圆形双壁钢围堰的参数化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种圆形双壁钢围堰的参数化设计方法，目前设计方法为经验法，相关构造尺寸拟定过程中参考其他项目类似方案，采用有限元试算然后再修改相关尺寸，不能从整体把握双壁钢围堰设计的要点，导致计算过程复杂，材料浪费大，部分围堰结构应力偏大，结构安全性低。有必要在考虑整体的情况下，对双壁钢围堰的设计计算过程进行梳理，通过参数化计算方式，统一考虑围堰的合理结构，给出圆形双壁钢围堰设计的合理构造和相关计算公式，方便围堰设计人员初步拟定围堰结构尺寸；利用参数化设计的圆形双壁钢围堰对比其他项目经验法设计的双壁钢围堰，节约材料用量20％～35％，具有重大推广意义。

Parametric design method of circular double wall steel cofferdam

The parametric design method of the present invention relates to a circular double wall steel cofferdam, the design method for empirical method, related structure size in reference to other similar project scheme, finite element calculation and then modify the size, can not grasp the key points of double wall steel cofferdam design from the whole, resulting in complicated calculation process and material waste large part of cofferdam structure stress is too large, the lower structure safety. It is necessary to consider the overall situation, the calculation process design of double wall steel cofferdam was reviewed through parametric calculation, reasonable structure of the cofferdam unified consideration, given the circular double wall steel cofferdam design and reasonable structure and the related calculation formula, convenient cofferdam design personnel initial cofferdam structure size; using parametric design the circular double wall steel cofferdam project experience compared to other design method of double wall steel cofferdam, saving material consumption from 20% to 35%, with significant promotion.

【技术实现步骤摘要】
圆形双壁钢围堰的参数化设计方法
本专利技术涉及双壁钢围堰的结构设计。
技术介绍
双壁钢围堰是深水基础施工常用结构，一般来说双壁钢围堰体量大，安全风险高，确保双壁钢围堰结构安全的同时进行结构优化设计是围堰设计人员必须要考虑的问题。双壁钢围堰的基本受力状况以抵抗静水压力为主，动水压力和波浪力对围堰整体结构的影响相对较小，各类围堰结构荷载简单明确，具有统一性。本申请在总结以往其他项目的基础上，提出了参数化设计的思路，并构造了评价函数进行围堰构造优化。
技术实现思路
本专利技术参数化设计的思路：针对具体结构中的同类问题，当结构荷载形式固定，结构尺寸大小变化，可以进行分离变量法的类分析，将带量纲的参数分离出来，结构优化只考虑构型和比例关系(无量纲常数)，通过构造评价函数来确定结构的最优化设计目标，从而得出某类结构的最优设计。本专利技术解决上述问题所采用的技术方案为：圆形双壁钢围堰整体结构如图1和2所示。圆形双壁钢围堰的整体受力特点：围堰内外壁板、斜撑均受压；水平范围内，围堰的水压力自平衡；围堰内外壁板的厚度与水深成正比，与围堰直径成正比；围堰整体稳定性与围堰厚度相关，围堰壁板和环撑的局部稳定性和竖向隔舱板间距相关。一种圆形双壁钢围堰的参数化设计方法，包括(1)围堰内外壁板加劲肋围堰内外壁板竖向加劲肋一般采用的三种材料：角铁、钢带、球扁钢；从同等重量材料加劲效果来看，截面惯性矩更大的球扁钢加劲效果最好。有效翼缘板宽度和跨度之比为b＝18％*l(铁摩辛柯《弹性理论》第三版，P244)；加劲肋高宽比的比例极限为h/t≤21(铁摩辛柯《弹性稳定理论》第二版，P458)；所有的轧制角铁和球扁钢都符合比例极限。弯压构件翼缘板有效宽度b与翼缘板厚度t之间满足：(GB50017-2003《钢结构设计规范》，P57)；加劲肋的间距一般按照(参考《钢制海船入级规范第2篇船体2014》P2-254)；环板和加劲肋高度的比值不小于2.5倍(参考《钢制海船入级规范第2篇船体2014》P2-112)；根据《热轧球扁钢》(GB/T9945-2012)规范，球扁钢有普通碳素结构钢和高强钢，设计时可以根据应力情况来选用不同等级的钢材，一般来说，加劲肋的应力较大，面板的应力相对较小，加劲肋材料强度等级选取时可比面板高一个规格。表1、围堰内外壁加劲结构优化尺寸表厚度推荐比例系数高度推荐比例系数壁板厚度t01t0加劲肋高度h116～20t0加劲肋厚度t11t0环板高度h2≥2.5h1，50～60t0环板厚度t21.2～1.4t0环板翼缘高度h37～9t0隔舱板厚度t31.4～1.6t0加劲肋间距s50～60t0(2)围堰构型设圆形围堰有n个V型撑，圆形围堰构型如图4所示，(3)围堰环撑受力分析如图5所示，围堰壁收缩延半径方向变形协调外壁节点力平衡2·N1·sin(φ)+2·N3·cos(α)＝P1(b)内壁节点力平衡2·N2·sin(φ)-2·N3·cos(β)＝P2(c)联立(a)、(b)、(c)式求解N1、N2、N3：考察(3)、(4)式，由于φ值很小，cos(α)≈cos(β)，可以认为N1≈N2，围堰的内外壁受力基本一致，在拟定围堰壁板厚度时按照内外壁板一致处理；(4)围堰内外壁厚拟定围堰内外壁板受力均为受压，两者受力基本一致，考虑材料安全系数K1，取1.4；围堰的内外壁板面积围堰内外壁板厚度(5)围堰厚径比范围拟定(5.1)围堰最小厚径比m：围堰整体稳定性分析如图6所示铁摩辛科《弹性稳定理论》第二版，P310(a)围堰的双壁板惯性矩I：＝2·A·(0.5·m·R)2(b)；围堰稳定性计算半径r：＝(1+0.5m)·R(c)；围堰壁板面积围堰外壁的水压荷载q：＝ρ·g·H·ΔH(e)表2、不同规范第一类稳定分析安全系数考虑到钢围堰属于重大危险源，建议弹性屈曲稳定系数选择4～5，水深10m以内选4，10m以上选5，定义屈曲稳定系数为K2；则qcr≥K2·q(f)；将(b)、(c)、(d)、(e)代入(a)，并代入方程(f)，化简得以下方程，求解m的最小值将弹模、材料强度、材料安全系数、屈曲安全系数代入(8)式，得到不同材料强度和屈曲稳定系数下的圆形围堰最小厚径比m；表3、不同材料强度和屈曲稳定系数下的圆形围堰最小厚径比m弹模E材料强度σ材料系数K1屈曲系数K2最小m值200E9210E61.440.06428513072200E9310E61.440.07849940354200E9210E61.450.07210171056200E9310E61.450.08800987764(5.2)构造要求需要的围堰最小厚度，单位:mm表4、构造要求的围堰最小厚度(6)围堰环撑竖向间距设计围堰环撑高度计算示意图，如图7所示根据荷载等分原理初步拟定环撑的第n层竖向间距h(n)，A1＝A2＝A3＝A4＝…＝An，此时可以认为每个支撑点反力基本一致；q：＝ρ·g·H(b)；根据竖肋带板计算的抗弯刚度，每个竖肋所受的正负弯矩满足强度要求，M/W＝σ/K；将(a)、(b)、(c)代入式(d)，求h(n)得：将n＝1代入式(9)，得到第一层环撑间距其余各层与h(1)的关系满足：为方便加工，围堰的环撑材料选择统一尺寸，同时将环撑的竖向间距调整为分段相同。建议按照下表来统一设计围堰环撑间距比例：表5、围堰设计环撑间距系数推荐表(7)围堰隔舱板间距拟定围堰壁板局部屈曲时挠曲线如图10所示，设屈曲时壁板变形函数为ω(θ)；则挠曲线微分方程为：M：＝S·ω(θ)-Q·r·sin(θ)；(b)S：＝q·r，(c)求解微分方程得：考察边界条件：ω′(0)＝0；ω(0)≠0；(d)ω(α)＝ω(-α)＝0；(e)由式(d)可知从条件(e)得以下方程组：(g)故满足上述方程组的条件为：求解得将式(11)简化为：表6、不同隔舱板数量对应的屈曲荷载围堰隔舱板数量n6912151618对应α角度(°)3020151211.2510系数K819.253555.256380式(12)中I值为外或内环板带壁板有效宽度带计算的抗弯刚度，注意局部屈曲荷载安全系数取K2，K2取4～5；qcr≥K2·q；q：＝ρ·g·H·ΔH；(13)根据式(12)、(13)综合考虑刚度I和隔舱板数量n，按照上面的构造比例尺寸，对不同深度的围堰进行了局部屈曲分析试算，推荐围堰隔舱板数量n≥12；(8)围堰壁舱混凝土高度拟定考虑到双壁钢围堰水下回收不方便，扣除相关潜水切割、吊装费用后回收残值较低，一般来说围堰壁舱混凝土高度宜设计到承台顶面；当采用双壁钢围堰采用壁舱砼灌注时，该部分钢围堰本身的应力会急剧减小，相关围堰的环撑间距可以调大，壁板厚度可以调小，建议按照0.4h(1)设置，相应的壁板厚度也可参照该段厚度设置；在分析围堰壁舱混凝土高度时应综合择优考虑，节约的钢围堰造价大于增加的壁舱混凝土造价。若围堰需要切入河床一定深度，则需要考虑围堰本身的下沉系数，再来确定围堰壁舱混凝土浇筑高度，相关计算参数取值参考CECS137-2015第6章；围堰下沉系数应满足下列公式要求：式中：kst——下沉系数；Gik——围堰自重标准值(包括外加助沉重量的标准值，单位kN)；Fwk——下沉过程中水的浮托力标准值(单位kN)；Ffk——围堰总摩本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种圆形双壁钢围堰的参数化设计方法，包括(1)围堰内外壁板加劲肋围堰内外壁板竖向加劲肋一般采用的三种材料：角铁、钢带、球扁钢；有效翼缘板宽度和跨度之比为b＝18％*l；加劲肋高宽比的比例极限为h/t≤21；所有的轧制角铁和球扁钢都符合比例极限；弯压构件翼缘板有效宽度b与翼缘板厚度t之间满足：

【技术特征摘要】
1.一种圆形双壁钢围堰的参数化设计方法，包括(1)围堰内外壁板加劲肋围堰内外壁板竖向加劲肋一般采用的三种材料：角铁、钢带、球扁钢；有效翼缘板宽度和跨度之比为b＝18％*l；加劲肋高宽比的比例极限为h/t≤21；所有的轧制角铁和球扁钢都符合比例极限；弯压构件翼缘板有效宽度b与翼缘板厚度t之间满足：加劲肋的间距一般按照环板和加劲肋高度的比值不小于2.5倍；(2)围堰构型设圆形围堰有n个V型撑，(3)围堰环撑受力分析围堰壁收缩延半径方向变形协调外壁节点力平衡2·N1·sin(φ)+2·N3·cos(α)＝P1(b)内壁节点力平衡2·N2·sin(φ)-2·N3·cos(β)＝P2(c)联立(a)、(b)、(c)式求解N1、N2、N3：考察(3)、(4)式，由于φ值很小，cos(α)≈cos(β)，可以认为N1≈N2，围堰的内外壁受力基本一致，在拟定围堰壁板厚度时按照内外壁板一致处理；(4)围堰内外壁厚拟定围堰内外壁板受力均为受压，两者受力基本一致，考虑材料安全系数K1，取1.4；围堰的内外壁板面积围堰内外壁板厚度(5)围堰厚径比范围拟定(5.1)围堰最小厚径比m：围堰的双壁板惯性矩I：＝2·A·(0.5·m·R)2(b)；围堰稳定性计算半径r：＝(1+0.5m)·R(c)；围堰壁板面积围堰外壁的水压荷载q：＝ρ·g·H·ΔH(e)考虑到钢围堰属于重大危险源，建议弹性屈曲稳定系数选择4～5，水深10m以内选4，10m以上选5，定义屈曲稳定系数为K2；则qcr≥K2·q(f)；将(b)、(c)、(d)、(e)代入(a)，并代入方程(f)，化简得以下方程，求解m的最小值将弹模、材料强度、材料安全系数、屈曲安全系数代入(8)式，得到不同材料强度和屈曲稳定系数下的圆形围堰最小厚径比m；(5.2)构造要求需要的围堰最小厚度，单位:mm(6)围堰环撑竖向间距设计根据荷载等分原理初步拟定环撑的第n层竖向间距h(n)，A1＝A2＝A3＝A4＝…＝An，此时可以认为每个支撑点反力基本一致；q：＝ρ·g·H(b)；根据竖肋带板计算的抗弯刚度，每个竖肋所受的正负弯矩满足强度要求，M/W＝σ/K；将(a)、(b)、(c)代入式(d)，求h(n)得：将n＝1代入式(9)，得到第一层环撑间距其余各层与h(1)的关系满足：(7)围堰隔舱板间距拟定设屈曲时壁板变形函数为ω(θ)；则挠曲线微分方程为：M：＝S·ω(θ)-Q·r·sin(θ)；(b)S：＝q·r，(c)求解微分方程得：

【专利技术属性】
技术研发人员：旷新辉，李志刚，左生荣，谢东升，黄齐龙，尚宏艳，高龙，严厚涛，夏威，
申请(专利权)人：湖北省路桥集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42