MIDAS_CIVIL软件在深水基础钢板桩围堰分析中的应用_罗建华

·160·

价值工程

MIDAS-CIVIL软件在深水基础钢板桩围堰分析中的应用ApplicationofMIDAS-CIVILSoftwareforAnalysisofStealSheet-pileCofferdaminDeepwaterFoundation

罗建华LuoJianhua

（陕西铁路工程职业技术学院，渭南714000）

Weinan714000，China）（ShaanxiInstituteofRailwayEngineeringTechnology，

摘要：针对深水承台施工难的问题，介绍了密扣式拉森钢板桩FSPⅣ型围堰支护设计方法，并应用MIDAS-CIVIL三维结构软件建立力学模

型，对钢板桩进行强度和刚度计算，验算钢板桩的实际受力及支护结构的稳定性，以确保支护结构的精确性和安全性。从而达到满足工程施工需

要，节省投资、缩短工期、提高社会经济效益的目的，也为其它类似工程提供应用参考。

Abstract:Contraposingtheproblemofpilecapsconstructionindeepwater,weintroducedesignproceduresofcompactnessFSPⅣLarssenstealsheet-pilecofferdamsupport，establishmechanicalmodelwithMIDAS-CIVILsoft,calculatethestrengthandinflexibilityofsteelsheetpile,andcheckrealisticload-carryingcapabilityandstabilityofsupportingstructuretomakesureitaccuracyandsafety.Itcansatisfytheneedofengineering

saveinvestment，shortendaysforconstruction，enhancesocietyeconomiceffectiveness,andcanbereferredforothersimilarproject.construction，

关键词：MIDAS-CIVIL软件；深水基础；钢板桩围堰；分析；应用Keywords:MIDAS-CIVILSoftware；deepwaterfoundation；stealsheet-pilecofferdam；analysis；application

中图分类号：TP31

文献标识码：A

文章编号：1006-4311（2011）17-0160-03

1工程概况

某大桥路线法线与水流方向夹角为12°，汇水面积F=1099km2，

水位H1%=17.85m，流速V1%=3.0m/s，施工水位流量Q1%=2102km3/s，

H=14.2m，经现场踏勘调查，测时水位11.5m，涨水季节洪水水位为

##

13.0m。大桥的82-90桥墩位于江中，均为钻孔桩基础，钻孔桩穿过地层依次为粉土、细圆砾土，泥质粉砂岩、砂岩，含砾砂岩强风化、弱风化。

承台基坑支护结构的设计，与地质情况、地下水位、土质参数及

支撑体周围环境等都有密切的关系，涉及的内容包括：围护结构、

[1]

挖土方案、换撑措施、降水方案和地基加固等。钢板桩围堰具有系、

强度高、接合紧密不易漏水、施工简便、速度快、可减少基坑土方开

可多次重复使用等特点，广泛应用于水中承台的施工中[2]。经挖量、

对方案的安全性、经济性、实用性、实施性、工期等方面分析比较，决定选用钢板桩围堰方案。

2钢板桩计算基础资料

2.1钢板桩设计参数及施工条件根据现场工程地质与水文评价报告，钢板桩围堰设计与施工条件见表1。

表1钢板桩围堰设计与施工条件

序号

123456710111213141516

项目

钢板桩顶面标高

设计水位承台顶标高承台底标高封底混凝土底标高

水流速度水重度钢材重度混凝土重度砼与钢的粘结力封底混凝土厚度

封底C30混凝土设计抗拉强度

Q235钢材的允许应力

允许剪应力

拉森钢板桩FSPⅣ型的允许应力

允许剪应力

指标+12.5m+11.5m+5.192m+2.692m+0.692m1.5m/s10KN/m378.5KN/m324KN/m3[f]=150KPa2.5mftd=1.43Mpa[σ]=188.5Mpa[τ]=110.5MPa[σ]=273Mpa[τ]=156MPa

2.3土压力系数根据库伦理论，土压力系数见表2。

表2土压力系数

序号1

2

土的类型细圆砺土风化岩层

主动土压力系数

Ka1=0.33Ka2=0.27

被动土压力系数

Kp1=3.00Kp2=3.69

2.4水流压力考虑河流水流压力，经计算，取FW=1.5KN/m2，计算水位可取标高+11.5m。

3钢板桩设计及计算荷载

3．1拉森钢板桩FSPⅣ型的技术参数钢板桩选用主要考虑其支护深度，土质及周围水的情况[3]。经综合考虑，采用16m长密扣式拉森钢板桩FSPⅣ型，拉森钢板桩FSPⅣ型的技术参数如下：

①一根桩钢板桩：宽度B=400mm、高度h=170mm、厚度t=

2

15.5mm、截面积A=96.99cm、重量W=76.1Kg/m、惯性矩Ix=4670cm4、截面模量Wx=362cm3。

②一延米钢板桩技术参数：重量W=190Kg/m、惯性矩Ix=

截面模量Wx=2270cm3、半截面面积矩Sx=96.99×（4670÷38600cm4、

3

362）×（50÷40）=15cm。

3．2钢板桩支护基本结构尺寸围堰尺寸1455×1198cm，围堰的支护方案为钢板桩+2道内支撑，钢板桩长16m的密扣式拉森FSPⅣ型钢板，钢围檩、角斜撑均采用2I36a的工字钢组合梁，横撑采

采用角撑和横撑可以加强围堰的整体稳定用Φ529mm钢筒支撑梁，

性和刚度，钢板桩支护基本结构见图1。结合工程实际情况并参考其他类似工程是计算模型，在模型最下方壁板单元节点上添加固定铰约束。

2.2河床底土层性能指标河床底自上至下土层的指标如下：细圆砺土（标高2.4m~7.0m）：中密，III级：γ1=20.5KN/m3，ψ1=

2

30°，c1=2KN/m，h1=4.6m，弹性模量E1=100Mpa；风化岩层（岩层顶面

32

标高2.4m）：γ2=23KN/m，ψ2=35°，c2=100KN/m，弹性模量E2=300Mpa。

———————————————————————

图1钢板桩支护基本结构图

作者简介：罗建华（1959-），男，湖南邵东人，大学本科，学士学位，副教授，陕

西铁路工程职业技术学院教师。

3.3围堰施工阶段工况计算

3.3.1计算参数Q235钢材的弹性模量E=2.06×105MPa，容重为

ValueEngineering

76.98KN/m3，泊松比为0.3；

C30混凝土的弹性模量E=3×104MPa，容重为25KN/m3，泊松比为0.2；

），中密，III级：γ1=20.5KN/m3，ψ1=细圆砺土（标高2.4m~7.0m

2

30°，c1=2KN/m，h1=4.6m，弹性模量E1=100Mpa，泊松比为0.3；

风化岩层（岩层顶面标高2.4m）：γ2=23KN/m3，ψ2=35°，c2=

弹性模量E2=300Mpa，泊松比为0.25。100KN/m2，

3.3.2计算荷载采用MIDAS-CIVIL中的自重自动加载。重力加速度值为9.806m/s2。

3.3.3静水压力计算可得在计算模型最底端的静水压力为150Kpa；流水压力数值相对于静水压力而言比较小，本工程中不予考虑；波浪力按P=15KPa，浪高3m计算。

4钢板桩建模思路及边界条件

4.1建模思路Midas是专门针对岩土工程开发的有限元计

双壁钢围堰采用算软件，该软件界面简洁，前处理功能强大[4]。[5]

MIDAS-CIVIL三维结构软件建立空间整体模型。利用MIDAS有限

计算模型中，钢板桩按元分析软件对钢围堰进行空间和平面分析[6]。

照每延米的惯性矩等效为矩形截面的钢板，用4节点板单元模拟，钢围檩、水平斜杆和横撑梁按杆单元模拟，而围堰内河床底的土层、封底混凝土采用实体单元进行模拟。钢板桩围堰的整体模型见图2，围堰内支撑体系模型见图3。

·161·

图4结构变形云图（工况4）图5钢板桩弯矩云图（工况4）

图6第一道支撑体系受到

的轴压力（工况4）图7第一道支撑体系的应力云图（工况4）

图8第二道支撑体系受到的轴压力（工况4）图9第二道支撑体系的应力云图（工况4）

图3围堰内支撑体系模型

图2钢板桩围堰的整体模型

4.2计算工况的确定为了详细考虑围堰各施工阶段不同受力

强度以及稳定性是否满足施工要求，对围堰进状态下，结构的刚度、

行以下工况的分析：

工况1：用抽水泵将围堰内积水抽到标高+10.5m处，安装第二道内支撑（标高+11.0m）。

工况2：当第一道内支撑安装调试完毕后，用抽水泵将围堰内积水抽到标高+7.0m处，安装第二道内支撑（标高+7.5m）。

工况3：当第二道内支撑安装调试完毕后，让河水回流到围堰内，当围堰内外水位持平后，开始带水开挖围堰内土方至+0.692m，并用C35混凝土封底。

工况4：当封底混凝土强度达到设计要求后，用抽水泵将围堰内积水抽到封底混凝土顶面+2.692m处。

工况5：当主墩分次浇筑至标高为+7.0m处并拆模后，往围堰内回填砂至标高+7.0m，同时拆掉第二道内支撑（标高+7.5m）。

工况6：当主墩分次浇筑至标高为+10.5m处并拆模后，往围堰内回填砂至标高+10m，同时拆掉第一道内支撑（标高+11.0m）。

5结果分析

依据建立的双壁钢围堰空间整体模型，采用MIDAS-CIVIL三维结构软件对六种工况进行分析计算。通过对计算结果进行分析，选取最不利的三种工况（工况4，工况5，工况6），工况4结构的变形、钢板桩的弯矩、支撑内力见图4-9，工况5结构的变形、钢板桩的弯矩、支撑内力见图10-13，工况6结构的变形、钢板桩的弯矩、支撑内力见图14-15。三种最不利工况计算结果进行汇总情况如表3所示。

按照设计的构件尺寸以及钢材的力学性能，钢板桩每延米的极限弯矩是600kN.m，支撑的极限轴力为2876kN。则：

图10结构变形云图（工况5）图11钢板桩弯矩云图（工况5）

图12第一道支撑体系受

到的轴压力（工况5）图13第一道支撑体系的

应力云图（工况5）

图14结构变形云图（工况6）图15钢板桩弯矩云图（工况6）

600=1.42钢板桩的抗弯安全系数：422·162·

价值工程

嵌入式操作系统内核程序的设计与实现

DesignandImplementationofKernelProgramonEmbeddedOperatingSystem

袁辉YuanHui

（陕西工业职业技术学院，咸阳712000）（ShaanxiPolytechnicInstitute，Xianyang712000，China）

摘要：本文设计了一个微内核结构的嵌入式操作系统，整个系统内核由任务管理、任务通信、时钟管理、中断管理、内存管理等模块组成，并

给出了系统各模块的详细设计。

Abstract:Thepaperdesignedamicrokerneloperatingsystem.Thesystemkernelconsistsoftaskmanagementmodule,taskcommunicationmodule,clockmanagementmodule,interruptmanagementmoduleandmemorymanagementmodule.Thedetaileddesignofeachmodulewasshowed.

关键词：嵌入式操作系统；微内核；任务Keywords:embeddedoperatingsystem；microkernel；task

中图分类号：TP316

文献标识码：A

文章编号：1006-4311（2011）17-0162-02

1嵌入式系统的内核简介

操作系统内核是操作系统最核心最基础的部分，其结构往往对操作系统的外部特性以及应用领域有着一定程度的影响。操作系统

微内核两种。微内按内核的结构来分大致可以把内核分为单内核、

核是内核的精简版本，只是提供操作系统的核心功能，如任务调度、时钟管理、中断管理等，把其它功能以系统服务器的方式提供给用户，用户可以根据需要对其进行裁减。采用微内核结构的操作系统占用的内存小，可移植性强，从而有效提高了系统的灵活性、可扩展性、可维护性与可靠性。本系统是基于微内核的操作系统内核设计。

2内核整体结构

本系统采用模块化结构，最多可支持个优先级队列256个任务，同一优先级队列上可以有多个任务，整个系统中总是就

———————————————————————

机应用技术。

图1系统内核结构

作者简介：袁辉（1977-），男，陕西咸阳人，硕士，讲师，主要研究方向为计算

绪的优先级最高的那个队列的任务优先得到执行。整个系统内核分

为任务调度、任务通信、中断管理、临界资源管理、时钟管理、内存管理等几个模块，系统内核的整体结构如图1。

3嵌入式微处理器内核程序的设计3.1上下文切换在

低优先级任务低优先级任务

单CPU的机器上运行指任务控制块任务控制块

堆栈顶部指针堆栈顶部指针令，只能运行单一的指令

……

序列，所以在不加任何外

堆栈堆栈CPU在机制的情况下是不可

spsrspsrR0

能运行多个没有关联的cpsrcpsrR1

R0R0任务的。为了实现多任务R2

R1R3R1

而实现的这个处理机制，

R2R2R4

就是上下文切换。R3R5R3

R4R6R4上下文切换的核心

R7R5R5

思想是：保存当前运行任R6R6R8务的各种信息，接着恢复R7R7R9恢保

复存R8R8R10上另一个任务的各种信息。上

下下R9R11R9

文文整个过程可以如下的图2R10R10R12

R11R14R11来描述。

R12R12R15

3.2任务调度本系

R14cpsrR14

统结合了基于优先级抢spsr返回地址返回地址占式调度和基于时间片图上下文切换过程

2

表3三种最不利工况计算结果进行汇总表

方案设计控制指标

结构变形钢板桩弯矩支撑的最大轴压力支撑的最大轴拉力钢围檩最大应力

最大值75mm422kN.m1446kN170kN218MPa

出现的工况工况6工况5工况4工况4工况5

2876=1.99钢支撑的安全系数：1446参考文献：

从计算云图可以看到，钢围檩只是在与支撑的节点处应力才出[1]卓全.钢板桩支护设计与施工中应注意的若干问题[J].建筑科学，

18（4）：42-44.现局部增大的现象，其他部位钢围檩的应力大小基本在40MPa-2002，

[2]谢子山.丙洲大桥承台钢板桩围堰的设计与施工[J].黑龙江科技信息，由于节点都有加强措施，故允许应力可以增大为1.2100MPa之间，

倍，则218MPa<1.2×188.5=226MPa。因此，钢围檩的应力满足要求。223.

[3]薛政群，顾卫东.单层钢板桩深水围堰[J].公路，2003（3）：81-85.钢板桩变形符合要求。

[4]卢洋，傅德胜，郑关胜.基于MIDAS多层结构的构建与开发[J].武汉理

设计方案与实测结果的对比表明，钢板桩墙的刚度随钢板桩变

2004，28（1）：141-144.工大学学报（交通科学与工程版），

形而变化，当刚板桩的变形较小时，其刚度也较小，抗弯能力较差，

[5]崔春义，黄建等.不同水位下钢板桩围堰工作性状有限元分析[J].广西

当变形增加时，刚度和抗弯能力随之增加[7]。

大学学报：自然科学版，2010，35（1）：187-192.

通过对钢板桩围堰施工过程的监控监测，钢板桩围堰的各种受[6]李慧君，陈建峰.斜交框架桥的有限元分析[J].铁道工程学报，2007力工况良好，钢板桩变形及内支撑轴力均符合设计要求，而且具有（2）：59-60.

[8]

较大的安全储备，围堰结构始终处于安全状态。[7]戴汕,杨明军.单排钢板桩围堰施工工艺[J].水运工程,2007,（7）:81-84.

6结束语2007（9）：[8]沈晓松.广州新光大桥钢板桩围堰设计[J].公路交通技术，结合钢板桩结构在深基坑支护中的应用，利用MIDAS-CIVIL56-58.

三维结构软件对钢板桩支护进行模拟分析，通过数值模拟与施工过程中的位移监控，较好地预测了支护系统的动态变化趋势，达到了及时反馈进而完善支护体系的目的。

通过围堰结构的设计分析可知，采用密扣式拉森钢板桩FSPⅣ型及内支撑的平面形式、层数，既可以满足钢板桩的内力、变形及内支撑的内力、稳定性要求，又可以通过采用角撑减少对撑数量的方式提供较大的施工工作面，方便施工，大大减少内支撑的工程量，在缩短工期的同时降低工程造价。