深水库区施工工程浮箱的设计

2019-09-12 版权声明 举报文章

《湘潭大学自然科学学报》2014年第二期

1综合设计法特点

综合设计法在传统工程浮箱设计理论的基础上进一步完善,并提出了专用浮箱的设计理论,从静力学,耐波性,以及防腐等各方面对专用工程浮箱进行了分析.(1)传统工程浮箱以单一规范进行设计,且主要是用于搭建浮桥、栈桥等临时工程设施[6~8],对于组拼复杂的浮式平台,其缺陷非常明显.综合设计法专门针对浮式施工平台进行设计,综合了钢结构设计规范、内河小船建造规范、钢结构质量验收规范等,从而使得设计更加科学、合理.(2)传统工程浮箱的设计承载力一般比较低,往往需要上几台钻机,如果遇到需要加快工期的情况,平台上的施工荷载也会成倍的增加,因而对浮箱的承载力提出了更高的要求,这就使得传统工程浮箱难以满足浮式平台施工要求.综合设计法针对这一难题,设计提出了一种适用于搭建深水库区桩基础施工平台的专用钢浮箱.(3)稳定性和定位精度一直是浮式施工平台使用过程中的一大弊端.而传统工程浮箱基本上不考虑定位精度的问题.专用工程浮箱针对浮式施工平台钻机施工过程晃动大,稳定性及定位精度等难以达到要求的难题,对浮箱进行针对性设计,改善了锚碇系统,在一定程度上解决了这一难题.(4)传统工程浮箱主要以工程经验和统计参数进行设计,有时难免出现安全系数过大,造成材料的浪费;或安全系数不足,造成人员财产等的损失.在综合设计法理论中将可靠性理论有效地应用在专用浮箱的设计过程中,用科学的统计学理论分析浮箱构件的强度参数,使得综合设计法更系统化、科学化.

2工程实例

项目为樟湖库区大桥的深水桩基础施工,库区正常蓄水位65.0m,水深40m左右.浮式平台主要承受平台面荷载、钻机荷载以及龙门荷载等[3].浮箱尺寸为9m×3m×1.5m,如图2.通过浮箱组合成3n×9×1.5(n为浮箱的个数)的大型浮体.工程浮箱的箱体骨架体系设计是整个结构设计的最重要内容.其体系的组成包括各类相互连接的钢骨架、箱体上层甲板、箱侧板、底部面板和端板等.在各类构件进行合理的组合后,构件的尺寸主要由强度和稳定决定,还要保证危险截面构件的局部强度.并对整体结构进行设计和检验,验算结果见表1及表2.由表1及表2可知,对浮箱局部的强度验算符合构件安全设计基本要求,保证了浮箱整体构件的强度设计安全可靠,一方面满足了设计规范的要求,另一方面也预留了一定的强度储备.

3有限元计算和分析

3.1有限元模型的建立由于浮箱实际构造和受力情况比较复杂,故在建立浮箱有限元模型时,忽略以下因素的影响:浮箱在水中的整体自由位移;浮箱各部分构件在制造过程中所产生的焊接残余应力;温度等环境的影响.箱体模型采用板梁组合结构,实肋板等骨架采用BEAM188单元,面板采用SHELL63单元,依据浮箱的标准尺寸9m×3m×1.5m,建立有限元模型如图3所示.

3.2边界条件和荷载的施加浮箱是一个漂浮体,处于平衡力系之下,但没有对刚体运动的约束.而有限元分析要求结构的刚体被支座所限制,以便计算结构的相对变形.为此,必须给浮箱加上适当的约束,令浮箱不能做刚体运动,同时也不能限制浮箱变形,不能影响浮箱结构的受力,这样求出相对变形与内力才是真实的[9,10].通常,边界条件在浮箱底面左端节点施加X、Y、Z三个方向位移约束,右端节点施加Y、Z方向位移约束,并在浮箱底部施加面弹性支撑[11].浮箱计算荷载工况如下:工况1:空箱浮在水中;工况2:浮箱甲板刚好浸没在水中;工况3:中拱状态;工况4:中垂状态.

3.3计算结果分析通过有限元计算求解可得各工况作用下主龙骨位移如图4所示,因对称只取浮箱一半长度;由图4可知,主龙骨的位移值在工况1作用下均为正值,且值较小,这与实际情况相符.在工况2,3,4作用下时主龙骨的位移值趋势一致,靠近端部位移有少许正值是受边界条件的影响;浮箱主龙骨分别在1.5m,3.0m和4.5m处有位移趋势的突变,这是由于在这三处位置均设置了钢管支撑,与实际受力情况相符.在工况4作用下浮箱整体变形图及其Z方向位移云图如图5及图6所示,浮箱应力云图如图7所示.由表3可知,浮箱整体位移较小(最大约2mm),在各种工况作用下的静力变形位移均较小,在此忽略了浮箱在水中自由整体浮动位移.浮箱应力亦较小,在工况4下,浮箱最大应力为46.4MPa,远小于Q235-B钢材的屈服强度值235MPa,能满足使用专用工程浮箱拼组浮式平台的要求.因此浮箱的各项指标均在规范控制范围之内,浮箱整体性能良好.

4浮箱结构可靠度分析

浮箱结构可靠度分析采用一次二阶矩中心点法进行,在保证计算精度的基础上,完成可靠度分析.假设影响整体结构的可靠度为n个随机变量Xii=1,2,…,()n,则结构功能函数的极限状态方程可以表示为:依据上述方法分别对连接板焊缝强度、箱体截面强度进行计算,得到构件可靠指标和失效概率,见表4(具体计算见文献[12]).由表4可以得出,通过对浮箱的接头连接板焊缝强度和箱体结构的可靠性进行分析计算,计算结果显示,可靠度指标最小值为4.48,丙丁钩连接板焊缝的失效概率为Pf=6.20×10-8,单双耳连接板焊缝的失效概率为Pf=3.10×10-6,表明浮箱结构构件在极限状态下承载能力的安全等级为一级,整体结构强度安全储备满足要求,抵抗风险能力强.

5结论

以福建樟湖库区大桥深水桩基水上施工为工程背景,提出了一种适合于大型水上施工平台专用浮箱的设计理论———综合设计法,并将其应用于福建樟湖库区大桥的深水桩基础水上平台专用浮箱设计,有效解决了多功能浮箱无法满足深水桩基施工水上平台要求的难题.(1)对比了传统工程浮箱与专用工程浮箱的设计理论与方法;(2)利用综合设计法确定专用工程浮箱结构型式及尺寸,并对浮箱进行验算,结果表明浮箱局部强度符合构件安全设计要求;(3)利用有限元软件对浮箱整体结构进行分析,在工况4下浮箱整体位移较小(最大约为1.3mm),最大应力为46.4MPa,分析结果表明浮箱整体性能良好;(4)将可靠度理论引入专用工程浮箱的设计中,对浮箱结构强度进行可靠度分析,浮箱可靠度指标最小值为4.48,表明浮箱强度安全储备满足要求,抵抗风险能力强.专用浮箱搭建的水上作业平台,在加快工程施工进度的基础上,能保证桥梁施工质量.在工程完工后专用浮箱模块可以重复应用于其他工程,可提高工程效益,为类似工程提供借鉴意义.

作者:陈锐林唐世江高瑞宏曹素功肖新强唐璋胡洪波单位:湘潭大学土木工程与力学学院四川工程职业技术学院

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