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某大型沉井基础关键施工过程受力分析
收录时间:2022-11-25 23:01:44  浏览:0
第 2 7卷第 1期 2 0 1 0年 3月 华中科技大学学报 城市科学版 J o f H U S T U r b a n S ci e n ce E d it i o n Vo 1 2 7 No 1 Ma r 2 Ol 0 某大型沉 井基础 关键施工 过程 受力分析 杨灿文 黄民 水 1 中铁大桥勘测设计院有限公司 湖北 武汉4 3 0 0 5 6 2 武汉工程大学交通研究中心 湖北武汉4 3 0 0 7 3 摘要 大型沉井在桥梁的深水基础和悬索桥锚碇基础有着广泛的应用 但 目前对沉井的研究更多关注的是沉 井的下沉和施工控制 计算偏保守的采用平面简化计算 造成设计的浪费 本文采用 Mi d a s C iv i l 软件建立 了沉 井基础的平面和空间实体有限元计算模型 对某锚碇沉井基础施工关键技术进行平面和空间受力分析 得到沉 井的隔墙与井壁在施工阶段的受力特征 对沉井基础的设计和施工均具有较大的指导和借鉴作用 关键词 沉井基础 受力分析 关键施工过程 实体模型 有限元法 中图分类号 T U 4 7 0 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 0 3 7 2 0 1 0 0 1 0 0 1 7 0 5 随着国内大跨度桥梁不断的涌现 沉井由于 其刚度大 经济性好的特点 越来越多地应用于桥 梁深水基础和悬索桥锚碇基础 其 中 1 9 9 9年建 成 的江***长 江公路大桥南锚碇采 用平面尺寸 5 1 m 6 9 m 高为 5 8 m的矩形沉井基础 为 国内最 大的锚碇 沉井 基础 2 目前 在建 的泰州长 江公 路大桥中塔采用水 中沉井基础 平面尺寸为 5 8 4 m 4 4 4 m 高为 7 6 m 其中下层 4 4 m为钢结构 上层 3 2 m为钢筋混凝土结构 为国内最大的水中 沉井基础 目前对 于大型沉井基础施工过程 的研究 更 多的关注沉井 的下沉和施工控制 J 而对于沉 井的本身结构受力一般采取平面的简化计算 计 算方法偏于保守 往往造成设计的浪费 并且未能 反应沉井 的实际受力状况 本文对某锚碇 的大型 沉井基础关键施工过程进行 了平面简化和实体有 限元计算 对大型沉井基础的关 键施工 阶段进行 受力分析研究 获得了一些有价值的结论 1 沉井简介 该沉井如图 1 所示 沉井 长和宽分别为 6 0 2 m和 5 5 4 m 沉井高 4 1 m 共分八节 第一节高 8 m 第二到六节为 5 m高 第七节为 3 5 m 第八节 为 4 5 m 井 内共设 置 2 5个井 孔 第 二节 壁厚 2 4 m 第三到七节壁厚 2 2 m 隔墙厚 2 2 I l l 刃 脚高 1 8 m 底部设置 0 2 m厚的踏 面 隔墙底部 比井壁底部高 1 8 m 沉井封底混凝土厚为8 m 沉井基础处地表覆盖层厚约 4 5 m 以砂层为 主 自上而下依次为可塑状粉质粘土 流塑状 淤泥质 粉质粘土 稍密状 一中密状粉细砂及 中密状中砂 基底置于中密的中砂层 2 计算工况及模型 在沉井施工的过程 中 主要有两个关键步骤 第一个是沉井初始下沉阶段 在沉井第一 二节现 场预制完成后 抽取隔墙 和刃脚底部的垫木 从井 孔中心取土下沉 第二个是 沉井下沉到设计高程 后 在沉井封底之前 将沉井井底部完全掏空 在 第一个施工阶段 沉井受力出现体系的转换 由于 沉井隔墙底部土体掏空 沉井受力为均匀作用于 井壁和隔墙底部 的支撑垫木上转换为 由仅井壁底 部进行竖向支撑 这时沉井侧壁还没有出现土体 摩阻力 自重完全 由隔墙和刃脚底部承受 此时隔 墙底部受拉 应力最大 在第二个施工阶段 在井 外土压力作用下 沉井底部 刃脚及刃脚以上井壁 受最大的水平土压力 下面就将这两个关键 的施 工步骤作为两个工况进行分析 结构计算 采用商业软件 Mid a s C iv il 空 间模 型采用实体单元 有限元模型如图 2所示 沉井 结构材料为 C 3 0混凝 土 容重为 2 5 k N m 弹性 模量为 3 1 0 k P a 考虑沉井的对称性 选取 1 4 结构进行空问分析 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 2 2 作者简 介 杨灿文 1 9 7 7 一 男 贵州三穗人 工程师 研究方向为桥梁设计 cw y a n g 1 9 7 7 1 6 3 13 o l i 通讯作者 黄民水 1 9 7 6 一 男 湖南麻 阳人 讲师 博士后 研究方 向为工程结构 的损伤 检测 维修及 加 固 h u a n g mi n s h u i t s in g h u a o r g a n 基金项 目 湖北 省 自然科学基 金 2 0 0 9 C DB 0 8 0 l 8 华中科技大学学报 城市科学版 沉井 立 面 24如 1 0 2 4口 cl 彭 并盅 板 黪 混凝 土 貉 i C20 i 混凝土 水 鬈 锄 嚣 5 一 I 00 圆 圈 国 口 田 园 国 国 口 田 园 囤 囤 田 田 园 图 圉 田 田 园 囤 图 田 口 图 1 沉井基础结构布置 图 2 沉井有 限元实 体模 型 对于工况一 由于结构仅在刃脚支撑 若采用 平面模型 可考虑简化为一个方 向支撑的梁 但从 沉井的平面尺寸看 长边与短边的 比值大于 l而 小于 2 因此在 自重作 用下 沉 井为 双 向受力结 构 采用单向的简化计算并不合适 为反映实际的 受力情况 将底部两节建立 1 4的空间实体模型 在沉井 的刃脚踏面施加竖 向和水平约束 在对称 中心施加对称约束 计算荷载仅考虑自重 其中 对于竖向约束 考 虑井壁 的刃脚是直接支撑在地 基上 因此需采用弹性支 承模拟 但实际施工时 为保证沉井预制时的稳定 对地基进行 了加固 所 以地基 的竖向弹性支承刚度较难取值 为比较地 基刚度对沉井受力的影响 将竖 向支撑分别按照 固结 2 0 0 0 0 k N m 节点 弹性 支承 1 0 0 0 0 k N m 进行约束 对于工况二 传 统简化计 算根据 公路 桥涵 地基与基础设计规范 相关规定进行 在进行竖 直方向的检算时 刃脚沿周长方 向取单位宽度 1 m 计算荷载考 虑沉井 自重 和刃脚 的水土压 力 图 3 此时沉井刃脚 向内弯曲 刃脚根部截面外 侧受到最大的拉应力 控制刃脚根部的配筋 在进 行平面计算时 选取刃脚根部以上高度等于刃脚 宽 2 0 m 的一段井壁进行平 面框 架检 算 计算 荷载取作用在井壁上 的水土压力 其 中该水土压 力包括2 m井壁高内的水土压力和刃脚根部传递 过来的水平力 此时井壁在平面内受力最大 控制 沉井根部水平方向的配筋 平面计算软件仍采用 M i d a s C i v i l 井壁和隔墙均用梁单元模拟 计算荷 载取水土均布压力 为 7 5 0 k N m 计算模型如图 4所示 相应工况 二的空 间计算模 型取 1 4的沉井 全模型 如图2所示 对称中心施加对称约束 考 虑在沉井下沉到位后 沉井 在周边土体摩阻力的 作用下不再继续 下沉 因此在沉井井壁外周边施 加竖向弹性约束 约束的刚度取一个较大值以更 好的模拟沉井受力 沉井荷载考虑沉井 自重和外 壁水平水土压力 其中水土压力采用水土分算 土 体取浮重 1 0 k N m 内摩擦角按照砂土取 3 O 水 平土压力侧压 系数 A t a n 4 5 一 2 水压力 考虑沉井 内外水头差 5 m考虑 计算水 土压力按 线性分布 如 图 3 士 压 力 5 0 k Pa 1 1 H H H H H 8 k P a L 百 Jk P a 水压 力 图 3 沉井井壁水土压力分 布 2 O 华中科技大学 学报 城市科学版 2 0 1 0年 表3 工况二实体模型计算结果 荷载 拉应力 MP a 位置 通过实体计算 在 自重 土压力 的荷载作用 下 水平方 向的最大拉应力 为 1 0 3 6 MP a 出现在 沉井中部的隔墙底部 比较初始下沉时 的 2 8 4 9 M P a隔墙拉应力 减小许 多 随着沉井的逐渐下 沉和不断接高 中间隔墙 的抗弯惯性矩逐渐增大 而井壁所受的水平土压力也逐渐增加 其对 隔墙 产生的轴向力逐渐增大 在 自重 和水平 土压力 的 作用下 隔墙底部拉应力逐渐减小 由此可见 对 隔墙初始下沉 时底 部拉应力 最大 的判 断是准确 的 为比较工况二平面计算与实体计算的结果 在实体计算时 仅考虑沉井在承受水土压力作用 下的受力 根据计算可得到最大拉应力出现在沉 井上端变截面处 分析原因 沉井上端 4 i n范围 内没有隔墙的支撑作用 在平面上看就是一个大 的矩形框架 因此 在水平压力作用下 井壁在支 撑变化处出现较大的变形 计算得到该处相应水 平拉应力为 0 4 8 8 M P a 而与平面框架计算相对应 的井壁处 由于此 处 同样为隔墙支撑的变化处 也出现较大的应力 最大水平拉应力出现在纵横 向井壁 的交界处 相 应值为0 3 8 5 M P a 仅为平面计算的 2 2 分析 原因 主要有两个 第一是在平面计算时仅取 2 n l 高的一段井壁进行计算 该段 和刃脚 的土压力均 作用在这部分井壁上 未考虑刃脚 和上端井壁的 水平框架作用对水平土压力的分配 也就是说 该 段平面计算的水平土压力可以不考虑刃脚的提供 的水平力 第二个原因是计算将井壁和隔墙均按 梁单元进行简化 与实体单元的计算 比较 变形增 大许多 相应拉应力也较大 计算在土压力作用下井壁的竖 向拉应力 可 得到刃脚根部相应最大拉应力 为 0 2 9 2 MP a 比 简化计算的 0 5 3 6 M P a减少将近一半 且 实际最 大的井壁竖向拉应力并非出现在刃脚 根部 而是 刃脚根部以上 2 i n 隔墙底部变宽处 相应值为 0 6 7 7 M P a 分析原因 由于在隔墙上部与井壁刚 度相差不大 变形 比较均匀 到 了隔墙变宽处 井 壁厚为 2 in 隔墙厚 1 4 1T I 两者 刚度 比值发生较 大变化 即隔墙与井壁 的框架作用突然减弱 因此 出现较大变形 相应的应力也较大 而对于隔墙变 宽处 以下 隔墙厚度虽然逐渐减弱 但 隔墙与井壁 的框架作用并不明显 即在此处沉井井壁的水平 面内变形小于其 面外 的变形 4 结 论 1 在沉井初始下沉时 井 壁底 部支撑沉井 的地基刚度相对沉井较小 若按照弹性支承模拟 计算参数较难选取 根据计算分析 弹性支承的刚 度对隔墙受力影 响相对较小 设计 时可以偏安全 的假定井壁底部竖向固结来计算隔墙受力 2 沉井在 首节预制时需进行地基加 固 但 如果加固强度过大对沉井受力并不是很有利 因 此在施工时 满足基本承载力要求 的前提下 可考 虑适当降低安全系数 以节省施工费用 3 沉井下 沉到位后 通过对平面计算 和实 体空间计算比较 平面计算假定较多 与实体分析 有一定差别 计算偏于保守 特别采用刃脚根部以 上的井壁平面计算结果作 为井壁配筋 的控制 浪 费较大 因此 设计若采用平面简化计算 计算荷 载仅需考虑该段井壁高度范围内相应的水土压力 而不需要施加刃脚的水平力 4 通过实体分析 隔墙的刚度对井壁的受 力有较大影响 在沉井下沉到位后 在水平 土压 力作用下 井壁最大的拉应力均出现在隔墙的刚 度变化位置与井壁相交的地方 在结构设计时 需引起重视 加强对局部的检算 同时 隔墙的厚 度变化尽量缓和 以避免 由于隔墙刚度 的突变 引 起井壁局部 的应力集中 参考文献 1 周世忠 江***长江公路大桥北锚碇的施工与控制 J 国外桥梁 2 0 0 4 4 5 6 5 9 2 吉林 冯兆祥 周世忠 江***大桥北锚沉井基础 变位过程实测研究 J 公路交通科技 2 0 0 1 l 8 3 3 3 3 5 3 黄龙华 周炜 刘涛 泰州长江公路大桥中塔墩 沉井基础施工方案研究 J 桥梁建设 2 0 0 8 2 6 3 6 4 G u o Z h e n g H o n g X u We i R e s e a r ch o n t h e s t r e s s me cha n is m o f t h e u l t r a d e e p o p e n ca is s o n s y s t e m d ur in g s u b s i d e n ce p r o ce s s C P r o ce e d in g s o f t h e G e o S h a ng h m Co n f e r e nce Un d e r g r o un d Co n s t r uct ion a n d Gr o u n d Mo v e me n t Ge o t e ch n ica l S p e e iM Pu b l ica t io n 20 06 1 4 2 1 49 5 李宗哲 朱婧 居炎飞 等 大型沉井群的沉井 下沉阻力监测技术 J 华中科技大学学报 城市 第 1 期 杨灿文等 某大型沉井基础关键施工过程受力分析 2 l 科学版 2 0 0 9 2 6 2 4 3 46 6 A l l e n b y D Wa l e y G K i l b u m D E x a m p l e s o f o p e n ca i s s o n s in k in g i n S co t l a n d C P r o ce e d in g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f C iv i l E n g in e e r s Ge o t e ch n i ca l En g i n e e r in g 2 0 0 9 5 9 7 0 7 苏静波 楼淑君 霍瑞丽 锚碇沉井基础稳定性的 规范算法与有限元方法的对比 J 盐城工学院学 8 9 报 自然科学版 2 0 0 8 2 1 4 4 7 李跃进 厚砂层中的沉井施工方法 J 山西建筑 2 0 0 8 3 4 6 1 8 4 1 8 5 苏静波 楼淑君 霍瑞丽 锚碇沉井基础稳定性的 规范算法与有限元方法的对比 J 盐城工学院学 报 自然科学版 2 0 0 8 2 1 4 4 7 M e ch a n ica l An a l y s is o n Ke y Co n s t r u ct io n S t a g e s o f a La r g e Op e n Ca is s o n F o u n d a t io n Y A NG C a n we n HU ANG Mi n s h u i 1 C h i n a Z h o n g t ie M a j o r B rid g e R e co n n a is s a n ce a n d D e s i g n I n s t it u t e C o L t d Wu h a n 4 3 0 0 5 6 C h in a 2 T r ans p o r t a t io n R e s e a r ch C e n t e r Wu h a n I n s tit u t e o f T e ch n o l o g y Wu h an 4 3 0 0 7 3 C h i n a A b s t r a ct L a r g e o p e n ca is s o n s a r e w i d e l y u s e d a s d e e p w a t e r f o u n d a t io n s o f ma j o r b ri d g e s a n d anch o r f o u n d a t io n s o f s us p e n s io n b ri d g e s b ut t he s u b s id e n ce a n d co ns t r u ct i o n co n t r o l o f ca is son s a r e p a id mo r e a t t e n t io n t o ca l cu l a t e co n s e r v a t iv e l y w ith s i mp l i fie d p l a n e m o d e l w h ich o f t e n ca u s e ma j o r w a s t e in d e s ig n I n t h e p a p e r the p l
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