[发明专利]圆形双壁钢围堰的参数化设计方法

摘要

本发明涉及一种圆形双壁钢围堰的参数化设计方法，目前设计方法为经验法，相关构造尺寸拟定过程中参考其他项目类似方案，采用有限元试算然后再修改相关尺寸，不能从整体把握双壁钢围堰设计的要点，导致计算过程复杂，材料浪费大，部分围堰结构应力偏大，结构安全性低。有必要在考虑整体的情况下，对双壁钢围堰的设计计算过程进行梳理，通过参数化计算方式，统一考虑围堰的合理结构，给出圆形双壁钢围堰设计的合理构造和相关计算公式，方便围堰设计人员初步拟定围堰结构尺寸；利用参数化设计的圆形双壁钢围堰对比其他项目经验法设计的双壁钢围堰，节约材料用量20％～35％，具有重大推广意义。

主权项

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；有效翼缘板宽度和跨度之比为b＝18％*l；加劲肋高宽比的比例极限为h/t≤21；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：加劲肋的间距一般按照环板和加劲肋高度的比值不小于2.5倍；(2)围堰构型设圆形围堰有n个V型撑，φ:=πn,sin(φ)a=sin(α)R,sin(φ)a=sin(π-α-φ)(1+m)·R---(a)]]>a:=-2cos(φ)m+m2-2cos(φ)+2m+2R---(1)]]>α:=arcsin(sin(φ)2-2cos(φ)m+m2-2cos(φ)+2m)---(2)]]>(3)围堰环撑受力分析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：N1=12(A1(A2sin(φ)cos(α)P1l3+A3cos(β)P1R+A3cos(α)P2R))/((A1A2cos(α)l3sin(φ)+RA3cos(α)A2m+Rcos(β)A1A3+RA3cos(α)A2)sin(φ))---(3)]]>N2=12(A2(A1sin(φ)cos(α)P2l3+A3cos(β)P1Rm+A3cos(α)P2Rm+A3cos(β)P1R+A3cos(α)P2R))/(A1A2cos(α)l3sin(φ)+RA3cos(α)A2m+Rcos(β)A1A3+RA3cos(α)A2)sin(φ))---(4)]]>N3=-12RA3(-A2P1m+A1P2-A2P1)A1A2cos(α)l3sin(φ)+RA3cos(α)A2m+Rcos(β)A1A3+RA3cos(α)A2---(5)]]>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：qcr:=3·E·Ir3---(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)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(34·K1·E-18·K2·σ)·m3+(34·K1·E-54·K2·σ)·m2-1.5·K2·σ·m-K2·σ=0;---(8)]]>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；(5.2)构造要求需要的围堰最小厚度，单位:mm(6)围堰环撑竖向间距设计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；H:=h(n)·(n)n-n-1---(a);]]>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；M:=112·q·b·h(n)2---(c);]]>MW·K≤σ---(d);]]>将(a)、(b)、(c)代入式(d)，求h(n)得：h(n)=121/3(σ(n-n-1)WρgnbK)1/3---(9);]]>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：(7)围堰隔舱板间距拟定设屈曲时壁板变形函数为ω(θ)；则挠曲线微分方程为：ω′′(θ)+ω(θ)=-r2EI·M;---(a)]]>M：＝S·ω(θ)‑Q·r·sin(θ)；    (b)S：＝q·r，   (c)求解微分方程得：ω(θ):=sin(Sr2+EIθEI)_C2+cos(Sr2+EIθEI)_C1+sin(θ)Qrs;---(10)]]>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)sin(Sr2+EIαEI)QrEISr2+EIS+cos(Sr2+EIαEI)_C1-sin(α)QrS=0]]>-sin(Sr2+EIαEI)QrEISr2+EIS+cos(Sr2+EIαEI)_C1+sin(α)QrS=0]]>故满足上述方程组的条件为：求解得qcr:=14EI(π2-4α2)α2r3;---(11)]]>将式(11)简化为：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；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：kst≥1.05;kst:=Gik-FwkFfk;---(14)]]>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＝0.8～0.9kst,s=Gik-F′fw,kF′fw+Rb---(15)]]>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：M1=a1pl12M2=a2pl22]]>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)；双向板弯矩系数表封底混凝土的厚度计算，根据求的弯矩M按下式计算：h=3.5K·Mb·fct+D]]>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，围堰刃脚构造计算表