CN112487530A - 具有剪力加强的钢围堰封底混凝土厚度选取方法 - Google Patents

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马元根
张军
王刚
张成平
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Abstract

本发明公开了一种具有剪力加强的钢围堰封底混凝土厚度选取方法，首先计算出最高水位下的封底混凝土厚度Lhigh，再计算出最低水位下的封底混凝土厚度Llow；最后选取最高水位下封底混凝土厚度Lhigh和最低水位下封底混凝土厚度Llow中的最大值作为封底混凝土的最终厚度。采用本发明的显著效果是，通过对最高水位和最低水位下封底混凝土的厚度进行计算对比，能较为快速和准确的得到封底混凝土的应该打的的最小厚度，为实际工程施工过程中实际的封底混凝土厚度决策选取提供了依据。

Description

具有剪力加强的钢围堰封底混凝土厚度选取方法
技术领域
本发明涉及一种钢围堰施工保障方法，具体涉及一种针对钢围堰封底混凝土厚度的选取方法。
背景技术
封底混凝土作为钢吊箱围堰的底板，往往在抽干围堰内部水体时承受最不利荷载工况。此时，钢吊箱围堰自重通过围堰壁与封底混凝土的界面粘结传递给封底混凝土；封底混凝土与钢吊箱围堰两者的自重、水的浮力通过封底混凝土与桩基钢护筒的界面粘结传递给钢护筒。封底混凝土依靠界面粘结与围堰壁、钢护筒进行传力，故界面粘结性能对钢吊箱围堰的抗沉和抗浮性能至关重要。我国现行国家标准虽给出了界面粘结力标准值的大致取值范围，但该粘结力与混凝土强度等级及配合比、钢吊箱围堰和钢护筒表面粗糙度及锈蚀情况、封底混凝土施工质量等多种因素有关，在绝大多数实际工程中无法准确取值。因此，确保封底混凝土界面有效粘结已成为钢吊箱围堰施工技术研究的薄弱环节。
为确保封底混凝土的界面粘结强度，传统上往往取规范规定取值范围内的较小值，即通过增加封底混凝土厚度的保守措施予以解决，这在施工水位较小、变化不频繁时尚且可行。但对三峡库区施工水位最大涨落差可达30m的情况，通过简单增加封底混凝土厚度不仅违背现行环保节能绿色施工的总体理念，且过厚的封底混凝土势必增大钢吊箱围堰高度，使其结构受力更为不利并大幅增加施工难度。更重要的是，施工水位的频繁变化使封底混凝土承受抗浮、抗沉交变荷载的循环作用，混凝土与钢吊箱围堰、钢护筒之间的界面粘结极易发生局部开裂滑移并逐步推进，从而出现渗漏、混凝土受力超限甚至围堰整体失稳现象。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有剪力加强的钢围堰封底混凝土厚度选取方法，其技术方案如下：
一种具有剪力加强的钢围堰封底混凝土厚度选取方法，其关键在于按以下步骤进行：
步骤一、计算最高水位下的封底混凝土厚度Lhigh；
在最高水位下，为保证抽水时封底混凝土板不浮起，钢围堰要满足式(1)：
K1(G1+G2+N)≥F (1)
式中：
K1为钢围堰的抗浮验算安全系数，取1.15；
G1为钢围堰及隔舱混凝土自重；
G2＝γcA2为封底混凝土自重；
γc为封底混凝土的容重；
A2为钢围堰内壁净截面面积；
N为所有钢护筒与封底混凝土之间粘结力和剪力栓钉承载力之和；
F为钢围堰所受浮力；
钢围堰所受浮力F按式(2)计算：
F＝(x-a)γwA1 (2)
式中：
x为计算水位标高；
a为钢吊箱围堰底标高；
A1为钢吊箱外壁净截面面积(扣除钢护筒面积后)；
γw为水的容重；
所有钢护筒与封底混凝土之间粘结力和剪力栓钉承载力之和N按式(3)计算：
Figure BDA0002804160280000031
D为钢护筒的外径；
L为封底混凝土与钢护筒之间的粘结长度，即封底混凝土的厚度；
τu为钢护筒与封底混凝土之间的粘结强度，取150kPa；
As为所有剪力栓钉的截面面积之和；
Ec为封底混凝土弹性模型；
Es为剪力栓钉弹性模型；
fcd为封底混凝土抗压极限强度；
fu为剪力栓钉抗拉极限强度；
由式(1)、式(2)和式(3)可得：
最高水位下封底混凝土厚度Lhigh的公式为式(4)：
Figure BDA0002804160280000032
式中，n为钢护筒数量。
步骤二、计算最低水位下的封底混凝土厚度Llow；
在最低水位下浇筑承台，此时，钢护筒与封底混凝土之间粘结力方向为竖直向上，为保证封底混凝土能够承受浇注承台的荷载，需要满足式(5)：
(G1+G2+G3)≤K2(F+N) (5)
式中：
G3为承台自重；
K2为钢围堰抗沉安全系数，取1.10；
由式(5)、式(2)和式(3)可得：
最低水位下封底混凝土厚度Llow的公式为式(6)：
Figure BDA0002804160280000041
步骤三、选取最高水位下封底混凝土厚度Lhigh和最低水位下封底混凝土厚度Llow中的最大值作为封底混凝土的最终厚度。
附图说明
图1为某工程钢围堰平面示意图；
图2为某工程钢围堰立面图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
一种具有剪力加强的钢围堰封底混凝土厚度选取方法，按以下步骤进行：
步骤一、计算最高水位下的封底混凝土厚度Lhigh；
在每个所述钢护筒的外壁分别布置有若干所述剪力栓钉，在同一个所述钢护筒的上部轴向设有至少两个环形剪力区，在所述环形剪力区内环向水平固定有若干所述剪力栓钉，所述剪力栓钉在轴向对齐，剪力栓钉直径为22mm，高度为90mm；
同一所述环形剪力区内环向相邻的两个所述剪力栓钉之间的间距不小于3-4倍所述剪力栓钉的直径；轴向相邻的两个所述剪力栓钉之间的间距不小于4.4倍所述剪力栓钉的直径。
在最高水位下，为保证抽水时封底混凝土板不浮起，钢围堰要满足式(1)：
K1(G1+G2+N)≥F (1)
式中：
K1为钢围堰的抗浮验算安全系数，取1.15；
G1为钢围堰及隔舱混凝土自重；
G2＝γcA2为封底混凝土自重；
γc为封底混凝土的容重；
A2为钢围堰内壁净截面面积；
N为所有钢护筒与封底混凝土之间粘结力和剪力栓钉承载力之和；
F为钢围堰所受浮力；
钢围堰所受浮力F按式(2)计算：
F＝(x-a)γwA1 (2)
式中：
x为计算水位标高；
a为钢吊箱围堰底标高；
A1为钢吊箱外壁净截面面积(扣除钢护筒面积后)；
γw为水的容重；
所有钢护筒与封底混凝土之间粘结力和剪力栓钉承载力之和N按式(3)计算：
Figure BDA0002804160280000051
D为钢护筒的外径；
L为封底混凝土与钢护筒之间的粘结长度，即封底混凝土的厚度；
τu为钢护筒与封底混凝土之间的粘结强度，取150kPa；
As为所有剪力栓钉的截面面积之和；
Ec为封底混凝土弹性模型；
Es为剪力栓钉弹性模型；
fcd为封底混凝土抗压极限强度；
fu为剪力栓钉抗拉极限强度；
由式(1)、式(2)和式(3)可得：
最高水位下封底混凝土厚度Lhigh的公式为式(4)：
Figure BDA0002804160280000061
式中，n为钢护筒数量。
步骤二、计算最低水位下的封底混凝土厚度Llow；
在最低水位下浇筑承台，此时，钢护筒与封底混凝土之间粘结力方向为竖直向上，为保证封底混凝土能够承受浇注承台的荷载，需要满足式(5)：
(G1+G2+G3)≤K2(F+N) (5)
式中：
G3为承台自重；
K2为钢围堰抗沉安全系数，取1.10；
由式(5)、式(2)和式(3)可得：
最低水位下封底混凝土厚度Llow的公式为式(6)：
Figure BDA0002804160280000062
步骤三、选取最高水位下封底混凝土厚度Lhigh和最低水位下封底混凝土厚度Llow中的最大值作为封底混凝土的最终厚度。
下面结合具体的工程实践进行进一步说明：
三峡库区某特大桥10号桥墩基础位于“U”形河床中心线附近，桥墩基础采用高桩承台，由18根钻孔灌注桩支承圆端形承台，承台采用双壁钢吊箱围堰进行施工，围堰平面外轮廓尺寸为31.3m×22.3m，内轮廓尺寸为27.2m×18.2m，壁厚2m，高25.5m，采用Q235钢，围堰自重17090t；封底采用C30混凝土；承台采用厚5m的C50混凝土，承台底标高为+140.00m；钢护筒外径2.8m，壁厚18mm；如图1和图2所示。围堰下放施工采用提升梁、钢绞线以及连续千斤顶组成的提升系统进行分节下放。
(1)最高水位工况
施工期间，桥位处的最高水位为+162.00m，根据式(4)计算得到封底混凝土厚度L至少达到2.65m时，才能保证钢吊箱的抗浮能力。
(2)最低水位工况
施工期间，桥位处的最低水位为+143.33m，根据式(6)计算得到封底混凝土厚度L至少达到5.12m时，才能抵抗承台自重及其浇筑混凝土时产生的冲击作用，满足结构抗沉性能。
综合上述计算结果，取封底混凝土的厚度为5.12m。
由计算结果可知，最低水位的抗沉验算对封底混凝土厚度取值起控制作用。
本发明的有益效果：通过对最高水位和最低水位下封底混凝土的厚度进行计算对比，能较为快速和准确的得到封底混凝土的应该打的的最小厚度，为实际工程施工过程中实际的封底混凝土厚度决策选取提供了依据。
进一步，针对以上工程实践，利用ABAQUS建立桩基和厚5.12m的封底混凝土的有限元模型(不考虑围堰壁与封底混凝土的相互作用)，对封底混凝土的厚度进行优化。封底混凝土和混凝土桩采用三维实体单元C3D8R，钢护筒采用四节点缩减积分壳体单元S4R单元。封底混凝土与钢护筒之间采用绑定约束进行连接，不考虑粘结滑移的影响；考虑到钢吊箱围堰的存在，在封底混凝土的侧面设置约束来限制其水平位移；桩基底部设置为固结。由于结构属于对称结构，故取1/4模型桩基进行分析，分别得到每根钢管桩的粘结力需求。
①封底混凝土厚度计算
当水位为+143.33m时，取1/4模型计算得到桩基基底反力值(即钢管桩的粘结力需求)及各钢护筒处所需的封底混凝土厚度，如表1所示。
表1各钢管桩基底反力及所需封底混凝土厚度
Figure BDA0002804160280000081
由表1可知，靠近承台中部的1号桩基基底反力最大，为7328.25kN；承台边缘的5号桩基基底反力最小，为5583.65kN。1号桩钢护筒处所需的封底混凝土厚度大于5.12m，如果按照之前计算得到的5.12m厚度进行施工，封底混凝土板中部1号桩桩范围内会出现粘结力不足的情况，从而造成封底混凝土与钢护筒之间出现相对滑移，影响后期承台的施工安全；为此，将原封底混凝土厚度的设计值优化修正为5.55m。
②封底混凝土抗弯检算
当封底混凝土厚度修正为5.55m后，通过有限元模型对封底混凝土进行分析。在最不利工况下，封底混凝土的最大主拉应力约为0.51MPa，小于C30混凝土的抗拉强度1.43MPa，满足混凝土的抗裂要求。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种具有剪力加强的钢围堰封底混凝土厚度选取方法，其特征在于按以下步骤进行：
步骤一、计算最高水位下的封底混凝土厚度Lhigh；
在最高水位下，为保证抽水时封底混凝土板不浮起，钢围堰要满足式(1)：
K1(G1+G2+N)≥F (1)
式中：
K1为钢围堰的抗浮验算安全系数，取1.15；
G1为钢围堰及隔舱混凝土自重；
G2＝γcA2为封底混凝土自重；
γc为封底混凝土的容重；
A2为钢围堰内壁净截面面积；
N为所有钢护筒与封底混凝土之间粘结力和剪力栓钉承载力之和；
F为钢围堰所受浮力；
钢围堰所受浮力F按式(2)计算：
F＝(x-a)γwA1 (2)
式中：
x为计算水位标高；
a为钢吊箱围堰底标高；
A1为钢吊箱外壁净截面面积(扣除钢护筒面积后)；
γw为水的容重；
所有钢护筒与封底混凝土之间粘结力和剪力栓钉承载力之和N按式(3)计算：
Figure FDA0002804160270000011
D为钢护筒的外径；
L为封底混凝土与钢护筒之间的粘结长度，即封底混凝土的厚度；
τu为钢护筒与封底混凝土之间的粘结强度，取150kPa；
As为所有剪力栓钉的截面面积之和；
Ec为封底混凝土弹性模型；
Es为剪力栓钉弹性模型；
fcd为封底混凝土抗压极限强度；
fu为剪力栓钉抗拉极限强度；
由式(1)、式(2)和式(3)可得：
最高水位下封底混凝土厚度Lhigh的公式为式(4)：
Figure FDA0002804160270000021
式中，n为钢护筒数量；
步骤二、计算最低水位下的封底混凝土厚度Llow；
在最低水位下浇筑承台，此时，钢护筒与封底混凝土之间粘结力方向为竖直向上，为保证封底混凝土能够承受浇注承台的荷载，需要满足式(5)：
(G1+G2+G3)≤K2(F+N) (5)
式中：
G3为承台自重；
K2为钢围堰抗沉安全系数，取1.10；
由式(5)、式(2)和式(3)可得：
最低水位下封底混凝土厚度Llow的公式为式(6)：
Figure FDA0002804160270000031
步骤三、选取最高水位下封底混凝土厚度Lhigh和最低水位下封底混凝土厚度Llow中的最大值作为封底混凝土的最终厚度。
2.根据权利要求1所述的具有剪力加强的钢围堰封底混凝土厚度选取方法，其特征在于：在每个所述钢护筒的外壁分别布置有若干所述剪力栓钉，在同一个所述钢护筒的上部轴向设有至少两个环形剪力区，在所述环形剪力区内环向水平固定有若干所述剪力栓钉，所述剪力栓钉在轴向对齐。
3.根据权利要求2所述的具有剪力加强的钢围堰封底混凝土厚度选取方法，其特征在于：同一所述环形剪力区内环向相邻的两个所述剪力栓钉之间的间距不小于3-4倍所述剪力栓钉的直径；
轴向相邻的两个所述剪力栓钉之间的间距不小于4.4倍所述剪力栓钉的直径。
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