公安长江公铁两用特大桥3#墩底节围堰气囊下河计算

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一、工程概况
1、围堰参数
公安长江公铁两用特大桥 3＃墩基础采用圆端型双壁钢吊箱围堰施工。双壁钢吊箱围堰高度为 23.5m，顺桥向尺寸 40.0m，横桥向尺寸 68.2m，圆端设置半径 R=20.0m，围堰具体布置如下：

2、围堰下河方案
围堰采用分节制造，拼装，底节围堰在岸上拼装，采用气囊法下河。围堰底龙骨作为下河滑道；同时临时封闭前端护筒为围堰下河提供浮力，减小围堰在下河过程中的吃水深度。布置如下图：底节围堰高度 18m，底隔舱和底龙骨下设置两块厚度为 18mm，长 69m，宽 15.5m
的底托板。底节围堰下河总重量为：
3、气囊参数
采用直径 1.2m，长 15m 气囊。气囊间距 2.5m，共 48 个，具体技术参数如下：根据以上参数，单个气囊可以简化为刚度系数为 410t/m 的弹簧受力。

4、钢围堰下河地形
3#墩底节围堰拼装利用 4#墩围堰拼装的场地，根据二公司提供实测数据，入水口处 15m 范围的坡度约为 1：9。按照目前拼装进度，3#墩围堰在 4 月中旬下河，此时，水位变化不大，因此，围堰下河计算时，按 1：9 的坡道进行计算，在入水口预留 70cm 台阶，假定起滑时围堰情况如下：



气囊在岸上拼装时，48 个气囊平均受力，单个气囊受力为：3200/48=66.7t，此时，根据刚度系数反算出气囊工作高度为：1.2-66.7/410=1.0m。
二、下河计算
1、计算假定
围堰自重忽略坡度影响；围堰刚度相对很大，假定为一刚体；气囊受力假定为弹性体；同样时间里，围堰下滑长度为气囊移动长度的 2 倍；
气囊入水后即不考虑其作用；下河过程中，假定地基不发生沉降；
2、模型参数
整个下水过程分成 5 个工况计算。每个工况采用 MIDAS 建立计算模型，建模考虑单根滑道承受一半总重量。单元长度总长 68.2m，设定材料弹性模量为：2.1×1013N/mm3，使梁为一无限大的刚体（相对而言）；单元截面为 1m×1m 矩形截面，材料容重为：234.6kN/m3，总重量为：2×234.6×68.2=3200t，比实际重量略重，偏安全。
浮力：根据设计图纸，建立三维实体，根据每个工况下入水长度截取体积与浮心。约束条件采用只受压杆件模拟，根据气囊参数，取弹性系数为 410t/m。每
隔 2.5m 设置一个，共 24 个。计算简图如下：

3、计算分析
(1)
工况 1：围堰前端距离水口 15m 时，在围堰前端铺设气囊，脱拉缆，围堰起滑瞬间。 经计算，在坡道上每个气囊受力 1600/24=66.7t，工作高度为 1.0m。气囊受


力满足受力要求。
(2)
工况 2：围堰前端刚好进入岸边，此时每侧 21 个气囊工作，岸上前端气囊受力增大，压缩变形后，围堰下滑角度开始变大。
(3)
工况 3：围堰前端刚好入水，此时每侧 18 个气囊工作，岸上前端气囊受力增大，压缩变形后，围堰入水角度开始变大。经试算，围堰入水角度变为 1:8.27，此时前端没有浮力。在坡道上气囊最大受力为 1765KN，工作高度为 0.77m。
(4)
工况 4：围堰前端入水后，围堰前移 10m，每侧有 15 个气囊工作。由于此时浮力较小，围堰入水角度继续变大经试算，围堰入水角度变为 1：7.35，此时前端浮力为 400.4t。在坡道上气囊最大受力为 2578kN，工作高度为 0.57m。此时后端有 2×3 个气囊托空，不再考虑托空气囊的作用

(5)
工况 5：围堰继续前移 10m，每侧有 10 个气囊工作。由于此时浮力增大较快，围堰入水角度开始变小。经试算，围堰入水角度变为 1：7.45，此时前端浮力为 1134.6t。在坡道上
气囊最大受力为 2132kN，工作高度为 0.68m。

(6)
工况 6：相对于岸上气囊作用中心点，围堰重力产生的力矩与浮力产生的力矩平衡，此时，围堰入水角度回归至 1：9。岸上每侧有 5 个气囊参与受力。
重力产生力矩为：Mg=3200×25.5=81600t.m
浮力产生力矩为：Mf=1728×46.6=80525t.m
Mf/Mg=80525/81600=0.99,认为重力产生力矩与浮力产生力矩相等。岸上共有 10 个气囊平均受力，单个气囊受力为：(3200-1728)/10=147t，工作高度为 0.84m。
(7)
工况 7：围堰由于惯性，继续往下滑，只至围堰全部入水，实现自浮。根据建立的三维实体模型，当围堰完全自浮时，吃水深度为 4.37m（不含底龙骨
高度）。
(8)
围堰下河到位后，脱掉底板，围堰自浮，围堰＋底隔舱重量共2897.8t，此时，围堰吃水 3.96m。(此时，每多吃水 1m 需 731.6t 自重。)
三、内支架计算
围堰起顶过程中，采用 MIDAS2006 建立底隔舱、围堰侧板和内支架模型。围堰侧板和底板采用板单元模拟，底隔舱和其他单元采用梁单元模拟；在底板底部
采用弹性竖向约束，弹性系数为 410t/m，围堰总体重量按 3200t 考虑，模型见下：

四、结论
1、围堰在下水过程中，围堰和气囊受力均满足要求。
2、河床情况：根据计算结果，预留安全水深，要求距河岸边 3m～50m 处水深不得小于 6.5m。并且必须保证围堰下水滑道外的上下游各 10m 范围内，水深
中铁大桥局股份有限公司设计分公司 11 公安长江公铁两用特大桥 3＃墩底节围堰下水计算满足要求。

3、单个气囊在围堰下水过程中最大受力为 2578kN，工作高度为 0.570m。此时，气囊与地面接触面积为：15×3.14×(1.2-0.570)/2=14.84m2，则地基承载
力要求为：2578/14.84＝174kPa。由于在下水过程的不确定性,要求滑道距岸边10m 范围内地基承载力不小于 250kPa。
4、围堰下河前，须对上、下游坡道的坡度进行测量，保证上游坡道与下游坡道之间的坡度相同，且上、下游坡道间没有高差。
5、由于气囊在整个下水过程中属于动态过程，而本算单仅以静态过程考虑计算，可能与实际情况有所出入，本算单结果仅作为参考。
6、围堰在由钢凳支承转换至气囊受力的过程中，应密切监视气囊充气和漏气情况，保证气囊较为平均受力，坚决避免局部受力过大