双壁钢围堰气囊法下水计算方法研究 1
围堰气囊下水法因为适应性强，投入少等优点，在桥梁基础施工中得到越来越多的应用。 但目前尚无系统的分析与研究。对围堰下水过程的静力与动力进行理论分析，推导计算围堰下水过程中的人水角度、前端人水深度以及运动速度等参数信息。通过实例计算证明，所提出的计算方法分析精准、可靠，已在多个围堰工程中得到应用。关键词围堰 气囊下水 入水深度围堰角度 运动速度在我国现代桥梁施工中广泛应用深水中的桩 承台基础，其施工过程中 一 般采用双壁钢围 堰L]。自2006年以来，非控制下放的围堰气囊 法下水技术得到了快速发展与广泛采用。围堰下水过程中，气囊、水对围堰的运动以及受力的影响非常复杂，且涉及的参数众多，计算困难。目前，施工单位多数依赖经验进行围堰下水， 已有数次失败案例，存在的问题主要有2个方面： 围堰前端入水深度过大导致围堰倾覆；近岸边河床开挖较浅，导致围堰搁浅。因此，有必要对围堰 下水过程进行系统的理论分析与计算。需要计算的几个重要参数为：①围堰入水后的倾斜角度以及吃水深度；②围堰下水过程中的速度。本文进行了相关的假定，从静力与运动两方面对围堰下水的过程进行理论研究与计算。通过静力计算， 可以求解上述的第1个参数；而运动计算则可以求解第2个参数。1 计算假定与参数由于计算的需要，做以下基本假定：(1)气囊发生弹性变形，刚度为K,。(2)气囊对围堰的支承力是梯形分布q(s)= c+bs,s 为气囊分布横坐标[]。(3)下水过程围堰只有沿坡道方向的加速 度。参数定义见表1,围堰下水示意见图1表1围堰参数表
参数 名称参数 名称
o 滑 道 坡 度断缆时围堰前端与坡 S₁道末端距离P滚动摩擦系数0.025β围堰拼装坡度Sg坡道末端至水面距离L 田 堰 总 长
R气囊提供的总反力1,国堰浮心与其尾端距离
F 图 堰 浮 力ln气囊合力点至围堰尾端距离
G围堰的重力u围堰重心至围堰尾端距离
x围堰前端入水长度y围堰入水后端与岸边距离
k,气囊刚度ha?国堰自浮时的入水深度
fn气囊所受的摩擦力f、围堰在水中运动方向的阻力
C水阻力系数，取0.7S」围堰阻水面积
注：如无特殊说明，质量单位为t,力的单位为kN。
图 1 围堰下水侧面布置图2 围堰下水过程计算2.1 过程分析对围堰的下水过程进行分析，可知围堰下水 过程可分为3个阶段：第一阶段，围堰前端人水之 前在岸上加速下滑；第二阶段，围堰前端入水至围 堰前端开始上浮；第三阶段，围堰前端开始上浮至 后端下水。2.2 静力计算2.2.1 第一阶段下水过程第一阶段受力分析见图2,可知O≤ y≤S₂。围堰的平衡条件为令T(y)=L-y, 可以解得
(1)第一阶段末，围堰角度应为滑道角度与气囊 前后压缩差形成的角度之和△h,因此围堰角度(2)
图2下水第一阶段受力分析图2.2.2 第二阶段下水过程第二阶段受力分析见图3。假定浮 力的合力作用点距离围堰前端x/3。围堰平衡条件为
令T/(x)=L-x-S₂, 得
(3)围堰角度k的函数(4)本阶段最大前端入水深度为
(5)
图 3下水第二阶段受力分析图2.2.3 第三阶段下水过程第三阶段受力分析见图4。平衡条 件为F·l=G·l相对坡道末端点求力矩平衡，并联立上式(6)通过上式可以解出k(x)=f(G,F,x)。 本阶段围堰最大前端入水深度为hmas=max=max(7)整个下水过程中围堰最大前端入水深度为hmax =max(hmx,g,hma.s} (8)图 4下水第三阶段受力分析图2.3 下水运动计算2.3.1 围堰前端入水前假定从围堰断缆至围堰前端入水，围堰角度 不 变 ，a=arctan(kg), 则加速度与速度分别为ao =g sin a—μg cos a (9)vo=√2a₀(S₁+S₄) (10)2.3.2围堰前端入水后假定围堰在入水过程中没有发生转动，且只 有沿坡道方向的加速度。入水角度取本文2.2.1 中的参数，入水后受力分析见图5。
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