MIDAS双壁围堰计算书.docx
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MIDAS双壁围堰计算书
双壁钢围堰计算书
1计算依据
（1）《某特大桥设计图》；
（2）《路桥施工计算手册》周水兴等著；
（3）《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB10002.5-2005；
（4）《混凝土结构设计规范》GB50010-2002；
（5）《钢结构设计规范》（GB500017-2003）；
（6）Midascivil使用手册。
2工程概况
某特大桥采用（60.75+100+60.75）m大跨连续梁结构跨越秦淮新河，承台位于主河道，直为径17.4m，高4m，底标高-5.0m，施工最大水位为8.0m，河床以下主要为第四系全新统冲积层（Q4al），下伏基岩为侏罗系上统西横山组（J3）钙泥质砂岩和凝灰质砂岩，承台处地址情况如图1：
图1地质状况
3.双壁钢围堰施工方案综述
钢围堰在后场加工厂分块段进行加工，由平板汽车通过施工栈桥运至施工现场，采用分块拼装、分节下沉的方法进行施工。
钢围堰块段最大重量约11.0t，采用转换平台上50t履带吊进行吊装施工，利用卷扬机或链条葫芦下放。
水下封底混凝土采用刚性导管法。
封底后拆除平台、割掉护筒，封底混凝土凿毛整平后,施工承台、墩身，施工流程图如下：
图2施工工艺流程图
4.钢围堰计算
4.1结构设计
钢围堰为单双壁结合圆形钢围堰，内边线半径比承台半径大10cm。
钢围堰壁厚1.0m，外直径尺寸为19.6m、内直径尺寸为17.6m，壁高为15m。
钢围堰平面分为8块，立面分为5节，分节高度为4m+4m+5m+5m。
钢围堰壁板系统由内、外面板、面板纵肋、壁板桁架、水平环板、隔板组成。
双壁钢围堰内外壁采用6mm厚的钢板，内外壁间距为100cm。
每间隔1m设一道水平环形桁架，桁架采用∠75×6mm的角钢焊接而成。
竖向每间隔50cm设一道竖肋，竖肋采用∠75×6mm的角钢；横向加劲肋间距为50cm，采用厚15mm、宽180mm的钢板，围堰结构如图：
图3钢围堰立面图图4钢围堰平面图
4.1.1材料设计参数表
表1材料设计参数表
序号
材料
规格
材质
容重（KN/m3）
备注
1
钢板
厚6mm
Q235
78.5
面板
2
角钢
∠75×6mm
Q235
78.5
桁架
3
混凝土
C30
25
刃角砼
4
混凝土
C25
25
封底砼
4.1.2.材料设计强度值
表2钢材设计强度值（N/mm2）
钢材
抗拉、抗压、抗弯
抗剪
承压
型号
厚度或直径（mm）
Q235
≤16
215
125
325
＞16-40
205
120
＞40-60
200
115
＞60-100
190
110
说明：
设计强度按《钢结构设计规范》GB50017-2003取值。
4.2工况分析
双壁钢围堰下放到设计标高，混凝土封底完成，强度达到设计要求后，在围堰内抽完水的工况下，钢围堰和封底混凝土受力情况均处于最不利状态，故计算书对此工况下双壁钢围堰进行分析计算。
4.3荷载计算
4.3.1双壁钢围堰承受荷载分析
双壁钢围堰承受荷载图示见图5：
图5双壁钢围堰内、外壁受力图
（1）静水压力计算
河床处静水压力:
刃角顶面静水压力:
（2）动水压力计算
动水压力采用
计算：
K—圆形截面取0.8；H—水深（m），此处为9m；
v—流速（m/s），此处为1.73m/s；B—阻水宽度（m），此处为19.6m；
γ—水的容重（
）；g—重力加速度（
）。
1m宽范围内的动水压力：
动水作用在钢板上平均压力：
p=P/A=211/（9x19.6）=1.196KPa
（3）土对钢板产生的压力计算
土压力采用
计算。
—主动土压力系数，
，
为粘土的内摩擦角
；
H—土层厚度（m）；
—土的容重，此处由于土层位于水中，
取土的浮容重9
。
则土压力计算如下：
主动土压力
综合上述：
4.3.2封底混凝土荷载分析
封底混凝土在抽完水的工况下承受水压力为：
4.3.3荷载组合情况如下：
4.4建立模型计算分析
4.4.1模型单元
采用Midas对结构进行空间仿真分析，双壁钢围堰内外壁6mm钢板采用平面板单元模拟，竖肋∠75×50×6mm的角钢和桁架∠75×75×6mm的角钢采用梁单元模拟；双壁钢围堰底部设为三向位移约束；在模型中施加流体压力荷载模拟水压和土压；在围堰内抽完水的工况下，钢围堰和封底混凝土受力情况均处于最不利状态，故对此工况下双壁钢围堰和封底混凝土进行分析计算。
4.4.2操作流程
（1）材料属性定义
运行midascivil；点击新建，打开新建项目；以“钢围堰分析”为文件名称保存；
单位系统选择KN、mm，其余保持默认值；
定义钢材的材料特性；模型/材料和截面特性/材料/添加；设计类型>钢材；规范：
GB03（S）；数据库>Q235↵；
图6材料属性定义
（2）定义截面和厚度
模型/材料和截面特性/截面/添加数据库/用户>截面号1；截面类型（角钢）选择数据库（GB-YB05），截面（L75*50*6）；名称：
竖肋，偏心：
选择中-上部点击确认↵
图7定义截面
模型/材料和截面特性/厚度/添加
厚度号：
1面内和面外：
0.006m点击适用；厚度号：
2面内和面外：
0.015m点击确认↵
图8定义厚度
（3）模型建立
建立钢围堰内壁体
结构>基本结构>壳；输入/编辑；
类型：
筒体（如图所示），R1（8.8m）；R2（8.8m）；H（15m）
分割数量：
m（120）；l（30）；
材料：
（1：
Q235）；厚度：
（1：
0.006）；插入点（0，0，0）；旋转：
各方向取默认值0；原点：
选3（0，0，0）；点击确认。
图9建立壁体
图10建模效果
建立钢围堰横肋
模型>单元>扩展；扩展类型：
节点>线单元。
材料：
（1：
Q235）截面：
（1：
竖肋）（此处材料和截面的选择可任意，因为后面扩展成板单元后，会删除现在建立的线单元）；生成形式：
旋转等角度；复制次数（120）；旋转角度（3）；旋转轴（z）;
选择z=0.5m高度的任一节点（这里选择2575号节点），点击适用↵
图11建模效果
模型>单元>扩展
扩展类型：
线单元>平面单元
目标：
删除
材料：
（1：
Q235）厚度：
（2：
0.015）类型：
厚板
生成形式：
旋转
等角度；复制次数
（1）；旋转角度（360）；间距（径向）：
（0.18m）;
选择新建立的个体，点击适用↵（生成最下端的横肋）。
图12建模效果
模型>单元>复制和移动
等间距：
（0，0，0.5）；复制次数：
（29）；选择新建立的个体；点击适用（生成其他位置横肋）
图13建模效果
建立钢围堰竖肋
模型>单元>扩展
扩展类型：
节点>线单元
材料：
（1：
Q235）截面：
（1：
竖肋）beta：
（-90）
生成形式：
复制和移动
复制和移动：
等间距（0，0，-0.5）；复制次数：
30
切换视角到顶面
选择壁体内侧最上方的节点；点击适用↵（生成第一根竖肋）
图14建模效果
窗口选择刚生成的第一根竖肋
模型>单元>旋转；
形式：
复制；旋转：
等角度；复制次数：
（119）；旋转角度：
（3）；旋转轴：
（z）；
点击适用↵（生成其余的竖肋）
图15建模效果
使用“组”命令，双击“0.006m”厚度将内壁单元选中，拖动内壁结构组至选中部分，创建“内壁”结构组。
图16建模效果
同理，建立钢围堰外壁体
图17建模效果
使用“组”命令，将外壁单元选中，拖动外壁结构组至选中部分，创建“外壁”结构组。
建立水平桁架
利用平面选择，选择z=0.5m的平面，激活
图18选择界面
切换视角到顶面，
模型>单元>建立单元
单元类型：
一般梁/变截面梁
材料：
（1：
Q235）截面：
（1：
水平桁架）
依次连接图示节点
图19建模效果
选择刚生成水平桁架
模型>单元>旋转；
形式：
复制；旋转：
等角度；复制次数：
（59）；旋转角度：
（6）；旋转轴：
（z）；
点击适用↵（生成其余的水平桁架）
图20建模效果
模型>单元>复制和移动
等间距：
（0，0，1）；复制次数：
（14）；选择新建立的水平桁架；点击适用（生成其他位置水平桁架）
图21建模效果
（4）添加边界条件
利用平面选择，选择z=0的平面，添加底部的边界条件
模型>边界条件>一般支撑
D-all（开），R-all（开），适用↵
图22添加边界条件
（5）添加荷载
考虑三种荷载作用，结构自重、围堰外壁水压力荷载和围堰外壁土压力荷载。
荷载>静力荷载工况，添加自重、土压力和水压力。
图23添加荷载
荷载>自重；荷载工况名称：
自重；自重系数：
z（-1）；点击添加↵
图24添加自重
添加流水压力（力的单位kN切换为kgf，长度单位为m）
选择“外壁”组，窗口解除选择z=0-6m,
荷载>流体压力荷载
荷载工况名称：
水压力
参考高度:
（15m）均布压力荷载：
（0）流体容重：
（1000）
点击适用↵
图25添加流水压力
添加流水压力（力的单位kgf切换为kN，长度单位为m）
选择“外壁”组，窗口解除选择z=6-15m,
荷载>流体压力荷载
荷载工况名称：
土压力
参考高度:
（6m）均布压力荷载：
（91.2）流体容重：
（9）
点击适用↵
图26添加流土压力
（6）查看结果
分析>运行分析（F5键）
荷载组合工况情况如下：
图27荷载组合
生成荷载组合文本文件如下：
图28荷载组合文本
4.4.3分析结果
（1）双壁钢围堰变形（mm）
图29钢围堰变形结果
最大变形值：
f=3.31mm<[f]=19600/600=32.6mm，满足要求。
（2）钢板有效应力（MPa）
图30钢围堰双壁应力结果
最大有效应力：
=100.6MPa<
=215MPa可
（3）水平桁架应力（MPa）
图31钢围堰水平桁架应力结果
最大组合应力：
=153.2MPa<
=215MPa可
4.5钢板桩整体抗浮计算
围堰封底后，整个围堰受到水的向上浮力作用，应验算其抗浮系数K=G/F>1.2
式中：
G—双壁钢围堰重量+封底混凝土自重+桩基对封底混凝土锚固力+钢围堰摩阻力+双壁钢围堰内水重和混凝土重；
F—水的浮力；
浮力：
钢围堰重量：
g1=1941KN
封底混凝土自重：
g2=（3.14x8.7x8.7-3.14x0.75x0.75x21）x2x24=9628KN
桩锚固力：
g3=3.14x1.6x2x150x21=31651KN
钢围堰内水重：
g4=3.14x（9.8x9.8-8.8x8.8）x4x10=2336KN
钢围堰内砼重：
g5=3.14x（9.8x9.8-8.8x8.8）x3x24=4205KN
钢围堰摩阻力：
g6=3.14x19.6x6x40=14771KN
由K=（g1+g2+g3+g4+g5+g6）/F=64532/
=1.42>1.2，则稳定性满足要求。
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