。因此在选择围堰结构形式时应将围堰的平面形状应与承台形状相协调，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。围堰内外壁之间应通过设置若干隔板，使围堰形成一个个封闭的隔舱。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，使围堰均匀的下沉，利于下沉过程中的纠偏。

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1.5m～2.0m。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。

本设计中的承台形式为圆端形，综合考虑各种因素后选择了圆端形的双壁钢围堰，围堰内壁与承台边缘留出了0.8m的立模施工空间，其平面尺寸如图2-1。

图2-1 围堰平面尺寸图(尺寸单位：mm)

围堰高度H=16m，内外壁板厚均为6mm，钢围堰内外壁间距1.3m，隔舱板厚度为8mm，水平环板尺寸为250mm×8mm，水平桁架选用908

∠?的角钢，竖向加劲肋采用808

∠?的角钢，圆端处每隔2.5度布置一个，直线处间距为0.3m。

围堰平面分块：平面上共分为8块，并且制作了四个浇筑满混凝土的箱室，用于承受支撑反力。围堰平面分块见图2-2。

围堰竖向分节：5.8m+5m+5.2m(3节),首节为5.8m。围堰分节见图2-3。

图2-2 围堰平面分块图

图2-3 围堰竖向分节图(尺寸单位：m)

2.2设计荷载

2.2.1动水压力

流流速1.5m/s ，动水侧压力计算公式

2/2w P K A V g =γ (2-1) 式中，K ——形状系数；

A ——阻水面积

w γ——水的重度；一般取310kN/m

V ——计算时采用的水流速度(m /s )； 代入公式(2-1)得2=0.6918.610 1.5/(29.8)=115.3 kN P ?????。

则最大动水压强max 2/2115.3/18.69 1.4kPa q P A ==??=

动水压力作用见图2-4。

图2-4 动水压力示意图(尺寸单位：m) 2.2.2静水压力

静水压力见图2-5。

2.2.3波浪力

波浪力作用高度取1.5m ，波浪力为作用于高出水面围堰壁板的均布荷载，其大小为15k P a ，波浪力见图2-6。

图2-5 静水压力示意图(尺寸单位：m)

图2-6 波浪力示意图(单位：m)

2.2.4土压力

河底为密实细砂：饱和土容重取320kN /m sat =γ，摩擦角取°31=?。

主动土压力系数：2a tg (45-φ/2)0.32K ?==。

被动土压力系数：2p tg (45φ/2) 3.12K ?=+=。

主动土压力：1a 1200.32532kPa P K H ==??=γ。

被动土压力：2p 220 3.12 2.5156kPa P K H ==??=γ。

土压力见图2-7。

图2-7 土压力示意图(尺寸单位：m) 2.2.5风荷载

风荷载公式

1230h

W K K K W = (2-2)

式中，1K ——体形系数；取1.3 2K ——高度变化系数；取1.0

3K ——条件系数；取1.15

0W ——风压值(Pa)，20=0.4kN /m W ；

代入公式(2-2)得1230 1.31 1.150.40.60kPa h W K K K W =???=???=。

风荷载远小于波浪力可忽略不计。

2.3计算工况

工况一：双壁钢围堰在水下清基完成后封底混凝土灌注前。

工况二：双壁钢围堰壁腔在水下封底混凝土灌注完毕并抽出水后。在抽水过程中需要保证舱内比围堰内的水位高3m 。

2.4围堰设计

在本设计中，围堰所用到的钢材均采用Q235钢，采用容许应力法设计。对于Q235钢材取值依据《公路钢木设计规范》（JTJ 025—86）：轴向应力[]140M Pa =σ，弯曲应力[]145M Pa w =σ，提高系数取1.3。对于混凝土的容许应力取值依据《铁路桥

涵混凝土及砌体结构设计规范》（TB 10002.4—2005）：C30受压取[]10.0M Pa b =σ，

C20弯曲拉应力取[]10.43M Pa b =σ，提高系数取1.3。

2.4.1围堰内支撑设计及检算

图2-8 围堰内支撑布置图(尺寸单位：m)

围堰内单宽支撑内力的计算在工况一和工况二下进行，主要有三种状况：状况一：在工况一下由于未进行混凝土封底，内外壁的水压力相互抵消，故只需计算土压力的作用。荷载分布和结果如图2-9。结果为2-115.0kN R =。

图2-9 状况一下的荷载分布及结果图

状况二：在工况二下，封底混凝土浇筑完成后达到一定的强度，然后抽出围堰内的水。荷载分布和结果如图2-10。结果为12157.3kN 224.7kN R R ==，。

状况三：在工况二下，施工承台前拆除第二层支撑。荷载分布和结果如图2-11。