深水基础施工平台和双壁钢吊箱围堰结构力学行为研究

摘要

近年来一种适用于河床比较深，承台底标高在水面以下且距河床较高情况下的一种新型有底结构钢吊箱围堰在桥梁深水承台的施工中得到使用，这种钢吊箱围堰的力学性能受多种因素影响，其结构可靠性直接关系到桥梁承台施工的成败。
　　本文以深水基础施工平台和双壁钢吊箱围堰结构的力学行为为研究对象，在研究和总结了深水基础施工平台和双壁钢吊箱围堰结构的施工、设计和研究现状的基础上，使用三维有限元软件Midas civil对新疆喀拉塑克水库特大桥10＃墩桩基及承台施工中施工平台和钢吊箱围堰工程实例进行了计算分析，得到了该施工平台和钢吊箱在结构自重、风荷载、流水荷载、静水压力、施工荷载等及其组合的各种工况下的应力变化和变形特点，在此基础上，深入探讨和分析了施工平台和钢吊箱围堰力学性能的影响因数，包括施工平台中钢桁架结构尺寸、钢护筒壁厚、钢护筒嵌入深度，钢吊箱围堰壁板厚度、双壁间注水高度、底龙骨截面尺寸、双壁间支撑杆件间距，得到该施工平台和钢吊箱围堰在上述影响因素的改变所带来的力学状态的变化规律，提出了改善深水基础施工平台及双壁钢吊箱围堰整体和局部受力的设计建议如下:
　　1、施工平台上下弦杆的尺寸对桁架的应力影响比较大，而对变形影响比较小。上下弦杆截面尺寸采用I28b时，就足以满足施工平台整体结构安全性。
　　2、钢护筒壁板厚度的增加或减小对钢护筒的应力、应变影响比较小。当钢护筒壁厚为12mm时即可满足钢护筒的安全性。
　　3、钢护筒的底部边界条件模拟的形式对施工平台的应力影响比较大。钢护筒底部约束越弱，施工平台应力和变形越大。当底部约束以铰接形式模拟时，施工平台的应力超过了允许应力。这就要求钢管桩基施工期间，特别是施工平台初始阶段（只有4根钢管桩护筒）钢管桩基必须嵌入到基岩中且有足够深度，以达到桩基底部满足固定端约束的条件。
　　4、钢吊箱壁板厚度减小时，对钢吊箱内、外壁板的应力和外壁板的变形影响较大，对内支撑的应力和对内支撑，内壁板的变形影响较小。因此在保证内支撑，双壁钢吊箱围堰整体结构安全的同时为了更能发挥钢材的性能建议将钢吊箱壁板的厚度控制在5mm～6mm之间。
　　5、通过增加双壁间注水水位高度可以有效减小外壁板的位移和改善外壁板的受力，但同时会对内壁板的受力产生不利的影响。由于双壁间的注水高度可以根据钢吊箱的实测数据随时做出调整，是改善钢吊箱壁板受力的有效有段。为了发挥钢材的材料性能，且为了保证内壁板的应力和位移不至太大，可以将双壁间的注水水位控制在3.5m～4.5m之间。
　　6、在整个施工过程中，底龙骨、底板次梁、底板的应力始终处于低应力状态，不利于钢材材料性能的发挥。可以将底龙骨截面尺寸和底板厚度做较大的调整。底龙骨截面尺寸可以减小为I25b，底板厚度减小到4mm。
　　7、双壁间水平构件的距离对内、外壁板的应力、变形影响比较大，在设计时必须要重视双壁间水平构件之间的距离。
　　提出的所有这些结构设计建议，对保证该桥桩基及承台施工的安全、经济具有重要意义，同时这些建议也对今后类似工程的设计与施工具有重要的指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 深水基础桥梁的发展状况

1．2 深水施工平台的特点

1．3 防水围堰

1．4 双壁钢吊箱围堰的研究与应用

1．5 本文的主要研究内容

1．6 本章小结

第二章 深水施工平台和钢吊箱围堰的施工

2．1 喀腊塑克水库特大桥的工程概况

2．1．1 桥梁概况

2．1．2 工程地貌概况

2．1．3 施工难点

2．2 主要构件介绍

2．2．1 钢护筒

2．2．2 施工平台

2．2．3 双壁钢吊箱围堰

2．3 总体施工方案及施工流程

2．4 双壁钢吊箱施工过程及要点

2．5 本章小结

第三章 深水施工平台和钢吊箱围堰模型的建立

3．1 有限元模型的建立

3．1．1 有限元的基本原理

3．1．2 单元类型

3．2 工况分析

3．3 单元的建立

3．3．1 板单元的建立

3．3．2 实体单元的建立

3．3．3 梁单元的建立

3．4 本章小结

第四章 深水施工平台和钢吊箱围堰的计算

4．1 荷载计算

4．1．1 材料特性

4．1．2 荷载取值

4．2 有限元计算分析

4．2．1 工况一的计算分析

4．2．2 工况二的计算分析

4．2．3 工况三的计算分析

4．2．4 工况四的计算分析

4．2．5 工况五的计算分析

4．2．6 工况六的计算分析

4．3 计算结果统计分析

4．3．1 计算结果的统计

4．3．2 不同施工阶段下施工平台和双壁钢吊箱围堰的力学特性

4．4 双壁钢吊箱围堰整体抗浮计算

4．5 本章小结

第五章 深水施工平台力学行为影响研究

5．1 施工平台桁架截面尺寸对施工平台力学行为影响研究

5．2 钢护筒壁厚对钢护筒力学行为影响研究

5．3 边界条件对深水施工平台力学行为影响研究

5．4 本章小结

第六章 钢吊箱围堰力学行为影响研究

6．1 钢吊箱壁板厚度对钢吊箱围堰力学行为影响研究

6．2 双壁间注水水位高度对钢吊箱围堰力学行为影响研究

6．3 底龙骨截面尺寸和底板厚度对钢吊箱围堰力学行为影响研究

6．4 双壁间水平构件的间距对钢吊箱围堰力学行为影响研究

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论著及取得的科研成果