公安長江公鐵兩用特大橋3#墩底節(jié)圍堰氣囊下河計算

jimosea

一、工程概況
1、圍堰參數(shù)
公安長江公鐵兩用特大橋 3＃墩基礎(chǔ)采用圓端型雙壁鋼吊箱圍堰施工。雙壁鋼吊箱圍堰高度為 23.5m，順橋向尺寸 40.0m，橫橋向尺寸 68.2m，圓端設(shè)置半徑 R=20.0m，圍堰具體布置如下：

2、圍堰下河方案
圍堰采用分節(jié)制造，拼裝，底節(jié)圍堰在岸上拼裝，采用氣囊法下河。圍堰底龍骨作為下河滑道；同時臨時封閉前端護(hù)筒為圍堰下河提供浮力，減小圍堰在下河過程中的吃水深度。布置如下圖：底節(jié)圍堰高度 18m，底隔艙和底龍骨下設(shè)置兩塊厚度為 18mm，長 69m，寬 15.5m
的底托板。底節(jié)圍堰下河總重量為：
3、氣囊參數(shù)
采用直徑 1.2m，長 15m 氣囊。氣囊間距 2.5m，共 48 個，具體技術(shù)參數(shù)如下：根據(jù)以上參數(shù)，單個氣囊可以簡化為剛度系數(shù)為 410t/m 的彈簧受力。

4、鋼圍堰下河地形
3#墩底節(jié)圍堰拼裝利用 4#墩圍堰拼裝的場地，根據(jù)二公司提供實(shí)測數(shù)據(jù)，入水口處 15m 范圍的坡度約為 1：9。按照目前拼裝進(jìn)度，3#墩圍堰在 4 月中旬下河，此時，水位變化不大，因此，圍堰下河計算時，按 1：9 的坡道進(jìn)行計算，在入水口預(yù)留 70cm 臺階，假定起滑時圍堰情況如下：



氣囊在岸上拼裝時，48 個氣囊平均受力，單個氣囊受力為：3200/48=66.7t，此時，根據(jù)剛度系數(shù)反算出氣囊工作高度為：1.2-66.7/410=1.0m。
二、下河計算
1、計算假定
圍堰自重忽略坡度影響；圍堰剛度相對很大，假定為一剛體；氣囊受力假定為彈性體；同樣時間里，圍堰下滑長度為氣囊移動長度的 2 倍；
氣囊入水后即不考慮其作用；下河過程中，假定地基不發(fā)生沉降；
2、模型參數(shù)
整個下水過程分成 5 個工況計算。每個工況采用 MIDAS 建立計算模型，建模考慮單根滑道承受一半總重量。單元長度總長 68.2m，設(shè)定材料彈性模量為：2.1×1013N/mm3，使梁為一無限大的剛體（相對而言）；單元截面為 1m×1m 矩形截面，材料容重為：234.6kN/m3，總重量為：2×234.6×68.2=3200t，比實(shí)際重量略重，偏安全。
浮力：根據(jù)設(shè)計圖紙，建立三維實(shí)體，根據(jù)每個工況下入水長度截取體積與浮心。約束條件采用只受壓桿件模擬，根據(jù)氣囊參數(shù)，取彈性系數(shù)為 410t/m。每
隔 2.5m 設(shè)置一個，共 24 個。計算簡圖如下：

3、計算分析
(1)
工況 1：圍堰前端距離水口 15m 時，在圍堰前端鋪設(shè)氣囊，脫拉纜，圍堰起滑瞬間。 經(jīng)計算，在坡道上每個氣囊受力 1600/24=66.7t，工作高度為 1.0m。氣囊受


力滿足受力要求。
(2)
工況 2：圍堰前端剛好進(jìn)入岸邊，此時每側(cè) 21 個氣囊工作，岸上前端氣囊受力增大，壓縮變形后，圍堰下滑角度開始變大。
(3)
工況 3：圍堰前端剛好入水，此時每側(cè) 18 個氣囊工作，岸上前端氣囊受力增大，壓縮變形后，圍堰入水角度開始變大。經(jīng)試算，圍堰入水角度變?yōu)?1:8.27，此時前端沒有浮力。在坡道上氣囊最大受力為 1765KN，工作高度為 0.77m。
(4)
工況 4：圍堰前端入水后，圍堰前移 10m，每側(cè)有 15 個氣囊工作。由于此時浮力較小，圍堰入水角度繼續(xù)變大經(jīng)試算，圍堰入水角度變?yōu)?1：7.35，此時前端浮力為 400.4t。在坡道上氣囊最大受力為 2578kN，工作高度為 0.57m。此時后端有 2×3 個氣囊托空，不再考慮托空氣囊的作用

(5)
工況 5：圍堰繼續(xù)前移 10m，每側(cè)有 10 個氣囊工作。由于此時浮力增大較快，圍堰入水角度開始變小。經(jīng)試算，圍堰入水角度變?yōu)?1：7.45，此時前端浮力為 1134.6t。在坡道上
氣囊最大受力為 2132kN，工作高度為 0.68m。

(6)
工況 6：相對于岸上氣囊作用中心點(diǎn)，圍堰重力產(chǎn)生的力矩與浮力產(chǎn)生的力矩平衡，此時，圍堰入水角度回歸至 1：9。岸上每側(cè)有 5 個氣囊參與受力。
重力產(chǎn)生力矩為：Mg=3200×25.5=81600t.m
浮力產(chǎn)生力矩為：Mf=1728×46.6=80525t.m
Mf/Mg=80525/81600=0.99,認(rèn)為重力產(chǎn)生力矩與浮力產(chǎn)生力矩相等。岸上共有 10 個氣囊平均受力，單個氣囊受力為：(3200-1728)/10=147t，工作高度為 0.84m。
(7)
工況 7：圍堰由于慣性，繼續(xù)往下滑，只至圍堰全部入水，實(shí)現(xiàn)自浮。根據(jù)建立的三維實(shí)體模型，當(dāng)圍堰完全自浮時，吃水深度為 4.37m（不含底龍骨
高度）。
(8)
圍堰下河到位后，脫掉底板，圍堰自浮，圍堰＋底隔艙重量共2897.8t，此時，圍堰吃水 3.96m。(此時，每多吃水 1m 需 731.6t 自重。)
三、內(nèi)支架計算
圍堰起頂過程中，采用 MIDAS2006 建立底隔艙、圍堰側(cè)板和內(nèi)支架模型。圍堰側(cè)板和底板采用板單元模擬，底隔艙和其他單元采用梁單元模擬；在底板底部
采用彈性豎向約束，彈性系數(shù)為 410t/m，圍堰總體重量按 3200t 考慮，模型見下：

四、結(jié)論
1、圍堰在下水過程中，圍堰和氣囊受力均滿足要求。
2、河床情況：根據(jù)計算結(jié)果，預(yù)留安全水深，要求距河岸邊 3m～50m 處水深不得小于 6.5m。并且必須保證圍堰下水滑道外的上下游各 10m 范圍內(nèi)，水深
中鐵大橋局股份有限公司設(shè)計分公司 11 公安長江公鐵兩用特大橋 3＃墩底節(jié)圍堰下水計算滿足要求。

3、單個氣囊在圍堰下水過程中最大受力為 2578kN，工作高度為 0.570m。此時，氣囊與地面接觸面積為：15×3.14×(1.2-0.570)/2=14.84m2，則地基承載
力要求為：2578/14.84＝174kPa。由于在下水過程的不確定性,要求滑道距岸邊10m 范圍內(nèi)地基承載力不小于 250kPa。
4、圍堰下河前，須對上、下游坡道的坡度進(jìn)行測量，保證上游坡道與下游坡道之間的坡度相同，且上、下游坡道間沒有高差。
5、由于氣囊在整個下水過程中屬于動態(tài)過程，而本算單僅以靜態(tài)過程考慮計算，可能與實(shí)際情況有所出入，本算單結(jié)果僅作為參考。
6、圍堰在由鋼凳支承轉(zhuǎn)換至氣囊受力的過程中，應(yīng)密切監(jiān)視氣囊充氣和漏氣情況，保證氣囊較為平均受力，堅(jiān)決避免局部受力過大