模拟施工过程的官洲河特大桥钢板桩围堰分析计算

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8
RailwayEngineering
May2010
1995201005-0008-04文章编号1003-
模拟施工过程的官洲河特大桥钢板桩围堰分析计算

尹浩辉
510288
广州交通投资集团有限公司广州
路径摘要以官洲河特大桥的深水基础钢板桩围堰系统作为研究对象采用不考虑施工过程中效应路径效应两种方法对其行有限元计算和考虑施工过程中
路径不考虑施工过程中的效应会导致错误的计算结果根据计算结果改进了原有的钢板桩围堰系统改进后的系统能够满足各阶段受力需求关键词钢板桩围堰
施工模拟路径效应
文献标识码B
有限元分析
+
中图分类号U445.556
0引言
钢板桩围堰具有结构简单受地质情况制约较小
1工程概况
广州新洲至化龙快速路D2标段官洲河特大桥位
钢板桩插打比较容易工工和施工成本较低等优点已经成为大桥水工时较为常见的板桩使用也会带来一围堰形式与此同时
侧壁易出现漏些安全隐患如结构计算分析较为复杂
封底混凝土施工前易出钢板桩易发生卷需要在计算和施工施加以避在对曲等
钢板桩围堰的安全性进行计算要包括钢板桩入土深度计算封底混凝土强度和抗浮稳定性计算钢板桩及其支撑系统的计算等其中以钢板桩及其支撑系统的计算最为复杂
由于钢板桩和内支撑系统的安装属于水下作业安装精度往往难以保证使得整个体系的受力状态异传统的计算方法往往常复杂对于钢板桩围堰系统
采用一次成型的平面静力计算方法该方法具有建模较为简单计算较为快的特是在围堰施工过程中由于结应对建造过程中以及最终的结构内力和变形的影响较与一次成型下的分析结果存在较大差别需在结构
设计中加以保证施工过程任意时构的安全本文
#
以官洲河特大17
于广州市珠江官洲河水道主桥为跨径布置99+180+99m的连续刚构17#主墩基础采用钻孔灌注桩和32.5m×15.7m整体式承台
纵桥向×5.0m高度承台底面设计高程为8.0m主墩形状及尺寸详见图1承台施工采用钢板桩单个墩钢板桩围堰内壁尺寸为35.6m横桥向围堰
×18m纵桥向钢板桩沿着周围的导梁插打插打深度为16.0m施工期间最高水位为7.5m采用长24m的钢板桩
考虑施工过程的钢板桩及其支撑系统的计算
1
17#主墩一般构造单位cm
2
12-23修回日期2010-02-18收稿日期2009-作者简介吴清1981湖南省新化县人工程师硕士
围堰设计和施工流程
围堰设计
钢板桩围堰平面内壁尺寸采用35.6m横桥向
2.1

2010年第5模拟施工过程的官洲河特大桥钢板桩围堰分析计算
9
×18m纵桥堰顶面高程采用+8.0m底面高程为16.0m具体布置如图2围堰支撑系统布置在钢板桩内囹采用工字型钢
内支撑采用钢管间断设置围堰支撑系统环向布设
共分五层在承台完成后施工墩身时将对内支撑系统进行调整改造
2钢板桩围堰布置
2.2原计划施工流程
承台范围河床顶面清淤至8.0m下放五
它们之间一般会有几个厘囹之间无法做到完全紧贴
米的距离有时甚至会达到10cm以上因此在将钢板桩与围囹焊接之前只能假定钢板桩与围囹是脱空
层内支10.5m水中浇注2.5m厚封底混凝土依次使用垫块将第i层内支撑与钢板桩顶紧后抽水至第i层内支撑下50cmii=15抽水至8.0m割除钢护筒围堰内清底拆除第五层支撑系统第一次承台施工拆除四层内支撑系统改造第一三层内支撑系统第二次承台施工拆除第三层内支撑系统第一次墩身施工拔出钢板桩和第一二层内支撑系统
3钢板桩及其支撑系统的计算分析
本文采用大型通用软件Ansys对钢板桩及支撑系
统进行空间有限元计算3.1
单元选择
钢板桩shell63字钢和槽钢采用beam4单元进行模拟钢管采用pipe16单元进行模拟钢材的弹性模量取210GPa泊松系数取0.33.2
模型建立
钢板桩围堰实测内壁尺寸为34.8m横桥向×18m纵桥向考虑到钢板桩及支撑系统具有双轴对称性质可取1/4模型进行计算切口处的约束按结构力学的原理施加钢板桩固支处理令沿钢板桩方向为坐标Z承台短边方向为Y承台长边方向为X结构1/4整体模型见图33.3
计算假定
1围囹和内支撑之间的连接按刚接处理2钢板桩与围囹的接触在将各层围囹与内支撑顶紧焊接后按全焊接前按脱空处理即不参与受力
固结处理由于钢板桩的插打和围囹的吊装属于水下作业施工难度较大受施工误差的影响钢板桩和围
3.5
不考虑施工过程的计算分析
该方法对结构在不同使用阶段及其荷载工况下的强度和刚度进行计算分析不考虑结构变形和应力的累积效应
对于3.4节所示的每一种工况其结构体3.4
3
钢板桩和内支撑1/4模型
施工工况
工况1工况5围堰开始抽水后当内水位降
钢板桩和第i层内支撑处于低至第i层支撑下0.5m
i层以上的钢板桩和内支撑焊接顶紧状态i=15
工况65水位抽至8.0m
工况7拆除第五层支撑施工第一层承台工况8施工第二层承台
工况9

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May2010
板桩和与其焊接或顶紧的内支包括尚未进行焊顶紧或已经拆除的内钢板桩系统所受外力主要有流水压力外侧静水压力和内侧静水压力以施工工况4为例其结构体系和所受外力如图4所示
1流水压力P1
2
流速0.39m/s计算得P1=0.99kN/m
2外侧静水压力P2
P2=155kN/m2考虑水深15.5m3内侧静水压力P3
P3=60kN/m2考虑水深6m
对于3.4节所示的9种工况计算结果见表1
4
工况4荷载
1
参数
钢板桩最大应力/MPa支撑系统最大应力/MPa钢板桩最大变形/mm
工况110121.117.8
工况218053.423.3
不考虑施工过程计算分析结果工况317558.315.5
工况419062.18.7
工况514346.17.7
工况614746.67.7
工况758.242.89.9
工况888.247.912.3
工况912046.124.4
1σmax=190MPa<σ=210MPafmax=24.44mm<L/400=16000/400=40mm内支撑的最大应力σ=62.18MPa<1.3σ=182MPa规范要求3.6
考虑施工过程的计算分析
随着各施工步骤的实对于本项目的钢板桩系统
水压等荷载逐渐施加到结构上而结构体系钢板桩与支撑要想精确地分析钢板桩工过程中的内力
和变形确保结构安全必须考虑围堰施工过程中结构路径效应变形和应力的累积效应
杀死激活Ansys软件中使用单元的办杀死单元并非将单法来实现施工过程分析所谓
元从模型中删除而是将其刚度或其他传导特性阵乘1.0×106用户也可以将其赋予其他值死单元的单元荷从而不对荷载向量生效具体做法如下载将为0
建立整个结杀死被拆除或退出结构受力的与结构受力的构件
构件并施加新增加的荷载然后进行计算前一阶段的计算结果段的结构初始条件计算结果如表2所示
比较表1和表2可以得出如下结论
1工况1两种不同计算方法的结果相同这是
边界条件到荷因为此时两种计算方法的模型从结构载都完全一致
2参数
钢板桩最大应力/MPa支撑系统最大应力/MPa钢板桩最大变形/mm
考虑施工过程计算分析结果
工况1101.021.117.8
工况2205.347.839.6
结构被压溃工况3
2工况2路径考虑效应与不考虑路径应相比钢板桩的最大应力和最大变形增大其中钢板桩的应力和变形接近规范要求的容许值而支撑系统的最大应力反而减小这是因为考虑路径效应时2层内支撑在本工况下才开始参与受力而其应力减小而钢板桩由于在加载的第1阶段缺少第2内支撑的支撑其计算长度增加因而应力和变形都显著增大
3工况3路径考虑效应时由于最大应力和变形超出限值结构计算无法收敛结构被压溃
从上述计算结果可知是否考虑围堰施工过程中路径效应会得出截然不同的计算结果对于本
项目如果采用上述钢围堰结构和施工流程最终将会造成钢围堰在水压力作用下发生结构性破坏并可能导致重大安全事故因此有必要对结构或者是施工流程进行调整使之能够满足结构受力的需求

2010年第5模拟施工过程的官洲河特大桥钢板桩围堰分析计算
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4改进后的施工流程及计算分析
通过分析
块将所有5层内支撑与钢板桩顶紧后依次抽水至第i层内支撑下50cmii=15这样1开始所有的内支均能够承受从钢板桩传递过来的水压力各施工工况3示意图如图5
1工况4的结构体系与工况5类似而受力要小于工况5因此没有必要对其进行计算
3参数
5
钢板桩最大应力/MPa内支撑系统最大应力/MPa钢板桩最大变形/mm
6
7
8
9150.0135.416.2
143.0147.080.371.246.146.6191.694.37.7
7.7
6.6
4.7
各阶段计算结果汇总表
工况
效应钢板桩和内支撑之间无法异的原因在于围囹下放时
做到完全紧贴
10cm以上的距离因此在钢围堰和各层内支撑贴紧之前他们之间无法协同受力如第5层内支撑要到施工工况5使内支撑的强度无法得到充分的利用而由于下边几层内支撑的无法及时参与结构受导致钢板桩变形和应力过大导致结构失效
改进的思路在于如何使下边几层内支撑尽快参与结构受力为此2.2节的施工流程改为使用垫
5各施工工况示意

2006.清华大学出版社



从计算结果可知改变结构体系后钢板桩系统的变形和应力都能够满足要求
1.盛和太.ANSYS有限M2杨丽.ANSYSJ.国防交通工程与技术2006364-66.
3.2009钟振云.J26-8.
4张国军葛家琪.2008奥运会羽毛球馆弦支穹顶预应力张拉J.建筑结构学报20071231-38.模拟施工过程分析研究
5中华人.JTJ041-S.北京人民交通出版社2000.6中华人民共和.JTJ02586

赵其文
S.北京人民交通出版社1986.木结构设计规范
5结论
1深水基
路径体系的受力有较大影响不考虑施工过程的应可能会导致错误的计算结果造成安全事故采用生路径死单元法考虑围堰施工过程中的效应对确保结构在施工过程中的安全是十分必要的
2由于在到完全紧贴为确保围囹系统充分参与受力应在钢板桩系统抽水前将所有的钢板桩和围囹进行水下顶紧这是确保整个钢板桩系统安全的关键所在
责任审编

本文来源:https://www.2haoxitong.net/k/doc/be15da270722192e4536f606.html

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