圆形双壁钢围堰的参数化设计方法与流程

本发明涉及双壁钢围堰的结构设计。
背景技术：
：双壁钢围堰是深水基础施工常用结构，一般来说双壁钢围堰体量大，安全风险高，确保双壁钢围堰结构安全的同时进行结构优化设计是围堰设计人员必须要考虑的问题。双壁钢围堰的基本受力状况以抵抗静水压力为主，动水压力和波浪力对围堰整体结构的影响相对较小，各类围堰结构荷载简单明确，具有统一性。本申请在总结以往其他项目的基础上，提出了参数化设计的思路，并构造了评价函数进行围堰构造优化。技术实现要素：本发明参数化设计的思路：针对具体结构中的同类问题，当结构荷载形式固定，结构尺寸大小变化，可以进行分离变量法的类分析，将带量纲的参数分离出来，结构优化只考虑构型和比例关系(无量纲常数)，通过构造评价函数来确定结构的最优化设计目标，从而得出某类结构的最优设计。本发明解决上述问题所采用的技术方案为：圆形双壁钢围堰整体结构如图1和2所示。圆形双壁钢围堰的整体受力特点：围堰内外壁板、斜撑均受压；水平范围内，围堰的水压力自平衡；围堰内外壁板的厚度与水深成正比，与围堰直径成正比；围堰整体稳定性与围堰厚度相关，围堰壁板和环撑的局部稳定性和竖向隔舱板间距相关。一种圆形双壁钢围堰的参数化设计方法，包括(1)围堰内外壁板加劲肋围堰内外壁板竖向加劲肋一般采用的三种材料：角铁、钢带、球扁钢；从同等重量材料加劲效果来看，截面惯性矩更大的球扁钢加劲效果最好。有效翼缘板宽度和跨度之比为b＝18％*l(铁摩辛柯《弹性理论》第三版，P244)；加劲肋高宽比的比例极限为h/t≤21(铁摩辛柯《弹性稳定理论》第二版，P458)；所有的轧制角铁和球扁钢都符合比例极限。弯压构件翼缘板有效宽度b与翼缘板厚度t之间满足：(GB50017-2003《钢结构设计规范》，P57)；加劲肋的间距一般按照(参考《钢制海船入级规范第2篇船体2014》P2-254)；环板和加劲肋高度的比值不小于2.5倍(参考《钢制海船入级规范第2篇船体2014》P2-112)；根据《热轧球扁钢》(GB/T9945-2012)规范，球扁钢有普通碳素结构钢和高强钢，设计时可以根据应力情况来选用不同等级的钢材，一般来说，加劲肋的应力较大，面板的应力相对较小，加劲肋材料强度等级选取时可比面板高一个规格。表1、围堰内外壁加劲结构优化尺寸表厚度推荐比例系数高度推荐比例系数壁板厚度t01t0加劲肋高度h116～20t0加劲肋厚度t11t0环板高度h2≥2.5h1，50～60t0环板厚度t21.2～1.4t0环板翼缘高度h37～9t0隔舱板厚度t31.4～1.6t0加劲肋间距s50～60t0(2)围堰构型设圆形围堰有n个V型撑，圆形围堰构型如图4所示，(3)围堰环撑受力分析如图5所示，围堰壁收缩延半径方向变形协调外壁节点力平衡2·N1·sin(φ)+2·N3·cos(α)＝P1(b)内壁节点力平衡2·N2·sin(φ)-2·N3·cos(β)＝P2(c)联立(a)、(b)、(c)式求解N1、N2、N3：考察(3)、(4)式，由于φ值很小，cos(α)≈cos(β)，可以认为N1≈N2，围堰的内外壁受力基本一致，在拟定围堰壁板厚度时按照内外壁板一致处理；(4)围堰内外壁厚拟定围堰内外壁板受力均为受压，两者受力基本一致，考虑材料安全系数K1，取1.4；围堰的内外壁板面积围堰内外壁板厚度(5)围堰厚径比范围拟定(5.1)围堰最小厚径比m：围堰整体稳定性分析如图6所示铁摩辛科《弹性稳定理论》第二版，P310(a)围堰的双壁板惯性矩I：＝2·A·(0.5·m·R)2(b)；围堰稳定性计算半径r：＝(1+0.5m)·R(c)；围堰壁板面积围堰外壁的水压荷载q：＝ρ·g·H·ΔH(e)表2、不同规范第一类稳定分析安全系数考虑到钢围堰属于重大危险源，建议弹性屈曲稳定系数选择4～5，水深10m以内选4，10m以上选5，定义屈曲稳定系数为K2；则qcr≥K2·q(f)；将(b)、(c)、(d)、(e)代入(a)，并代入方程(f)，化简得以下方程，求解m的最小值将弹模、材料强度、材料安全系数、屈曲安全系数代入(8)式，得到不同材料强度和屈曲稳定系数下的圆形围堰最小厚径比m；表3、不同材料强度和屈曲稳定系数下的圆形围堰最小厚径比m弹模E材料强度σ材料系数K1屈曲系数K2最小m值200E9210E61.440.06428513072200E9310E61.440.07849940354200E9210E61.450.07210171056200E9310E61.450.08800987764(5.2)构造要求需要的围堰最小厚度，单位:mm表4、构造要求的围堰最小厚度(6)围堰环撑竖向间距设计围堰环撑高度计算示意图，如图7所示根据荷载等分原理初步拟定环撑的第n层竖向间距h(n)，A1＝A2＝A3＝A4＝…＝An，此时可以认为每个支撑点反力基本一致；q：＝ρ·g·H(b)；根据竖肋带板计算的抗弯刚度，每个竖肋所受的正负弯矩满足强度要求，M/W＝σ/K；将(a)、(b)、(c)代入式(d)，求h(n)得：将n＝1代入式(9)，得到第一层环撑间距其余各层与h(1)的关系满足：为方便加工，围堰的环撑材料选择统一尺寸，同时将环撑的竖向间距调整为分段相同。建议按照下表来统一设计围堰环撑间距比例：表5、围堰设计环撑间距系数推荐表(7)围堰隔舱板间距拟定围堰壁板局部屈曲时挠曲线如图10所示，设屈曲时壁板变形函数为ω(θ)；则挠曲线微分方程为：M：＝S·ω(θ)-Q·r·sin(θ)；(b)S：＝q·r，(c)求解微分方程得：考察边界条件：ω′(0)＝0；ω(0)≠0；(d)ω(α)＝ω(-α)＝0；(e)由式(d)可知从条件(e)得以下方程组：(g)故满足上述方程组的条件为：求解得将式(11)简化为：表6、不同隔舱板数量对应的屈曲荷载围堰隔舱板数量n6912151618对应α角度(°)3020151211.2510系数K819.253555.256380式(12)中I值为外或内环板带壁板有效宽度带计算的抗弯刚度，注意局部屈曲荷载安全系数取K2，K2取4～5；qcr≥K2·q；q：＝ρ·g·H·ΔH；(13)根据式(12)、(13)综合考虑刚度I和隔舱板数量n，按照上面的构造比例尺寸，对不同深度的围堰进行了局部屈曲分析试算，推荐围堰隔舱板数量n≥12；(8)围堰壁舱混凝土高度拟定考虑到双壁钢围堰水下回收不方便，扣除相关潜水切割、吊装费用后回收残值较低，一般来说围堰壁舱混凝土高度宜设计到承台顶面；当采用双壁钢围堰采用壁舱砼灌注时，该部分钢围堰本身的应力会急剧减小，相关围堰的环撑间距可以调大，壁板厚度可以调小，建议按照0.4h(1)设置，相应的壁板厚度也可参照该段厚度设置；在分析围堰壁舱混凝土高度时应综合择优考虑，节约的钢围堰造价大于增加的壁舱混凝土造价。若围堰需要切入河床一定深度，则需要考虑围堰本身的下沉系数，再来确定围堰壁舱混凝土浇筑高度，相关计算参数取值参考CECS137-2015第6章；围堰下沉系数应满足下列公式要求：式中：kst——下沉系数；Gik——围堰自重标准值(包括外加助沉重量的标准值，单位kN)；Fwk——下沉过程中水的浮托力标准值(单位kN)；Ffk——围堰总摩阻力标准值(单位kN)；当下沉系数较大，或在下沉过程中遇有软弱土层时，应根据实际情况进行沉井的下沉稳定验算，并满足下列公式要求，或者采用提吊措施保障下沉稳定性：kst，s＝0.8～0.9式中：kst，s——下沉稳定系数；F′fw，k——验算状态下水的浮托力标准值(kN)；F′fw-——验算状态下围堰壁总摩阻力标准值(kN)；Rb-——围堰刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之和(kN)；(9)围堰封底厚度拟定围堰封底厚度的确定考虑两个方面的因素；第一是考虑围堰整体抗浮系数大于1；第二是考虑围堰封底厚度抵抗水压的弯矩；取两者计算的最大值，然后加附加厚度D＝300～500mm；(G围堰+G封底+封底范围内群桩桩侧摩阻力)/围堰总浮力≥1；混凝土与桩周摩阻力取100kPa；水下封底砼承受的荷载应按施工中最不利的情况考虑，即在围堰封底以后，围堰内的水被排干，封底素混凝土将受到可能产生的向上最大水压力的作用，通常以地下水头高度减去封底混凝土的重力的荷载作为计算值；由于水下封底混凝土质量较普通混凝土差，并与各桩基连成一个整体，应按简支支承的双向板计算，承受均布荷载时，跨中弯矩M1、M2可按下式计算：式中a1、a2－弯矩系数，按下表取用；p－静水压力形成的荷载(KN/m2)；l1－矩形板的计算跨度(取最小跨)(m)；表7、双向板弯矩系数表l1/l2a1a2l1/l2a1a2l1/l2a1a20.500.09940.03350.700.07320.04100.900.05160.04340.550.09270.03590.750.06730.04200.950.04710.04320.600.08600.03790.800.06170.04261.000.04290.650.07950.03960.850.05640.0432封底混凝土的厚度计算，根据求的弯矩M按下式计算：式中h－封底混凝土厚度(mm)；K－安全系数，按抗拉强度计算的受压、受弯构件为2.65；M－板的最大弯矩(N·mm)；b－板宽，单位长度取1000mm；fct－砼抗拉强度设计值(N·mm2)，C20取1.1MPa；D－考虑水下混凝土可能与围堰下泥土掺混的增加厚度，取300～500mm；(10)围堰刃脚优化设计围堰刃脚构造图，如图11所示，表8、围堰刃脚构造计算表2、一种基于权利要求1所述的圆形双壁钢围堰参数化设计的优化评价函数：针对某一个项目来说，围堰的高度总是一致的，高度方向可以优化的方式主要通过增加竖向加劲肋刚度，加大水平环撑间距来实现，同时可以通过浇筑合适高度的壁舱混凝土来优化整体围堰；为考察围堰的总体用钢量指标随着厚径比以及斜撑数量和角度之间关系的变化，下面构造一个优化评价函数f来优化厚径比和斜撑数量对围堰用钢量的影响式中：L——单元长度(m)；N——单元内力(kN)；K——权重系数，受拉为1，受压为2；结构优化指标为f取最小值；将参数l，N输入函数f，然后将所有带量纲单位的参数全部取值为1，得到以下表格：表9、圆形围堰参数表推荐参数m推荐参数n型系数f自重比1/13963.7339454191.001/12803.7755097221.011/11723.8271593661.021/10643.8887130671.041/9603.9673673851.061/8604.0705412901.09从上表可以看出，随着围堰厚径比的增加，围堰材料数量在缓慢增加，m值从1/13～1/8，材料数量增加约9％；在考虑围堰经济性的同时，充分考虑围堰整体稳定性、围堰浮运和吸泥下沉要求，推荐的围堰构型见下表：表10、围堰构型选择表与现有技术相比，本发明的优点在于：本文通过对圆形双壁钢围堰的结构优化设计，推导出了圆形双壁钢围堰设计过程中关键结构尺寸拟定的公式，方便围堰设计人员在设计初始阶段快速拟定围堰结构尺寸，确保钢围堰整体结构满足受力要求，同时能够保证双壁钢围堰的经济性，利用上述公式设计的钢围堰的用钢量指标约为52kg/m3排水量；对比其他项目经验法设计能够节约围堰造价20％～35％，同时保证围堰受力合理可控，具有重大推广意义。附图说明图1为双壁钢围堰构造示意图；图2为双壁钢围堰构造的截面示意图；图3为围堰壁板常用加劲方式；图4为圆形围堰构型图；图5为围堰环撑受力情况；图6为围堰整体稳定性分析；图7为围堰环撑高度计算示意图；图8为每层环撑高度和第一层比例关系；图9为环撑总高度和第一层比例关系；图10为围堰壁板局部屈曲时挠曲线；图11为围堰刃脚构造图。1外壁板2内壁版3外竖肋4内竖肋5外环板6斜撑7内环板8隔舱板9刃脚10壁舱砼11承台砼12封底砼具体实施方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。圆形双壁钢围堰参数化设计成果应用武穴长江公路大桥北塔为深水基础，基础设计过程中设计单位和施工单位成立了科研小组，针对北塔基础的设计施工整体优化做了充分研究，最终确定的围堰结构为哑铃型双壁钢围堰，按照圆形双壁钢围堰参数化设计拟定了围堰的结构尺寸，经过有限元复核模拟，围堰的具体尺寸和计算结果如下，用钢量指标为52kg/m3排水量，优于其他桥梁同类围堰结构。表11、武穴长江公路大桥15#哑铃型围堰尺寸表承台内径承台长度围堰壁厚围堰高度28.8m58.8m1.8m31m围堰入土深度围堰总排水量围堰总重(不含钻孔平台)围堰用钢量指标14m52058m32705t52kg/m3表12、武穴长江公路大桥15#双壁钢围堰荷载组合表表13、武穴长江公路大桥15#双壁钢围堰计算结果表14、围堰结构用钢量统计表当前第1页1 2 3