CN106193105A - 一种深水下大跨度钢‑混凝土叠合结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种深水下大跨度钢‑混凝土叠合结构，它位于水面以下，其特征在于：在混凝土浇筑的呈椭圆型水下围挡(1)的上盖有相匹配的罩顶(2)，所述的罩顶(2)与上方的拱壳混凝土(3)浇筑成一个整体并形成水下保护罩体(4)；所述的水下保护罩体(4)下边缘与所述的水下围挡(1)连接处采用圆弧过渡；它克服了现有技术中影响航道行船和影响河道行洪的缺点，具有因罩体内外水压基本平衡，罩顶结构高度大大降低的优点。

Description

一种深水下大跨度钢-混凝土叠合结构
技术领域
本发明涉及到水下建筑结构技术领域，更加具体来说是一种深水下大跨度钢-混凝土叠合结构。
背景技术
三峡工程蓄水后，重庆涪陵的白鹤梁题刻长年淹没于水下10-40m(水面以下10米到40米之间为深水层)。2001年2月，确定对白鹤梁题刻采用原址水下保护方案，即在题刻上兴建一座保护罩，将文物题刻与外界环境隔离，进而实现保护目的。深水下的罩体结构既要确保国家一级文物——白鹤梁题刻的安全，又要满足文物原环境展示的效果，并在承受巨大的水压力、水浮力、水流冲击等复杂荷载条件下，结构本身还要做到不影响航道行船，不影响河道行洪，以及降低泥沙淤积带来的不利影响。因此，对罩体结构设计提出了近乎苛刻的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术的不足之处，而提出一种深水下大跨度钢-混凝土叠合结构。
本发明的目的是通过如下技术方案实施的：一种深水下大跨度钢-混凝土叠合结构，它位于水面以下，在混凝土浇筑的呈椭圆型水下围挡的上盖有相匹配的罩顶，所述的罩顶与上方的拱壳混凝土浇筑成一个整体并形成水下保护罩体；所述的罩顶下边缘与所述的水下围挡连接处采用圆弧过渡；
所述的罩顶呈椭圆形并内部设置有钢桁梁，所述的钢桁梁包括1厘米厚度的复合钢板、工字钢梁、加劲板、下支撑槽钢和上支撑角钢；两个相邻的所述的工字钢梁之间设置有复合钢板，在所述的工字钢梁下翼缘焊接有下支撑槽钢，在所述的工字钢梁上翼缘焊接有上支撑角钢，在所述的工字钢梁腹板上焊接有加劲板。
在上述技术方案中：所述的水下围挡的高度为4米-7.5米，所述的水下围挡的墙厚为3米-4.5米。
在上述技术方案中：所述的罩顶顶板上缘的长轴为70米，短轴为23米；所述的罩顶下缘的长轴为64米，短轴为16米。
在上述技术方案中：所述的水下围挡与所述的水下保护罩体浇筑成一个封闭结构，且内外水压差为小于1米。
在上述技术方案中：所述的拱壳混凝土为一段渐变厚的混凝土浇筑而成，厚度为0.8-1.3米之间。
在上述技术方案中：所述的罩顶与水下围挡之间设置有钢桁架埋件；沿所述的罩顶的短轴方向，一侧所述的钢桁架埋件与水平线之间的夹角为45度，另一侧与水平线之间的夹角为25度。
本发明具有如下技术优点：1、因罩体内外水压基本平衡，罩顶结构高度大大降低，本叠合结构外形简单、便于施工，所占据的河道过流面积较小，不会影响该河段行洪；在三峡水库低水位运行条件下，不影响长江航道的通航。
2、围体和罩顶的连接处采用圆弧过渡，减少连接部的应力集中。
3、钢桁架采用钢板、工字钢梁组合结构，有效提高罩顶的安全稳定性，明显改善受力状况，工字钢梁可以显著降低下部拉应力集中区的最大拉应力值，加上支撑的协同作用，白鹤梁题刻的原址保护有了极大的安全保证。
4、钢桁架既作为永久结构，又作为上部混凝土浇筑的底部模板，整体性高，施工简便，罩顶结构完工后，可作为施工期间的吊装支架，减小工期，节约投资。
附图说明
图1为水下罩顶平面构造图。
图2为本发明专利的大跨度钢-混凝土叠合结构剖面图。
图3为本发明专利的罩顶的基本单元结构示意图。
图4为本发明专利的罩顶的支撑与工字钢主梁连接大样图。
图中：水下围挡1、罩顶2、钢桁梁2.1、复合钢板2.1.1、工字钢梁2.1.2、加劲板2.1.3、下支撑槽钢2.1.4、上支撑角钢2.1.5、拱壳混凝土3、水下保护罩体4、钢桁架埋件5。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
在高流速、复杂流态的深水环境下，罩顶2首先采用了椭圆形的外形，以顺应水流作用，减小结构尺寸；水下保护罩体4内充满过滤后的清水，并通过自动调压系统与长江连通，保持水下保护罩体4内水压与外部的江水压力平衡，水下保护罩体4结构不再承受巨大的水头压力，只承受自重荷载、水库风浪力、浮力及淤积泥沙作用于外侧的压力。
水下保护罩体4由拱壳混凝土3和罩顶2组成，水下保护罩体4采用钢-混凝土叠合结构，由于水下保护罩体4内外处于平压的工作状态，叠合结构高度大大减小，所占据的河道过流面积较小，不会影响该河段行洪，在三峡水库低水位运行条件下，也不影响长江航道的通航，解决了一系列世界性难题。
罩顶2呈椭圆形，内径长轴L2为64m、短轴D2为16m，外径长轴L1为70m，短轴D1为23m，以水下围挡1为支撑，形成全封闭式水下结构。罩顶2采用钢桁架2.1与拱壳混凝土3叠合浇筑形成整体，成为水下文物保护展示的关键性结构。
水下保护罩体4位于深水下，水位变幅10-40m；净跨度达16-64m，受力复杂，控制水下保护罩体4内外水压差小于1米，主要承受自重、水库风浪力、浮力、淤积泥沙作用于外侧的压力及意外撞击力，同时罩顶还要作为吊装和运输的承重支架。
参照图1-4所示：本发明一种深水下大跨度钢-混凝土叠合结构，它位于水面以下，在混凝土浇筑的呈椭圆型水下围挡1的上盖有相匹配的罩顶2，所述的罩顶2与上方的拱壳混凝土3浇筑成一个整体并形成水下保护罩体4；所述的罩顶2下边缘与所述的水下围挡1连接处采用圆弧过渡。
所述的罩顶2呈椭圆形并内部设置有钢桁梁2.1，所述的钢桁梁2.1包括1厘米厚度的复合钢板2.1.1、工字钢梁2.1.2、加劲板2.1.3、下支撑槽钢2.1.4和上支撑角钢2.1.5；两个相邻的所述的工字钢梁2.1.2之间设置有复合钢板2.1.1，在所述的工字钢梁2.1.2下翼缘焊接有下支撑槽钢2.1.4，在所述的工字钢梁2.1.2上翼缘焊接有上支撑角钢2.1.5，在所述的工字钢梁2.1.2上焊接有加劲板2.1.3。
所述的水下围挡1的高度为4米-7.5米，所述的水下围挡1的墙厚为3米-4.5米。
所述的罩顶2顶板上缘的长轴为70米，短轴为23米(即所述的罩顶2的外径的直径长度和垂直于外径的直径的长度；所述的罩顶2下缘的长轴为64米，短轴为16米(即所述的罩顶2的内径的直径的长度和垂直于内径的直径的长度，因为所述的罩顶有一定的厚度)。
所述的水下围挡1与所述的水下保护罩体4浇筑成一个封闭结构，且内外水压差为小于1米。
所述的拱壳混凝土3为一段渐变厚的混凝土浇筑而成；混凝土采用C30规格的。所述的拱壳混凝土3的厚度为0.8-1.3米之间。
所述的罩顶2与水下围挡1之间设置有钢桁架埋件5；所述的钢桁架埋件预埋在所述的水下围挡1中，另一端与所述的罩顶2内的钢桁架2.1焊接在一起；
沿所述的罩顶2的短轴方向，一侧所述的钢桁架埋件5与水平线之间的夹角为45度(图中的a)，另一侧与水平线之间的夹角为25度(图中的b)。
使用时，水下保护罩体结构4承受内外小于1m的水压差、水库风浪力、浮力、淤积泥沙作用于外侧的压力及意外撞击力，同时水下保护罩体结构4作为吊装和运输的承重支架。通过三维非线性有限元数值分析研究，采用两种模型(A、B)对水下保护罩体结构4进行建模计算。
模型A：整体结构模型(将工字钢梁2.1.2的作用作为强度储备，0.01m钢模板作为整体结构的一部分)；
模型B：考虑工字钢梁2.1.2作用的局部结构计算模型。
主要计算指标如下：
1、模型A在水下保护罩体结构4正常运行后，有三处拉应力集中区，但拉应力都小于C30混凝土的抗拉强度设计值；底部有局部拉应力超限，但考虑钢桁架2.1的协同作用，也可满足承载要求，结构从整体上是安全的。
2、模型A，考虑到工字钢梁2.1.2和下支撑槽钢2.1.4的协同作用后，水下保护罩体结构4还有一定的结构安全裕度，对于水下文物长时期的保护运行是极大的安全保证。
3、模型B，水下保护罩体结构4中下部出现最大拉应力集中区(0.78MPa左右)，可由等效钢板承担，表明工字钢梁2.1.2可以显著降低壳体中下部拉应力集中区的最大拉应力值。
4、模型B，罩顶2作为施工期间的吊装荷载承重支架，在考虑极端的集中荷载达到5吨时，工字钢模板承受的拉应力的最大值是1.95MPa左右，最大压应力值是8.8MPa左右，仍然不会对工字钢模板的安全稳定带来危险，同时，混凝土承受的拉应力的最大值是0.34MPa左右，最大压应力值是1.56MPa左右，也都在安全范围内。
5、模型B，考虑经过长时期的运行，钢模板的锈蚀量是5mm,在此工况下，工字钢模板承受的拉应力的最大值是6.1MPa左右，最大压应力值是21.9MPa左右，不会对工字钢模板的安全稳定带来危险；同时混凝土承受的拉应力的最大值是1.28MPa左右，最大压应力值是3.5MPa，混凝土的受力范围在安全范围内。
上述未详细说明的部分均为现有技术。

Claims (6)

1.一种深水下大跨度钢-混凝土叠合结构，它位于水面以下，其特征在于：在混凝土浇筑的呈椭圆型水下围挡(1)的上盖有相匹配的罩顶(2)，所述的罩顶(2)与上方的拱壳混凝土(3)浇筑成一个整体并形成水下保护罩体(4)；所述的罩顶(2)下边缘与所述的水下围挡(1)连接处采用圆弧过渡；
所述的罩顶(2)呈椭圆形并内部设置有钢桁梁(2.1)，所述的钢桁梁(2.1)包括1厘米厚度的复合钢板(2.1.1)、工字钢梁(2.1.2)、加劲板(2.1.3)、下支撑槽钢(2.1.4)和上支撑角钢(2.1.5)；两个相邻的所述的工字钢梁(2.1.2)之间设置有复合钢板(2.1.1)，在所述的工字钢梁(2.1.2)下翼缘焊接有下支撑槽钢(2.1.4)，在所述的工字钢梁(2.1.2)上翼缘焊接有上支撑角钢(2.1.5)，在所述的工字钢梁(2.1.2)腹板上焊接有加劲板(2.1.3)。
2.根据权利要求1所述的一种深水下大跨度钢-混凝土叠合结构，其特征在于：所述的水下围挡(1)的高度为4米-7.5米，所述的水下围挡(1)的墙厚为3米-4.5米。
3.根据权利要求2所述的一种深水下大跨度钢-混凝土叠合结构，其特征在于：所述的罩顶(2)顶板上缘的长轴为70米，短轴为23米；所述的罩顶(2)下缘的长轴为64米，短轴为16米。
4.根据权利要求3所述的一种深水下大跨度钢-混凝土叠合结构，其特征在于：所述的水下围挡(1)与所述的水下保护罩体(4)浇筑成一个封闭结构，且内外水压差为小于1米。
5.根据权利要求4所述的一种深水下大跨度钢-混凝土叠合结构，其特征在于：所述的拱壳混凝土(3)为一段渐变厚的混凝土浇筑而成，厚度为0.8-1.3米之间。
6.根据权利要求5所述的一种深水下大跨度钢-混凝土叠合结构，其特征在于：所述的罩顶(2)与水下围挡(1)之间设置有钢桁架埋件(5)；沿所述的罩顶(2)的短轴方向，一侧所述的钢桁架埋件(5)与水平线之间的夹角为45度，另一侧与水平线之间的夹角为25度。
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