钢围堰MIDAS培训-1-[兼容模式]

围堰(基坑)支护设计-1牛润明TEL：13933013128QQ：976879702石家庄铁道大学土木工程学院2015.122主要内容l一、概述l二、围堰建模所用单元及连接l三、荷载计算(水压力、土压力)l四、钢套箱围堰建模练习3一、概述l基坑支护(围堰)是土木工程施工中临时挡水、挡土的临时结构。需满足以下要求：1、合适的施工空间；2、干燥的施工空间；3、安全的施工空间；4l存在的问题：1、临时结构，但是控制工程；2、临时结构，得不到重视，不愿投入较多的资金；3、一旦出现施工，损失更为惨重，处理非常困难；4、计算复杂(参数取值、计算方法选取)，精确计算不可能；5土石围堰、钢围堰(钢板桩围堰、钢管桩围堰、钢套箱围堰、钢吊箱等)、钢筋混凝土围堰等。l围堰的种类：分类适用条件土石围堰土围堰水深小于2米，流速小于0.3m/s；河床透水性较小的土壤，河边浅滩处；土袋围堰水深小于3m，流速小于1.5m/s，河床透水性较小。堆石围堰石块就地取材，流速小于3.0m/s，河床坚实、透水性较小。钢围堰钢板桩围堰适用于水深在8~10m以下的低桩承台基础，且覆盖层较好，能够保证钢板桩围堰有足够的入土深度以自稳。钢管桩围堰适用于深度在8~18m的中大型承台基坑开挖。双壁钢套箱围堰大型河流的深水(10m以上)基础，受覆盖层影响较小，自身刚度和整体稳定性较好。单壁钢套箱围堰由于其壁板整体刚度较双壁钢围堰小，仅适用于规模较小的低桩承台基础。钢吊箱适用于深水桥梁高桩承台基础，分双壁跟单壁。钢筋混凝土围堰适用于河滩浅基开挖不稳定性土壤。或在既有线旁开挖桥涵基坑，用以代替板桩，保护既有建筑物的安全。围堰分类及适用条件7•钢板桩围堰适用于基底深度在8~10m的中小型承台基坑开挖。目前，国内常用的钢板桩主要为拉森四型（SP-Ⅳ:76.1kg/m）和拉森六型（SP-Ⅳw:(106.0kg/m)。其主要优点为施工较快捷，材料用量少且回收率高，主要不足是刚度较小，桩长大于12m以上时内部支撑较多，防渗能力较差。8•锁扣钢管桩围堰主要适用于深度在8~18m的中大型承台基坑开挖。其主要优点为钢管桩的刚度、强度比钢板桩大，内部支撑较少，材料用量比双壁套箱围堰或双层钢板桩围堰少，且回收率高。主要不足是需要加工场地进行现场制作，加工制作精度要求较高。9某34#主墩承台采用φ820X10mm锁口钢管桩围堰施工。围堰结构形式为矩形，平面尺寸分为59.4×14.7米，钢管桩单根长25米。10•双壁钢套箱围堰双壁钢套箱围堰适用于深水基础施工。围堰壁厚一般为1.2m~2.0m。主要优点是围堰整体刚度及强度大，具有自浮功能，可采用先定位下沉围堰再插打钢护筒的工艺。主要不足为承台或河床面以下的材料不可回收、可回收部分的材料利用率很低，焊缝探伤及水密性试验要求高，整体沉放施工难度大，因此双壁围堰成本相对较高。1112•单壁钢套箱围堰单壁钢套箱围堰一般适用于基础深度为4~10m、围堰直径较小、覆盖层较薄的基础施工。其加工制作要求、沉放工艺及材料可回收性同于双壁钢套箱围堰。某桥主墩承台套箱采用单壁钢套箱，长16m，宽12m，高度6.9m，重约48T。13•钢吊箱围堰钢吊箱主要应用于深水高桩承台基础施工，围堰需设置底板。主要分为单壁吊箱围堰和双壁吊箱围堰，其中单壁吊箱围堰适宜于抽水水位差在10m以内的，否则需设计强大的内支撑结构或采用双壁钢吊箱围堰。14钢板+型钢组合，带锁扣15第二篇单元及荷载一、围堰结构计算所采用的单元：1、梁单元——截面可以采用真实截面或换算截面；该单元是由2个节点构成，它具有拉、压、剪、弯、扭的刚度。梁单元每一个节点都具有三个方向的平动位移和三个方向的旋转位移，即每个节点具有6个自由度。常用单元：梁单元、桁架单元、板单元、实体单元312AbhbhI==2、板单元板的厚度h与板的宽度L之比即宽厚比。宽厚比h/L1/10时称为厚板；宽厚比h/L1/10时称为薄板。区别：厚板弯曲分析时不能忽略横向剪切变形的影响；薄板弯曲分析时一般忽略横向剪切变形的影响。该单元由同一平面上的3到4个节点构成的平板单元，在工程中可以解决平面张拉、平面压缩、平面剪切及平板沿厚度方向的弯曲、剪切等结构问题。板单元每个节点具有x、y、z轴方向平动位移自由度和绕x、y轴旋转位移自由度。183、桁架单元该单元由2个节点构成，它只能传递轴向的拉力和压力。桁架单元只具有轴向刚度，即只有x轴有意义，它是确定结构变形的基准。4、实体单元该单元是分别利用4个节点、6个节点和8个节点构成的三维实体单元。实体单元每个节点都具有三个方向的平动位移自由度。边界条件：弹性连接：类似于梁单元的弹簧单元一般类型：一般弹性连接（6个自由度）刚性：刚性连接单元；弹性连接刚度不是无穷大，是整个模型中最大刚度的105倍只受拉：只受拉弹性连接只受压：只受压弹性连接刚性连接：纯粹的边界条件，节点自由度耦合的一种方式释放梁端约束：梁两端的梁端释放条件（铰接、滑动、滚动，节点和部分固定）一般支承：约束选定节点的自由度弹性连接刚性与刚性连接的区别：性质：弹性连接类似于梁单元的弹簧单元；刚性连接是纯粹的边界条件约束自由度：弹性连接的“刚性”约束的是节点的所有自由度；刚性连接可以选择约束哪些自由度。节点主从关系：弹性连接的两个节点没有主从关系；刚性连接必须有一个主节点，一个或多个从属节点。施工阶段：弹性连接可以任意激活钝化；刚性连接在施工阶段只能激活不能钝化。22l静水压力分布与计算：二、荷载种类及计算注意方向：与受力面垂直！(1)水压力23l流水压力分布与计算：24l风力、波浪力——参照相关规范计算。实战练习：梁单元静水、流水压力施加！实战练习：板单元静水、流水压力施加！—矩形围堰需确定P0，g静水压力流水压力水流方向28构造：壁板、竖肋、水平环板、水平斜撑、隔仓、刃脚、封底等。受力分析：宜采用有限元软件建立整体计算模型。三、水中钢套(吊)箱围堰的结构设计计算内容：钢围堰结构整体稳定钢围堰结构应力及变形封底混凝土强度及抗浮抗浮稳定抗滑移稳定抗倾覆稳定内外壁板竖肋、水平肋水平支撑桁架等练习用midas建立圆形钢套箱围堰（2）土压力计算l土压力的计算是个比较复杂的问题。它随板桩墙可能发生位移的方向分为主动土压力、被动土压力和静止土压力。土压力的大小还与墙后填土的性质、墙背倾斜方向等因素有关。l需要明确土的性质及参数：透水性、土的容重(天然容重、浮容重，饱和容重)、摩擦角、粘聚力等。32l三种土压力：331)静止土压力如果挡土墙在土压力作用下不发生移动或转动而保持原来位置，则墙后土体处于弹性平衡状态，此时墙背所受的土压力称为静止土压力。342)主动土压力当挡土墙在填土产生的土压力作用下向背离墙背方向移动和转动时，随着位移量的增大，作用于墙后的土压力逐渐减少，当位移量达某一（微量）值时，墙后土体处于主动极限平衡状态，此时作用于墙背上的土压力称为主动土压力。353)被动土压力当挡土墙在外荷载作用下推向土体时，随着墙向后位移量的增加，土体对墙背的反力也逐渐增加，当位移量足够大，直到土体在墙的推压下达到被动极限平衡状态时，作用于墙背上的土压力称为被动土压力。36l静止土压力：假定：地表面水平，墙背竖直、光滑；00()pzqKg=+γ——土的重度(kN/m3)；Z——计算点的深度(m)；q——地面均布超载(kPa)；H——围护墙高度；K0——计算点处土的静止土压力系数；φ’——土的有效内摩擦角。'01sinKj=-'00.95sinKj=-对砂性土：对粘性土：一般情况下砂土K0=0.35~0.5，粘性土K0=0.5~0.7l两个经典的古典土压力理论(1)朗肯(Rankine)土压力适用的范围：墙背光滑、垂直，填土水平，假设墙后各点均处于极限平衡状态(极限应力法)；主动土压力系数：——假定挡土墙是刚性的！(2)库伦(CoMlomb)土压力滑动楔体法目前，基坑支护简化设计计算过程中，土压力计算以朗肯土压力理论计算，在基坑外侧采用朗肯主动土压力，在基坑内侧采用朗肯被动土压力。42l主动土压力：无粘性土：粘性土：Ka——计算点处土的主动土压力系数；φ——土的内摩擦角；c——土的粘聚力(kPa)；43l被动土压力：无粘性土：粘性土：Kp——计算点处土的被动土压力系数；φ——土的内摩擦角；c——土的粘聚力(kPa)；三个土压力大小关系！在相同条件下，主动土压力Ea小于静止土压力E0，而静止土压力E0又小于被动土压力Ep，即EaE0Ep，而且产生被动土压力所需的位移量Dp大大超过产生主动土压力所需的位移量Da。练习施加梁单元土压力荷载！练习施加板单元土压力荷载！注：“均布压力荷载(Po)”中输入上部长期荷载作用引起的土压力大小，这里也需考虑土压力系数。“流体容重(g)”需考虑土压力系数，而且还需要考虑地下水的影响。1)不考虑地下水位的影响时（只考虑土）土：g=土压力系数×土的容重2)考虑地下水位的影响时（对土和水要分别输入）土：g=土压力系数×地下水位以下土的容重水：g=水的容重(对于水，参考高度(H)需指定为地下水位的位置)临近铁路线开挖基坑，列车经过对基坑的影响；建筑工程中临近建筑对基坑的影响；基坑附件堆载(土方，工程机械)51l（1）土压力计算中的水土分算与合算问题：u水土分算原则：即分别计算土压力和静水压力，两者之和即总的侧压力。这一原则适用于土孔隙中存在自由的重力水的情况或土的渗透性较好的情况，一般适用于砂土、碎石类土。u水土合算的原则：认为土孔隙中不存在自由的重力水，而存在结合水，它不传递静水压力，以土粒与孔隙水共同组成的土体作为对象，直接用土的饱和重度计算侧压力，这一原则适用于不透水的粘土层。4、土压力计算中几个问题探讨！52γ——土的重度(kN/m3)；γ’——土的浮重度(kN/m3)；γW——水的重度(kN/m3)；53γ——土的重度(kN/m3)；γsat——土的饱和重度(kN/m3)；l（2）如果桥位处各层土厚度、重度及强度指标相差不大，可以采用“加权平均法”，将n层土视为一均质土层：1111niiniiiniiiniiiHhhHchcHhHggjj========∑∑∑∑l（3）实际上，板桩墙本身会发生位移，墙上土压力形式较为复杂！弹性支点法！l（4）考虑到围堰工作状态的变形比较复杂，土压力大小难以准确确定，在围堰简化设计时，可偏安全的按静止土压力计算。一方面，钢板桩围堰在工作状态下的桩身位移量较小，围堰外侧的土压力很难处于主动极限平衡状态，也就是没有达到主动土压力；另一方面，即使围堰外侧土体达到主动极限平衡状态，而在相同位移量的条件下，围堰内侧土体也不可能达到被动极限平衡状态，也就是说围堰内侧土压力不可能达到被动土压力。前述计算结果偏不安全！