圆形双壁钢围堰参数化设计 (2017117)

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
；
（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。
（8）
将弹模、材料强度、材料安全系数、屈曲安全系数代入（8）式；得到以下表格：
Abstract:Double-wall steel cofferdam is the commonly used construction structure of bridge’s deepwater foundation. Current design method is the experiential method, which draws up related structure size refer to similar schemes of other projects, adopts finite element trial then modify relevant size, it can’t get the characteristics of the double-wall steel cofferdam from an overall understanding, which leads to complex calculation process, major material waste, part structure stress of cofferdam is lager, low structure security. In the case of necessarily taking the overall situation into consideration, systemize the process of design and calculation of double-wall steel cofferdam, through the parameterized calculation, get a unified consider rational structure of the cofferdam, gives the rational structure and related calculation formula of the round double-wall steel cofferdam design, which provide convenience for cofferdam design personnel to preliminarily drawn up cofferdam structure size. Using the parameterized design of round double-wall steel cofferdam compared with other project empirical method design of double-wall steel cofferdam, saving material dosage is 20%~35%,which have a great significance to promote. Keywords:round double-wall steel cofferdam, parameterized design, structure design, total optimization
圆形双壁钢围堰参数化设计
旷新辉，李志刚，谢东升，尚宏艳，殷源
（湖北省路桥集团有限公司，武汉 430000）
摘 要：双壁钢围堰作为桥梁深水基础常用施工结构，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。 关键词：圆形双壁钢围堰，参数化设计，构造设计，整体优化
600
200
500
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பைடு நூலகம்280
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430
3
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 t0
1 t0
加劲肋高度 h1
16~20 t0
加劲肋厚度 t1
1 t0
环板高度 h2
≥2.5 h1，50~60 t0
料加劲效果来看，截面惯性矩更大的球扁钢加劲效果最好。
2
图 2、围堰壁板常用加劲方式 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：
图9、环撑总高度和第一层比例关系 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
建议采用 层
公式推导
号 层高 合高 层高 合高
比较 层高 合高 之差 之差
建议采用 层
公式推导
号 层高 合高 层高 合高
围堰的内外壁板面积
（6）
围堰内外壁板厚度
；
5.5 围堰厚径比范围拟定 5.5.1 围堰最小厚径比 m
（7）
5
图 6、围堰整体稳定性分析
铁摩辛科《弹性稳定理论》第二版，P310
围堰的双壁板惯性矩
；
围堰稳定性计算半径
；
围堰壁板面积
（a） （b） （c）
（d）
围堰外壁的水压荷载
（e）
表 2、不同规范第一类稳定分析安全系数
（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）；
图 3、围堰加劲相关尺寸示意图 根据《热轧球扁钢》（GB/T 9945‐2012）规范，球扁钢有普通碳素结构钢和高强钢，设计
4. 圆形双壁钢围堰受力特点分析
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。
5. 圆形双壁钢围堰的结构优化设计
5.1 围堰内外壁板加劲肋设计 围堰内外壁板竖向加劲肋一般采用以下三种材料：角铁、钢带、球扁钢；从同等重量材
环板厚度 t2
1.2~1.4 t0
环板翼缘高度 h3
7~9 t0
隔舱板厚度 t3
1.4~1.6 t0
加劲肋间距 s
50~60 t0
5.2 围堰构型分析
图 4、圆形围堰构型图
，
，
5.3 围堰环撑受力分析
（a） （1） （2）
4
图 5、围堰环撑受力情况
（围堰壁收缩延半径方向变形协调）（a）
（外壁节点力平衡） （内壁节点力平衡） 联立（a）、（b）、（c）式求解N1、N2、N3：
5.5.2 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
球扁钢加劲肋 单个横隔板 双横隔板
高度
高度
高度
人洞大小
满足构造要求的围 堰最小壁厚
6
80
200
400
600
100
250
500
600
120
300
600
600
140
350
700
600
160
400
800
600
180
450
900
PARAMETERIZED DESIGN OF ROUND DOUBLE-WALL STEEL COFFERDAM
Kuang Xinhui, Li Zhigang，Xie Dongsheng，Shang Hongyan，YIN Yuan
Hubei Province Road and Bridge Co., Ltd, Wuhan 430000
规范编号
规范名称
安全系数 页码
备注
JTG D65‐01‐2007
公路斜拉桥设计细则
不小于 4 16
JTG‐TD65‐06‐2015 公路钢管混凝土拱桥设计规范 不小于 4 37 第一类稳定分
TB10002.1‐2005
铁路桥涵设计基本规范
不小于 4~5 37
析
JGJ7‐2010
空间网格结构技术规程
不小于 4.2 119
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
200E9
210E6
1.4
4
0.06428513072
200E9
310E6
1.4
4
0.07849940354
200E9
210E6
1.4
5
0.07210171056
200E9
310E6
1.4
5
0.08800987764
1075
2150
600
5.6 围堰环撑竖向间距优化设计
1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2450 2600 2750
图 7、围堰环撑高度计算示意图 根据荷载等分原理初步拟定环撑的竖向间距 h（n），A1=A2=A3=A4=…=An，此时可以认 为每个支撑点反力基本一致；
；
（a）
；
（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；
；
（c）
；
将（a）、（b）、（c）代入式（d），求 h（n）得：
（d）
7
； 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：
（9）
；
（10）
；
（11）
图8、每层环撑高度和第一层比例关系
1
1. 前言
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；本文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。
2. 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。
3. 圆形双壁钢围堰整体构造
图 1、双壁钢围堰构造
（b） （c）
（3）
（4）
（5） 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。
5.4 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（建议取 1.4）；
比较 层高 合高 之差 之差
1 0.60 0.60 1.00 1.00 0.40 0.40
21 0.25 8.00 0.29 8.75 0.04 0.75
2 0.60 1.20 0.66 1.66 0.06 0.46
22 0.25 8.25 0.28 9.04 0.03 0.79
8
3 0.50 1.70 0.57 2.23 4 0.50 2.20 0.51 2.74 5 0.45 2.65 0.47 3.22 6 0.45 3.10 0.44 3.66 7 0.40 3.50 0.42 4.08 8 0.40 3.90 0.40 4.48 9 0.40 4.30 0.39 4.87 10 0.35 4.65 0.37 5.24 11 0.35 5.00 0.36 5.60 12 0.35 5.35 0.35 5.95 13 0.30 5.65 0.34 6.29 14 0.30 5.95 0.33 6.62 15 0.30 6.25 0.32 6.94 16 0.30 6.55 0.32 7.26 17 0.30 6.85 0.31 7.57 18 0.30 7.15 0.30 7.87 19 0.30 7.45 0.30 8.17 20 0.30 7.75 0.29 8.47