跨海大桥深水钢管桩围堰结构特性研究

摘要

随着经济和社会的发展，我国特大跨度深水桥梁基础工程数量越来越多，施工难度逐渐加大，而锁扣钢管桩围堰是一种常用的围堰结构施工技术，相比于其他围堰优势明显，这种类型围堰传统的设计方法一般是分别对组成钢管桩围堰的各个构件进行力学计算分析，通过对各个构件的承载能力进行分析设计，最后设计出一个安全稳定的围堰结构。但是采用趋于安全的假设和简化模型分析计算，不可能得出特别精准结果来对围堰的整体结构的施工进行指导，容易存在一些潜在的问题。对于特大桥梁工程而言，一点点的偏差都可能会使实际工程产生严重的后果。所以，采用有限元软件模拟施工工序进行力学分析对设计和施工都具有十分重要的指导意义。　　本文结合港珠澳大桥西部连接线洪鹤特大桥的深水基础承台项目，重点介绍了锁扣钢管桩围堰在深水基础中的应用及其优势。进行了以下几项工作：　　(1)详细的介绍了深水基础围堰的特点，依据实际工程水文地质条件，阐述了洪鹤特大桥13#主桥墩采用锁扣钢管桩围堰的先进性并详细介绍了主桥墩锁扣钢管桩围堰施工工艺。　　(2)通过对钢管桩破坏特性、围堰计算方法的研究，对钢管桩的稳定性，斜撑、横撑的强度，围檩的强度进行了验算。　　(3)利用ANSYS有限元软件建立围堰的三维空间模型，钢管桩采用Shell63单元，围檩采用Beam188单元，并在每层内支撑处设置生死单元模拟实际施工工序对整个锁扣钢管桩围堰进行数值模拟分析，通过有限元计算得出了不同工况下钢管桩、围檩、斜撑、角撑的变形规律，对钢管桩应力、围檩应力、斜撑、横撑应力等数据进行数值分析比较，逐渐改善模型。　　(4)通过比较传统计算方法、有限元模拟施工工序分析方法得到的数据，发现了传统计算方法得到的数据具有很大的安全容许度，并总结产生差异的原因。　　(5)通过比较有限元整体分析、有限元模拟施工工序分析得到的数据，得知模拟施工工序更能准确预知围堰结构在施工过程中的最危险受力点。　　本文模拟实际工程施工工序，采用生死对整个锁扣钢管桩围堰进行了有限元分析，得出了围堰结构的变化规律，为施工与设计提供了指导性的依据，根据ANSYS分析表明，对于大型围堰结构问题，利用有限元软件进行数值分析计算具有极强的现实意义，能够给实际工程做出一定的贡献。

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 洪鹤大桥13#主桥墩深水基础围堰施工

2.1 桥梁深水基础围堰分类与特点

2.1.1 钢板桩围堰

2.1.2 混凝土围堰

2.1.3 钢套箱围堰

2.1.4 钢吊箱围堰

2.1.5 锁扣钢管桩围堰

2.4 洪鹤特大桥深水基础围堰施工简介

2.4.1 施工工艺流程

2.4.2 施工准备

2.4.3 钢管桩加工

2.4.4 导向架设置

2.4.5 施工测量

2.4.6 引导孔施工

2.4.7 钢管桩插打

2.4.8 内支撑安装

2.4.9 抽水开挖

2.4.10 封底堵漏

第三章 钢管桩的特性研究计算分析验算

3.1 钢管桩围堰破坏特性

3.2 钢管桩围堰的基本计算方法

3.2.1 传统计算方法

3.2.2 有限元数值模拟法

3.3 钢管桩的承载验算

3.3.1 围堰计算参数

3.3.2 土压力计算

3.3.3 钢管桩稳定性验算

3.3.4 钢管桩桩身强度验算

3.4 内支撑反力计算

1）利用SM Solver 结构力学求解器求解围檩支撑反力

2）围檩支撑反力计算

3.5 内支撑强度验算

3.5.1 横撑验算

3.5.2 斜撑验算

3.6 围檩强度验算

3.6.1 长边围檩验算

3.6.2 短边围檩验算

3.7 小结

第四章 锁扣钢管桩围堰有限元分析

4.1 ANSYS软件建模分析流程

4.1.1 有限元法的分析过程

4.1.2 ANSYS 有限元软件分析步骤

4.2 Beam188单元

4.3 Shell 63单元

4.4 本构模型及材料参数选取

4.4.1 钢围堰本构模型

4.4.2 材料参数选取

4.5 建立围堰三维模型

4.5.1 工程模型尺寸

4.5.2 主桥墩锁扣钢管桩围堰有限元模型

4.6 四种工况下的荷载定义

4.6.1 本工程四种施工工况

4.6.2 荷载定义

4.7 四种不同工况下的钢管桩有限元解析

4.7.1 钢管桩围堰位移结果分析

4.7.2 钢管桩应力结果分析

4.8 四种不同工况下的围檩有限元解析

4.8.1 围檩位移结果分析

4.8.2 围檩应力结果分析

4.9 四种不同工况下的角撑有限元解析

4.9.1 角撑位移结果分析

4.9.2 角撑应力结果分析

4.9.3 角撑轴力结果分析

4.9.4 角撑弯矩结果分析

4.10 四种不同工况下的横撑有限元解析

4.10.1 横撑位移结果分析

4.10.2 横撑应力结果分析

4.10.3 横撑轴力结果分析

4.10.4 横撑弯矩结果分析

4.11 围堰结构数据对比分析

4.12 围堰结构不同分析方法数据对比

4.12.1 有限元整体分析

4.12.2 整体分析与模拟施工工序分析的数据对比

4.12.3 传统计算方法与模拟施工工序分析的数据对比

4.13 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢